سازمان ملی علوم امریکا (NSF) به تازگی اعلام کرده است که دانشمندان و محققانی که در دانشگاه های آمهرست ایالت ماساچوست و دانشگاه تگزاس استین تحت قرار داد این موسسه به فعالیت میپردازند، روشی جدید که بر اساس فیزیک ذرات است را معرفی کرده اند که ممکن است روزی ناشناخته های امروزی اعماق زمین را روشن کند.

سازمان ملی علوم امریکا (NSF) به تازگی اعلام کرده است که دانشمندان و محققانی که در دانشگاه های آمهرست ایالت ماساچوست و دانشگاه تگزاس استین تحت قرار داد این موسسه به فعالیت میپردازند، روشی جدید که بر اساس فیزیک ذرات است را معرفی کرده اند که ممکن است روزی ناشناخته های امروزی اعماق زمین را روشن کند. با استفاده از این روش میتوان به مواد تشکیل دهنده زمین و خواص آنها پی برد.

نیروی پنجم طبیعت و کاوش در اعماق زمین

تکنیک ذکر شده در بالا در واقع بر اساس نیروی پنجم طبیعت کار میکند، نیرویی که هنوز به طور کامل شناخته نشده و دلایل کافی برای اثبات وجود آن ارائه نشده است. این نیرو، چیزی مجزای از نیروهای گرانش، نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی و نیروی الکترومغناطیسی است.
فیزیکدانان اسم این نیروی پنجم را نیروی بر هم کنش دوربرد بین دو اسپین نامیده اند. بر اساس تئوری های ارائه شده، نیروی پنجم بر اساس اجزای تشکیل دهنده اتم یعنی الکترونها، پروتونها، و نوترونها توضیح داده میشود. از ویژگیهای جالب توجه این نیرو میتوان به ویژگی اساسی آن اشاره کرد که گرچه این نیرو بر اساس اجزای تشکیل دهنده اتم که در بالا ذکر شد تشکیل شده، اما اگر ذرات در فاصله بسیار دوری از هم قرار بگیرند بر خلاف انتظاری که نیرویی بین دو ذره وجود نداشته باشد، این ذرات با نیروی پنجم بر هم تأثیر میگذارند، یعنی در این فاصله دور از یکدیگر اثر وجود همدیگر را احساس میکنند.
در صورتی که چنین نیرویی واقعا وجود داشته باشد، این نیروی عجیب مواد موجود روی سطح زمین را به موادی که در اعماق صدها و یا هزاران مایل پایین تر از سطح زمین هستند مرتبط خواهد کرد. در نتیجه میتوان انتظار داشت با مطالعه مواد موجود در سطح زمین به شناختی مناسب از مشخصات و مواد تشکیل دهنده هسته زمین رسید، امری که تا قبل از این به علت عدم امکان دسترسی به آن، یعنی دسترسی به اعماق زمین، امکان پذیر نبود.
‘جوانگ فو آفو لین’ استاد زمین شناسی دانشگاه تگزاس آستین امریکا و نویسنده مسئول مقاله چاپ شده در ژورنال Science در این باره میگوید: نکته حائز اهمیت و جالب توجه این پروژه امکان استفاده از فیزیک ذرات برای مطالعه مواد تشکیل دهنده هسته زمین است که در اعماق زمین قرار گرفته اند.
شایان ذکر است این تحقیق با پشتیبانی هیئت مدیره سازمانهای زمین شناسی، ریاضیات و فیزیک موسسه NSF، دپارتمان انرژی و مرکز اتحاد Carnegie/DOE انجام شده است.

با استفاده از نیروی پنجم میتوان به سرگردانی دانشمندان در شناخت زمین کمک کرد. به عنوان مثال، زمانی که دانشمندان زمین شناس تلاش میکردند تا مدلی برای چگالی آهن موجود در هسته زمین به دست آورند و همچنین به دنبال بدست آوردن و مدل کردن مشخصات فیزیکی و شیمیایی مواد بر اساس عمق زمین بودند؛ و یا زمانی که به دنبال استفاده از حرکت امواج زلزله در پوسته زمین بودند تا حرارت و فشار را در پوسته زمین بر اساس عمق آن بدست آورند، پاسخهای متفاوتی بدست آوردند. اما با فرض وجود نیروی پنجم، این نیرو میتواند به حل معما و سرگدانی دانشمندان در شناخت مواد تشکیل دهنده زمین در اعماق آن و مشخصات فیزیکی و شیمیایی آن پایان دهد.
گوشته زمین لایه ای است که بین پوسته و هسته درونی آن قرار گرفته است و اکثرا از مواد معدنی آهن مذاب تشکیل شده است. اتمها در این مواد و همچنین ذرات زیراتمی که اتمها را تشکیل میدهند دارای مشخصه ای هستند که آن را اسپین مینامند. در واقع در هر اتم اگر فرض کنیم الکترونها به دور هسته میگردند این حرکت الکترونها بیانگر نوعی جریان است که این جریان به نوبه خود یک دو قطبی مغناطیسی میسازد. به علاوه با درنظر گرفتن هر اتم به صورت یک کره، برای درک ساده تر میتوان فرض کرد که این کره یا ساعتگرد میچرخد و یا پادساعتگرد که این دو نوع جهت چرخش متناظر با دو اسپین مخالف یکدیگر است.
اسپینها را میتوان به عنوان بردارهایی که به سمت خاصی جهت گیری کرده اند در نظر گرفت. میدان مغناطیسی هسته زمین باعث جهت گیری و پلاریزاسیون الکترونها خواهد شد، یعنی جهت گیری اسپین ها دیگر کاملا تصادفی نخواهد بود و جهت گیری خاصی خواهد داشت. به این الکترونها ژئوالکترون نیز گفته میشود.
هدف این پروژه امکان سنجی استفاده از نیروی دوربرد برهمکنش بین اسپین اتمها برای شناسایی وجود ژئوالکترونها بوده است.
محققان با سرپرستی لری هانتر، استاد فیزیک دانشگاه امهرت، در ابتدا مدلی کامپیوتری برای قسمت داخلی زمین به منظور نگاشت بین چگالی و جهتگیری اسپین ژئوالکترونها ارائه کرده اند. مدل به کار رفته بر اساس مشاهدات صورت گرفته و نتایج بدست آمده از آزمایشگاه ‘لی’ است، که در آن اسپین الکترونها در مواد معدنی در دما و فشار بالایی که در اعماق زمین وجود دارد و به صورت آزمایشگاهی شبیه سازی شده است اندازه گیری میشود. این نگاشت به منظور بدست آوردن سرنخی درباره قدرت و جهت برهمکنشی که محققان انتظار آن را دارند و به دنبال شناسایی آن در آزمایشگاه خود در آمهرت ایالت ماساچوست هستند، میباشد.
همچنین محققان از دستگاهی مخصوصی که به منظور اندازه گیری برهمکنش بین ژئوالکترونهایی که در اعماق زمین هستند و ذرات زیراتمی که در سطح زمین قرار دارند استفاده کرده اند. در ادامه این تیم، تحقیقاتی برای بررسی اثر جهتی که دستگاه در آزمایشگاه های مختلف در نقاط مختلف زمین نسبت به سطح زمین دارد، بر روی انرژی ذرات دارد انجام دادند.

هانتر درباره هدف از انجام آزمایش ذکر شده دربالا اشاره میکند به عنوان مثال ما میدانیم که یک آهن ربای مغناطیسی و یا یک ماده مغناطیسی هنگامی که در جهت میدانهای مغناطیسی خود زمین قرار میگیرد، کمترین انرژی و پایدارترین حالت را دارد، این در واقع اساس کار قطب نماهاست. در آزمایش انجام شده اثر میدان مغناطیسی زمین بر ذرات از نتایج بدست آمده بیرون کشیده شده است تا بررسی شود که آیا برهم کنش دیگری با اسپین تحت آزمایش وجود داشته یا نه- در واقع پس از بدست آوردن نتایج آزمایش با محاسبات ریاضی اثر میدان مغناطیسی زمین بر روی اسپین ذره حذف شده و بررسی میشود که آیا بر همکنش دیگری غیر از اثر میدان مغناطیسی زمین وجود داشته است یا خیر. یک تفسیر از این برهمکنش دیگر میتواند همان نیرون پنجمی باشد که نیروی دوربرد بین اسپین-اسپین در این حالت است که بین اسپین الکترون داخل دستگاهی که تحت آزمایش است و اسپین الکترونها در اعماق زمین شکل میگیرد
اگرچه درواقع دستگاه طراحی شده در آزمایش نمیتواند چنین بر هم کنش را شناسایی کند، اما محققان به این نتیجه رسیده اند که چنین برهم کنشی در صورت وجود بسیار ضعیف خواهد بود، کمتر از یک میلیونیوم نیروی جاذبه بین دو ذره. با این حال دانشمندان به دنبال طراحی و ساخت دستگاهی با دقت اندازه گیری بسیار بالا هستند تا نیروی پنجم طبیعت را کشف کنند و بتوانند وجود آن را در آزمایش ثابت کنند.
هانتر در انتها درباره این پروژه میگوید که سابق بر این هیچ کس فکر نمیکرد که امکان برهمکنش بین اسپین الکترونهای پولاریزه شده زمین و دستگاه اندازه گیری بسیار دقیق اسپینی که در سطح زمین قرار دارد، وجود داشته باشد.
در صورتی که برهمکنش اسپین-اسپین در آزمایشهای آینده کشف شود، در این صورت زمین شناسان خواهند توانست از چنین اطلاعاتی به منظور مطالعه و درک بهتر اعماق زمین استفاده کنند.

منبع: ileev

کلمات کلیدی :
نظرات بییندگان :

بهترین مشاغل و خدمات شهر خود را ، در سایت نشونه پیدا کنید.

مشاهده سایت نشونه