Examples of ball packing, ball covering, and box covering. @wikipedia

«هندسه‌ی فرکتالی، فقط بخشی از ریاضیات نیست، بلکه موضوعی است که به هرکس کمک می‌کند تا این دنیا را متفاوت ببیند.»  بنوا مندلبرو – پدر هندسه‌ی فرکتالی

خیلی وقت پیش در مورد فرکتال‌ها نوشتم که شما می‌تونید اونا رو بخونید: 

این هفته، در مورد هندسه فرکتالی یک سخنرانی در دانشگاه شهید بهشتی داشتم با موضوع «مقدمه‌ای بر هندسه فرکتالی» می‌تونید ویدیوی این سخنرانی رو ببینید. همین‌طور اسلاید‌ها و فایل صوتی:

 

 

پیچیدگی چیست؟!

حدود۳۳۰ سال پیش، نیوتون با انتشار شاهکار خود، اصول ریاضی فلسفه طبیعی، نگاهی جدید نسبت به بررسی طبیعت  را معرفی کرد. نگاه نیوتون به علم به کمک نظریه الکترومغناطیس که توسط مکسول جمع بندی و در نهایت توسط آلبرت اینشتین کامل شد، شالوده فیزیک‌کلاسیک را بنا نهاد. انقلاب بعدی علم، توسط مکانیک کوانتومی رخ‌داد. ‌آن‌چه که مکانیک کوانتومی در قرن ۲۰ میلادی نشانه گرفت، مسئله موضعیت در فیزیک کلاسیک و نگاه احتمالاتی به طبیعت بود. نگاهی که سرانجام منجر به پارادایمی جدید در علم، به عنوان فیزیک مدرن شد. با این وجود، علی‌رغم پیشرفت‌های خارق‌العاده در فیزیک و سایر علوم، کماکان در توجیه بسیاری از پدیده‌ها وا مانده‌ایم. پدیده‌هایی که همیشه اطرافمان حاضر بوده‌اند ولی هیچ‌موقع قادر به توجیه رفتار آن‌ها نبوده‌ایم. بنابراین، می‌توان به این فکر کرد که شاید در نگاه ما به طبیعت و مسائل علمی، نقصی وجود داشته باشد. به‌ دیگر سخن، بعید نیست که مجددا نیاز به بازنگری در نگاهمان به طبیعت (تغییر پارادایم) داشته باشیم؛ عده‌ی زیادی معتقدند آن‌چه که در قرن ۲۱ام نیاز است، نگاهی جدید به مبانی علم است؛ نگاه پیچیدگی!

سردمداران فیزیک مدرن – پنجمین کنفرانس سُلوی (۱۹۲۷).

گاهی گفته می‌شود که ایده پیچیدگی، بخشی از چهارچوب اتحاد بخشی برای علم و انقلابی در فهم ما از سیستم‌هایی مانند مغز انسان یا اقتصاد جهانی است که رفتار آن‌ها به‌سختی قابل پیش‌بینی و کنترل است. به همین خاطر، سوالی مطرح می‌شود؛ آیا چیزی به عنوان «علم پیچیدگی» وجود دارد یا اینکه پیچیدگی متناظر با هر شاخه‌ای از علم، دارای شیوه خاص خود است و مردم در رشته‌های مختلف مشغول سر و کله زدن با سیستم‌های پیچیده زمینه کاری خود هستند؟! به عبارت دیگر، آیا یک پدیده طبیعی مجرد به اسم پیچیدگی، به عنوان بخشی از یک نظریه خاص علمی در سیستم‌های متنوع فیزیکی (شامل موجودات زنده)  وجود دارد یا اینکه ممکن است سیستم‌های پیچده گوناگونی بدون هیچ وجه مشترک وجود داشته باشند؟! بنابراین، مهم‌ترین سوالی که در زمینه پیچیدگی می‌توانیم بپرسیم این است که، به‌ راستی پیچیدگی چیست؟ و در صورت وجود پاسخ مناسب به این پرسش، به دنبال این باشیم که آیا برای تمام علوم یک نوع پیچیدگی وجود دارد یا اینکه پیچیدگی وابسته به حوزه مورد مطالعه است!

در مورد تعریف پیچیدگی، هنوز اتحاد نظری بین متخصصان یک رشته خاص، مانند فیزیک، وجود ندارد، چه برسد به تعاریفی که در رشته‌های متنوع مطرح می‌شود. این تعاریف در ادامه نقد و بررسی می‌شوند. با این وجود، مشترکات زیادی در بین تعاریف موجود وجود دارد که برای شروع بحث، مرور آن‌ها خالی از لطف نیست:

  • برای ما، پیچیدگی به معنای وجود ساختار به همراه تغییرات است. (۱)
  • از یک جهت، سیستم‌پیچیده، سیستمی است که تحول آن شدیدا به شرایط اولیه و یا اختلال‌های کوچک حساس است. سیستمی شامل تعداد زیادی قسمتِ مستقلِ درحالِ برهمکنش با یکدیگر که می‌تواند مسیرهای مختلفی برای تحولش را بپیماید. توصیف تحلیلی چنین سیستمی قاعتدا نیاز به معادلات دیفرانسیل غیرخطی دارد. از جهت دیگر، می‌توانیم نگاهی غیررسمی داشته باشیم، به این معنا که اگر بخواهیم قضاوتی داشته باشیم، سیستم «بغرنج (complicated) » است و قابلیت اینکه دقیقا به طور تحلیلی یا نوع دیگری توصیف شود  وجود نداشته باشد.(۲)
  • به طور کلی، صفت «پیچیده»، سیستم و یا مولفه‌ای را توصیف می‌کند که فهم یا تغییر طراحی و/یا عملکرد آن دشوار باشد. پیچدگی توسط عواملی چون تعداد مولفه‌های سازنده و روابط غیربدیهی بین‌ آن‌ها، تعداد و روابط غیربدیهی شاخه‌های شرطی، میزان تودرتو بودن و نوع ساختمان داده است. (۳)
  • نظریه پیچیدگی بیان می‌کند که جمعیت زیادی از اجزا، می‌توانند به سمت توده‌ها خودسازماندهی کنند و منجر به ایجاد الگو، ذخیره اطلاعات و مشارکت در تصمیم‌گیری جمعی شوند. (۴)
  • پیچیدگی در الگوهای طبیعی نمایانگر دو مشخصه کلیدی است؛ الگوهای طبیعی حاصل از پردازش‌های غیرخطی، آن‌هایی که ویژگی‌های محیطی که در آن عمل می‌کنند یا شدیدا جفت‌شده‌اند  را اصلاح می‌کنند و الگوهای طبیعی که در سیستم‌هایی شکل می‌گیرند که یا باز هستند یا توسط تبادل انرژی، تکانه، ماده یا اطلاعات توسط مرزها از تعادل خارج شده‌اند. (۵)
  • یک سیستم پیچیده، دقیقا سیستمی است که برهم‌کنش‌های چندگانه‌ای بین عناصر متفاوت آن وجود دارد. (۶)
  • سیستم‌های پیچیده، سیستم‌هایی با تعداد اعضای بالایی هستند که نسبت به الگوهایی که اعضای آن می‌سازند، سازگار می‌شوند یا واکنش نشان می‌دهند. (۷)
  • در سال‌های اخیر، جامعه علمی، عبارت کلیدی «سیستم‌ پیچیده‌»  را برای توصیف پدیده‌ها، ساختار، تجمع‌ها، موجودات زنده و مسائلی که چنین موضوع مشترکی دارند را مطرح کرده است: ۱) آن‌ها ذاتا بغرنج و تودرتو هستند. ۲) آن‌ها به ندرت کاملا تعینی هستند. ۳) مدل‌های ریاضی این گونه سیستم‌ها معمولا پیچیده و شامل رفتار غیرخطی، بدوضع (ill-posed) یا آشوبناک هستند. ۴) این سیستم‌ها متمایل به بروز رفتارهای غیرمنتظره (رفتارهاری ظهوریافته) هستند. (۸)
  • پیچیدگی زمانی آغاز می‌شود که علیت نقض می‌شود! (۹)

شمایی از موضوعات مطرح در سیستم‌های پیچیده – نگاره از ویکی‌پدیا

در مورد تعاریف فوق ابهاماتی وجود دارد؛ در (۱) باید ساختار و تغییرات را به درستی و دقت معنا کنیم. در (۲) باید به دنبال تلفیق سیستم‌های پیچده و مفاهیمی چون غیرخطی، آشوب‌ناک و بس‌ذره‌ای بودن باشیم و به درستی مشخص کنیم که آیا این‌ ویژگی‌ها شرط لازم / کافی برای یک سیستم پیچیده هستند یا نه. (۳) و (۴) مفاهیم محاسباتی و موضوعاتی از علم کامپیوتر را مطرح می‌کند که به خودی‌خود مسائل چالش‌برانگیزی هستند! (۵) ایده مرکزی غیرخطی بودن را مطرح می‌کند؛ در ادامه می‌بینیم با این که تعداد زیادی از سیستم‌های پیچیده از ویژگی غیرخطی بودن تبعیت می‌کنند، با این وجود غیرخطی بودن نه شرط لازم و نه شرط کافی برای پیچیدگی است. در مورد (۶) و (۷) نیز باید تاکید کنیم که بس‌ذره‌ای بودن و شامل اعضا/عناصر/مولفه/افراد زیادی بودن نیز شرط کافی برای پیچیدگی نیست.  در ادامه خواهیم دید، تعریف (۸) که ایده‌ی برآمدگی (ظهوریافتگی یا Emergence) را مطرح می‌کند می‌تواند مفهومی بسیار گیج‌کننده باشد برای اینکه به کمک آن بتوانیم سیستم‌های پیچیده را تمیز و تشخیص دهیم. در مورد تعریف (۹) باید بحث زیادی کنیم چرا که افراد زیادی در برابر نقص علیت ناراحت خواهند شد! به همین دلیل است که گاهی درک سیستم‌های پیچیده برای مردم دشوار است.

بنابراین با توجه به ابهامات تعاریف افراد مختلف در حوزه‌های گوناگون علم، بهتر از است که مفاهیم وابسته به پیچدگی را بررسی کنیم.

Continue reading

معمولاً با ورود به دانشگاه مردم به‌یک‌باره شاهد یک تغییر اساسی در جوّ عمومی افرادی که باهاشون سر و کار دارن ،نیازها و خواسته‌ها و تجربه‌های عملی مورد نیازشون میشن. در رشته فیزیک و به‌ طور‌ کلی در رشته‌هایی که نسبت افرادی که با آگاهی و شوق پیشین وارد دانشگاه میشن بیشتره، این تاثیرات به‌نسبت شدیدتر هم هست. در ادامه سعی میکنیم به تعدادی از پرسش‌هایی که یک داشجوی سال اول فیزیک ممکنه داشته باشه جواب بدیم. پرسش‌هایی که پاسخ دادن بهشون توسط خود دانشجو ممکنه مستلزم آزمون و خطا و گذران زمان زیادی باشه.

  • پرسش: کتاب میخوام. چطوری کتاب‌هایی که میخوام رو پیدا کنم؟

احتمالاً از اولین روزی که وارد دانشگاه شدید بهتون گفتن که کتاب‌هاتون رو سعی‌کنید به زبان اصلی بخونید.مزایای این کار اینقدر زیاده و اینقدر گفته‌شده که دیگه گفتن نمیخواد. ولی پرسش اینه که آیا باید پاشیم بریم انقلاب در به در دنبال کتاب انگلیسی بگردیم؟physicsstudentdscf1136w900

قاعدتاً بله، باید برید جایی رو پیدا کنید که از ناشر اصلی کتاب رو بخره، برداره بیاره اینجا و برسونه دست شما. اما این کار اصلاً آسون نیست. کتاب‌های اصلی معمولاً گرون‌اند، آوردنشون به ایران سخته که گرون‌ترشون میکنه و گاهی تقاضا براشون خیلی زیاد نیست که باعث میشه باز هم گرون‌تر به دست خواننده برسه. گزینه دیگه‌ای که وجود داره کتاب‌هایی‌اند که همین‌جا غیرقانونی و معمولاً به صورت آفسِت یا فوتوکپی چاپ میشن و معمولاً قیمت به‌نسبت مناسب‌تری در برابر کتاب‌های اصلی دارند. وقتی می‌خواید همچین کتابی بخرید چیزی که باید بدونید اینه که پولی که خرج می‌کنید، تقریباً کامل به شکل سود خالص میره تو‌ جیب سودجو‌ها و متقلبینی که دقیقاً همین کار رو با بازار نشر محتوای در دسترس هم دارند انجام میدن، یعنی شما با پولتون حیات مالی فرآیندی رو تأمین کردید که منجر به از بین رفتن نویسندگان، مترجمان و ناشرانی که پایه اصلی فرهنگی ملت هستند میشه. گزینه دیگه‌ای که وجود داره و ما اون رو به تأکید پیشنهاد میکنیم استفاده از نسخه‌های الکترونیکی کتاب‌هاست.

اگر دسترسی مالی دارید که به راحتی میتونید از نسخه‌های نشر الکترونیکی که خود ناشر یا مثلاً جایی مثل وبسایت آمازون تأمین میکنه استفاده کنید و از تمام مزایای استفاده از نشر الکترونیک، به‌خصوص کمک به حفظ محیط‌زیست بهره‌مند بشید. همچنین وبسایت‌هایی در اینترنت وجود دارند که امکان دانلود طیف بسیار وسیعی از کتاب‌ها رو به کاربرانشون میدن. در حال حاظر گسترده‌ترین کتابخانه محتوای آنلاین لیبجن و وبسایت‌های وابسته به اونه. چیزی که باید هنگام استفاده از چنین مجموعه‌هایی بدونید اینه که استفاده و نشر بخش زیادی از این مجموعه‌ها در بسیاری از کشورها غیرقانونیه یا مورد بحث‌های حقوقی روز هست. حالا دیگه استفاده کردن یا نکردن و محّق بودن بودن شما در استفاده به خودتون مربوط میشه.(آشنایی بیشتر با جنبش دسترسی آزاد میتونه شما رو در تصمیماتتون یاری بده.)

  • من تمام موارد بالا رو میدونم و میخوام کتابی رو دانلود کنم، باید چیکار کنم؟

اول اینکه باید بدونید چیزی که می‌خواید دانلود کنید دقیقاً چیه، پس توی یه موتور جستجو -مثلاً گوگل- بگردید و اطلاعات کتابی که می‌خواید رو پیدا کنید. معمولاً صفحه آمازون همون کتاب جای خوبیه برای کسب اطلاع راجع‌به یک کتاب. به خصوص که به نظرات دیگر خوانندگان کتاب هم دسترسی دارید. حالا که کتابتون رو می‌شناسید به یکی از وبسایت‌های libgen، bookzz و bookfi مراجعه‌ و کتاب رو پیدا میکنید. دو راه وجود داره برای این‌کار، اول اینکه اسم کتاب و شاید به همراه اسم نویسنده رو وارد و اگه کتاب موجود‌ بود دانلودش میکنید. راه دیگه اینکه کتاب‌هایی رو که شناسه DOI براشون ثبت شده، این شناسه رو وارد میکنید و کتاب مورد‌نظرتون رو دانود میکنید. (که این شناسه رو معمولاً تو صفحه مربوط به کتاب توی وبسایت ناشر میتونید پیدا کنید.)

تنها نکته‌ای که میمونه فرمت فایل دریافتیه.معمولاً کتاب‌ها با فرمت آشنای pdf منتشر میشن که مردم برای استفاده ازشون مشکلی ندارن، گاهی اما کتاب‌ها با فرمتهای DJVu، EPUB یا دیگر فرمت‌های کمترآشنا منتشر میشن که در خیلی از سیستم‌عامل‌ها به یک نرم‌افزار اضافه نیازدارید که بتونید بازش کنید. این نرم‌افزارها فراوان در اینترنت برای انواع سیستم‌عامل‌ها و با امکانات متنوع و عمدتاً به صورت رایگان وجود دارند. همچنین اکثر این نرم‌افزارها به شما این امکان رو میدن که از این فایل‌ها خروجی pdf بگیرید، که گاهی استفاده ازشون برای مردم راحت‌تره.(معمولاً فایل‌های pdf حجم خیلی بیشتری نسبت به فایل DJVu مشابهشون دارند.)

  • پرسشی دارم، یا میخوام با موضوعی آشنا بشم. باید چیکار کنم؟

اصولاً خیلی از پرسش‌هایی که برای ما پیش‌میاد رو پیش‌تر یک نفر مشابهش رو پرسیده و معمولاً اطلاعات کافی در دسترس وجود داره که بتونیم پی پرسش‌هامون رو بگیریم. ولی مسأله اینه که چطور باید از بین انبوه اطلاعاتی که وجود داره،‌اون‌چه به درد ما میخوره رو پیدا کنیم. در جستجو برای برای پاسخ‌دادن به پرسش‌هاتون باید مثل کارآگاه‌‌هایی که توی فیلم‌ها می‌بینید عمل کنید(مثلا فرض کنید شرلوک هولمز‌اید) و با کوچکترین سرنخ‌های اولیه دنبال سرنخ‌های مفیدتر و اطلاعات بیشتر بگردید. مطمئناً اولین جایی که بهش مراجعه میکنید گوگل (یا هر موتور جستجوی دیگه) هست.در استفاده از موتور‌های جستجو مهمترین چیز کلیدواژه‌ای هست که استفاده می‌کنید. هرچه کلید‌واژه‌های شما بهتر انتخاب شده باشند راحت‌تر می‌تونید اطلاعات مورد نیازتون رو پیدا کنید.فرض کنید شما از یک موضوع فقط یک واژه می‌دونید که با جستجوی این واژه اصولاً صفحه‌هایی خیلی عمومی به شما پیشنهاد داده می‌شه. مثلا شما صفحه ویکی‌پدیای پیشنهاد داده شده رو باز می‌کنید و شروع می‌کنید به خوندن. چیزهایی دستگیرتون میشه و کلیدواژه‌های جدیدی برای ادامه جستجو پیدا می‌کنید. چیزهایی رو هم متوجه نمیشید و موضوعات جدیدی برای جستجو پیدا میشه. به لینک‌های توی صفحه سر می‌زنید، به مراجع مراجعه می‌کنید و خلاصه هر محتوای عمومی که در دسترس هست رو نگاهی میاندازید. اما اگر به چیز بیشتری نیاز داشتید – مثلاً محتوای علمی آکادمیک – اون وقت باید چیکار کنید؟ دو مورد وجود داره: یکی پیدا کردن این محتوا و دیگری دسترسی پیدا کردن بهشون.

society-of-physics-studentsبرای پیدا کردن محتوای علمی آکادمیک در نوبت اول میتونید برید سراغ گوگل. البته نه ابزار معمول جستجوی گوگل. بلکه google scholar که دقیقاً برای این کار ساخته شده. همچون گذشته کلیدواژه‌هاتون رو وارد میکنید و لیستی از نتایج رو می‌بینید، اما لیستی که عمدتاً مقالات و کتاب‌های علمی هستند. در مورد کتاب‌ها که پیش‌تر گفتیم چطور می‌تونید بهشون دسترسی پیدا کنید،‌اما مقالات رو باید چیکار کرد؟ بذارید اول ببینیم منظورمون از مقاله چیه و چطور منتشر میشه. در ادبیات علمی آکادمیک معمولاً منظور از” scientific article ” محتوایی است که به فرمت خاصی تهیه شده، گزارش و نشانگر کاری است که به روش خاصی انجام شده (روش علمی یا دیگر روش‌های نظام‌مند رایج)، در مجلاتی که به عنوان مجلات علمی شناخته‌شده‌اند منتشر شده و از فرآیند peer review گذشته است.

اصولاً ناشری که چیزی رو منتشر میکنه انتظار کسب درآمد از کارش داره و بنا به سنتی که در مجلات چاپی وجود داشته این معمولاً  خواننده بوده که که برای خرید مجله پول می‌داده. با الکترونیک شدن انتشارات هم (چه در کنار چاپ فیزیکی چه فقط به صورت الکترونیکی) این سنت ادامه پیدا میکنه و این همچنان خواننده است که باید پول بده تا بتونه چیزی رو بخونه. ولی با تاثیرگزارشدن مقالات علمی در ارزش‌گذاری‌های مجامع دانشگاهی و اهمیت‌پیداکردن تعداد دفعات خونده‌شدن و ارجاع به یک متن آکادمیک کم‌کم خود منتشرکنندگان(چه خود نویسنده و چه موسسه حامی‌ نویسنده) مسئولیت تأمین مالی ناشر رو برعهده گرفتند،‌یعنی خود منتشر کننده مقاله پولی به ناشر پرداخت می‌کنه و در مقابل خوانندگان بدون پرداخت هیچ هزینه‌ای می‌تونند به متن مقاله دسترسی داشته باشند. که این نوع مقالات رو به اصطلاح “open access articles” می‌نامند. (البته open access بودن مفهوم خیلی گسترده‌تریه و این‌جا خیلی ساده‌انگارانه درنظر گرفته شده.)

خوب پس اگر مقاله‌ای که نیاز داشتید از این نوع سابق بود که مشکلی نیست و به راحتی می‌تونید از همون صفحه مربوط به مقاله در وب‌سایت ناشر بهش دسترسی داشته باشید. اما اگر اونچه که می‌خواید open access نبود، چه؟ در این صورت هم احتمالاً اولین گزینه استفاده از libgen و sci-hub باشه. در قسمت مربوط به دانلود کتاب از DOI حرف زده بودیم. DOI یک شناسه دیجیتال منحصر به فرده که اصولاً میتونه نشانگر هر شئ فیزیکی یا دیجیتال باشه. تقریباً همه ناشران علمی از این شناسه برای مشخص کردن محتوای منتشرشدشون استفاده میکنند. کاری که کافیه شما انجام بدید اینه که به یکی از دو وبسایت بالا مراجعه کنید و در قسمت مربوط، شناسه DOI مقاله‌ای که میخواید رو وارد کنید و از لیستی که میاد اونچه میخواید رو انتخاب کنید. اما گاهی این کار جواب نمیده و باید رفت سراغ روش‌های دیگه!

از اون جهت که فرآیند peer review معمولا زیاد به درازا کشیده میشه یا اینکه بعضی افراد اصلاً دوست ندارند که کارشون به این صورت داوری بشه، جاهایی وجود داره که پژوهشگران میتونند نوشته‌هاشون رو پیش‌ از چاپ به اشتراک بذارند.شناخته‌شده‌ترین مثال از این‌گونه وبسایت‌های پیشاچاپی(pre-print) آرکایو هست. در آرکایو شما میتونید به نسخه‌های پیشاچاپی(و حتی بسیاری از مواقع نسخه‌های بعد از داوری و چاپ) پژوهشگران دسترسی داشته باشید.

راه دیگه‌ای که میتونید به یک مقاله دسترسی پیدا کنید از طریق خود نویسنده مقاله هست.(معمولاً نویسندگان این حق رو دارند که مقاله‌شون رو به رایگان به اشتراک بذارند.) یعنی اینکه یا متن کامل مقاله در صفحه شخصی نویسنده یا موسسه‌ای که شخص وابسته به اون هست منتشر می‌شه یا اینکه شما به شخص نویسنده ایمیل می‌زنید و ازش درخواست می‌کنید که مقاله رو در اختیارتون بذاره.

وبسایت دیگه‌ای که بسیار پیشنهاد میشه که ازش استفاده کنید Researchgate هست. RG شبکه‌ای اجتماعی برای تبادل آراء و ارتباط بین پژوهشگرانه. توی RG می‌تونید پرسش بپرسید، می‌تونید پرسش‌ها،‌ نظرات و بحث‌های دیگران رو ببینید و همچنین میتونید به نوشته‌های دیگران دسترسی داشته‌باشید. چرا که خیلی از افراد متن کامل مقالاتشون رو در RG منتشر می‌کنند. همچنین RG خدمات و ویژگی‌های جذاب دیگه‌ای هم داره که می‌تونه خیلی‌جاها بدردتون بخوره.

در این وب‌گاه متعلق به دانشگاه ایلی‌نویز و جاهای مشابه هم تعداد زیادی از پرسش‌های مردم و پاسخ‌های متخصصان یا بقیه کاربران جمع‌آوری شده. فوروم‌های اینترنتی هم گاهی میتونند جای خیلی خوبی برای پیدا کردن جواب‌های مورد نظرتون باشن. فقط باید حواستون باشه جوابی که کاربران یه وبسایت عمومی میدن ضرورتاً جواب قابل استنادی نیست، گرچه معمولاً سرنخ‌های خوبی برای جستجو به آدم میده.

  •  دوست دارم مقاله بخونم ولی مقاله‌ها خیلی تخصصی به نظر میان. چطوری بفهممشون؟

معمولاً مقالاتی که منتشر می‌شن گزارشی از یک پژوهش خیلی خاص‌اند و پر از اطلاعاتی‌اند که فقط به درد کسایی می‌خوره که در همون موضوع خاص کار می‌کنند، ولی شما به عنوان مخاطب نه‌آنچنان خاص معمولاً علاقه‌مند به مقالات به اصطلاح مروری (review articles) هستید. اینها مقالاتی‌اند که به‌صورت خلاصه‌ و داستان‌وار (یعنی با یک روند قابل دنبال) از اتفاقاتی که در یک شاخه‌ی علمی داره‌ می‌افته برای یک مخاطب غیر متخصص در اون موضوع خاص گزارش می‌دن.

در فیزیک دو مجموعه وجود داره که این نوع مقالات رو جمع‌آوری و طبقه‌بندی می‌کنند. یکی The Net Advance of Physics و دیگری Inspire HEP Review. مورد اول مجموعه‌ای گسترده و پرمحتواست که طبقه‌بندی خوبی داره و تقریباً از هر شاخه‌ای از فیزیک میشه توش مطلب پیدا کرد. مورد دوم کمی محدودتر هست و فقط موضوعات فیزیک نظری و انرژی‌های بالا رو پوشش میده.

  • من با محتوای چند رسانه‌ای بیشتر از متن ارتباط برقرار می‌کنم. آیا محتوای مناسب من هم وجود داره؟

    https://ocw.mit.edu

    https://ocw.mit.edu

بله، اینترنت پر هست از محتوای چندرسانه‌ای با موضوعات فیزیکی، ریاضی و خلاصه هرچیزی که برای یک دانشجوی فیزیک می‌تونه جالب باشه.

آشناترین جایی که میشه انواع و اقسام ویدئوها برای هر نوع مخاطبی پیدا کرد، یوتیوب هست. ولی دسترسی به یوتیوب از داخل ایران خیلی سخته و خود سایت هم امکان دانلود ویدئو رو نداره. برای رفع این مشکل می‌تونید از سرویس‌های اشتراک ویدئو ایرانی که امکان آپلود از یوتیوب رو دارند استفاده کنید. دو مورد شناخته‌شده از این وبسایت‌ها آپارات و نماشا هستند. کافیه برید اونجا، لینک یوتیوب ویدئوتون رو بذارید و بعد از طی چند مرحله ساده ویدئوتون رو ببینید و دانلود کنید. سرویس دیگه‌ای که میشه به راحتی ازش استفاده کرد itunes-U شامل پادکست‌ها، ویدئوکست‌ها و کتاب‌هایی هست که تعدادی از دانشگاه‌ها و موسسات آموزشی بزرگ دنیا تهیه‌ کرده‌اند. تقریباً همه محتوای موجود در itunes-U رایگان هست و کیفیت خوبی هم دارند. برای دسترسی به این سرویس کافیه اپ itunes رو روی موبایل یا دسکتاپتون داشته باشید. همچنین کاربران لینوکس می‌تونند از اپ Tunes viewer برای دسترسی به این سرویس استفاده کنند.

راجع به کورس‌های آنلاین و موک‌ها هم من کلاً اینجا حرفی نمی‌زنم چون عباس توی همین بلاگ فراوان راجع‌بهشون صحبت کرده. مثلاً:

خیلی جاها هم از سمینارها و جلساتشون فیلم می‌گیرند و منتشر می‌کنند. در ادامه راجع به اون‌ها هم صحبت خواهیم‌کرد.

  •  سمینار فیزیک؟ مگه اصلا برای دانشجوهای کارشناسیه؟

خیلی‌ها به این بهانه که سمینا‌رها خیلی سطح بالایی دارند و دانشجوهای کارشناسی نمی‌تونند اونها رو بفهمند،‌تو هیچ سمیناری شرکت نمی‌کنند. این گمان حداقل راجع به سمینار‌های عمومی مطمئناً درست نیست. اصلاً یکی از مخاطبان اصلی چنین سمینارهایی دقیقاً خود شمایید. نباید انتظار داشته‌باشید هرآنچه که سخنران میگه رو همه افراد مثل هم بفهمند اما باید این انتظار رو از خودتون داشته باشید که یک روز، دو روز یا یک هفته بعد از سمینار، آنچه که نمی‌فهمیدید رو حداقل به اندازه کافی راجع‌بهش تحقیق کرده باشید. یک تکه کاغذ بردارید برید توی سمینار و هرآنچه که متوجه نشدید رو یادداشت کنید. بعد از سمینار از دیگران راجع‌به اونچه که نفهمیدید بپرسید و برید راجع به اون موضوع تحقیق کنید. مطمئناً چیزهای زیادی یاد خواهید گرفت. و مطمئناً هر بار مطالب بیشتر و عمیق‌تری رو خواهید فهمید. خلاصه اینکه از سمینارها نترسید و براشون بهانه نیارید.

  • خوب حالا که تصمیم گرفتیم در سمینارها شرکت کنیم، کجا باید بریم؟

خیلی از دانشکده‌های فیزیک سمینارهای عمومی منظم دارند. این‌ها ساده‌ترین و دم دست‌ترین سمینارهای ممکن‌اند. همچنین گروه‌های آموزشی مختلف دانشکده‌ها معمولاً جلسات منظمی دارند که دانشجوهای تحصیلات تکمیلی با همدیگه کارهایی که دارند می‌کنند و نظراتشون رو با هم به اشتراک میذارند. این جلسه‌ها معمولاً تخصصی و جزئی‌ترند ولی همین مسأله از جهتی باعث می‌شه با کارهای واقعی که اهالی فیزیک انجام میدن از نزدیک بیشتر آشنا بشید. اگر در تهران هستید، پژوهشگاه دانش‌های بنیادین(IPM) هم جلسات هفتگی منظمی در موضوعات مختلف برگزار میکنه که میتونید شرکت کنید. همچنین خیلی از دانشگاه‌های بزرگ از سمینارها و جلساتشون فیلم میگیرند و روی نت به اشتراک میذارند. این می‌تونه ابزاری فوق‌العاده باشه برای آشنا شدن با موضوعات روز مطرح در فیزیک. از مثال‌های باکیفیت و قوی این‌گونه ویدئوها میشه به برنامه‌های ICTP و perimeter institute اشاره کرد.

ferrimagnetism_-_magnetic_moment_as_a_function_of_temperature

بالاتر از دمای بحرانی (نقطه کوری)، ماده دیگر مغناطیسی نیست.

یه گذار روزمره مثل تغییر فاز آب رو در نظر بگیرید. گاز و مایع به واقع شبیه هم هستن! هر دو از نظر ما بی نظم هستن! حالا یکی یه کم بیشتر یکی یه کم کمتر. اما هیچ کدوم جامد منظم نیستن که همه سرجاشون نشسته باشن. 
مثال دیگه مواد مغناطیسی است. اینا توشون کلی ذره دارن که هر کدوم یک جهتی داره برای خودش- به زبان فنی اسپین. حالا دما خیلی زیاد باشه ماده‌مون که مغناطیسی نیست! یعنی مثلن آهن مذاب در دمای بالا براش سخته منظم باشه، به هم ریخته است. پس اون جهت‌ها همه تصادفی اند و بالطبع متوسط‌شون صفر و ماده مغناطیسی نیست! اما اگر دما پائین بیاد اوضاع عوض میشه، اینا می‌تونن یه جهت خاص رو بگیرن. به این میگن شکست خود به خودی تقارن

مردم با همین میخ و چکش سراغ هر تغییر فازی می‌رفتن و سربلند بیرون می‌اومدن. اما یهو آقای فون‌کیلیتزینگ یه چیز جالب دید: اگر یه مشت الکترون رو به دوبُعد محدود کنید، و بَعد میدان مغناطیسی روشن کنی (این همون روشی است که باهاش فهمیدن حامل بار، بارش منفی است) رسانندگی (همون جریان به ولتاژ با یک مشت ضریب) بهت یک سری عدد میده:۱ و۲ و۳ و … بعدتر عددهای کسری عجیب اما خاصی هم پیدا شدن. اما این طور نیست که شما بگی ۱۷.۳۰۸ بعد ما بهت بگیم آهان، میدان فلان رسانندگی اینه که تو می خوای! اعداد طبیعی یا کسری خاص! هرکی به هرکی نیست!

چند خم بسته با Winding Numberهای متفاوت.

چند خم بسته با Winding Numberهای متفاوت.

خب مردم هی دست به دهان بودن که چه طور میشه وسط این همه خطای آزمایش و کثیفی نمونه و غیره این اعداد این قدر خاص باشن؟! چرا این همه چیز پیوسته عوض میشه اما اینا نه؟!!

خب بالطبع اول سعی کردن که همون میخ و چکش رو استفاده کنن. اما این درب بسته بود. اما جناب تاولز و همکاراش نشون دادن که میشه اون اعداد رو محاسبه کرد. اینکه اون اعداد واقعن در اون مساله که بالا گفتم (اثر کوانتومی هال ) از کجا و چطور به دست میاد، رو کاریش نداریم، اما میشه یه مثال ساده زد؛ یک خم بسته‌ی دلخواه روی صفحه بکشید. بعد ببینید این خم چند بار مبدا رو دور زده؟! فرض کنید حالا یه میله ی بزرگ دارید و این خم شما در واقع یک ریسمان است. شما اون عدد (winding number) ریسمان رو مگر با بُریدن ریسمان نمی تونید تغییر بدید.

از سوی دیگه اون عدد همیشه یک عدد طبیعی است: ۰ و ۱ و غیره. حالا در اون دنیا این ریسمان چیز عجیب غریب تری است!

فازهای مختلف ماده - نگاره از nobelprize.org/

فازهای مختلف ماده – نگاره از nobelprize.org

ولی خب کلیت داستان همین است. یعنی یک عددی هست که اتفاقن در برخی موارد همین تعداد دور زدن‌های یک خم بسته حول مبدا است و جز با بُریدن نمیشه تغییرش داد. این بُریدن‌ها در واقع در دنیای جدید به معنای همون گذار فاز هستن، انگار که مایع می‌شد جامد! اینجا هم وقتی ریسمان مربوطه بُریده شد و دوباره بسته شد عدد می‌تونه تغییر کنه! به زبان فنی‌تر در واقع این عدد تا زمانی که سیستم گاف انرژی داشته باشه نمی‌تونه تغییر کنه، و اگر گاف بسته و دوباره باز بشه(مثلن با تغییر یک کمیت مثل میدان مغناطیسی) عدد مورد نظر ما می‌تونه عوض بشه. به خاطر این خواص خیلی سفت و سختش هست که بهش میگن توپولوژیک!پس مساله ی اول حل شد 🙂 تاولز تونست با همکاراش نشون بده که اون اعداد از کجا میان. البته بگم اعداد کسری هنوز حل نشده هستن! خب این حالتهای ماده و این تغییر اعداد، این تغییر نظم(!!!) با یک سری عدد توصیف میشه و توپولوژی!

حالا یک چییز دیگه: همون اسپین‌ها رو در نظر بگیرید. حالا فرض کنید دو بُعد داریم. میشه حالتی رو تصور کرد که همه‌ی اسپین‌هایی که دورمبدا هستن به سمت خارج هستن! عین خطوط میدان یک بار الکتریکی! اصلن همین مثال خوبه! شما می گید ئه!! همه به سمت بیرون هستن پس باید یه چیزی اونجا باشه! حالا اینجا نمی گیم بار، میگیم گردابه! و به جای مقدار بار همون winding number  . آقای تاولز و کاسترلیتز نشون دادن که در دو بُعد جز اون حالت بی نظم که همه می دونستن باید اونجا باشه میشه حالاتی داشت که مثلن دو تا گردابه داشته باشه! پس دوباره سرو کله ی این اعداد طبیعی و توپولوژی و فازها پیدا شدن! این بار شما می‌تونید چند تا گردابه‌ داشته باشید، مضاف بر اون هرگردابه یک عددبرای خودش داره که شبیه به همون بار است! این گردابه‌ها و این نوع تغییر فاز در ابرشاره‌ی هلیوم دیده شد!

گذار فاز تپولوژیک

گذار فاز تپولوژیک – نگاره از nobelprize.org

اما جناب هالدین! اون گاز الکترونی و میدان مغناطیسی رو که بالا گفتم در نظر بگیرید! اونا مثلن یه ویژگی خیلی جالب که دارن این است که جریان الکتریکی از روی لبه‌ها حرکت میکنه! و خب رسانندگی ش هم اون اعداد خاص رو میده! 
تا مدت ها مردم فکر می کردن که خب میدان مغناطیسی قوی خیلی مهمه!اما هالدین در یکی از کارهاش یک مدل تئوری ساخت که بدون شار مغناطیسی خالص همون خواص رو داشت! این مدل دو سال پیش در آزمایشگاه realize شد! پس همه فهمیدن چیزای مهمتری تا میدان مغناطیسی هست!  در واقع این بنیان کاری است که در سال ۲۰۰۶،  Kane  و Mele روی گرافین کردن و عایق‌های توپولوژیک رو باز کردن. این‌ها موادی هستند که علی‌رغم اینکه نارسانا هستند، یعین در حجم‌شون گاف هست و رسانش نمی‌تونیم داشته باشیم، روی مرز‌هاشون می‌تونن رسانش داشته باشن! برای همین است که میگن عایق توپولوژیک! عایق trivial میشه همون عایق معمولی، نه تو حجم و نه تو سطح رسانش نداره! اما توپولوژیک‌ها روی سطح رسانش دارن!

اما هالدین کارهایی رو هم روی مدل‌های اسپینی کرده که تاثیر گذاشت روی چیزی که الآن بهش میگن symmetry protected topological phase. هالدین مدل‌هایی رو نگاه کرد که مردم پیش از او هم بررسی کرده بودن! همه فکر می‌کردن این مدل‌های اسپینی Gapless هستن، یعنی با کمی انرژی می‌تونید توش برانگیختگی درست کنید! این در واقع برای اسپین ۱/۲ نشون داده بودن و فکر می کردن برای اسپین‌های بالاتر هم درسته! اما هالدین نشون داد که برای اسپین‌های صحیح مثل ۱ باید دقت کرد و چیزهای دیگه‌ای هم هست که باعث میشن سیستم گاف انرژی داشته باشه! این سیستم‌ها و این خواص هم توپولوژیک هستن و به این راحتی از بین نمی‌رن اما همون‌طور که از اسم‌شون برمیاد یک تقارنی رو لازم دارن، مثلن دوران! یعنی اون خواص توپولوژیک هستند مادامی که شما اون تقارن رو حفظ کنی!

گذار کاسترلیتز تاولز رو تو کتاب کاردر خوب توضیح داده. اینا هم یه سری مقاله در مورد کارهای توپولوژیک و اثر هال:

The_2010_Perseids_over_the_VLT

بارش شهابی برساوشی، تلسکوپ وی‌ال‌تی – رصدخانه جنوبی اروپا؛ نگاره از ویکی‌پدیا

 

حتما شما هم این تجربه رو داشتید که وقتی بیرون شهر و به دور از آلودگی نوری بودید بصورت کاملا اتفاقی یک شهاب‌سنگ (آذرگوی) از جلوی چشماتون رد شده و هیجان زده تون کرده باشه. شاید هم سعی کرده باشید که اونو به بقیه هم نشون بدید ولی احتمالا تا اون موقع دیگه نه شهاب‌سنگی در کار بوده و نه ردی از اون! 🙁 در واقع علت بوجود اومدن شهاب‌سنگ‌ها اینه که ذرات کوچیک گرد و غبار که اندازشون معمولا در حد ذرات شن و یا سنگ‌ریزه هست با سرعت خیییلی زیاد وارد جو زمین میشن و با فشرده کردن گازی که جلوشون هست باعث گرم شدن اون گاز شده و میسوزن و رد معروف خودشون رو بجای میگذارن *(۱)منظورم از سرعت خیییلی زیاد چیزی در حدود ۲۰۰۰۰۰ کیلومتر در ساعت بطور متوسط هست! (با این سرعت فاصله بین زمین تا ماه رو میشه دو ساعته طی کرد!) گاهی اوقات گرم شدن ذرات جو توسط شهاب‌سنگ‌ها باعث یونیزه شدن اون‌ها میشه و حتی ممکنه تا چند دقیقه هم ردش توی آسمون باقی بمونه! ما‌حصل سوختن شهاب‌سنگ‌ها داخل جو، وارد شدن سالانه حدود ۴۰۰۰۰ تن خاک، به‌طور متوسط، به زمین هستالبته طبیعت کار خودش رو بلده و این حجم از خاک و گرد و غبار برای طبیعت نه تنها مضر نیست بلکه مفید هم هست؛ مثلا باعث تشکیل هسته‌های میعان برای تشکیل ابرها و یا بارور کردن ‌پلانکتون ها در قطب جنوب میشن!

فاصلهٔ ابر اورت تا خورشید هزار برابر فاصلهٔ خورشید از کمربند کویپر، و دیسک پراکنده است.

شاید بپرسید این همه غبار و سنگریزه از کجا میاد؟! خب در پاسخ باید گفت که اینجور چیزها توی منظومه شمسی عادیه! در منظومه شمسی مقدار زیادی «غبار کیهانی» وجود داره که البته معمولا در ابعاد چند مولکول تا چند میکرون هستند و بسته به اینکه منشأشون چی هست ممکنه ابعادشون بزرگتر هم باشه؛ منبع این غبار در منظومه شمسی ممکن هست ناشی از گرد و غبار بجا مونده از دنباله‌دارها یا سیارک‌ها و یا غبارهای جدا شده از کمربند کوییپر در مرزهای بیرونی منظومه شمسی باشه و یا حتی ریشه در غبار میان‌ستاره‌ای داشته باشن که بخاطر حرکت منظومه شمسی به داخل اون‌ها، به منظومه ی ما وارد شدن.

به قطعه‌های صخره با فلز که در فضا شناورند شهاب‌واره (Meteoroid) یا نیزک گفته می‌شود. شهابوارها اکثراً اجسام ریزی هستند (به اندازهٔ ته سنجاق) که در فضا حرکت می‌کنند. یک سیارک یا شهاب‌واره که وارد جو زمین می‌شود شهاب یا شَخانه نام می‌گیرد. به خط درخشانی که بر اثر ورود شهاب‌واره یا حرکت آن در جو ایجاد می‌شود شهاب ثاقِب گفته می‌شودکه مدّت است چندین ثانیه به طول بی انجامد. زمانی که یک شهاب‌واره به سطح سیاره برخورد کند شهاب‌سنگ (Meteorite) نامیده می‌شود. هر ساله صدها تن غبار شخانه‌ای بر سطح زمین می‌نشیند.

نگاره از ویکی‌پدیا

کمربند کوییپر و بعد از اون ابر اورت که تقریبا تا میانه راه تا نزدیک ترین ستاره از خورشید کشیده شده، سکونت‌گاهی برای حدود چند هزار میلیارد جسم کوچیکیه که همه در مدارهایی به دور خورشید میگردن. هر از چند گاهی اختلالات گرانشی که از بیرون از منظومه شمسی (مثل رد شدن یک ستاره) و یا از داخل (توسط سیارات بزرگ مثل مشتری) به این اجسام وارد میشه، باعث حرکت اونها به سمت خورشید شده و داخل یک مدار باز یا بسته قرار میگیرن و «دنباله دارها» رو بوجود میارن.معمولا از این اجرام به عنوان «گلوله‌های برفی کثیف» تعبیر میشه؛ چون ترکیبی از یخ و خاک هستن (منظور از یخ، مواد فرار مثل آب، متان، آمونیاک و یا ترکیبی از اون‌هاست). وقتی دنباله‌دارها به سمت خورشید حرکت میکنن گرمای خورشید باعث بخار شدن یخ و جدا شدن گرد و خاک های همراهش میشه و بنابراین یک دنباله‌ای ازشون به‌جا می‌مونه که با سرعت کمتری داخل مدار در حرکت هستنهر بار که دنباله‌دار به دور خورشید میگرده، یک مقدار مشخصی از اون جدا شده و در مدار باقی می‌مونه و در نتیجه یک نهری از شهاب‌و‌ارها (meteoroid stream) بوجود میاد.حالا اینکه این شهاب‌وارها کجا با زمین برخورد پیدا کنن، بستگی به کشش گرانشی سیارات داره که این نهر رو به کدوم سمت هدایت کنن. در بیشتر مواقع تقاطعی بین زمین و شهاب‌وارها اتفاق نمی افته، ولی اگر این اتفاق بیفته باعث بوجود اومدن اصطلاحا «بارش‌های شهابی (meteor shower) » میشه.

در طول زمان طولانی ممکنه اتفاقات بغرنجی برای این نهر و یا «دنباله غبار (dust trail)» بیفته. مثلا ممکنه که مدار دنباله دارها و شهاب‌وارهای باقیمانده از اون در مدارهای رزونانسی با مشتری و یا یک سیاره بزرگ قرار بگیرن. (یعنی تعداد صحیحی از گردش‌های دنباله دار به دور خورشید با دقیقا تعداد صحیح دیگری از تعداد گردش های سیاره برابر باشه). این پدیده باعث بوجود آمدن یک مؤلفه بارش به نام فیلامان(filament) میشه (که در واقع باعث شدت گرفتن بارش میشه). دومین اثر ممکنه به علت نزدیک شدن به یک سیاره بوجود بیاد. مثلا وقتی این توده از نزدیکی زمین عبور کنه، ممکنه باعث شتاب گرفتن و یا کند شدن حرکت شهاب‌وارها بشه و شکاف هایی رو برای عبور دفعه‌ی بعد بوجود بیارههم‌چنین مثلا اختلالات ناشی از گرانش مشتری در مواقعی که در بیشترین فاصله خود در مدارشون از خورشید هستن و حداقل سرعت رو دارن، موجب تغییر در توزیع اونا داخل نهر بشه. سومین اثر به علت فشار تابشی بوجود میاد (در واقع تابش فوتون‌ها باعث وارد کردن نیرو و تولید فشار میشه). این فشار تابشی ذرات کوچکتر رو به مدارهای دورتر میفرسته؛ بنابراین بعضی دنباله های غبار، بیشتر شامل شهاب‌وارهای بزرگ‌تر و شهاب‌های درخشان‌تر هستن و بعضی دیگه شامل شهاب‌وارهای کوچک‌تر و در نتیجه شهاب‌های کم‌نورتر. هم‌چنین این اثر موجب پراکنده کردن شهاب‌وارها و پهن شدن نهرها در طول زمان میشهشهاب‌سنگ‌هایی که ما از این نهرها می‌بینیم، قسمتی از بارش های شهابی سالانه هستند؛ چون زمین با نرخ تقریبا ثابتی هرسال با این نهرها روبرو میشه.

در زمان اوج بارش شهابی در آسمانی تاریک، میشه به‌طور متوسط چیزی در حدود چند ده شهاب‌سنگ در ساعت دید. البته گاهی اوقات که تعداد شهاب‌وارها خیلی زیاد هست، باعث به‌وجود اومدن اصطلاحا «طوفان های شهابی (meteor storms)» یا «فوران شهابی (meteor outburst)» میشن، که در اون نرخ بارش به حدود ۱۰۰۰ شهاب در ساعت هم میرسه! (در سال ۲۰۰۲ این اتفاق دو بار در بارش شهابی اسدی افتاد).

نگاره از NASATV

نگاره از NASATV

اگر در بارش های شهابی رد شهاب‌سنگ‌ها رو دنبال کنید، به نظر میرسه که انگار شهاب‌سنگ‌ها همگی از نقطه خاصی از آسمون میان. (البته شهاب ها تقریبا بصورت موازی هم وارد جو میشن ولی به‌دلیل خطای چشمی پرسپکتیو (perspective) این‌طور به نظر می‌رسه که همه از یک نقطه کانونی میان.) این نقطه خاص توی آسمون بسته به اینکه توی کدوم صورت فلکی باشه، باعث نام‌گذاری بارش شهابی میشه. مثلا در بارش شهابی برساوشی به دلیل این‌که کانون بارش در صورت فلکی برساوش قرار داره، به این اسم نام‌گذاری شده. سالیانه بارش های شهابی مختلفی اتفاق میفته که هرکدوم زمان مشخصی دارند: از جمله مهمترین بارش های شهابی، بارش های شهابی برساوشی در مرداد، بارش شهابی اسدی در آبان، بارش شهابی جوزایی در آذر و بارش شهابی ربعی در دیماه و هستن.

بارش شهابی برساووشی از ۲۷ام تیرماه شروع و تا سوم شهریور ادامه داره. اوج این بارش هرساله در حدود ۲۲ام مرداد اتفاق میفته. منشأ این بارش، دنباله دار «سوئیف تاتل» هست که هر ۱۳۳ سال یکبار به دور خورشید میگرده.

چیزی که بارش شهابی برساوشی امسال رو متمایز کرده، احتمال دو برابر شدن تعداد شهاب‌هاست. طبق گفته ی ناسا، چون توده ی شهابوارهای به‌جامونده، به‌دلیل گرانش سیاره مشتری کمی جابجا شده، امسال زمین از داخل قسمت متراکم تری عبور میکنه و احتمالا به نرخ ۲۰۰ شهاب در ساعت در اوج بارش برسیمالبته نباید توقع داشته باشید که این تعداد به‌صورت کاملا یکنواخت اتفاق بیفته. بلکه ممکنه دو یا سه شهاب‌سنگ رو ظرف چند ثانیه ببینید و توی چند دقیقه بعدی خبری از شهاب‌سنگ نباشه! برای بارش شهابی برساوشی امسال، تنها کافیه به منطقه ای برید که آسمون تاریکی داشته باشه. بهترین شب برای رصد این بارش شهابی زیبا، شب های ۲۱ام و ۲۲ام مرداد و بهترین زمان بعد از نیمه شب تا قبل از سحر هست.

برای پیدا کردن کانون بارش باید به سمت شمال شرق آسمون به دنبال صورت فلکی ذات الکرسی یا دبلیو بگردید (شکل زیر). درست در پایین این صورت فلکی و نزدیک به صورت فلکی برساوش، مرکز بارش قرار داره.

برای پیدا کردن کانون بارش باید به سمت شمال شرق آسمون به دنبال صورت فلکیه ذات الکرسی یا دبلیو بگردید!

امیدوارم از این بارش شهابی بیشترین لذت رو ببرید و بقیه رو هم توی این لذت سهیم کنید 🙂

(۱):  به اجرامی که ممکنه یک روزی داخل جو زمین بشن شهاب‌وار (meteoroids) گفته میشه. وقتی شهاب‌وارها وارد جو میشن و میسوزن بهشون شخانه(meteor) میگن و اگر قبل از سوختن کامل از جو عبور کرده و با زمین برخورد کنن، شهاب‌سنگ(meteoride) نامیده میشنتوی این مقاله برای راحتی به‌جای کلمه ی عجیب و غریب شخانه (معادل فارسی شهاب)، از شهاب‌سنگ یا به اختصار شهاب استفاده شده!

حسن ختام این نوشته، یک نگاره زیبا از بابک تفرشی:

Desert, moonlight, and a striking fireball (bright meteor) above Atacama Desert in northern Chile.

Desert, moonlight, and a striking fireball (bright meteor) above Atacama Desert in northern Chile.

Allahاین پست آغازگر سلسله پست های من درباره ی گذار فاز هست. در واقع بنا دارم مفاهیم اصولی و پایه ای که در این باره وجود دارد را طی چند مطلب به صورت کامل و جامع  در اختیارتون قرار بدم. در این پست صرفا تصمیم دارم راجع به مفهوم و ماهیت فاز و گذار فاز صحبت کنم و در پست های بعدی مطالبم رو بسط بدم.

همانطور که از معنای لغوی اون پیداست، گذار فاز، یعنی از یک فاز به فاز دیگر رفتن! فازهای مختلف مواد رو از قبل میشناسیم. اما گذار بین آن‌ها رو چطور؟ در ساده‌ترین حالت می‌توانم بگویم آب، یخ بزنه و از فاز مایع به فاز جامد تبدیل شود. اما آیا از مفهوم گذار فاز این چنان سطحی می‌توان گذشت؟ پاسخ قطعا یک “نه” محکم است.

  • از فاز تا گذار فاز با یک مثال ملموس:
گذار فازهای مختلف

گذار فاز عبارتست از انتقال یک سیستم ترمودینامیکی از یک فاز یا حالت ماده به حالتی دیگر 

ما از اصطلاح فاز برای توضیح حالت خاصی از ماده مثل جامد ، مایع یا گاز استفاده می‌کنیم.  ترکیب آب در فاز جامد به صورت یخ، در فاز مایع به صورت آب و در فاز گازی به صورت بخار است. گذار از یک فاز به فاز دیگر، تغییر فاز یا گذار فاز نامیده می‌شود. نکته‌ی مهم این است که برای هر فشار معین، تغییر فاز در دمای معینی اتفاق می‌افتد، که معمولاً با جذب و گسیل گرما و تغییر حجم و چگالی همراه است. آب شدن یخ مثال آشنایی از تغییر فاز است. وقتی به یخ صفردرجه‌ی سانتیگراد در فشار جوی عادی گرما دهیم، دمای یخ افزایش نمی‌یابد. درواقع  مقداری از آن به شکل آب ذوب می‌شود. اگر به آرامی گرما را اضافه کنیم تا دستگاه خیلی نزدیک به تعادل گرمایی بماند، دما در صفردرجه ی سانتیگراد باقی می‌ماند تا تمام یخ ذوب شود. اثر افزودن گرما به این دستگاه بالا بردن دمای آن نیست، بلکه گذار فاز از جامد به مایع است.

پس باید شرایطی برقرار شود تا گذار اتفاق بیفتد. اما چگونه باید این شرایط را توصیف کرد؟علم توصیف این شرایط چیزی نیست جز مکانیک آماری. مکانیک آماری همان دانشی است که مثل یک پل به ما کمک می‌کند از فیزیک میکروسکوپی به پدیده‌های ماکروسکوپیک برسیم. پس در بحث گذار فاز نوع نگاه ما نیز مهم است. وقتی با ابزار مکانیک آماری در این موضوع روبه‌رو می‌شویم باید یک نگاه جمع‌گونه به مساله داشته باشیم. به نوعی انگار قرار است رفتار جمعی ذرات را (نه خود ذرات را به تنهایی) بررسی کنیم، بع این صورت که بر اساس درجات آزادی هامیلتونی را می‌نویسیم و سپس مساله را حل می‌کنیم (برخلاف روند اولیه که یاد گرفتیم).

علم ترمودینامیک و متغیرهای ترمودینامیکی همانند بسیاری مسائل که در توصیف طبیعت بکار می‌آیند، بازهم نقشی محوری برای ما بازی می‌کنند. بهترین پارامترهایی که سیستم‌‌های در حال گذار رو توصیف می‌کنند همان متغیرها هستند. دما، حجم، فشار و …

خوب است بدانید که در بررسی مسائل که با گذار فاز سروکاردارند، با مفاهیم متفاوتی روبه‌رو می‌شویم که درک آن‌ها برای توصیف پدیده ضروری است. برای مثال ممکن است با توابع ترمودینامیکی روبه‌رو شویم که دارای تکینگی یا ناپیوستگی هستند. از پدیده‌های مهم در این زمینه می‌توان به چگالش گازها، ذوب جامدات، پدیده‌های فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس، گذار نظم – بی نظمی در آلیاژها، گذار ابرشاره از هلیومI به هلیومII و گذار از حالت معمولی ماده به ابررسانا اشاره کرد.

همانطور که دیدید به شرایط گذار اشاره کردیم. یکی از مهمترین پارامترها در این زمینه دما است. ما دمایی را به عنوان دمای بحرانی تعریف میکنیم. در بالاتر از این دما و پایین‌تر از آن خواص ماده‌ای که در پدیده‌ی ما شرکت می‌کند متفاوت می‌گردد و سروکله یک سری روابط عجیب و غریب ریاضی که وجه اشتراک همشون تکینگی هست پیدا می‌شود.  ناحیه‌ای که این دما در آن تعریف می‌شود ناحیه‌ی بحرانی می‌گویند. پس با یک مفهوم جدید روبه‌رو شدیم و آن “بحرانیت” است که در پست‌های آینده به اون خواهیم پرداخت.

اگر کتاب‌های ترمودینامیک رو دیده باشید مشاهده می‌کنید که برای شرط تعادل بین فازهای یک ماده برابری تابع انرژی آزاد گیبس اون‌ها هست.

{\displaystyle G\equiv U+PV-TS\,}

یا بطور معادل: 

{\displaystyle G\equiv H-TS\,}

که در آن: U انرژی درونی، P فشار، V حجم، T دما برحسب کلوین، S آنتروپی و H آنتالپی .

در بحث گذار فاز نیز باهمین توابع روبه‌رو هستیم. در واقع باید تابع گیبس سیستم رو بدست آوریم و ببینیم کدام مشتق آن (در چه مرتبه‌ای) از خود ناپیوستگی نشان می‌دهند و براین اساس گذار را به دو دسته‌ی مرتبه اول و دوم تقسیم می‌کنیم.

خب در این پست من فقط تلاش کردم مفهوم کلی گذار فاز و اینکه چه اتفاقی در اون میفته رو شرح مختصری بدم. مفاهیمی از قبیل بحرانیت، جهان شمولی، گذار از نظم به بی نظمی و … مطالبی هستند که من در آینده راجع بهشون براتون خواهم گفت و منابع خوبی رو هم در اختیارتون خواهم گذاشت.

زندگی روزمره‌­ی ما رو گستره‌­ی وسیع و متنوعی از ارتباطات تشکیل میده. از یک عملیات ساده بانکی با کارت­‌های اعتباری گرفته تا مکالمات تلفنی، ایمیل‌­ها، نامه‌نگاری‌ها، فضاهای ابری و … که در هرکدوم از این‌­ها کلی اطلاعات رد و بدل میشه. اما همواره مساله اساسی که وجود داره، خطر دزدیده شدن اطلاعات در این ارتباطاته و می‌دونیم هرچقدر ارزش اطلاعات بیشتر باشه خطر بزرگتری هم اونا رو تهدید میکنه.

 میخوایم توجه خودمون رو معطوف این پرسش کنیم که آیا امکان برقراری ارتباط کاملا امن بدون ترس از دزدیده شدن اطلاعات وجود داره یا نه ؟

مساله‌ی تامین امنیت ارتباطات از گذشته­‌های دور مورد توجه ویژه مردم بوده. مثلا در جنگ‌­ها اطلاعات مهم و سری باید با حداکثر ایمنی جابجا می­شد و این خودش یک مساله بزرگ به حساب میومد و بعضی وقتا بیسیم‌چی‌ها از کلمات رمزی برای این کار استفاده می­‌کردند. با گذشت زمان ابزار رمزنگاری هم کم‌کم به دست بشر پیشرفت کرد و راه‌­های زیادی طراحی و اجرا شد.

یکی از روش‌های کلاسیک رمزنگاری روش “ One-time Pad ” است. این روش امنیت نسبتا بالایی داره. فرض کنید با این روش یک متن رو رمزگذاری کردید. متن رمزگذاری شده­‌ی شما هیچ اطلاعاتی از متن اصلی نداره و اگر کسی قصد دزدیدن اطلاعات رو داشته باشه، نمیتونه از متن رمزگذاری شده چیزی متوجه بشه. ویژگی مهم این روش اینه که برای رمز گذاری از کلیدی استفاده میشه که به اندازه متن طولانیه و کلیدمون یکبار مصرفه!

بیایم یک مثال برای این روش بزنیم. فرض کنید آلیس و باب میخوان یک پیام متنی برای هم بفرستن. مثلا آلیس میخواد کلمه “QUANTUM” رو برای باب بفرسته. در مرحله اول آلیس با توجه به جایگاه هر حرف یک عدد به اون نسبت میده:

message:                                   Q          U          A          N          T          U          M

message:                             17 (Q)    21 (U)    1 (A)   14 (N)   20 (T)    21 (U)   13 (M)

برای ساخت کلید آلیس از اعداد تصادفی استفاده میکنه و به هر عدد تصادفی میتونه یک حرف رو نسبت بده:

key:                                    24 (X)     22 (V)    2 (B)    10 (J)     3 (C)     8 (H)    12 (L)

تو این قسمت اعداد رو دو به دو باهم جمع میکنه:

message + key:                   15 (O)     17 (Q)   3 (C)     24 (X)   23 (W)   3 (C)    25 (Y)

و در نهایت آلیس یک متن رمزگذاری شده (ciphertext) تولید کرده:

ciphertext:                                O            Q         C           X          W         C          Y

حالا کاری که باید باب انجام بده چیه؟ باب متن رمزنگاری شده رو از آلیس دریافت میکنه:

ciphertext:                                O            Q          C          X          W          C          Y

و اعداد مربوط به هر حرف رو هم میدونه:

ciphertext:                          15 (O)      17 (Q)    3 (C)   24 (X)    23 (W)    3 (C)    25 (Y)

حالا اگه باب کلید رو در اختیار داشته باشه میتونه به راحتی (با یک تفریق ساده!) به متن اصلی دست پیدا کنه:

key:                                   24 (X)       22 (V)    2 (B)    10 (J)      3 (C)     8 (H)  12 (L)

ciphertext – key:                  17 (Q)      21 (U)    1 (A)   14 (N)     20 (T)   21 (U)  13 (M)

message:                                 Q             U          A          N           T          U          M

اما این روش رمزنگاری یک سری مشکلات رو هم به همراه داره. یک مشکل بزرگ اینه که اعداد تولید شده برای ساختن کلید، واقعا تصادفی نیستند. در واقع اعدادی که کامپیوتر به اسم اعداد تصادفی برای ما تولید میکنه، از الگوریتم‌های خاصی پیروی می‌کنند و اونجوری که باید، اعداد تصادفی نیستند. خب اگه سارقِ اطلاعات بتونه روند تولید عدد تصادفی رو حدس بزنه ، به راحتی به کلید دسترسی پیدا می­کنه و میتونه بدون اینکه ما متوجه بشیم اطلاعات رو بدزده. یکی دیگه از مشکلات بزرگ این روش اینه که کلید تولید شده به اندازه متن طولانیه و یکبار مصرفه و اگر بخواهیم متن‌های زیادی رو رد و بدل کنیم، دفترچه­‌ی چند صد برگی از کلیدها رو هم نیاز داریم که بنظر معقول نمیاد. اما مهم‌ترین مشکل در رد و بدل کردن کلید پیش میاد. کلید ساخته شده توسط آلیس چه‌جوری به دست باب باید برسه؟! از طریق خطوط ارتباطی مثل اینترنت یا تلفن؟ یا مثلا با یک پیک موتوری؟ می‌دونیم اگه کلید لو بره و دست سارق اطلاعات بیفته علاوه بر اینکه متن رمزگذاری شده رو میتونه بخونه، میتونه الگوریتم تولید کلید رو هم بدست بیاره و بقیه ماجرا.  همه‌ی این‌ها باعث میشه به این نتیجه برسیم که ” One-time Pad ” روش ایده آلی برای رمز نگاری نیست.

اما یک روش کلاسیک رمز نگاری دیگه هم وجود داره که بر اساس الگوریتم‌های ریاضی بنا شده . اگه بخوایم بطور خیلی مختصر توضیح بدیم، تو این روش یک کلید عمومی وجود داره و از اون برای رمزگذاری استفاده میشه و کلید عمومی رو همه دارند. همچنین یک کلید خصوصی وجود داره برای گشودن رمز که این کلید فقط دست شخصیه که قراره اطلاعات رو به اون بفرستیم. این روش انوع مختلفی داره مثل  Diffie-Hellman ,  RSA , Elliptic Curve . در واقع این روش بر اساس یک سری از توابع ریاضیاتی بنا شده که انجامشون از یک طرف آسون ولی  باز گردوندنشون سخت و دشواره.

قبل اینکه وارد روش­‌های رمزنگاری کوانتومی بشیم، یک سری از مفاهیم مکانیک کوانتومی رو باهم مرور می‌کنیم:

– میدونیم که هر حالت (state) کوانتومی رو میشه بر حسب بر هم نهی یک سری حالت پایه بنویسیم . حالا اگه بیایم روی اون اندازه‌گیری انجام بدیم، یک جواب یکتا بدست میاریم. مثلا اگر حالت مورد نظر از بر هم نهی ۲ حالت پایه ساخته شده باشه، همواره بعد از اندازه‌گیری یکی از حالت‌ها رو بدست میاریم و هیچوقت دوتاشون رو با هم در نتیجه‌­ی آزمایشمون نداریم. (نگاه کنید به: Quantum superposition)

– اندازه‌گیری یک حالت باعث میشه سیستم در اون حالت اندازه‌گیری شده بمونه که اصطلاحا میگن سیستم به اون حالت فروریزش یا فروکاهش  “collapse” کرده. (نگاه کنید به: Measurement in quantum mechanics)

– یک مفهوم دیگه هم در کوانتوم وجود داره که مفهوم درهم‌تنیدگیه ( “ entanglement” ) که میگه دو ذره (مثلا دو تا فوتون) که در هم تنیده شدن، با هم در ارتباطند، هر چند که از هم دور باشند و یجورایی همدیگه رو خبردار می‌کنند! مثلا اگه بیایم یکی از فوتون‌ها رو روش آزمایش انجام بدیم، این آزمایش رو اونیکی فوتون که ممکنه اونور دنیا هم باشه نتیجه مشخصی رو میده که از فیزیک کلاسیک زیاد قابل توجیه نیست!

– همچنین میدونیم فوتون یک بسته از نوره (اگه نور رو با دید ذره ای نگاه کنیم) .

– یک ویژگی که به فوتون‌ها میشه نسبت داد قطبیدگی یا قطبش اونهاست. (اگه بخواییم خیلی مختصر توضیح بدیم، قطبیده شدن یک فوتون یعنی اینکه اون­‌ها رو از یک سری وسیله اپتیکی عبورشون بدیم تا بعد از عبور، در راستایی که ما میخواهیم حرکت کنند.)

– یک فوتون میتونه بصورت عمودی یا افقی قطبیده بشه و یا بصورت ترکیب خطی از قطبش عمودی و افقی وجود داشته باشه .

طبق نشان­‌گذاری دیراک (Dirac notation) می­تونیم حالت فوتونی که افقی(horizontally)  قطبیده شده رو بصورت زیر تعریف کنیم:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \left \vert {H} \right \rangle $$

و همچنین فوتونی که بصورت عمودی(vertically)  قطبیده شده رو میتونیم به این صورت نشون بدیم:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \left \vert {V} \right \rangle $$

همونطور که قبلا گفتیم فوتون ما می‌تونه به‌صورت بر هم نهی این دوحالت نیز وجود داشته باشه:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \alpha \left \vert {H} \right \rangle + \beta \left \vert {V} \right \rangle $$

حالا فرض کنید یک فوتون به ما دادن که در حالت زیره:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \alpha \left \vert {H} \right \rangle + \beta \left \vert {V} \right \rangle $$

ما میخوایم روی این فوتون آزمایش انجام بدیم و قطبیدگی اون رو اندازه بگیریم. بنظرتون نتیجه آزمایش چی میتونه باشه؟!

تجربه‌ی ما در آزمایشگاه نشون میده، دو جواب ممکنه برای این اندازه­‌گیری بدست بیاد. یا به این نتیجه می‌رسیم که فوتونمون بصورت افقی قطبیده شده با احتمال:

$$ \left \vert \alpha \right \vert ^ 2 $$

و یا بصورت عمودی قطبیده شده با احتمال:

$$ \left \vert \beta \right \vert ^ 2 $$

و میدونیم همواره جمع احتمال‌ها  برابر ۱ میشه، یعنی:

$$ \left \vert \alpha \right \vert ^ 2 + \left \vert \beta \right \vert ^ 2 = 1 $$

در مکانیک کوانتومی انتخاب پایه‌ها بصورت افقی و عمودی کاملا اختیاریه و شما میتونین برای توصیف پدیده­‌ی کوانتومی مورد نظرتون (که در اینجا حالت فوتونمون بود) هر پایه ای که دوس داشته باشید انتخاب کنید (اگر کمی با جبر خطی آشنا باشید کاملا می‌فهمید که چرا میشه!) . برای ادامه بحث ما یک سری پایه جدید تعریف می‌کنیم و این پایه‌هامون نسبت به راستای افقی 45 درجه دوران دارند. یکی ازین پایه‌هامون قطریه(Diagonal)  و به‌ این صورت:

$$ \left \vert {D} \right \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(\left \vert {H} \right \rangle + \left \vert {V} \right \rangle )$$

و اونیکی پایمون هم پادقطریه (Anti Diagonal)  و بصورت زیر:

$$ \left \vert {A} \right \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(\left \vert {H} \right \rangle – \left \vert {V} \right \rangle )$$

حالا اگه دوباره قطبیدگی فوتونمون رو که این دفعه تو حالت قطریه اندازه گیری کنیم، چه نتیجه‌ای بدست میاریم!؟ در اینجا دو حالت به‌وجود میاد. حالت اول وقتیه که ابزاری که با اون اندازه­‌گیری انجام میدیم، براساس پایه‌های قطری و پادقطری طراحی شده باشه. در اینصورت نتیجه اندازه‌گیریمون همواره (%۱۰۰) بصورت D بدست میاد. حالت دوم وقتیه که وسیله‌ی اندازه‌گیریمون بر اساس پایه‌های افقی و عمودی طراحی شده باشه. در این صورت ما هیچوقت یک جواب قطعی نداریم که بتونیم بگیم بعد از اندازه‌گیری چه نتیجه‌ای بدست میاریم یا به‌عبارت بهتر، هیچوقت به‌طور دقیق نمیتونیم بگیم سیستم بعد از اندازه‌گیری به کدوم یک از حالت‏‌های افقی یا عمودی “collapse” میکنه.

این یک موفقیت خیلی بزرگ به حساب میاد. چون کوانتوم مکانیک یک منبع طبیعی و بسیار قدرتمند برای تولید اعداد کاملا تصادفی در اختیار ما گذاشته . یعنی اگه روی فوتون قطریمون اندازه‌گیری انجام بدیم هر دفعه یک جواب بدست میاریم و در واقع در هر بار اندازه‌گیری به احتمال ۵۰ درصد جوابمون  H و به احتمال ۵۰ درصد جوابمون V خواهد بود.

با در نظر گرفتن همه‌ی مفاهیم مطرح شده در مورد مکانیک کوانتومی تا اینجای کار،  میریم سراغ اولین روش رمزنگاری کوانتومی با نام  BB84. این روشِ ساختِ توزیعِ کلیدِ کوانتومی! (QKD) توسطGilles Brassard وCharles Bennett در سال ۱۹۸۴ طراحی شد.

***در مورد پایه‌هایی که میتونیم در مکانیک کوانتومی برای فوتونمون انتخاب کنیم قبلا صحبت کردیم.  حالا پایه‌هامون رو بصورت شماتیک، نمادگذاری میکنیم.  پایه عمودی-افقی رو بصورت:

نشون میدیم که شامل یک حالت افقی 〈 H | (عدد 0 و نماد – ) و یک حالت عمودي 〈 V | (عدد 1 و نماد | ) میشه و همچنین پایه قطري-پاد قطري مورد نظرمون رو بصورت :

نشون میدیم که این پایمون هم یک حالت قطری 〈 D | (عدد 1 و نماد / ) داره و یک حالت پاد قطری  〈 A | (عدد 0 و نماد \ ).

باز هم میریم سراغ آلیس و باب به عنوان فرستنده و گیرنده اطلاعات. در مرحله اول، آلیس بصورت تصادفی یک سری پایه (Basis) برای خودش انتخاب میکنه. هدف آلیس اینه که یک رشته باینری شامل اعداد صفر و یک رو برای باب بفرسته. پس تو مرحله دوم باز هم بصورت تصادفی اعداد صفر و یک خودش رو تولید میکنه (Data). (قبلا گفتیم که مکانیک کوانتومی ابزار قدرتمندی برای تولید اعداد تصادفی دراختیارمون میذاره). در مرحله سوم آلیس از مقایسه پایه­­‌هایی که انتخاب کرده با اعدادی که تولید کرده، به یک سری از حالات (State) میرسه که این حالات میتونه افقی، عمودی، قطری و یا پاد قطری باشه (با توجه به توضیحاتی که در مورد پایه‌­ها دادیم و قسمت ***).

در مرحله چهارم کار، باب هم به‌طور دلخواه و بصورت تصادفی، یک سری پایه برای خودش انتخاب میکنه. بدون اینکه از پایه‌هایی که آلیس انتخاب کرده با خبر باشه. حالا وقتشه که آلیس از طریق یک کانال کوانتومی حالت‌های (state) سیستمشو برای باب بفرسته. در عمل، این کانال کوانتومی، شامل همون فوتون­‌های قطبیده شده میشه که از آلیس به سمت باب میره و این مرحله پنجم کار به حساب میاد. تو مرحله ششم ، باب با توجه به پایه‌­ای که انتخاب کرده بود، حالتی (state) که آلیس براش فرستاده بود رو اندازه­‌گیری میکنه. باز هم طبق اصولی که قبلا گفتیم دو حالت ممکنه به وجود بیاد. حالت اول وقتیه که آلیس و باب بطور تصادفی، پایه‌های یکسان انتخاب کرده باشند. در این صورت نتیجه اندازه‌گیری باب دقیقا همون حالتی میشه که آلیس براش فرستاده بود. اما حالت دوم وقتیه که پایه‌های آلیس و باب متفاوت بوده باشه. در اینصورت حالتی که باب بدست میاره با حالتی که آلیس براش فرستاده بوده متفاوته! (احتمالا باید بتونین حدس بزنین باب چه نتیجه‌های میتونه بدست بیاره!) باب بعد از اینکه همه حالاتی رو که آلیس فرستاده بود رو اندازه‌گیری کرد، تو مرحله هفتم، حالاتی که به‌دست آورده رو با پایه‌­هایی که اول انتخاب کرده بود مقایسه میکنه و طبق قاعده‌ی قبلی به اون‌ها عدد نسبت میده. درنتیجه باب هم یک رشته از اعداد صفر و یک در اختیار داره .

تا اینجا همه کاری که ما قصد داشتیم با مکانیک کوانتومی انجام بدیم تموم شدست. در مرحله هشتم ، آلیس و باب از طریق یک کانال کلاسیک، مثلا تلفن، با هم ارتباط برقرار میکنن و پایه‌هایی که انتخاب کرده بودند رو به هم اطلاع میدن. اگه پایه­‌های انتخابی یکسان بود، اطلاعات مربوط به اون رو نگه میدارن و در غیر این صورت اون اطلاعات رو حذف میکنن.

چیزی که آلیس و باب در پایان کار در اختیار دارند، یک رشته از اعداد صفر و یک که برای جفتشون مشترکه و به این صورت آلیس و باب تونستند یک کلید بسیار ایمن برای رمزنگاری بسازند.

سوالی که اینجا مطرح میشه در مورد امنیت این روشه. اگه یکی این وسط بخواد اطلاعات رو بدزده چی؟ در این روش مهم ترین قسمت کار، انتقال حالت‌ها (state) از آلیس به بابه. چون در نهایت این قسمته کاره که باعث ساخت کلید ایمن میشه.خب اگه کسی بخواد تو این قسمت دزدی کنه، طبیعتا اول کار باید یک سری پایه برای خودش انتخاب کنه تا بتونه به وسیله اون‌ها روی حالت‌ها اندازه‌گیری انجام بده. اولین و بزرگترین مشکل برای سارق اینه که از پایه‌های باب هیچ اطلاعاتی نداره و به هیچ وجه نمیتونه پایه‌هاشو مثل باب انتخاب کنه. خب اگه بیاد در بین ارتباط آلیس و باب دزدی کنه، در پایان کار که آلیس و باب اطلاعات مربوطه رو رد و بدل کردن و کلید رو بدست آوردن، متوجه یک ناسازگاری بزرگ میشن. این ناسازگاری از اونجا ناشی میشه که اندازه گیری یک حالت کوانتومی باعث میشه سیستم در اون حالت بمونه و اصطلاحا سیستم به اون حالت فروزیزش یا فروکاهش “collapse” کنه. در اینجا هم دزد اطلاعات یک اندازه گیری انجام داده و حالتی که آلیس برای باب فرستاده بود رو عوض کرده و به این ترتیب آلیس و باب متوجه میشن که نفر سومی هم در ارتباط اون‌ها نقش داشته.

اما برای پیاده کردن این پروتکل چی نیاز داریم؟

در روش BB84 ، همه کار توسط فوتون‌ها انجام میشه. اما این فوتون‌ها باید “تک فوتون” (single photon) باشند و کوچکترین اختلالی در تولید فوتون که باعث بشه این ویژگی از بین بره، روند رمزنگاری رو با مشکل روبه‌رو میکنه. در عمل ساخت منابعی که برای ما تک‌فوتون تولید کنند بسیار سخت و بغرنجه!

پس برای این روش رمز نگاری ما به یک دستگاه تولید تک‌فوتون نیاز داریم. همچنین یک سری ابزار اپتیکی برای قطبیده کردن فوتون‌هامون. در نهایت، به دستگاهی برای آشکار سازی تک‌فوتون‌ها هم نیازمندیم.

برگردیم سراغ مکانیک کوانتومی؛ اگه به‌جای تک فوتونی که قبلا داشتیم، فرض کنیم دو تا فوتون در هم تنیده داریم، در واقع یک سیستم دو فوتونه که میتونیم بصورت زیر نمایشش بدیم (اندیس‌ها نشون دهنده‌ی شماره فوتون):

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \alpha_{HH} ({\left \vert {H} \right \rangle_1}{\left \vert {H} \right \rangle_2}) + \alpha_{HV} ({\left \vert {H} \right \rangle_1}{\left \vert {V} \right \rangle_2}) + \alpha_{VH} ({\left \vert {V} \right \rangle_1}{\left \vert {H} \right \rangle_2}) + \alpha_{VV} ({\left \vert {V} \right \rangle_1}{\left \vert {V} \right \rangle_2})$$

برای سادگی کار سیستممون رو طوری تغییر میدیم که ۲ تا از جمله‌ها صفر بشند:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = \alpha_{HH} ({\left \vert {H} \right \rangle_1}{\left \vert {H} \right \rangle_2}) + \alpha_{VV} ({\left \vert {V} \right \rangle_1}{\left \vert {V} \right \rangle_2})$$

حالا قطبیدگی فوتون اولمون رو اندازه‌گیری میکنیم. همون‌طور که قبلا گفتیم نتیجه میتونه عمودی یا افقی باشه. فرض کنید نتیجه اندازه‌گیری عمودی شد. اما سوالی که پیش میاد اینه که بعد از اندازه‌گیری سیستم به چه حالتی فروریزش (collapse) میکنه ؟ (دقت کنید که اندازه‌گیری فقط روی فوتون اول انجام شد)

نتایج اندازه‌گیری در آزمایشگاه بسیار شگفت‌انگیزه و به ما میگه پس از اندازه‌گیری سیستم به حالت زیر در میاد:

$$ \left \vert \psi \right \rangle = {\left \vert {H} \right \rangle_1}{\left \vert {H} \right \rangle_2}$$

و این نشون میده، اندازه‌گیری روی یک فوتون، روی فوتون دیگر هم تاثیر میذاره. حالا این دو فوتون درهم تنیده هر چقدر هم که میخوان از هم دور باشن، ولی باز روی هم تاثیر میذارن! نتیجه ای که از دیدگاه کلاسیک کاملا دور از انتظاره! دو فوتون در هم تنیده، باز هم ابزاری قدرتمندی در اختیار ما میذارن که با اون بتونیم عدد تصادفی تولید کنیم. چون اندازه گیری رو این فوتون ها دو نتیجه بیشتر نداره که احتمال اون‌ها کاملا با هم برابره.

بریم سراغ روش بعدی رمزنگاری کوانتومی یعنی روش “E91” که خیلی مختصر میخواهیم راجبش صحبت کنیم. این روش در سال ۱۹۹۱ توسط “ Artur Ekert مطرح شد؛ در این روش دو فوتون در هم تنیده داریم که آلیس و باب هرکدوم روی یکی از این فوتون‌ها آزمایش انجام میدن. باز هم مانند روش قبلی، آلیس و باب هرکدوم پایه‌های دلخواه خودشون رو به‌طور تصادفی، برای اندازه‌گیری انتخاب میکنن. چون فوتون‌ها در هم تنیده هستند و اندازه‌گیری روی هرکدوم ، وضعیت اون یکی رو هم مشخص می‌کنه، نتایج اندازه‌گیری الیس و باب به هم مربوط میشه و اگه از روش هایی مشابه به BB84 استفاده کنن، در نهایت یک کلید ایمن خواهند داشت. همچنین اگر کسی قصد دزدی اطلاعات رو هم داشته باشه، اختلال بوجود اومده در سیستم به راحتی برای آلیس و باب قابل مشاهده است. (جزئیات این روش نیازمند یک سری اطلاعات در مورد قضیه بل ، “Quantum teleportationو چیز های دیگه میشه . برای همین به توضیح مختصر اون اکتفا کردیم.)

و در پایان مشاهده کردیم که چگونه مکانیک کوانتومی در برقراری ارتباط‌های ایمن به ما کمک میکنه و باعث میشه وجود هر اختلال حین برقراری ارتباط رو متوجه بشیم و بتونیم روشی برای انتقال ایمن اطلاعات داشته باشیم!

توجه:

استفاده از تصاویر و مطالب این پست، با ذکر منبع، بلامانع است.