رفتن به نوشته‌ها

نویسنده: عباس ک. ریزی

فیزیک آماری و علوم کامپیوتر:
سیستم‌های پیچیده، سیستم‌های دینامیکی غیرخطی، علم شبکه‌ و پدیده‌های بحرانی

abbas.sitpor.org

آنیون‌ها و آمار کوانتومی در ۲-بعد

﷽ توی فیزیک، بسته به شرایط مسئله‌ای که مطالعه می‌کنیم، به یه سری چیزها می‌تونیم بگیم ذره. از یک نگاه، فیزیک چیزی نیست جز بررسی ذرات و میدان‌ها. مثلا کیهان‌شناس‌ها به منظومه شمسی میگن یه ذره! به عبارت دیگه در فیزیک بسته به مقیاس، وقتی میگن ذره، لزوما منظور شی کوچیکی نیست وقتی با چشم بهش نگاه می‌کنیم. فقط در حوزه «فیزیک ذرات» یا «فیزیک انرژی بالا» مردم منظورشون از ذره معمولا ذرات بنیادیه. تعریف دم‌دستی از ذره بنیادی هم یه چیزیه که ساختار ریزتری نداره؛ مثلا ما ساختار ریزتری برای الکترون نمی‌شناسیم گویا. اما در مورد نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون)، اونا رو می‌تونیم با کوارک‌ها بسازیم. پس الکترون و کوارک ذره بنیادی حساب میشن اما پروتون نه. از طرف دیگه، منظور ما از یک «ذره کوانتومی» یا به‌طور کلی یک «پدیده کوانتومی» اینه که فیزیک کلاسیک در توصیف رفتار اون ذره یا پدیده ناکافی یا ناکارآمده و اصطلاحا باید در یک رژیم کوانتومی به دنبال توصیف مناسب بگردیم.

کهکشان‌ها به قدری بزرگ هستند که به ستاره‌ها بشود عنوان یک «ذره» را نسبت داد!
این نوشته از کوانتا مگزین را بخوانید.

حالا اگه علاقه‌مند به مطالعه سیستم‌های بس‌ذره‌ای کوانتومی باشیم، یعنی بخوایم بدونیم که مجموعه‌ای از ذرات کوانتومی با یک مدل برهمکنشی خاص چه‌طوری رفتار می‌کنن اون موقع فیزیک آماری کلاسیکی که برای سیستم‌های بس‌ذره‌ای بلدیم باید قاعدتا به یک نسخه‌ کوانتومی تغییر کنه. در دنیای کوانتومی، ذرات به دو گروه فرمیون‌ها و بوزون‌ها تقسیم میشن. این طبقه‌بندی در دنیای کلاسیک اصلا نیاز نیست. به خاطر این طبقه‌بندی جدید ذرات، وقتی نیاز داشته باشیم که یک سیستم‌ کوانتومی رو به طور آماری بررسی کنیم، باید دقت کنیم که در بررسی اجزا اون سیستم با دو آمار مختلف رو به رو هستیم. یک آمار ویژه فرمیون‌ها به نام «آمار فرمی-دیراک» و یک آمار ویژه بوزون‌ها به نام «آمار بوز-اینشتین». پس منظور از «آمار کوانتومی» مجموعه‌ای از ذرات، یک بررسی فیزیک آماری کوانتومی از اون سیستمه.

یک سری چیزها مثل پروتون، نوترون و الکترون پیرو آمار فرمی-دیراک هستن. این‌ها ذراتی هستن که اسپین‌هاشون کسریه و مضرب یک‌دوم، به اینا میگیم فرمیون. اصل طرد پائولی هم فقط برای فرمیون‌ها برقراره. اصل طرد هم یک جور فاصله‌گذاری اجتماعی بین ذراته! یکی از نتایج اصل طرد اینه که برای داشتن ماده (به معنی اکثر ساختارهای فیزیکی که اطرافمون هست) باید فرمیون‌ها رو کنار هم قرار بدیم و نه بوزون‌ها رو. چون اجتماع فرمیون‌ها منجر به ساختارهای گوناگونی میشه که منجر به ایجاد ماده‌های مختلفی میشن. اما اجتماع بوزون‌ها این شکلی نیست!

مثلا فوتون که کوانتا (ذره) سازنده نوره یک بوزونه و از آمار بوز-آینشتین پیروی می‌کنه. اسپین بوزون‌ها صحیحه و اصل طرد برشون حاکم نیست. به همین خاطر میشه یک عالمه فوتون رو جایی جمع کرد بدون اینکه ساختار خاصی شکل بدن. به این کار اصطلاحا میگن چگالش بوز-آینشتین. در نگاه «فیزیک ذرات» برای توصیف هر پدیده‌ای علت رو میندازن گردن یه «ذره»؛ به عنوان مثال، دو تا جسم جرم‌دار رو تصور کنید که به خاطر گرانش بهم نیرو وارد میکنن. در نگاه فیزیک کلاسیک، گرانش انگار پیوسته بین دو جسم وجود داره و سبب میشه که این دو جسم بهم نزدیک بشن. مثلا زمین همیشه داره به خورشید نزدیک میشه به خاطر جاذبه گرانشی، ولی به جای اینکه سقوط کنه روی خورشید دورش میچرخه. حالا سوال اساسی اینه که این برهمکنش چه‌طور انجام میشه؟ از نگاه فیزیک ذرات، این برهمکنش گرانشی با تبادل ذره‌ای به اسم گراویتون بین خورشید و زمین انجام میشه. هنوز از لحاظ تجربی گراویتون مشاهده نشده، اما انتظار میره در صورت مشاهده، بوزونی بی‌جرم با اسپین-۲ باشه!

بوز یک فیزیکدان هندی بود. قطار سوار شدن هندی‌ها رو به عنوان چگالش بوز-آینشتین در نظر بگیرید!

خلاصه تا این اواخر ما فکر می‌کردیم که ذرات کوانتومی یا باید فرمیون باشن یا بوزون و وقتی به یک سیستم کوانتومی نگاه می‌کنیم فقط با دو جور آمار روبه‌رو هستیم.

در فیزیک یک طبقه‌بندی دیگه‌ای هم وجود داره که به بعضی چیزها به جای ذره، میگیم شبه‌ذره یا Quasi-particle. این‌ها در حقیقت موجوداتی هستن که از برانگیختگی‌ میدان‌ها بیرون میان، مثل فنون‌ها. در فیزیک ماده‌چگال، فنون‌ها ذراتی هستن که سبب رسانش گرمایی توی فلزات میشن. این شبه‌ذرات همون چیزایی هستن که ما بهشون میگیم ذره پدیداره یا emergent particle. انگار ذره‌ای در عمل نیست توی یه تکه فلز، اما ذره‌ای خلق شده جوری که مسئولیت رسانش گرمایی رو برعهده گرفته. برای همین، غیر از ذرات کوانتومی معروفی مثل پروتون، نوترون و الکترون یک سری ذره دیگه هم وجود دارده مثل فونون و گراوتیون که ذرات کوانتومی هستن. برای همین انتظار اینه که همه این ذرات آمارهای کوانتومی داشته باشن.

پس ما:

  • بسته به مقیاس مورد مطالعه‌مون به هر چیزی می‌تونیم بگیم ذره.
  • اگه ذره‌ای کوانتومی حساب بشه اون موقع اجتماعی از اون ذرات باید از آمار کوانتومی پیروی کنه.
  • آمار کوانتومی دو نوع داشت: آمار فرمی-دیراک و آمار بوز-آینشتین

راستش همه این حرفا برای ۳-بعد بود. توی ۱۰ – ۱۲ سال گذشته مردم به صورت نظری راجع به این حرف زدن که در ۲-بعد ذرات می‌تونن آمار خیلی غنی‌تری از خودشون نشون بدن! یعنی در ۲-بعد نمیشه همه رو به دو دسته فرمیون و بوزون دسته‌بندی کرد. در ۲ بعد خیلی خبرهای بیشتری داریم. از پیشگامان این عرصه نوبلیستی بود به اسم فرانک ویلچک. (با تاماش ویچک اشتباه گرفته نشه!)

اگه مردم بتونن نتایج آزمایش بالا رو بدون کم و کاست تکرار کنن، یک اتفاق بسیار مهم تو فیزیک به حساب میاد. به‌طور خلاصه، با این‌که ذرات در ۳-بعد یا آمار فرمیونی دارن یا بوزونی اما در ۲-بعد داستان خیلی پیچیده‌تره. اگر فازی که در اثر جابه‌جایی دو تا ذره به دست میاد رو به شکل $e^{i \theta}$ در نظر بگیریم برای بوزون‌ها θ صفره و برای فرمیون‌ها π. اما در ۲-بعد θ می‌تونه هر عددی باشه! حتی بالاتر از این میشه یه فضای برداری تعریف کرد و به جای یه فاز یه ماتریس یکانی اونجا گذاشت! (این اون چیزی‌است که محاسبات کوانتومی توپولوژیک قراره ازش استفاده کنه).

پیشنهاد می‌کنم این نوشته‌ رو بخونید و فرانک ویلچکو در توییتر دنبال کنید. ویلچک جزو فیزیکدونای بزرگیه که تلاش میکنه مردم عادی هم فیزیک رو بفهمن. مثلا در مورد شبه‌ذره‌ای مثل آنیون‌ هم مطالب و سخنرانی‌های جالبی داره:

نوبل فیزیک ۲۰۲۰ برای کاوشگران تاریکی

جایزه نوبل فیزیک امسال به اخترفیزیک‌دان‌ها به خاطر خدماتشان در زمینه بهتر شناختن سیاه‌چاله‌ها رسید. نیمی از جایزه امسال به راجر پنروز و نیم‌دیگر آن به طور مشترک به رینهارد گِنزِل و آندریا ام. گز تعلق گرفت. این جایزه به خاطر کشف این که تشکیل سیاهچاله یک پیش‌بینی بی شائبه از نظریه نسبیت عام است و کشف یک شی فشرده‌ی کلان‌جرم در مرکز کهکشان تعلق گرفت.

سِر راجر پنروز (Sir Roger Penrose) (زاده ۸ اوت ۱۹۳۱)،فیزیک‌دان و ریاضیدان برجستهٔ انگلیسی است.

او به پاس کشف این که تشکیل سیاهچاله یک پیش‌بینی بی شائبه از نظریه نسبیت عام است برنده نیمی از جایزه نوبل فیزیک شد.

آندریا اِم. گِز (Andrea M. Ghez) (زن – زادهٔ ۱۶ ژوئن ۱۹۶۵ در نیویورک) استاد گروه فیزیک و اخترشناسی دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس است. برای آشنایی با کار گز این نوشته را بخوایند.

رینهارد گِنزِل ( Reinhard Genzel) (زادهٔ ۲۴ مارس ۱۹۵۲) عضو انستیتوی فیزیک فرازمینیِ ماکس پلانک و استاد دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است.

نیم دیگر جایزه به این دو نفر به خاطر «کشف یک شی فشرده‌ی کلان‌جرم در مرکز کهکشان» تعلق گرفت.

در مورد جایزه امسال بیشتر بخوانید:

سخنرانی اندریا گز در تد ۲۰۰۹ در مورد کشف سیاه‌چاله کلان‌جرم

بر اساس داده‌های جدیدی که از تلسکوپ‌ها به دست آمده‌است، آندریا گز نشان می‌دهد که چگونه اپتیک تطبیقی، اخترشناسان را قادر می‌سازد تا به بررسی مرموزترین اجرام عالم یعنی سیاهچاله‌ها بپردازند. او در این سخنرانی مدارکی را مطرح می‌کند که بر مبنای آن شاید سیاهچاله ای ابر پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری کمین کرده باشد.

مصاحبه با رینهارد گنزل در مورد کارهای او پیرامون سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم

تصویرسازی‌های موسسه نوبل

fig2-phy-en-cross-section-merged

دنیای این روزهای علم – قسمت ۰

دقت کردین که «عمده» شعرا یا نویسنده‌های بزرگ، دکتری ادبیات ندارن یا بازیگرای درجه‌ یک سینما هیچ‌ موقع خیلی جدی درس سینما نخوندن؟ یا از طرف دیگه نه رونالدو تربیت بدنی خونده و نه میلیاردرهای جهان دکتری اقتصاد یا مدیریت مالی دارن؟ ولی در مورد علم چی؟! دقت‌کردین همه فیزیکدان‌ها، دکترای فیزیک دارن! شخصا آخرین آدم حسابی که یادمه در علم دکتری نداشت ، مرحوم فریمن دایسون بود که اوایل امسال عمرشو داد به شما. ناگفته نمونه که دایسون با این‌که دکتری نداشت اما کار دانشگاهی داشت درست مانند بقیه همکارهاش که دکتری داشتند.

اصلا چون امروز هر فیزیکدانی دکتری داره، منجر به این برداشت شده که هر کسی که مثلا دکتری فیزیک داره رو فیزیکدان فرض کنن و هر کس که دکتری ریاضی داره رو آقا و خانم ریاضی‌دان صدا بزنن، خصوصا توی رسانه‌ها! فکر کنید سه‌ چهار سال دیگه من خودمو علوم‌کامپیوتردان معرفی کنم جایی؛ بیچاره تورینگ، بیچاره‌تر کنوث! خلاصه که در علوم پایه، کارکرد دانشگاه خیلی متفاوت از بقیه رشته‌ها شده. امروز تقریبا شما باید «دکتر» باشین تا در جامعه علمی بتونید ارتباط برقرار کنید. حتی نسبت به قرن بیستم هم مفهوم آکادمیا کاملا تعریف جدیدی داره انگار چه برسه به سده‌های گذشته. همین‌ قدر بگم که اگه آدم دانشگاهی نباشین، حتی در توییتر هم زیاد تحویلتون نمی‌گیرن چه برسه مثلا داخل کنفرانسی چیزی. بگذریم!

برخلاف گذشته که علما عمدتا هر کدوم شغل و منصبی داشتند و در کنارش به علم می‌پرداختند الان شغل‌های دانشگاهی مختلفی وجود داره که کسب و کار اصلی آدم‌ها رو تشکیل میده. در تاریخ اومده که ابن‌هیثم شغل کارمندی (دیوانی) داشته و بارها سعی کرده خودش رو به دیوونگی بزنه بلکه بتونه این شغل‌ها رو رها کنه و یک زندگی کاملا علمی داشته باشه. یا مثلا نیوتون مدتی شغلش ریاست ضرابخانهٔ سلطنتی بوده و در همان دوران هم «نورشناخت» رو منتشر کرده. ماجرای معروفی وجود داره به این نقل که یه شب که نیوتون خسته از ضرابخونه بر می‌گرده خونه‌ش می‌بینه برنولی (یوهانشون که استاد اویلر بود) نامه زده که آقا ببین این مسئله رو می‌تونی حل کنی، و نیوتون هم تا قبل آفتاب‌طلوع مسئله رو حل می‌کنه و جوابش رو با اولین پست فردا صبح – به صورت گمنام – برای برنولی ارسال می‌کنه!

ویلچک (برنده نوبل فیزیک در ۲۰۰۴) اینجا توضیح میده که چاپ مقاله در دنیای امروز فرایند کاملا متفاوتی رو طی می‌کنه. مثلا مقاله معروف ۱۹۱۵ (نسبیت) آینشتین با متر و معیارهای امروزی قاعدتا در هیچ مجله‌ای چاپ نمیشد! چون اولا مقاله با بحث فلسفی آرومی در مورد مفهوم فضا و زمان شروع میشه و بعدش آینشتین به سراغ ریاضیات شناخته‌‌شده‌ حساب تنسوری میره، اونم با شرح و تفصیل، جوری که نصف مقاله رو همینا پر می‌کنه. در حالی که امروز این‌ چیزها «زاید» حساب میشن و کسی اینقدر طولانی مقدمه نمی‌نویسه. اصلا بعضی مجله‌ها قیدهای خاصی روی اندازه مقاله دارن، مثلا میگن حداکثر فلان‌قدر کلمه باید داشته باشه یا در بهمان‌تعداد صفحه نهایتا باشه. از طرف دیگه، مقاله نسبیت آینشتین نه تنها هیچی شکلی نداره، بلکه به هیچ مقاله قبلی هم ارجاع نمیده! امروز اگه کسی این جوری مقاله بنویسه، قبل از اینکه به دست ویراستار مجله (editor) برسه، مقاله کلا کله‌پا میشه و کارش به زباله‌دان تاریخ کشیده میشه. نوشته ویلچک رو بخونید.

خلاصه که امروز دنیای علم قر و فرهای زیادی داره که مثل هر چیز دیگه خوبی‌ها و بدی‌های خودشو به همراه میاره. قصد من از این نوشته این نبود که بگم دنیای امروز بده! در دنیای دیروز شاید آدمی مثل من باید دربه‌در دنبال یه لقمه نون می‌دوید به جای اینکه صبح به صبح بره دانشگاه، قهوه بخوره، کار علمی کنه و حقوق بگیره! اینو نوشتم چون تصور همه آدمای تازه وارد به علم، معمولا پره از داستان‌‌ها و گاهی افسانه‌های چهره‌های معروف تاریخ علم. با ورود به دوره دکتری آدم یک دفعه با دنیای متفاوتی روبه‌رو میشه که قبلا خیال می‌کرد شکل دیگه‌ای داشته باشه.

آیا باید دکتری بخونم؟!

این روزها، همه کسایی که با من لیسانس رو شروع کرده بودن یا دانشگاه رو کاملا ترک کردن یا اینکه جایی در گذار از کارشناسی ارشد به دکتری هستن. تعدادی وارد دوره دکتری شدن و تعدادی هم در فکر ورود به این مقطع، شب و روزشون رو سر می‌کنن. نزدیک به یک‌ساله که من دوره دکتریم رو در آلتو شروع کردم. احتمالا هنوز تجربه کافی برای دادن یک جواب خیلی پخته به این سوال رو ندارم، اما به نظرم تجربه‌هایی که این مدت کسب کردم یا چیزهایی که از بقیه شنیدم یا دیدم بتونه ایده‌های شفاف‌تری بده در مورد دکتری خوندن!

دکتری خواندن در ایران

راستش من به طور کلی مخالف دکتری خوندن توی ایران هستم! نه به این خاطر که ما اصلا اساتید خوبی نداریم در ایران، نه! بلکه به این خاطر که دکتری خوندن یک کار حرفه‌ایه و نیازمند یک بستر مناسبه که در ایران با تقریب خوبی همچین بستری وجود نداره. البته استثناهایی وجود داره برای قشر خاصی از جامعه!

ما توی ایران دانشگاه‌های خوبی داریم که «آموزش» با کیفتی ارائه می‌کنند. تجربه من از کلاس‌های دانشگاه شهید بهشتی و دانشگاه صنعتی شریف اینه که آموزش ارائه شده، به نسبت بقیه جاهای دنیا، از کیفیت قابل قبولی برخورداره. خصوصا که بعضی از کلاس‌ها واقعا با کیفیت بالایی برگزار میشن. کسی نمی‌تونه منکر کیفیت کلاس‌ جبر یا ریاضی عمومی دکتر شهشهانی، فرایندهای تصادفی دکتر علیشاهی، فیزیک۳ یا کاربرد کامپیوتر در فیزیک دکتر اجتهادی، الکترومغناطیس دکتربهمن‌آبادی و دینامیک غیرخطی دکتر مقیمی بشه! اصلا مگه چند جای دنیا در دوره لیسانس کلاسی با کیفیت کلاس مکانیک کوانتومی دکتر گوشه، فیزیک۱ یا هواشناسی یا نسبیت دکتر شجاعی ارائه میشه؟ اگه بخوایم منصف باشیم، ما در مقطع کارشناسی، حداقل در علوم پایه که من بیشتر اطلاع دارم، دانشگاه‌های خوبی داریم؛ دانشگاه خوب به معنی مجموعه‌ای از اساتید (مدرس)، دانشجوها، امکانات آموزشی و کادر اجرایی. قبول دارم که قوانین آموزشی، منش کادر اجرایی و فضای بسته و سیاست‌زده دانشگاه‌های ما اصلا راضی‌کننده نیست. اما از نقطه نظر آموزشی، دوره‌‌های لیسانسی که در دانشگاه‌های برجسته ما ارائه میشه واقعا خوبه. برای همین اگر کسی واقعا دوست داشته باشه که مثلا فیزیک بخونه، حتما توی پایتخت یا کلان‌شهرهای ایران فرصت استفاده از یک آموزش با کیفیت و به شدت ارزون‌قیمت رو پیدا می‌کنه. از طرف دیگه، به لطف دوره‌های آنلاین و ویدیوهای آموزشی روی وب، بخش بزرگی از ضعف‌های آموزش برطرف شده. شاید شما درسی بگیرین و استاد اون درس نتونه خوب درس بده، اما احتمال زیاد می‌تونه سوال شما رو جواب بده یا بالاخره کسایی پیدا میشن که به سوال شما جواب بدن. به عنوان مثال شما می‌تونید کلاس‌های درس حالت جامد دانشگاه آکسفورد رو ببینید و در نهایت مشکلاتی که توی حل مسئله دارین رو از کسی بپرسین.

روز جهانی نور، فیزیک لیزر و جامعه علمی

از زمانی که من وارد دانشگاه شدم (مهر ۹۱) تقریبا میشه گفت که دو اتفاق مهم دنیای نور و فوتونیک رو پشت سر گذاشتم. اولی سال جهانی نور بود (۹۳). اون‌سال دانشگاه بهشتی میزبان «۲۱امین کنفرانس اپتیک و فوتونیک و ۷امین کنفرانس مهندسی و فناوری فوتونیک» در ایران بود و من به عنوان خبرنگار این کنفرانس توی اکثر برنامه‌ها شرکت می‌کردم. خیلی برنامه خوبی بود و حسابی هم خرج کرده بودند! خلاصه که خوش گذشت و از همه جهات برای من منجر به یک تجربه هیجان‌انگیز شد. به نظرم‌ حرفه‌ای‌ترین رویدادی بود که در عمرم در ایران دیده بودم! اما خب اینکه حالا این همه پول از کجا اومد و چه‌طور برنامه‌ای با اون کیفیت برگزار شد توی بهشتی رو نمی‌دونم. بگذریم! رویداد بعدی، مهر ۹۷ بود. اون سال جایزه نوبل فیزیک به سه نفر، با سهم‌های مختلف، برای نوآوری‌های پیشگامانه در زمینه فیزیک لیزر تعلق گرفت.

از دو سال پیش هم، سازمان ملل، تصمیم گرفت که روز ۱۶ ماه می یا ۲۸ اریبهشت رو به عنوان روز جهانی نور اعلام کنه. علت این تاریخ هم برمیگرده به ۶۰ سال پیش، وقتی که اولین لیزر دنیا کار کرد! مردم امسال به خاطر کرونا، در خونه و پشت کامپیوترهاشون با هشتگ #SEETHELIGHT این روز جشن گرفتند و رویدادهای آنلاین برگزار کردند. این نوشته رو بخونید!

یکی از سه برنده نوبل فیزیک سال ۲۰۱۸، خانومی بود به اسم دانا استریکلند که سومین زنی بود که برنده این جایزه می‌شد در تاریخ. قبل از ایشون، خانم ماریا مایر برنده این جایزه شده بود که اختلاف زمانی این دو نفر بیشتر از ۵۰ ساله! خانم دانا استریکلند، استاد دانشگاه واترلو کانادا هستند و طبیعتا کارشون فیزیک لیزر هست. فیزیک لیزر در حقیقت زیرمجموعه‌ای از فیزیک اتمی حساب میشه و به تعبیر دیگه‌ای، بخشی از شاخه علم فوتونیک. در مورد فوتونیک، امین مطلبی نوشته که پیشنهاد می‌کنم اون رو بخونید.

توی این ویدیو خانم استریکلند مفهوم لیزر رو در چند مرحله، از مقدماتی تا حرفه‌ای توضیح میده:

یادگیری فیزیک لیزر

اگر علاقه‌مند هستید که فیزیک لیزر رو یاد بگیرین طبیعتا باید درس‌هایی مثل الکترومغناطیس و مکانیک کوانتومی رو خیلی خوب یادبگیرید. دست کم در اندازه‌ای که بچه‌های رشته‌ فیزیک توی دوره لیسانس یاد میگیرند. قبلا در مورد یادگیری آنلاین این دو موضوع در اینجا نوشتم. به طور خاص، دوره‌هایی که در ادامه اومده بهتون در درک فیزیک لیزر می‌تونه کمک کنه:

اگر هنوز الکترومغناطیس و مکانیک کوانتومی نمی‌دونید، خوبه که این چیزها رو ببینید:

و اگر الکترومغناطیس و کوانتوم بلد هستین، برای حرفه‌ای شدن سراغ این دو دوره برین:

جستاری کوتاه در مورد جامعه علمی

سال ۲۰۱۸ زمانی که جایزه نوبل فیزیک اعلام شد، یکی از خبرهای عجیب که دست به دست میشد این بود که خانم استریکلند صفحه ویکی‌پدیا نداشت! برای خیلی‌ها سوال شده بود که چرا اصلا این اتفاق، یعنی ساخته نشدن صفحه ویکی‌پدیا برای یه همچین آدمی، افتاده؟! آیا این مربوط به اینه که ایشون خانومه و نه آقا یا چی؟! بازتابی از اون اتفاقات و پاسخ به خیلی از پرسش‌ها رو می‌تونید در اینجا بخونید. اما بد نیست به عنوان یک حاشیه، اشاره کنم به اینکه حتی الان اگه صفحه گوگل اسکالر خانم استریکلند رو ببینید، عددی که h-index نشون میده شما رو متعجب خواهد کرد؛ عددی به ظاهر کم، برای برنده شدن یک جایزه نوبل در علم! بحث بیشتر در مورد این موضوع، نه کار منه و نه علاقه‌ای دارم که بهش بپردازم. همون توضیح بنیاد ویکی‌مدیا در مورد صفحه نداشتن ایشون به نظرم ایده‌های خوبی از برخورد دنیای بیرون از دانشگاه با دانشگاه رو نشون میده. برهمکنش اهل دانشگاه با هم‌دیگه هم بمونه داخل محافل خودشون. بگذریم!

راستش چیزی که سبب شد این متن رو بنویسم، دیدن این تصویر از گروه خانم استریکلند در دانشگاه واترلو بود:

عکس دسته جمعی از گروه لیزرهای فوق‌سریع دانشگاه واترلو – ۲۰۱۷ – نگاره از ویکی‌پدیا

این عکس که شبیه به یک عکس خونوادگی می‌مونه در حقیقت تصویری از آدم‌هاییه که در حرفه‌ای‌ترین سطح، مشغول به انجام کار علمی هستند. یکی از این آدم‌ها (خانم مسن آبی‌پوش) برنده جایزه نوبل در فیزیک هست و بقیه هم تیم تحقیقاتی ایشون رو تشکیل میدن که حضورشون در این عکس، تنوعی از سن و سال، جنسیت، وزن، تیپ، نژاد، فرهنگ‌، ملیت، عقیده و … رو نشون میده! واقعیت اینه که دانشگاه‌ها این شکلی هستند و طیفی از آدم‌های مختلف با سلیقه‌ها و ویژگی‌ها شخصیتی متفاوت رو در بر می‌گیره که همه‌شون در یک چیز، دست‌کم، مشترک هستند: انجام دادن کار زیاد!

به نظرم این تصویر و تصاویر مشابه برای کسایی که دوست دارن وارد کار پژوهشی بشن و آینده شغلی خودشون رو در دانشگاه بسازن این ارمغان رو داره که دانشمند شدن نه به قیافه‌س و نه به تیپ و عقیده آدما! دانشمند شدن به صبر، پشتکار، حوصله، خونواده حمایتگر و شانس نیاز داره. از طرف دیگه ممکنه این عکس این ایده رو به ذهن‌ها بیاره که این آدم‌ها همیشه این قدر خندان و خوشحال هستند! نه این طوری نیست! حتی ممکنه همیشه هم اینقدر خوش لباس و آراسته نباشن! بالاخره آدم‌ها موقع عکس گرفتن سعی می‌کنن بهترین حالت از خودشون رو ثبت کنند! برای همین درسته که این جور تصویرها، یک جمع شاد و سرزنده رو نشون میده ولی نباید فراموش کنیم که پشت هر عکس دست جمعی در علم، کلی خون دل، شکست، تلاش‌ مجدد و بدشانسی می‌تونه نشسته باشه!

جمله آخر این نوشته هم باشه تعمیمی از حرف مریم میرزاخانی که:

علم، زیبایی‌هاشو فقط به اونایی که صبور هستند نشون میده!

وبلاگ‌نویسی و روایتگری در علم

بعد از مدت‌ها، فرصتی پیش‌ اومد تا با مهدی در مورد وبلاگ‌نویسی و روایتگری در علم گپ بزنیم. ویدیوی این گفت‌وگو ضبط شده و در ادامه‌ی این نوشته می‌تونید ببینیدش. به‌طور کلی در مورد این حرف زدیم که چرا وبلاگ‌نویسی مهمه، منظورمون از روایتگری در علم چیه و اشاره‌هایی هم داشتیم به تجربه‌هامون در سیتپور. حین این گپ و گفت یک سری وبلاگ معرفی شد و یک سری ایده و ترفند برای شروع وبلاگ‌نویسی که سعی می‌کنم اینجا به اون‌ها اشاره‌ مختصری کنم.

«پشت پرده نجوم» عنوان یک سری از لایوهای اینستاگرامی هست که توی اون با چند نفر از دانشجویان و اساتید دانشگاهی، درمورد تصویر درست علم نجوم گفت و گو شده و هم چنین کندوکاوی درمورد مسائل مهمی از قبیل روایتگری در علم و شبه علم داشته. در سومین قسمت از «پشت پرده نجوم»، شاهد گپ و گفت محمد مهدی موسوی و عباس ک. ریزی (دانشجوی دکتری سیستم های پیچیده در دانشگاه Aalto)، درمورد مفهوم «روایتگری در علم» و تجربیاتش از وبلاگ نویسی خواهید بود.

برای شروع وبلاگ‌نویسی

.There is nothing to writing. All you do is sit down at a typewriter and bleed

Ernest Hemingway, awarded the 1954 Nobel Prize in Literature

می‌تونید به سادگی وبلاگ شخصی خودتون رو توی blog.ir یا ویرگول یا هر جای دیگه درست کنید. برای دنبال کردن وبلاگ‌های مورد علاقه‌تون هم می‌تونید همه‌ رو به صورت یکجا به کمک feedly.com داشته باشید. این نوشته از جادی رو بخونید: برای پیشرفت مجدد، دوباره وبلاگ بنویسید!

وبلاگ‌های پیشنهادی

وبلاگ‌هایی که شخصا دنبال می‌کنم رو با توجه به سطح مطالبشون لیست کردم. منظور از «عمومی» یعنی مناسب هر علاقه‌مندی بدون در نظر گرفتن پیش زمینه خاصی هستند. «کمی فنی» یعنی باید دانش عمومی از ریاضیات و فیزیک داشته باشید. مثلا دانشجوی کارشناسی این رشته‌ها باشید. «فنی» یعنی نیاز به دونستن پیش‌زمینه‌های خاص در فیزیکی یا ریاضی هست. «خیلی فنی» هم یعنی باید دانشجوی تحصیلات تکمیلی باشین دست‌کم!

برای زندگی روزمره و بیشتر برای جنبه‌های عمومی مسئله:

«عمومی» 
«کمی فنی» 

نوشته‌های مربوط به فیزیک جریان‌اصلی:

«کمی فنی» 

فیزیک آماری، ماده‌چگال و محاسباتی:

«فنی» 

سیستم‌های پیچیده، یادگیری ماشین و علوم داده:

«فنی» 
«خیلی فنی» 

برای عمیق شدن در ریاضیات:

«خیلی فنی» 

این دو تدتاک رو هم برای جنبه عمومی نوشتن پیشنهاد می‌کنم:

دینامیک: نیرو، حرکت و زمان

به تازگی کامنتی دریافت کردم که چندتا سوال ازم پرسیده بود. در این نوشته می‌خوام به این پرسش‌ها جواب بدم!

۱) زمان بر نیروی وزن اثر داره ؟ منظورم اینه وقتی زمان رو ثابت یکنیم یعنی اینکه تمام قوانین فیزیک رو با استفاده از زمان ثابت کنیم باز هم جسمی مثل لیوان به زمین برخورد میکنه اونم بر اثر نیروی گرانش یا نه؟(مثلا اگر تندی زمان رو زیاد کنیم جسمی مثل لیوان با تندی زیاد به زمین میرسه)
۲) چرا بعضی از پدیده ها در حال حرکت هستند؟ (مثل نور که وقتی لامپ رو روشن میکنیم بدون اینکه کاری بکنیم پرتوی نور خود به خود حرکت میکنه)
۳) آیا واقعا نور به دام سیاهچاله میفته ؟تا جایی که من میدونم انسان برای دیدن پدیده ها و اجسام ها به نور نیاز داره پس اگه نور از سیاهچله نمیتونه فرار کنه چطور دیدیمش؟(منظورم
عکسی که از سیاهچاله توی سال ۹۸ پارسال گرفتن)
۴) آیا نور تنها پدیده ایی هستش که سرعتی بسیار زیاد داره یا نه ؟
۵) نور ثابته ؟

۱) رابطه نیرو و زمان

قوانین نیوتون به ما میگه که اگه جسمی در حال حرکت باشه، تا زمانی که به اون جسم در کل نیرویی وارد نشه، جسم به حرکت خودش ادامه میده. اگر هم جسم از اول در حال حرکت نباشه، قاعدتا همون‌جایی که هست می‌مونه. مثل توپی که یه گوشه افتاده و تا زمانی که کسی بهش لگ نزنه از جاش تکون نمی‌خوره. منظور از «حرکت» هم تغییر موقعیت جسم با گذشت زمانه. یعنی هر بار که عقربه ساعت روی دست من تیک بزنه جسم از جایی به جای دیگه بره.

مسیر حرکت یک جسم در فضای ۳بعدی. هر نقطه از این مسیر را می‌توان با زمان نشانه‌گذاری کرد. به این معنی که بردار مکان $r$ در هر لحظه با مشخص کردن زمان به صورت یکتا مشخص خواهد شد.

در فیزیک نیوتونی اختیار تند و کند کردن گذر زمان دست ما نیست. یعنی ما نمی‌تونیم کاری کنیم که زمان سریع‌تر بگذره یا کندتر بگذره یا اینکه متوقف بشه! ولی می‌تونیم این ایده رو شبیه‌سازی کنیم. مثل زمانی که از چیزی فیلم گرفته باشیم و با سرعت‌های مختلف اونو پخش کنیم. می‌تونیم تندتند بزنیم جلو ببینم آخرش چی میشه یا اصلا متوقفش کنیم. برای همین، اگه بتونیم که زمان رو متوقف کنیم، اون موقع اتفاقی که می‌افته اینه که آخرین تصویری که از هر چیزی داریم، همون باقی می‌مونه. پس اگه سیبی در حال سقوط به زمینه، با متوقف کردن زمان بین زمین و آسمون می‌مونه. این به این معنی نیست که نیرویی وجود نداره! بلکه به این معنی هست که در یک لحظه خاص، ما فقط یک فریم از یک فیلم رو انتخاب کردیم و داریم اونو می‌بینیم و با راه انداختن دوباره زمان، می‌بینیم که سیب به سقوطش ادامه میده. یا اگه فرض کنیم که گذر زمان رو سریع‌تر کنیم اون موقع می‌بینیم که سیب زودتر به زمین می‌خوره. یا اگه زمان رو به عقب برگردونیم می‌بینم که سیب به جای زمین خوردن، هوا میره 🙂

توضیح‌ فنی‌تر:

اگر دینامیک توصیف‌کننده یک سیستم، توسط معادلات تعینی داده بشه،اون موقع خروجی مسئله، یک «مسیر» می‌تونه باشه. مسیر، یک «خم» در فضای مکانه که توسط زمان نشانه‌گذاری شده. با داشتن مسیر، می‌تونیم بدونیم که سرشت نهایی سیستم چیه. به عنوان مثال با حل مسئله گرانش عمومی نیوتون برای دو جسم، به یک مسیر بسته بیضی شکل برای یکی از اون دو جسم می‌رسیم. با تغییر زمان، از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگه‌ از اون مدار (مسیر بسته) هدایت میشیم.

قانون دوم نیوتون، $F=ma$ یا معادله اویلر-لاگرانژ $\frac{\partial L(x,\dot{x}; t)}{\partial x } = \frac{d}{dt}\frac{\partial L(x,\dot{x}; t)}{\partial \dot{x} }$ هر دو منجر به دسته‌ای از معادلات دیفرانسیل معروف به معادلات حرکت میشن. در این روش مدل‌سازی، حرکت سیستم شما تعینی هست و شما با دونستن اطلاعات در مورد حال، دقیقا می‌تونید بگید که چه اتفاقی در آینده می‌افته.

گاهی دینامیک توصیف کننده شما توسط معادلات غیر تعینی داده میشه، مثل زمانی که حرکت یک ولگرد (قدم زن تصادفی) یا یک فرایند تصادفی رو مدل می‌کنید. اون موقع برای شروع مسئله، با معادله «مادر» یا معادله فوکر-پلانک می‌تونید پیش‌ برید. در این حالت، مسئله شما دیگه تعینی نیست و پیش‌بینی آینده یا پیش‌بینی مسیر، با عدم قطعیت (یا به عبارتی خطا) همراه خواهد بود. مثلا برای یک ولگرد نمی‌تونید با قطعیت کامل بگید که در فلان لحظه کجاست!

۲) علت حرکت چیزها

چیزها حرکت می‌کنند چون که بهشون نیرو وارد میشه! زمین دور خورشید می‌چرخه چون از طرف خورشید بهش نیرو وارد میشه یا توپ فوتبال حرکت می‌کنه چون یکی بهش ضربه می‌زنه! در مورد نور لامپ هم این جوری نیست که ما «کاری نمی‌کنیم»! در حقیقت با زدن کلید برق، جریان الکتریکی به لامپ میرسه و توی لامپ انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی روشنایی میشه. یعنی همون‌جور که فوتبالیست به توپ ضربه می‌زنه و توپ حرکت می‌کنه، رسیدن جریان الکتریکی به لامپ‌ هم سبب ضربه زدن به نور میشه که به مسیرهای مختلف حرکت کنه. به این پدیده در فیزیک، تابش الکترومغناطیسی گفته میشه. به عبارت فنی‌تر، میدان الکتریکی اعمال شده توسط جریان خارجی (برق) سبب برانگیختگی ماده‌ای مثل تنگستن یا گاز خاصی مثل نئون میشه. برانگیختگی یعنی الکترون‌های که توی اتم‌های تشکیل دهنده اون مواد هستند از یک سطح انرژی به سطح بالاتری می‌رن (مثل وقتی که از پله‌های سرسره بالا میرین). اون موقع وقتی الکترون‌ها از یک سطح با انرژی بالاتر به سطی با انرژی پایین‌تر میان (مثل وقتی از سرسره پایین میاین)، اندازه اختلاف انرژی این دو سطح، از خودشون موج الکترومغناطیس یا ذرات نور منتشر می‌کنند!

این ویدیو رو ببینید:

۳) نور به دام سیاه‌چاله می‌افته؟

در مورد داستان سیاه‌چاله‌ها و اینکه چه‌طور از یک سیاه‌چاله میشه تصویر برداری کرد مفصل نوشتیم قبلا! این نوشته رو بخونید: قیام علیه سیاهی! به طور خلاصه، سیاه‌چاله‌ها اجسام بسیار بسیار سنگینی هستند که حتی بر حرکت نور هم اثر می‌ذارن. در مورد تصاویر منسوب به سیاه‌چاله‌ها هم، در حقیقت نوری که توی تصویر می‌بینیم دقیقا خود سیاهچاله نیست! یه سری موادی هستند که توی یه دیسک (شبیه حلقه‌های زحل) اطراف سیاهچاله دارن میچرخن و چون خیلی داغ هستن از خودشون نور تابش می‌کنن (درست شبیه به همون لامپ!). درواقع ما نور این موادی که در اطراف سیاهچاله وجود دارند و تونستن قسر دربرن و به چشم ما برسن رو می‌بینیم. تصویر ثبت شده، به خاطر اون نورها هست!

کمی توضیح فنی‌تر: ناحیه‌ای هست به‌اسم کره فوتونی که نزدیکترین مدار به افق رویداد که فوتون‌ها می‌تونن توی یه مدار پایدار دور سیاهچاله بچرخن. نزدیک‌تر از اون دیگه تقریبا فوتون شانسی برای برگشت نداره!

نمودار شماتیک از یک سیاه‌چاله شوارتزشیلد. نگاه کنید به نوشته «قیام علیه سیاهی»

۴) آیا نور فقط سرعتش زیاده؟

نه! هر چیزی می‌تونه خیلی سریع حرکت کنه. محدودیتی در اصول نداریم. مثلا در آزمایش‌های مختلف فیزیکی، نوترون‌ها، الکترون‌ها یا پروتون‌ها رو با سرعت‌های خیلی زیاد به حرکت در میارن. یکی از جاهایی که مثلا پروتون‌ها رو تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور به حرکت در میارن آزمایشگاه سرن هست.

۵) آیا نور ثابته؟!

سوال رو درست متوجه نشدم! اگر منظور سرعت حرکت نوره، بله سرعت حرکت نور در هر محیط ثابته ولی موقعی که از محیطی به محیط دیگه میره تغییر میکنه. مثلا سرعت نور در هوا یک چیزه و در آب یک چیز دیگه‌ است. طبق نسبیت اینشتین، نور بیشترین سرعت در حرکت رو داره.