رفتن به نوشته‌ها

Month: اردیبهشت ۱۳۹۹

فوتونیک چیه؟ فوتونیک کجاست؟

راستش نور همیشه برای من جذاب‌ترین قسمت فیزیک و آزمایش‌هاش بوده اما در مورد رشته فوتونیک تا قبل از شروع لیسانس هیچ چیز نمی‌دونستم. می‌خوام در طول این متن برای بچه‌هایی بنویسم که لیسانسشون رو به اتمامه و میخوان برای کنکور ارشد آماده بشن یا حتی برای دوستان دبیرستانی که به نور علاقه دارن و می‌خوان مستقیماً برن دنبالش و از دنیای پرهیاهوی فیزیک و درس‌های به ظاهر طاقت‌فرسای نظری سریعتر بگذرن. (همین‌جا بگم تا یادم نرفته که این‌کار به نظر جذاب‌تره ولی اصلاً توصیه‌ش نمی‌کنم. در ادامه توضیحش می‌دم!)

فوتونیک چیه؟

فوتونیک رو چند مدل تعریف می‌کنن. ساده‌ترینش اینه که فوتونیک، علمی است که در آن به نور می‌پردازند! همین‌قدر کلی! یا یکم کامل‌ترش اینه که فوتونیک، علمی است که در آن به تولید و کنترل و آشکارسازی امواج نوری و فوتون‌ها می‌پردازیم. حتی کمی دقیق‌تر بخواییم نگاه کنیم می‌تونیم بگیم فوتونیک علم و تکنولوژی‌ای است که در آن به تولید و استفاده از نور و دیگر انرژی‌های تابشی مشغولیم که واحد کوانتومیشون فوتونه (که با تقریب خوبی بیشتر طیف الکترومغناطیسی رو شامل میشه به جز امواج رادیویی و ریزموج‌ها که معمولاً تو حیطه برق مخابرات و اینا باهاشون کار می‌کنیم). گذشته از این تعاریف، یادمه که استاد درس فوتونیک۱ هم تعریف جالبی ارائه داد. ایشون می‌گفت فوتونیک علم و فناوری تولید، انتقال، دستکاری و دریافت اطلاعات به وسیله نور هست. من این تعریف رو بشخصه بسیار می‌پسندم. حالا چرا اسم فوتونیک گذاشتن روی این زمینه علمی؟ خب انگار اون زمان (یعنی سال ۷۰–۱۹۶۰ میلادی) از الکترونیک تقلید کردن! الکترونیک علم استفاده از جریان الکترون‌هاست و حالا که سیلی از فوتون‌ها داریم، خب اسمشو میذاریم فوتونیک. ☺

مردم تو فوتونیک دارن چیکار می‌کنن؟ فوتونیک کجاهاست؟

تقریباً همه دانشگاه‌های دنیا به نحوی مشغول تحقیق در زمینه فوتونیک هستن. اکثراً در دانشکده فیزیک و دانشکده برق یا گاهی به صورت یک مؤسسه یا مرکز تحقیقات جدا، مشغول کار بر روی حوزه‌های مختلف فوتونیک هستند. همون‌طور که در ادامه می‌بینید به دلیل تنوع موضوعات، این که در دانشکده‌های مختلف بهش بپردازند، اصلاً چیز عجیبی نیست. حالا که از اسم و تعریفش گفتم، قبل از این که بگم تو دنیا متخصصان فوتونیک مشغول چه مدل کارهایی هستن، می‌خوام چندتا از حوزه‌های کلی علمیش رو براتون بگم. اولیش که اینقدر معروفه که خیلی جاها اصلاً علم فوتونیک رو به اون می‌شناسن رو قطعاً حدس زدین تا الان: لیزرها! البته علم فوتونیک بسیار بسیار وسیع‌تر از این حرف‌هاست و انواع لیزرها فقط یه بخشی از اون هستن. در ادامه ما فیبر نوری، اپتیک غیر خطی، الکترواپتیک (یعنی موادی که وقتی نور بهشون می‌خوره خواص الکتریکیشون عوض میشه)، فتوولتائیک (فناوری استفاده شده در ساخت سلول‌های خورشیدی)، LEDها، طیف‌سنجی، مدارات مجتمع، دانش و فناوری امواج تراهرتز، اپتیک کوانتومی، اپتیک نیمه‌رساناها و البته خود اپتیک (نورشناسی)! بله.اپتیک به عنوان شاخه‌ای از فیزیک رو هم میشه در واقع زیرشاخه‌ای از فوتونیک طبقه‌بندی کرد. زیرشاخه‌ای بسیار وسیع که مطالعه خود اون یک رشته تخصصی است و سال‌ها وقت می‌خواد.

نمایی از یک چیدمان اپتیکی در دانشگاه نبراسکا که برای شتاب‌دهی الکترون به کار می‌رود.

خب ازین موارد هم بگذریم. می‌خوام توضیح بدم تو دنیا فوتونیک رو برای چه چیزهایی استفاده می‌کنند و این شاخه‌هایی که گفتیم کجاها تو زندگی به دردمون خوردن و قراره بخورن. قبل از هر چیزی این رو بگم که یکی از مهم‌ترین وظایف علم فوتونیک، پر کردن خلأهاییه که الکترونیک در زندگی ما قادر به پر کردنشون نیست. نیازهایی که با پیشرفت الکترونیک و مخابرات ایجاد شدن و حالا دیگه ما به این حدی که داریم قانع نیستیم یا نیاز مارو نمی‌تونن برطرف کنن. مثل افزایش سرعت اینترنت یا افزایش پهنای باند برای انتقال داده‌ها یا امثالهم که با فیبرها و موج‌برهای نوری سعی در بهبودشون داریم چون می‌دونیم سرعت نور تقریباً ۱۰ برابر سرعت برقه (جریان الکترونی) پس می‌تونه تا حد زیادی سرعت انتقال اطلاعات و همچنین پهنای باند را زیاد کنه و همچنین موج نور بر خلاف الکترون‌ها در مدهای خاص و قابل تنظیم حرکت می‌کنه که با هم تداخل نمی‌کنند پس امکانش هست که حتی مثلاً سه میلیون مکالمه همزمان تلفنی را توسط تنها یک فیبر نوری منتقل کنیم! پس در کل باید قطعاتی بسازیم و استفاده کنیم که به جای الکترون از فوتون استفاده کنن که این میشه بخشی از فوتونیک که به مدارات مجتمع می‌شناسنش؛ همون چیزی که در بالا هم ازش اسم برده بودم.

اگر بخوام ادامه بدم می‌تونم به کاربرد نور (لیزرها) در بریدن و جوش دادن و سوراخ‌کاری تقریباً هرچیزی یعنی از فلزها تا پارچه و پوست انسان بگم، میشه از کاربردهای فوق‌العاده طیف‌سنجی نوری در انواع و اقسام بخش‌ها از نجوم و دریافت و تحلیل داده‌های آسمانی تا مواد و نمونه‌های مختلف اطرافمون که به تشخیص مواد سازنده اونا نیاز داریم، گفت، یا از دانش نسبتاً جدید تراهرتز گفت که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خودش (مثلا جذب بسیار زیاد در آب یا بازتاب بسیار زیاد از سطح فلزها یا عبور با جذب بسیار پایین از موادی مثل پارچه یا پلاستیک) بسیار محبوب شده‌است، در صنایع نظامی لیزرها و ادوات اپتیکی مثل دوربین‌ها یا آشکارسازها بسیار کمک کننده هستند، در حیطه تشخیص و درمان پزشکی، استفاده از نور، تجربه بسیار موفقی بوده‌است؛ برای مثال در عمل‌های جراحی داخلی یا پوست و مخصوصاً چشم که بسیار حساس است، لیزرهای توان‌پایین بدون آسیب زدن به بافت کلی چشم می‌توانند آن را به خوبی بشکافند، در صنایع کشاورزی برای کنترل کیفیت رشد و همچنین داشتن تصاویر بزرگ مقیاس و با کیفیت از نحوه حاصل‌دهی محصول از فتونیک استفاده میشه. موارد دیگه از استفاده شامل تولید انرژی پاک و استفاده از قطعات فتوولتائیک (سلول‌های خورشیدی) برای تولید انرژیه. کاربردهای بسیار جالب و متنوع دیگری هم در صنایع هوافضا و نانوتکنولوژی و مهندسی اطلاعات و امنیت و تولید و فناوری زیستی داره که به خودتون میسپرمش.

نمونه‌ای از لیزر تراپی که برای خون‌رسانی و درمان بافت از آن استفاده می‌شود.

فوتونیک در ایران

در وهله اول باید بدونین فوتونیک یک علم تجربیه که برای پیشرفت کردن در اکثر زمینه‌های اون، نیاز به تجهیزات و آزمایشگاه‌های پیشرفته و دقیقی هست. وضعیت کشور ما رو هم که می‌دونید در این زمینه‌ها. پس صادقانه بهتون بگم که توقعتون رو بیارین پایین از همین الان! ☹

از بهترین دانشگاه‌هایی که در مقطع لیسانس، رشته اپتیک و لیزر رو دارن میشه به دانشگاه مالک اشتر (وابسته به وزارت دفاع) یا دانشگاه شهید باهنر کرمان یا دانشگاه بناب و دانشگاه صنعتی ارومیه اشاره کرد. البته همونطور که در ابتدای متن هم گفتم توصیه شخصی من این هست که حتی اگر می‌خوایین در رشته فوتونیک وارد شین و فعالیت کنین در مقطع لیسانس سعی کنین فیزیک بخونین و در یک دانشگاه خوب هم بخونین؛ دلیلم البته هم تجربه‌ایه که با دیدن دوستان و اطرافیان تو دوران کارشناسی ارشد به دست آوردم. از طرف دیگه، یک دانشجوی خوب فیزیک، مجبوره سخت‌کوش و با دانش وسیع‌تری بار بیاد. وقتی شما لیسانس فیزیک می‌گیرید باید علی‌الاصول دید خوبی به مباحثی مثل مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد و مکانیک آماری داشته باشید که تا جایی که من خبر دارم در رشته اپتیک و لیزر بسیار سطحی این مباحث رو تدریس می‌کنن (حداقل نسبت به دانشکده‌های فیزیک) در حالی که بسیار بسیار دونستن این مفاهیم در درک شاخه‌های مختلف فوتونیک راه‌گشاست.

در تحصیلات تکمیلی هم مهم‌ترین مرکزی که در کشور این رشته رو داره، پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتیه. همچنین دانشگاه علم و صنعت، دانشگاه خوارزمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی در علوم پایه زنجان، دانشگاه تبریز، دانشگاه زنجان، دانشگاه زاهدان، دانشگاه شهرکرد، دانشگاه صنعتی شیراز، دانشگاه کاشان، دانشگاه سنندج، دانشگاه رشت، دانشگاه ملایر، دانشگاه بابلسر و دانشگاه رفسنجان هم از طریق کنکور کارشناسی ارشد فوتونیک پذیرش دانشجو دارند؛ البته همون‌طور که گفتم باید بسیار زیاد به این نکته توجه کنین که این رشته یک علم تجربیه و تجهیزات و آزمایشگاه‌ها حرف بسیار زیادی رو در اون می‌زنن پس برای انتخاب دانشگاه به این نکته بسیار دقت کنید که بعداً پشیمون نشین.

اگر بخوام در حد یک بند توضیح بدم که این‌جا در ایران، مهم‌ترین و بیشترین مباحثی که استادها و دانشجوهاشون دارن کار می‌کنن روش چه چیزهایی هستن، میتونم به موضوعاتی مثل ساخت انواع لیزر، ساخت انواع حسگر به کمک فیبر نوری، فوتونیک مواد آلی و پلیمری، دانش و فناوری تراهرتز (فعلا به صورت شبیه‌سازی)، انواع مختلف میکروسکوپی و تصویربرداری از جمله عکس‌برداری از بافت‌های زیستی، بایوفوتونیک، تحقیق بر روی انبرک‌های نوری، پلاسمونیک (محلی برای توضیح این مبحث بسیار جذاب در این متن نبود ولی توصیه می‌کنیم حتماً یه سرچی بکنید در موردش)، اپتیک کوانتومی، تحقیق و توسعه سلول‌های خورشیدی، حسگرهای نیمه‌رسانا، انواع طیف‌سنجی، نانو فوتونیک اشاره کنم.

البته مباحث دیگری هم شاید باشند که احتمالاً نسبت به موارد ذکر شده اهمیت کمتری دارند. به هر حال، تلاش بر این بوده که مهم‌ترین و برجسته‌ترین موضوعاتی که در دانشگاه‌های داخل کشور به آن‌ها پرداخته می‌شه ر مطرح کنم. باز هم تأکید می‌کنم که مثلاً وقتی گفته میشه در داخل کشور برخی آزمایشگاه‌ها به کار بایوفوتونیک مشغول هستند، اصلاً و به هیچ عنوان نمیشه کار شون رو با آزمایشگاه‌های بسیار مجهز و اساتید خارج از ایران مقایسه کرد. تفاوت‌ها گاهی ناامید کننده هستند.

در پایان و به عنوان سخن آخر

تحصیل در رشته فوتونیک همواره سختی‌ها و مشقات خاص خودش مثل کار کردن با ادوات آزمایشگاهی قدیمی یا نبود امکانات آزمایشگاهی، کمی عقب بودن از باقی دنیا به دلیل تحریم و … رو به همراه داره. اما برای عاشقان سینه‌چاک نور، این موضوعات محدودیت نیست و قطعاً موضوعات بسیار جالب و چالش‌برانگیزی رو می‌شه پیدا کرد که هم دست اول باشند و هم با همین امکانات هم به پژوهش در موردشون پرداخت. مهم، دید علمی و درست به دنیا و به اطرافتون هست!

نظریه گراف و علم شبکه

نزدیک به ۲۰ ساله که چیزی به اسم نظریه شبکه‌ یا علم شبکه در ادبیات علمی پیدا شده. شاید نزدیک‌ترین یا نام‌آشناترین نظریه به علم شبکه، نظریه گراف در ریاضیات باشه. چیزی که از زمان اویلر (۱۷۳۶) شکل گرفته و در چند قرن اخیر هم همیشه حوزه‌ی پژوهشی برای ریاضیدون‌ها بوده. اما این فقط ظاهر کاره! نگاهی به جامعه‌ی علمی این دو شاخه از معرفت بشری، تصویری از دو گروه از متخصصین رو نشون می‌ده که چندان هم کارشون شبیه به هم نیست! به عبارتی، با این‌که نظریه شبکه بسیار وام‌دار نظریه گراف هست، اما چیزی که در عمل در حال اتفاق افتادنه اینه که مسائلی که گراف‌کارها مشغول مطالعه‌شون هستند اصلا شبیه به مسائل شبکه‌کارها (دانشمندان شبکه!) نیست. با تقریب خوبی البته!

علت این اتفاق هم بیشتر به این برمیگرده که برای یک ریاضیدان، گراف یک موجود انتزاعی/مجرد و خوش‌تعریف ریاضی به همراه یک عقبه محکم و استوار ریاضی و تعداد زیادی لم، قضیه و حدسه، در حالی که برای دانشمندان شبکه، شبکه یک موجود کاربردی و پدیدارشناسانه‌ هست که نه تعریف چندان صریحی داره و نه عقبه کاملا مشخصی! علم شبکه یا نظریه شبکه، علمی جدید، پدیداره از علوم و دانش‌های مختلفه که حدودا ۲۰ ساله شکل گرفته و بیشتر از هر چیزی تحت تاثیر داده‌های بزرگ و کامپیوترها بوده تا کاغذ و قلم و حل‌های بسته (تحلیلی)!

نگاره از QuantaMagazine

در نظریه گراف تلاش عمدتا بر شناسایی و مطالعه ساختارهاییه که بتونیم اون‌ها رو به صورت تحلیلی دنبال کنیم. برای همین، گراف‌کارها (نظریه‌پردازان گراف!) معمولا به سراغ گراف‌های تصادفی، گراف‌های کامل و مسائلی مثل رنگ آمیزی و کاور کردن میرن. اما در علم شبکه، مردم بیشتر به دنبال مسائل کاربردی‌تر و مدل‌هایی هستند که بیشتر مسائل دنیای واقعی (فیزیکی، شیمیایی، زیستی، اجتماعی و اقتصادی) رو توجیه‌ کنند! برای همین لزوما از لحاظ ساختاری این شبکه‌ها، گراف‌هایی نه کاملا تصادفی و نه کامل، بلکه گراف‌هایی تنک با توزیع درجه‌‌های دم‌کلفت هستند!

علم شبکه، امروز یک ساختار پدیدارشناسانه از دنیای بس‌ذره‌ای و پیچیده بیرونه! یک مقایسه زمانی با فیزیک، میشه گفت که علم شبکه در زمان ما، بسیار شبیه به ترمودینامیک زمان کارنو هست و نه ترمودینامیک در زمان بولتزمان، مکسول و فون‌نویمان! انتظار بر اینه که تلاش‌های جدی صورت بگیره تا ریاضیات لازم برای علم شبکه به قدری توسعه پیدا کنه که علم شبکه به بلوغی برسه که ترمودینامیک بعد از بولتزمن رسید.

چیزی که خوندید، در حقیقت مقدمه‌ای بود برای دعوت به مطالعه این نوشته:

Iñiguez, G., Battiston, F. & Karsai, M. Bridging the gap between graphs and networks. Commun Phys 3, 88 (2020). https://doi.org/10.1038/s42005-020-0359-6

Bridging the gap between graphs and networks
arXiv:2004.01467 [physics.soc-ph] DOWNLOAD

مستقل از این‌که این نوشته دید خوبی می‌ده از تفاوت نگاه دو جامعه علمی متفاوت به یک مسئله و مسائل مختلف حوزه پژوهش در هر کدوم از اون جوامع، این نوشته دارای منابع گلچین شده‌ای هست که هر کسی که کارش مربوط به شبکه است خوبه که حتما اون‌ها رو بخونه!

برای همین اگر دانشجوی سیستم‌های پیچیده یا یکی از سه رشته فیزیک، ریاضی و علوم کامپیوتر هستید و علاقه‌مند به موضوع شبکه‌ها، این نوشته رو به شما توصیه می‌کنم تا بدونید که:

  • علم شبکه، نظریه گراف نیست و بالعکس!
  • تفاوت مسائل روز پژوهشی که ریاضیدون‌ها و شبکه‌کارها بهشون می‌پردازن چی هست.
  • آینده این علوم چه شکلی ممکنه داشته باشه؟!
  • اگر ریاضی خوندید و علاقه‌مند به شبکه هستید، مسیری که در پیش دارید چه‌طوری می‌تونه باشه!
  • اگه فکر می‌کنید علم شبکه چندان پشتوانه ریاضی قوی نداره، اون موقع باید چه‌طور نگاهتون رو اصلاح کنید!