مفاهیم کلیدی:

گرانش/ اصطکاک/ لختی (قانون اول نیوتن)

مقدمه:

آیا تا به حال دیده‌اید یک شعبده باز سفره ای را به سرعت از روی میز بکشد به طوریکه تمامی اجسام سر جای خود باقی بمانند؟ این حقه اصلا جادو نیست! و در اصل علم است! و شما می‌توانید با استفاده از همین قوانین (بدون شکستن هیچ ظرفی) سکه ای را به درون یک ظرف کوچک بیندازید.

یک سکه که بر روی کانتر آشپزخانه قرار دارد به تنهایی حرکتی ندارد مگر اینکه شما یا فرد دیگری آن را حرکت دهید. اگر به آرامی آن را هُل دهید سکه به کدام طرف حرکت می‌کند؟ اگر از ارتفاع چند سانتی آن را رها کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ سکه مانند بسیاری از اجسام  صلب عمل کرده و تا زمانی که به آن نیرویی وارد نشود بی حرکت باقی می‌ماند. اما آیا می‌توان شی را در حالی که ساکن است به جایی که می‌خواهید ببرید؟ مثل یک شعبده باز با انداختن یک سکه از نقطه تعادلش به درون یک ظرف کوچک- گرانش در این کار به شما کمک می‌کند.

پیش زمینه:

کلید حقه مشهور سفره یعنی سرعت، برای این فعالیت نیز بسیار حیاتی است. به کمک یک حرکت سریع و صاف، شما بر اصطکاکی که بین کاغذ و سکه وجود دارد، غلبه می‌کنید. حرکت سریع به گرانش این شانس را می دهد که بر لختی و اصطکاک غلبه کند.

لختی، توسط آیزاک نیوتن توضیح داده شد و امروزه به عنوان قانون اول حرکت نیوتن شناخته می‌شود. این قانون می‌گوید که یک شی در حال سکون، ساکن می‌ماند (و شی در حال حرکت در حرکت می ماند) تا زمانی که نیرویی دیگر به آن وارد شود، مانند گرانش- یا شما!

اقلام لازم:

  • سکه
  • بطری یا ظرف با دهانه ی کوچک (بزرگتر از سکه اما نه خیلی بزرگ)
  • کاغذ یادداشت یا تکه کاغذ دیگری به ابعاد ۷.۵ در ۱۲.۵ سانتی‌متر
  • قیچی
  • چسب
  • مداد یا خودکار
  • آب (اختیاری)

 

آماده سازی:

  • به آرامی کاغذ را در جهت طولی (عمودی بالا تا پایین) کاغذ به پهنای حدود ۲ سانتی‌متر ببُرید.
  • دو طرف کاغذ را بهم بچسبانید بطوریکه به شکل حلقه ای در بیاید که در بالای دهانه ی ظرف شما در تعادل قرار بگیرد.
  • اگر مخزن شما به اندازه کافی سنگین نیست که به طور خودبه خود ثابت باقی بماند بخشی از آن را با آب پر کنید.
  • حلقه کاغذی را بر روی دهانه ی ظرف طوری متعادل کنید که مرکز آن به سمت شما باشد.
  • سکه را در بالاترین نقطه حلقه کاغذی و دقیقا در بالای دهانه ی ظرف قرار دهید.

 

روش:

  1. آیا می‌توانید سکه را بدون استفاده دست به درون ظرف بیندازید؟
  2. مداد یا خودکار را به صورت افقی درون حلقه قرار دهید. به آرامی حلقه را بکشید. برای سکه چه اتفاقی می‌افتد؟
  3. دوباره حلقه و سکه را بر روی ظرف قرار دهید.
  4. اینبار حرکت سریع را امتحان کنید: مداد یا خودکار را درون حلقه قرار دهید و حلقه را سریع بکشید (مراقب نوک تیز مداد یا خودکار باشید). اینبار سکه کجا رفت؟ آیا نزدیک‌تر یا داخل ظرف افتاد؟
  5. اگر سکه درون ظرف نیافتاد ببینید چقدر نزدیک‌تر نسبت به زمانی که به آرامی کشیدید افتاده؟ و این حرکت را چند بار امتحان کنید.
  6. کمترین سرعتی که می توانید حلقه را بکشید و سکه را درون ظرف بیاندازید چقدر است؟

 

فراتر:

  • چه اتفاقی می افتد زمانی که حلقه کاغذی کوچکتر یا بزرگتر استفاده می‌کنید؟
  • سعی کنید این کار را با مدل حقه سفره شعبده بازان انجام دهید. یک صفحه کاغذ صاف را روی دهانه ظرف قرار داده و سکه را روی آن بگذارید. با سریع ترین حالتی که میتوانید کاغذ را بکشید. آیا سکه درون ظرف می افتد؟

مشاهدات و نتایج:

به نظر شما چرا زمانی که حلقه را سریع کشیدید با زمانی که به آرامی کشیدید نتیجه متفاوت بود؟

سکه به تنهایی حرکتی نمی‌کند و از قوانین فیزیک تبعیت می‌کند. زمانی که حلقه در حال سکون قرار دارد و یا به آرامی کشیده میشود، مدت بیشتری بر روی حلقه می‌ماند زیرا اصطکاک به ماندن بر روی کاغذ کمک می‌کند. سپس گرانش غلبه می‌کند و سکه می‌افتد. اما زمانی که سریع کشیده می‌شود اصطکاک فرصتی برای کشیدن سکه پیدا نمی‌کند. در عوض سکه ساکن می‌ماند و به دلیل نیروی گرانش، مستقیم به پایین می‌افتد.


منبع: Scientific American

مفاهیم کلیدی
فیزیک/ جرم/ جاذبه زمین/ فضازمان

مقدمه

آیا کلماتی مثل نسبیت عام، چاه گرانشی، فضا-زمان، به نظر ترسناک می آیند؟ نگران نباشید برای درک این مفاهیم لازم نیست آلبرت آینشتاین باشید! این فعالیت جذاب را با استفاده از مواد معمولی خانگی امتحان کنید تا با این مفاهیم و سیاه‌چاله‌ها آشنا شوید. ادامه مطلب

It was 9 years ago, during net surfing for PhD and also some international conferences in Particle Physics, I saw an event: 80’s birthday of Murray Gell-Mann. It was a conference on high energy particle physics, Cosmology and Complex system in NTU, Singapore. Regarding to my interest to meet giants and big names of what I have studied during the years from them and my historical mind, I decided it would be my first trip to somewhere else, instead of Iran’s conferences. Names in the list were seducing (later I found these names are just for to be considered by organizers, but still 70% of them came there for Gell-Mann’s legacy).

ادامه مطلب

پرسش و پاسخ‌هایی دربارۀ سیاه‌چاله‌ها و اولین تصویر ردپای سیاه‌چالۀ کهکشان M87

ادامه مطلب

مقدمه:

آیا تا به حالا دچار آفتاب سوختگی شده‌اید؟ اگر بله، می‌دانید گرمای خورشید چه توانی می‌تواند داشته باشد! آیا می‌دانستید این گرما را می‌توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد؟ شما ممکن است درباره‌ی سلول‌های خورشیدی شنیده باشید، اما برج مَکشی خورشیدی به گوش‌تان خورده؟ این ساختار بسیار ساده، از خورشید برای گرم کردن هوا استفاده می‌کند، که سپس به یک توربین درون یک برج بزرگ برق می‌دهد. در این فعالیت شما یکی از این برج‌ها را خواهید ساخت. فکر می‌کنید بتوانید یک پره‌ی چرخان صرفا با هوای گرم بسازید؟ ادامه مطلب

مفاهیم کلیدی:

فیزیک، همرفت، دما، چگالی

مقدمه:

احتمالا می‌دانید که اقیانوس هرگز بی‌حرکت نمی‌ایستد. اما می‌دانید چیزی به نام نوار نقاله اقیانوسی وجود دارد که مقدار زیادی آب را از یک اقیانوس به دیگری انتقال می‌دهد؟ این جریان‌های آبی برای مخلوط کردن و حمل مواد مغذی و اکسیژن ضروری هستند و در آب و هوای ما نقش مهمی ایفا می کنند. این به این دلیل است که آنها آب گرم و سرد را در فاصله های بسیار طولانی حرکت می‌دهند، که بر درجه حرارت خشکی‌هایی که با اقیانوس‌ها هم ارز هستند را تحت تاثیر قرار می‌دهد. برای مثال چریان‌های خلیج، جریانی بزرگ از خلیج مکزیک است که آبهای گرم را به اقیانوس اطلس شمالی منتقل می‌کند و آب و هوای اروپا را ملایم‌تر می‌کند. آیا می‌دانید علت به وجود آمدن «نوار نقاله اقیانوسی» چیست؟ جواب بسیار ساده است: تفاوت در چگالی آب! این فعالیت را انجام بدهید تا بیشتر متوجه بشوید. ادامه مطلب

پویتر سرویس IBM Q ابر- پایه به نظر چندان تفاوتی با کامپیوترهای کلاسیک نخواهند داشت.

آی بی ام بر آن است که اولین کامپیوتر کوانتمی همگانی را معرفی کند. این شرکت IBM Q را با دریافت هزینه ای برای مشتریانش از طریق اینترنت در دسترس قرار خواهد داد. بهتر از کامپیوترهای کلاسیک کار نخواهد کرد! حداقل فعلا. ولی این شرکت اعلام کرده که این دستگاه منجر به توسعه قابل توجه در بازار برای آینده‌ی مکانیک کوانتم خواهد شد که می‌تواند محاسبات پیچیده را که الان کامپیوترهای کلاسیک نمی‌توانند انجام دهند، به انجام برساند. سرویس ابر آخرین راه در مبارزه ساخت کامپیوترهای کوانتمی است.

این پروژه براساس پیشرفت دانشی ست که سرویس محاسباتی ابر موجود در IBM فراهم آورده: آزمایش کوانتمی (Quantum Experience) که هرکسی می‌تواند بدون هزینه در اختیار داشته باشد. این سیستم سال ۲۰۱۶ آنلاین شد و اخیراً رابط کاربری اش ارتقا یافته. جری چو فیزیکدان سرپرست آزمایشگاه محاسبات کوانتمی در مرکز پژوهشی یورک‌تاون IBM می‌گوید:«ده ماه استفاده از آن بسیار به ما آموخته. راهی را برای پژوهشگران باز کرده که در سرتاسر دنیا بدون دسترسی به کامپیوتر کوانتمی الگوریتم‌های کوانتمی را تجربه کنند. آی بی ام، استراتژی کُلی برای ساخت یک اجتماع و اکوسیستم حول و حوش فناوری خودش دارد.»

 

این شرکت درباره‌ی IBM Q و زمان آنلاین شدنش سکوت کرده. عده‌ای برآن هستند که همین امسال خواهد بود. میزان قدرت این سیستم کوانتمی یا هزینه ای که برای داشتنش باید متحمل شد، از کسی پوشیده نیست. آی بی ام اعلام کرده که اولین مشتریانش را جذب کرده و اگرچه هویت آن ها را اعلام نکرده ولی پارتنرهای تجاری را همراه خود کرده تا کاربردهای این ماشین را به مرحله آزمون بگذارند و توسعه دهند.

 

رقابت کوانتمی

کامپیوترهای کوانتمی وپژگی‌های غیربصری فیزیک ذرات بنیادی را به صورت بیت‌های اطلاعات به نام بیت‌های کوانتمی، یا کوبیت (Qubits) در اختیار می‌گیرند و می‌توان حالت‌های همزمان و چندگانه کوانتمی را به جای یک حالت ۰ یا ۱ برایشان متصور شد. اوایل سال‌های ۱۹۹۰، فیزیکدان نظری در آی بی ام، الگوریتم‌هایی بر اساس کوبیت نوشت که در نظریه می‌توانستند به صورت نمایی سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک امروزی کارشان را انجام دهند.

ولی در عمل، کوبیت‌های لازم برای راه اندازی چنین الگوریتم‌هایی با عنوانی چون کامپیوتر همگانی کوانتمی چالش بر انگیز است. دو فناوری برای یاری رساندن به کوبیت‌ها با هم ترکیب شدند. یکی تک یون‌ها را در خلا با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در اختیار می‌گیرد و دیگری کوبیت‌ها را به مدارهای ابررسانای میکروسکوپی هدایت می‌کند که چند درجه بالای صفر مطلق هستند. آی بی ام، به سختی دنبال روش دوم است.

در سال‌های اخیر گوگل هم وارد این بازی شده و در سانتا باربارا، کالیفرنیا، روی ابر رسانا-کوبیت کار می‌کند. گوگل، آی بی ام، و تعداد قابل توجهی شرکت‌های دیگر و آزمایشگاه های دانشگاهی نقشه‌ی راه جدی برای ساخت ماشین‌هایی که بتوانند فراتر از کامپیوترهای کلاسیک باشند ترسیم کرده اند. ولی این ماشین‌ها باید هرکدام ۵۰ کوبیت اجرا کنند. رکورد کنونی حدود ۲۰ کوبیت است که برا محاسبات ساده کافی ست.

تجربه گرایی

پس وقتی آی بی ام از تجربه‌ی کوانتمی حرف می‌زند که ۵ کوبیت ابررسانا راه اندازی می‌کند، عده‌ای نکته را نگرفتند. کریستوفر مونرو، فیزیکدانی که در آزمایشگاه گیر اندازی یون، دانشگاه مریلند در پارک فناوری کار می‌کند می‌گوید:«بسیاری از دوستان آن را شیرین کاری رسانه‌ای می‌دانند، ولی من فکر می‌کنم واقعا کار بزرگی است.»

حتی اگر این ماشین آی بی ام، بی نظیر نباشد، این شرکت بر چند چالش فائق آمده تاQE آنلاین را به انجام برساند و برای پژوهشگرانی که لزوما فیزیکدان هم نیستند و هرگز با کامپیوتر کوانتمی هم کار نکرده‌اند، قابل استفاده کند. این شامل خلق سیستم‌هایی هم می‌شود که بدون ثابت‌های مورد نظر فیزیکدانان که ماشین را ساختند، کار می‌کند. مونرو معتقد است که قرار دادن ماشین در ابر داده ها دققا همان کاری ست که باید انجام شود، ولی واقعا کار زیادی می‌طلبد تا این فرایند به آنچه که باید برسد.

با دسترسی به دستگاهی که QE را به انجام برساند یا IBM Q بدان معناست که پژوهشگران سرتاسر دنیا می‌توانند چالش‌های بی نظیری از برنامه نویسی را تجربه کنند. این برنامه نویسی با کُد زنی کلاسیک برمنامه نویس‌ها فرق دارد و باید حدهای فیزیکی روی کوبیت‌ها گذاشت. در اصل، یک ماشین ۵ کوبیت برای شبیه سازی آنچه کامپیوتر کلاسیک و حتی لپتاپ انجام می‌دهد کافی ست. ولی کوبیت‌های واقعی آنقدرها هم ساده نیستند .

ایزاک چوانگ فیزیکدان MIT بر آن است که چالش واقعی این است که شما می‌توانید الگوریتم خودتان را بسازید که بتواند با سخت افزار واقعی کار کند و کاستی‌های خودش را داشته باشد. چو می‌گوید که IBM Q کوبیت‌های بیشتری نسبت به آزمایش کوانتمی خواهد داشت ولی این شرکت هنوز عدد کوبیت خاصی را اعلام نکرده.

 

 

عصر ابر کوانتمیQE تا اینجا حدود ۴۰ هزار کاربر از بیش از ۱۰۰ کشور جذب کرده. برای مثال چوانگ به صورت آنلاین در تدریس دوره ارشد محاسبات کوانتمی از آن استفاده کرده. دانشجویان می‌توانستند برنامه نویسی در یک کامپیوتر کوانتمی را تجربه کنند. کاربرهای این دستگاه ۲۷۵ هزار آزمایش انجام دادند و ۱۵ مقاله پژوهشی حاصلش بود. بین آن‌ها یکی از تیم‌ها به سرپرستی مونرو و همکارانش بود که کارایی ماشین ابررسانای آی بی ام را با ۵ کوبیت یونی در آزمایشگاه مونرو مقایسه می‌کردند. سرویس ابر کوانتمی این شرکت سریع تر بود ولی ماشین مونرو دقیق‌تر عمل می‌کرد.

مونرو استارتاپی را پایه گذاری کرده به نام IonQ که انتظار دارد ابر-پایه باشد و سرویس یونی کوانتمی ارائه دهد ولی مشخص نکرده چه زمانی به انجام می‌رسد. گوگل برنامه دارد تا همین کار را با ابررسانای مکانیک کوبینی اش انجام دهد، ولی جان مارتینیس سرپرست آزمایشگاه محاسبات کوانتمی این شرکت در سانتا باربارا می‌گوید تا زمانی که کامپیوتر ۵۰ کوبیتی کار نکند چنین مهمی به انجام نخواهد رسید.

در همین حین، D-Wave شرکتی در برنابی کانادا، سرویس محاسبات کوانتمی دارد که از ۲۰۱۰ محاسبات کوانتمی در ابر داشته. جرمی هیلتون می‌گوید:«هسته‌ی استراتژی ما واقعاً حرکت رو به جلو تا رسیدن به ابری ست که به این مدل برسد.» ولی ماشین‌های D-Wave کامپیوترهای همگانی نیستند و فقط می‌توانند گستره محدودی از الگوریتم‌های کوانتمی را انجام دهند. با این حال، گروه‌های متعددی از پروژه آن‌ها استفاده کرده‌اند.


منبع:

Scientific American

IBM Q
کامپیوترهای شخصی کوانتمی
D Wave

حتی کاربرهای معمولی کامپیوتر هم می‌توانند به امکانات کامپیوترهای کوانتومی دسترسی داشته باشند. در آینده ممکن است شما نیازی به یک کامپیوتر کوانتومی شخصی نداشته باشید تا الزاماً با آن از محاسبه‌گری کوانتومی به طور ایمن بهره‌مند شوید. محققان برای اولین بار نشان دادند که چطور کاربران معمولی کامپیوتر کلاسیک می‌توانند از راه دور به منابع آنلاین محاسبه‌گرهای کوانتومی دسترسی داشته باشند، در حالی که محاسبات کوانتومی خود را به طور کاملاً ایمن حتی از خود کامپیوتر کوانتومی هم مخفی نگه دارند. ادامه مطلب

فیزیکدانان چگونه در برخورد ذرات می‌فهمند چه اتفاقی می‌افتد؟ از طریق محاسباتی بسیار چالش برانگیز هم هستند، در برخی حالت‌ها، نمی‌توانند چنین کاری انجام دهند. ادامه مطلب

نانوذرات و ریزنمایی نسل بعد!زنگ تفریح فیزیک ویرایش مطلب نانوذره‌ها به پیشرفت ریزنمایی با وضوح بالا کمک می‌کنند. ادامه مطلب