فیزیک ماده چگال

این هفته می‌خواهیم کمی با فیزیک ماده‌ی چگال بیش‌تر آشنا شویم. بیش‌تر شما با کلمه‌ی چگالی آشنا هستید. نسبت جرم به حجم مواد! اما ماده با چگالی بیش‌تر یا ماده‎ی چگال تر، ماده ای است که در حجم مشخصی از آن جرم بیش‌تری داشته باشیم.

اما این به معنی این نیست که فیزیک ماده‌ی چگال صرفاً به بررسی چیزهایی مثل سرب می‌پردازد!

در واقع  فیزیکدان ها در اوایل قرن 20 تنها می‌توانستند مسائل مربوط به گازها را حل کنند. در واقع حل کردن مسایلی که در آنها تعداد زیادی ذره دخیل هستند، خیلی دشوار تر از مسائلی است که در آن‌ها با یک یا دو ذره سر و کار داریم. برای یک ذره با استفاده از قوانین نیوتن به راحتی می‌توان مسئله را حل کرد. اما تصور کنید بخواهیم سه حرکت حدود یک مول گاز که 10به توان 23 مولکول دارد را با استفاده از معادلات نیوتن حل کنیم! مطمئنا از پس این کار بر نمی آییم.

اما کاری که فیزیکدان‌ها همیشه انجام داده اند و انجام می دهند، تقریب زدن است.

در اوایل قرن 20 با چشم پوشی از چیزهایی مثل بر هم کنش بین مولکول‌ها و کامل فرض کردن گازها راه حل‌هایی برای بررسی مسئله گازهای رقیق ارائه شده است اما با مابقی مسائل چه باید ‌کرد؟

کم کم تلاش برای پاسخ دادن به این سئوال، منجر به ایجاد شاخه‌ی جدید در فیزیک شد. فیزیک ماده‌ی چگال یعنی فیزیک بررسی موادی که دیگر آنقدر رقیق نیستند که بتوان از برهم کنش بین ذرات آن‌ها صرف نظر کرد. البته مهم‌ترین مثال برای این حالت ها، مسائل مربوط به جامدات و به ویژه فلزات هستند.

پدیده هایی مثل انبساط و انقباض، رسانایی، ظرفیت گرمایی، هدایت الکتریکی و ... شناخته شده بودند، اما راه حل و مدل قابل قبولی برای آن‌ها ارائه نشد. امروز فیزیک ماده چگال، جواب این سئوالها را داده است اما جواب دادن به این سئوال باعث ایجاد چند سئوال جدید می‌شود،  به همین دلیل دامنه فیزیک ماده چگال بسیار گسترده شده است.

ماده چگال کاران تجربی این روزها بیش‌تر در حال بررسی خواص مغناطیسی مواد و بحث ابر رسانایی هستند. چطور می‌شود ابر رساناها در دماهای بالاتر پیدا کرد و ... ماده چگال کاران تئوری نیز بعضاً دنبال پیدا کردن مدلی برای پدیده های مشاهده شده در زمینه های ابررسانایی، انتقال امواج و غیره اند.

البته شاخه نسبتاً جدیدتری از فیزیک ماده چگال که به فیزیک ماده چگال نرم مشهور شده است به بررسی مسایلی مربوط به سیستم‌هایی با برهم کنش غیر قابل صرف نظر بین اجزاء آن می‌پردازد که دیگر ساختار منظم و بلوری ندارند. شاید مهمترین مثال، مایعات باشد اما این تعریف آنقدر گسترده است که می‌توان گفت فیزیکدانان ماده چگال نرم، امروزه تقریباً همه کار می‌کنند!

از بررسی روابط اجتماعی تا بررسی شبکه های عصبی از بررسی ساختار پروتئین‌ها و DNA تا پیش بینی رفتار قیمت سهام شرکت ها.

تمام اینها سیستم هایی هستند که بین ذرات بسیار زیادشان، بر هم کنش بسیار بالایی وجود دارد. این شاخه از فیزیک ماده چگال، کمتر به بخش تئوری یا تجربی تقسیم می‌شود و البته بیش‌تر کارها بر مبنای شبیه سازی‌های کامپیوتری انجام می‌شود.

در گذشته به فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد نیز گفته می‌شد اما حتماً می‌دانید که چرا این اسم دیگر کاربرد زیادی ندارد!

شاید بتوان گفت فیزیک ماده چگال گسترده ترین شاخه‌ی فیزیک است. حدود 60% دانش جویان دکترای فیزیک در این گرایش تحصیل می‌کنند. زیاد نیست؟

نویسنده:طاها یاسری