Go Small:Εξερευνώντας τη Φυσική του Συντονισμού

Ο όρος αντήχηση έχει πολλές έννοιες και εξίσου πολλές έννοιες. Το λεξικό ορίζει τον συντονισμό ως «την ποιότητα σε έναν ήχο του να είναι βαθύς, γεμάτος και αντηχητικός». Ένα εγχειρίδιο φυσικής μπορεί να ορίσει τον συντονισμό ως «την ενίσχυση ή την παράταση ενός ήχου με ανάκλαση από μια επιφάνεια ή από τη σύγχρονη δόνηση ενός γειτονικού αντικειμένου». Μπορεί να το ακούσετε να χρησιμοποιείται όταν ένας τραγουδιστής όπερας χτυπά στο σωστό γήπεδο και σπάει ένα ποτήρι με τη φωνή του. Κάποιος μπορεί να πει ότι έχουν απήχηση σε ένα πρόσωπο ή μια παράσταση όταν το απολαμβάνουν αμέσως.

Εκτός από τον ήχο, η έννοια του συντονισμού μπορεί να βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν πώς λειτουργεί το σύμπαν. Μπορεί ακόμη και να τους βοηθήσει να εντοπίσουν υποατομικά σωματίδια που διαφορετικά θα ήταν αόρατα. Ας δούμε τη φυσική του συντονισμού. Πώς μπορεί να μας φέρει πιο κοντά στην κατανόηση του σύμπαντος που ονομάζουμε σπίτι;

Παίρνοντας τους για μια περιστροφή

Οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ότι τα υποατομικά σωματίδια είναι ακίνητα. Η αλήθεια είναι ακριβώς το αντίθετο. Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια που αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν βρίσκονται συνεχώς σε κίνηση. Τα στοιχειώδη σωματίδια περιστρέφονται, δημιουργώντας μια μορφή γωνιακής ορμής που τα αναγκάζει να κινηθούν. Το Spin είναι μόνο ένας από τους δύο αναγνωρισμένους τύπους γωνιακής ορμής που έχουμε εντοπίσει στην κβαντομηχανική. Η τροχιακή γωνιακή ορμή είναι η άλλη, αλλά το σπιν δεν έχει κλασικό αντίστοιχο. Η τροχιακή γωνιακή ορμή είναι το αντίστοιχο της κλασικής γωνιακής ορμής.

Εάν μπορείτε να εντοπίσετε ένα υποατομικό σωματίδιο, δεν θα περιστρέφεται απαραίτητα σαν κορυφή. Αν είναι μικροσκοπικές κορυφές, δεν τις έχουμε εντοπίσει ακόμα. Μπορούν να αλλάξουν κατεύθυνση, αλλά ποτέ δεν θα μπορέσετε να κάνετε ένα υποατομικό σωματίδιο να περιστρέφεται πιο γρήγορα ή πιο αργά. Στην κβαντική φυσική, τα σωματίδια με σπιν μισού ακέραιου αριθμού ονομάζονται φερμιόνια και αυτά με σπιν ακέραιου αριθμού είναι μποζόνια. Αυτό το είδος μισής ή πλήρους διπολικής περιστροφής είναι αυτό που οι φυσικοί μπορούν να μετρήσουν ως συντονισμό.

Μια συνομιλία μεταξύ ηλεκτρονίων

Υπάρχουν τρία βασικά ατομικά δομικά στοιχεία με τα οποία είναι εξοικειωμένοι οι περισσότεροι άνθρωποι - τα νετρόνια, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα νετρόνια και τα πρωτόνια αποτελούν τον πυρήνα ενός ατόμου, ενώ τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από αυτόν τον πυρήνα. Αυτά τα άτομα μπορούν επίσης να αναπτύξουν ηλεκτρικό φορτίο κερδίζοντας ή χάνοντας ηλεκτρόνια, μια διαδικασία γνωστή ως ιονισμός. Μια συνεργασία μεταξύ του Ευρωπαϊκού XFEL και του Κέντρου Επιστήμης Ελεύθερων Ηλεκτρονίων Λέιζερ ανακάλυψε ότι υπάρχουν περιπτώσεις όπου αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να κρέμονται στο χώρο μεταξύ των φλοιών όταν κινούνται από το ένα άτομο στο άλλο.

Αυτός ο χρόνος αναμονής δεν διαρκεί πολύ — λιγότερο από ένα femtosecond. Αυτή η σύντομη παύση είναι αρκετή για να δημιουργήσει έναν μετρήσιμο συντονισμό μεταξύ των φλοιών ηλεκτρονίων. Στην ουσία, τα ηλεκτρόνια μιλούν μεταξύ τους. Αυτό το είδος υποατομικής συνομιλίας είναι αρκετά διακριτικό που οι φυσικοί μπορούν να το παρατηρήσουν σε ένα φασματογράφο. Έγινε επίσης ένα εργαλείο για τη μέτρηση του γιγάντιου διπολικού συντονισμού, τον οποίο έχουν παρατηρήσει σε ευγενή αέρια όπως το ξένο. Αυτός ο γιγάντιος διπολικός συντονισμός εμφανίζεται επίσης σε μέταλλα σπάνιων γαιών, καλύπτοντας ένα πολύ ευρύτερο ενεργειακό φάσμα. Θεωρητικά, αυτές οι μεγαλύτερες αιχμές συντονισμού θα ήταν ευκολότερο να παρατηρηθούν. Δεν υπήρχαν διαθέσιμα εργαλεία για τη σε βάθος διερεύνηση αυτού του μοναδικού είδους υποατομικής περιστροφής μέχρι αυτή τη συνεργασία.

Αυτή η έρευνα ανακάλυψε επίσης ότι οι γιγάντιοι διπολικοί συντονισμοί μπορεί να αποτελούνται από δύο ή περισσότερα κύματα συντονισμού. Αυτή η ανακάλυψη αποδεικνύει ότι υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να ανακαλυφθούν σχετικά με τα υποατομικά σωματίδια και τον συντονισμό που δημιουργούν 

Σαν υποατομικό ποτήρι κρασιού

Η απήχηση αναφέρεται συχνότερα όταν μιλάμε για ταλαντούχους τραγουδιστές που σπάνε τα γυαλιά με μια τέλεια νότα. Εάν ένας τραγουδιστής μπορεί να χειριστεί τη φωνή του ώστε να ταιριάζει με την ακριβή συχνότητα του ποτηριού του κρασιού, μπορεί να προκαλέσει τη θραύση του. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι για να προκληθεί αυτή η καταστροφική ενέργεια, το γυαλί πρέπει να έχει μικροσκοπικά ελαττώματα ή η θραύση είναι απίθανο.

Τα πάντα στο σύμπαν έχουν μια συχνότητα συντονισμού. Θεωρητικά, εάν μπορείτε να ανακαλύψετε τη συχνότητα συντονισμού ενός υλικού και να δημιουργήσετε μια συχνότητα που να ταιριάζει, θα μπορούσατε να το χρησιμοποιήσετε για να καταστρέψετε αυτό το αντικείμενο, τουλάχιστον υπό τέλειες συνθήκες. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτές οι συνθήκες δεν πρόκειται να υπάρχουν εκτός εργαστηρίου, επομένως δεν χρειάζεται να ανησυχείτε μήπως παίξετε λάθος μελωδία και σκάσουν τα ελαστικά του αυτοκινήτου σας ή σπάσουν τα τζάμια του σπιτιού σας.

Τα υποατομικά σωματίδια μπορεί να είναι λίγο μικρότερα από το μέσο ποτήρι κρασιού σας, αλλά ο συντονισμός που δημιουργούν είναι πολύ παρόμοιος. Αυτά τα ενεργειακά κύματα κινούνται μέσα από ένα σύστημα που θέλει να δονηθεί ως απόκριση. Οτιδήποτε μπορεί να δονηθεί θα, και κάθε μια από αυτές τις κορυφές υποδηλώνει ένα σωματίδιο συντονισμού.

Πυρηνική μετάβαση με μαγνητικό συντονισμό

Δεν είναι εύκολο να κατανοήσουμε τη φυσική του συντονισμού χωρίς να εξερευνήσουμε εν συντομία τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR). Οι φυσικοί ορίζουν τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό ως «την απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από έναν πυρήνα που έχει μαγνητική ροπή όταν βρίσκεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, που χρησιμοποιείται κυρίως ως αναλυτική τεχνική και στη διαγνωστική απεικόνιση σώματος.

Οι εφαρμογές μας στη φυσική του συντονισμού επεκτείνονται πέρα ​​από τα υποατομικά σωματίδια. Εάν έχετε κάνει ποτέ μαγνητική τομογραφία - που σημαίνει μαγνητική τομογραφία - τότε έχετε ήδη αντιμετωπίσει μερικά από τα πράγματα που μπορεί να κάνει ο συντονισμός. Μια μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιεί τεράστιους μαγνήτες για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Οι ισχυροί μαγνήτες της μαγνητικής τομογραφίας μέσω του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του σώματός σας είναι εκτός ισορροπίας. Τα πρωτόνια στα κύτταρά σας καταπονούνται ενάντια στο μαγνητικό πεδίο. Όταν ο τεχνικός απενεργοποιεί τον μαγνήτη, τα πρωτόνια απελευθερώνουν ενέργεια καθώς ευθυγραμμίζονται εκ νέου. Το μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας μπορεί στη συνέχεια να αναλύσει αυτήν την απελευθέρωση ενέργειας και μια σειρά από άλλες μεταβλητές και να χρησιμοποιήσει τα δεδομένα για να δημιουργήσει μια εικόνα.

Οι μαγνητικές τομογραφίες είναι μία από τις καλύτερες επιλογές για την παρακολούθηση της υγείας του εγκεφάλου, επειδή μπορούν να διαφοροποιήσουν τη φαιά ουσία και άλλους ιστούς - συμπεριλαμβανομένων κακοήθων ιστών όπως οι όγκοι. Μπορούμε ακόμη και να το χρησιμοποιήσουμε για να παρακολουθούμε την εγκεφαλική δραστηριότητα. Μια μαγνητική τομογραφία μπορεί να καθορίσει ποια μέρη του εγκεφάλου είναι ενεργά ανά πάσα στιγμή. Το 2016, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μαγνητική τομογραφία για να παρακολουθήσουν τη δραστηριότητα του εγκεφάλου σε μια βιολονίστρια για να δουν ποια μέρη του εγκεφάλου της ενεργοποιήθηκαν ενώ φανταζόταν να παίζει βιολί. Με το χειρισμό του μαγνητικού συντονισμού των πρωτονίων στον εγκέφαλο ή το σώμα ενός ασθενούς, οι επαγγελματίες του ιατρικού τομέα μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα πώς λειτουργεί το σώμα χωρίς την ανάγκη επεμβατικής διερευνητικής χειρουργικής.

Το NMR έχει βρει εφαρμογές στη χημεία, την ιατρική και διάφορες μορφές φασματοσκοπίας. Υπάρχει επίσης ένας αυξανόμενος αριθμός χρήσεων αυτής της τεχνολογίας στη δημιουργία μαγνητομέτρων και κβαντικών υπολογιστών.

Κβαντικός Υπολογισμός

Οι ερευνητές διερευνούν την ιδέα της χρήσης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ως μέσου για τους κβαντικούς υπολογιστές από τα τέλη της δεκαετίας του 1990. Η τεχνολογία δεν υπήρχε εκείνη την εποχή για να επιτρέψει στους ερευνητές να επωφεληθούν πλήρως από αυτές τις θεωρίες.

Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε από την Κινεζική Φυσική Εταιρεία το 2018 διαπίστωσε ότι ο συνδυασμός υγρών και στερεών συστημάτων NMR τους επέτρεψε να δημιουργήσουν και να ελέγξουν ένα σύστημα κβαντικού υπολογιστή. Αυτός ο κβαντικός υπολογιστής δούλευε με 12-qubits χρησιμοποιώντας τις καταστάσεις spin κάθε μορίου ως qubit. Για σύγκριση, το σύστημα κβαντικού υπολογιστή Sycamore της Google λειτούργησε με 53 qubits το 2019, αποτυγχάνοντας όταν οι ερευνητές προσπάθησαν να προσθέσουν ένα 54ο στο δίκτυο.

Ο κβαντικός υπολογισμός από μόνος του έχει ήδη τεράστιες δυνατότητες. Η δοκιμή που έκανε το Sycamore χρειάστηκε στον κβαντικό υπολογιστή 200 δευτερόλεπτα για να ολοκληρωθεί — λιγότερο από τρία λεπτά. Οι ερευνητές έδωσαν μια απλούστερη εκδοχή του προβλήματος στον Summit, τον υπερυπολογιστή του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge. Η ομάδα διαπίστωσε ότι θα χρειαζόταν η συσκευή 10.000 χρόνια για να ολοκληρώσει την εργασία,

Ανακαλύπτοντας κάτι νέο

Η αντήχηση με κάτι αποκτά ένα εντελώς νέο νόημα όταν αφιερώνετε λίγο χρόνο σκεπτόμενοι τη φυσική του συντονισμού. Τα πάντα στον κόσμο —στο σύμπαν, ακόμη— αντηχούν σε μια συγκεκριμένη και μοναδική συχνότητα. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συνεργάζονται αυτές οι συχνότητες μπορεί να διευρύνει την κατανόησή μας για το σύμπαν, από το μεγαλύτερο αστέρι έως το μικρότερο κουάρκ και όλα τα ενδιάμεσα.