دو مشکل که نشان می دهد فیزیک مدرن هنوز در دنیای روزمره ما جایگاه خود را دارد
هر کسی که امروز فیزیک را می‌داند می‌داند که اسرار مورد مطالعه ماهیت کاملاً باطنی دارند. چیزهایی مانند سیاهچاله ها، انرژی تاریک، ذرات مایورانا، گرانش کوانتومی. اینها مسائلی است که امروز جامعه فیزیک را نگران می کند. رفتار اشیاء روزمره در دنیای روزمره ما، این مشکلات همه توسط گالیله و نیوتن حل شد، درست است؟
خوب، نه کاملا. به نظر می رسد هنوز مشکلاتی وجود دارد. معمولاً شامل تعداد زیادی از اجسام در شرایط خاص است که فیزیکدانان هرگز واقعاً قادر به حل آنها نبوده اند. امروز می خواهم در مورد دو مورد از این مشکلات بحث کنم، یکی که بالاخره حل شد و دیگری که هنوز گریزان است.
اولین مشکل، که اخیراً حل شد، برای هر کسی که تا به حال میوه یا سبزیجات خرید کرده است آشنا است. سبزی فروشانی که می خواهند گوجه فرنگی، سیب یا سایر میوه های گرد زیبای خود را به نمایش بگذارند، معمولاً این کار را با پخش کردن آنها در یک صفحه شیبدار انجام می دهند، تصویر زیر را ببینید:
اگر به هلو، آلو، سیب و پرتقال در تصویر دقت کنید، متوجه خواهید شد که چیدمان نزدیک میوه ها چینش شش ضلعی زیبایی ایجاد می کند. سوال این است که چه شانسی وجود دارد که اگر مشتری یک میوه را از صفحه نمایش حذف کند، باعث فروریختن یا سقوط بهمن کل نمایشگر شود؟ یا به عبارت دیگر: چند میوه را می توان از چنین نمایشگری قبل از فرو ریختن آن برداشت؟
خیلی ساده به نظر می رسد، اینطور نیست؟ اما به یاد داشته باشید که ذرات مختلف، میوه های جداگانه وجود دارد و هر میوه به هر میوه دیگری نیرویی وارد می کند. درست است، حتی جرم پرتقال بالا سمت راست نیز به نارنجی پایین سمت چپ نیرو وارد می کند. و با در نظر گرفتن قانون سوم نیوتن که “برای هر عمل یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد”، به این معنی که نارنجی پایین سمت چپ، نیرویی بر نارنجی سمت راست بالا وارد می‌کند. اوه، و فراموش نکنیم که زاویه ای که در آن پرتقال ها روی هم چیده می شوند، قطعا یک عامل خواهد بود.
بنابراین می بینید که همه چیز خیلی سریع پیچیده می شود، به همین دلیل است که فیزیکدانان از چنین مشکلاتی در قرن 18، 19 و حتی 20 متنفر بودند. بنابراین راه حل باید تا قرن بیست و یکم و توسعه ابررایانه ها منتظر ماند. درست است، فیزیکدانانی که مشکل را حل کردند، این کار را کردند، اما تعداد زیادی شبیه سازی عددی انجام دادند و به کامپیوتر اجازه دادند کار محاسباتی را انجام دهد.
فیزیکدانان ادواردو روجاس، هکتور آلارکون، وینسنت سالیناس، گوستاوو کاستیو و پابلو گوتیرز همگی از سه دانشگاه در شیلی، دانشگاه اتوفاگاستا، دانشگاه اتونوما شیلی و دانشگاه اوهیگینز آمده اند. برای شبیه‌سازی‌های خود، توپ‌های کروی یکسان را که هر کدام ۴ سانتی‌متر قطر و ۲.۹۳ گرم جرم داشتند، که اساساً توپ‌های تنیس بودند، بررسی کردند. در مجموع، تیم شبیه سازی را با 90 توپ، با 6 ردیف متشکل از 7 و 8 توپ متناوب اجرا کرد. آنها سپس این ترتیب اولیه را به ترتیب با توپ های 372، 846، 1512 و 2370 افزایش دادند.
اولین چیزی که فیزیکدانان کشف کردند این بود که در زوایای بسیار کوچک، بهمن ممکن است هرگز رخ ندهد. اگر زاویه صفر باشد، واضح است که می توانید تمام توپ ها را بدون ایجاد فروپاشی بیرون بیاورید. برعکس، در یک زاویه بسیار بزرگ، حذف حتی یک توپ می تواند باعث بهمن شود. نتایج جالب، همانطور که احتمالا حدس زدید، در زوایای متوسط به دست آمد. پس از شبیه‌سازی‌های متعدد، محققان دریافتند که بهمن معمولاً پس از برداشتن 10 درصد از توپ‌ها رخ می‌دهد و تعداد اولیه توپ‌ها در آرایه تأثیر کمی بر این درصد دارد.
بنابراین دفعه بعد که در خواربارفروشی هستید و به سراغ آن یک سیب عالی در یک صفحه نمایش بزرگ می روید، مطمئن باشید که احتمالاً باعث نمی شوید که همه سیب ها روی زمین بیفتند. مگر اینکه، البته، چندین مشتری دیگر قبلا سیب های خود را انتخاب کرده باشند.
دیگر مسئله فیزیک روزمره نیز برای شما آشنا به نظر می رسد. یک ظرف بزرگ را تصور کنید که فقط تا حدی با مخلوطی از آجیل های مختلف پر شده است، برخی کوچک مانند بادام زمینی یا بادام، برخی بزرگ مانند گردو و فندق. حالا می‌خواهید همه آجیل‌ها را به خوبی پهن کنید تا هرکسی که بادام زمینی می‌خواهد دستش را در دست بگیرد و یکی را از بالا بگیرد، در حالی که هرکسی که فندق می‌خواهد بتواند همین کار را انجام دهد. بنابراین درب ظرف خود را گذاشته و آن را به شدت تکان دهید تا حدود یک دقیقه تمام آجیل ها مخلوط شوند.
مشکل اینجاست که وقتی ظرف را باز می‌کنید متوجه می‌شوید که لایه بالایی کاملاً از گردو و فندق بزرگ تشکیل شده است، در حالی که آجیل‌های کوچکتر در پایین هستند. و این شکل اجسام نیست که باعث ایجاد اثر می شود. شما می توانید همین آزمایش را با BB و سنگ مرمر انجام دهید. BB های کوچکتر در پایین و تیله های بزرگتر در بالا فرود می آیند.
از یک طرف، این منطقی نیست، زیرا شما فکر می کنید که اجسام بزرگتر و سنگین تر می توانند به زور به سمت پایین حرکت کنند. در همان زمان، اجسام کوچکتر ممکن است بین اجسام بزرگتر فشرده شوند و باعث شوند که آنها روی زمین قرار گیرند.
واقعیت این است که اجسام کوچکتر در واقع غرق می شوند، اما ما واقعاً نمی دانیم چگونه. باز هم، مشکل در جزئیات بسیار ساده به نظر می رسد، اما وقتی ده ها یا حتی صدها شی را در نظر بگیرید، قدرت محاسباتی به سرعت تبدیل به یک کابوس می شود. مانند مشکل بهمن میوه در بالا، “مشکل فندق”، همانطور که اغلب نامیده می شود، یا به طور رسمی تر همرفت دانه ای، امیدواریم روزی از طریق هزاران شبیه سازی اجرا شده بر روی یک ابر رایانه حل شود.
در اینجا شما آن را دارید: دو مشکل “کلاسیک” در فیزیک که هیچ ربطی به نظریه میدان ندارند، و نه با ذرات که تقریباً با سرعت نور حرکت می کنند یا خیلی به سیاهچاله نزدیک می شوند. دو مشکل کاملا عادی روزمره. یکی از اینها صدها سال طول کشید تا حل شود، در حالی که دیگری حل نشده باقی ماند.
