ارتباط شگفتانگیز نقاشی ونگوگ و فیزیک کوانتوم کشف شد
یک مطالعه جدید نشان داد که ناپایداری کلوین-هلمهولتز در سیالات کوانتومی وجود دارد و گردابههایی به شکل هلال ماه (EFS) ایجاد میکند که شباهت چشمگیری به ماه در نقاشی «شب پرستاره» ون گوگ دارد.
ایران آرت: نویسنده مشهور آمریکایی، آیزاک آسیموف، روزی گفته بود: «علم هنر خود را دارد و هنر علم درون خود دارد.» به نوشته Nature Physics، مطالعهای تازه این گفته را تأیید میکند و ارتباطی تاکنون دیدهنشده میان نقاشی معروف «شب پرستاره» اثر وینسنت ون گوگ و فیزیک کوانتومی را برجسته میکند.
تمرکز اصلی این پژوهش ناپایداری کلوین-هلمهولتز (Kelvin–Helmholtz instability یا KHI) است؛ پدیدهای که در دنیای روزمره زمانی مشاهده میشود که دو سیال با سرعتهای متفاوت روی یکدیگر بلغزند و باعث شکلگیری موجها و چرخشهایی در ابرها، رودخانهها یا سطح اقیانوس میشود.
هیرو میتسو تاکئوچی، نویسنده ارشد مطالعه و استاد دانشگاه اوزاکا، گفت: «تحقیقات ما با یک سوال ساده شروع شد؛ آیا ناپایداری کلوین-هلمهولتز میتواند در سیالات کوانتومی رخ دهد؟»
تا پیش از این هیچکس واقعا این پدیده را در سیالات کوانتومی مشاهده نکرده بود. اما نویسندگان این مطالعه نه تنها برای نخستین بار آن را ثبت کردند، بلکه گردابههایی به شکل هلال ماه را کشف کردند که به «اسکایرمونهای کسری خارج از مرکز» (eccentric fractional skyrmions یا EFSs) معروفند و شباهت زیادی به ماه درخشان در نقاشی «شب پرستاره» ون گوگ دارند.
تاکئوچی افزود: «اسکایرمونها معمولا متقارن و مرکزگرا هستند، اما EFSها شکل هلالی دارند و درونشان تکینگیهایی قرار دارد، یعنی نقاطی که ساختار معمول چرخش (spin) در آنها به هم میریزد و تحریفهای شدیدی ایجاد میشود. به نظر من، ماه بزرگ هلالی در گوشه بالای سمت راست «شب پرستاره» دقیقا شبیه یک EFS است.»
ناپایداری کلوین-هلمهولتز در سیالات معمولی زمانی ظاهر میشود که تفاوت سرعت زیادی بین دو جریان وجود داشته باشد. این پدیده به راحتی در موجهای دریاهای مواج یا رگههای ابرها دیده میشود.
اما بازسازی این پدیده در سیالات کوانتومی بسیار پیچیده است. سیالات کوانتومی مانند چگالش بوز-اینشتین یا ابرسیالات، طبق قوانین مکانیک کوانتومی رفتار میکنند نه فیزیک کلاسیک.
آنها فاقد ویسکوزیته هستند و خواصشان وابسته به حالتهای ظریف کوانتومی است که ایجاد و کنترل آنها بسیار دشوار است. به همین دلیل، مشاهده مستقیم KHI در این سیستمها دههها غیرممکن به نظر میرسید.
نویسندگان مطالعه این چالش را با روشی جالب پشت سر گذاشتند. آنها گاز اتمهای لیتیوم را تا دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق سرد کردند و آن را به چگالش بوز-اینشتین چندجزئی واداشتند؛ مرحلهای که اتمها مانند یک موج کوانتومی همدوس رفتار میکنند.
آنها چگالش را به دو بخش همپوشان تقسیم کردند که با سرعتهای متفاوت روی هم جریان داشتند. در مرز این جریانها، الگوهای موجی شکل گرفت که مراحل اولیه ناپایداری کلوین-هلمهولتز کلاسیک را به خوبی بازتاب میداد.
اما مرحله بعد کاملاً جدید بود. در محیط کوانتومی، این ناپایداری تنها موجهای نرم ایجاد نکرد بلکه گردابههایی تولید کرد که ساختارشان توسط طبیعت کوانتومی سیستم تعیین شده بود. این گردابهها همان EFSها بودند، نوع جدیدی از نقص توپولوژیکی.
برخلاف اسکایرمونهای متقارن که در مواد مغناطیسی یافت میشوند، EFSها خارج از مرکز، هلالی شکل و دارای تکینگیهای درونسازی شده بودند که در آنها الگوی معمول چرخش به طور ناگهانی به هم میریزد و تحریفهای شدید ایجاد میکند.
نویسندگان مطالعه گفتند: «این اسکایرمونها از شکست غیرعادی تقارن ناشی از یک تکینگی چرخشی خارج از مرکز بوجود میآیند و نصف بار الکتریکی بنیادی را حمل میکنند — ویژگیای که آنها را از اسکایرمونها و مرونهای معمولی متمایز میکند.»
محققان اکنون قصد دارند آزمایشهای دقیقتری انجام دهند که بتواند پیشبینیهای بیش از یک قرن پیش درباره طول موجها و فرکانسهای امواج کلوین-هلمهولتز را آزمون کند. آنها همچنین علاقهمندند ببینند آیا گردابههای مشابه در سایر سیستمهای کوانتومی چندجزئی یا با ابعاد بالاتر هم ظاهر میشوند یا خیر.
