یک پیشبینی علمی که برای دههها فقط یک فرضیه بود، سرانجام به واقعیت تبدیل شد. دانشمندان موفق به دیدن نوع عجیبی از هرج و مرج در دنیای کوانتومی شدهاند و ساختارهای هلالی شکلی را یافتهاند که شباهت چشمگیری به ماه در نقاشی معروف ون گوگ “شب پرستاره” دارند.
ایزاک آسیموف، نویسنده مشهور داستانهای علمی تخیلی، زمانی گفته بود: “در علم، هنر وجود دارد و در هنر، علم.” این کشف جدید مصداق واقعی این گفته است و پیوندی بین یکی از مشهورترین آثار هنری قرن نوزدهم و دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی برقرار میکند.
موضوع اصلی این تحقیق پدیدهای به نام “ناپایداری کلوین-هلمهولتز” است. این پدیده زمانی رخ میدهد که دو لایه سیال (مانند آب و هوا) با سرعتهای مختلف عبور میکنند و باعث ایجاد امواج و گردابها میشوند. در زندگی روزمره، این وضعیت را میتوان به شکل ابرها، امواج رودخانه یا آب دریا مشاهده کرد.
هیرومیتسو تاکوچی، استاد دانشگاه اوساکا و نویسنده اصلی این مطالعه، میگوید: “سوال ما ساده بود: آیا این نوع هرج و مرج میتواند در سیالات کوانتومی رخ دهد؟”
سیالات کوانتومی موادی هستند که طبق قوانین کوانتومی رفتار میکنند، نه فیزیک معمولی. آنها هیچ اصطکاکی ندارند و رفتار آنها به حالتهای کوانتومی بسیار ظریفی بستگی دارد که ایجاد و کنترل آنها بسیار دشوار است. به همین دلیل است که قبلاً هیچ کس این پدیده را در چنین موادی ندیده بود.
اما این تیم موفق شد آن را به روشی خلاقانه ثبت کند. آنها گازی از اتمهای لیتیوم را تا دمای نزدیک به صفر مطلق، در حالتی به نام “چگالش بوز-اینشتین” سرد کردند که در آن اتمها مانند یک موج واحد رفتار میکنند. سپس موج کوانتومی را به دو بخش همپوشانی تقسیم کردند که با سرعتهای مختلف از کنار یکدیگر عبور میکردند. در جایی که دو جریان به هم میرسیدند، الگوهای موجی شکل میگرفتند که شبیه مراحل اولیه ناپایداری کلوین-هلمهولتز در دنیای عادی بود.
اما بخش جالب تازه شروع شده بود. در این محیط کوانتومی، هرج و مرج نه تنها امواج را ایجاد میکرد، بلکه گردابهایی ایجاد میکرد که شکل و رفتاری متفاوت از دنیای عادی داشتند. این گردابها «اسکایرمیونهای کسری برونمرکز» نامیده میشدند و برخلاف اسکایرمیونهای معمولی که گرد و متقارن هستند، هلالی شکل بودند و نقاطی درون آنها وجود داشت که نظم چرخشی عادی را کاملاً مختل میکرد.
به گفتهی تاکوچی، هلال ماه بزرگی که در گوشهی بالا سمت راست تابلوی «شب پرستاره» ون گوگ دیده میشود، بسیار شبیه به این اسکایرمیونهای هلالی است.
اسکایرمیونها مدتهاست که به دلیل نقش بالقوهشان در فناوریهایی مانند اسپینترونیک، سیستمی برای ساخت دستگاههای پردازش و ذخیرهسازی داده که از اسپین ذرات به جای الکتریسیته استفاده میکنند، مورد توجه قرار گرفتهاند. کشف نوع جدیدی از اسکایرمیون در سیالات کوانتومی میتواند راههای جدیدی برای ساخت و کنترل این ساختارها باز کند و حتی نظریههای ما در مورد نحوهی طبقهبندی ساختارهای کوانتومی را به چالش بکشد، زیرا آنها در چارچوب فعلی نمیگنجند.
این تحقیق همچنین تأیید میکند که ناپایداری کلوین-هلمهولتز یک پدیدهی جهانی است که هم در دنیای کلاسیک و هم در دنیای کوانتومی رخ میدهد.
محققان اکنون قصد دارند آزمایشهای دقیقتری را برای آزمودن پیشبینیهای انجام شده بیش از یک قرن پیش در مورد طول موج و فرکانس این اختلالات انجام دهند و ببینند که آیا گردابهای مشابهی در سایر سیستمهای کوانتومی یا در ابعاد بالاتر ایجاد میشوند یا خیر.