شکار کوتاه‌ترین لحظه‌ی زمان: فیزیکدانان به مرز نهایی اندازه گیری زمان رسیدند

در جستجوی کوتاه‌ترین آنِ زمان: سفری به قلمرو زپتوثانیه‌ها

 بشر از سپیده‌دم تاریخ، مسحور گذر زمان بوده است. ما برای این جریان بی‌وقفه، نام‌ها و مقیاس‌ها ساخته‌ایم؛ از چرخش فصل‌ها تا تیک‌تاک ساعت‌ها. اما در اعماق این رود خروشان، لحظاتی چنان گذرا و آنی وجود دارند که تصورشان نیز به چالش‌مان می‌کشد. داستان امروز ما، داستان سفری جسورانه به همین اعماق است؛ تلاشی برای اندازه‌گیری کوتاه‌ترین بازه‌ی زمانی که تاکنون در تاریخ علم ثبت شده است. داستان از اواخر قرن بیستم آغاز می‌شود. در سال ۱۹۹۹، شیمی‌دان مصری، احمد زویل، به خاطر پایه‌گذاری دانشی نوین، جایزه‌ی نوبل شیمی را دریافت کرد. او به ما آموخت که چگونه با استفاده از فلاش‌های فوق‌سریع لیزر، به تماشای رقص مولکول‌ها بنشینیم؛ لحظه‌ی شکل‌گرفتن و شکسته‌شدن پیوندهای شیمیایی. این قلمرو، دنیای فمتوشیمی (Femtochemistry: شاخه‌ای از شیمی که واکنش‌ها را در مقیاس فمتوثانیه مطالعه می‌کند) بود.

 یک فمتوثانیه، یعنی یک میلیونیمِ یک میلیاردم ثانیه (۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه). برای درک این مقیاس، تصور کنید که نسبت یک فمتوثانیه به یک ثانیه، مانند نسبت یک ثانیه به حدود ۳۲ میلیون سال است! این دستاورد، پنجره‌ای بی‌نظیر به دنیای واکنش‌های بنیادین حیات و ماده گشود. اما عطش انسان برای کشف، سیری‌ناپذیر است. آیا می‌توان از این هم فراتر رفت؟ آیا می‌توان لحظه‌ای کوتاه‌تر از رقص اتم‌ها در یک واکنش شیمیایی را به دام انداخت؟

 این پرسشی بود که تیمی از فیزیک‌دانان اتمی در دانشگاه گوته فرانکفورت، به رهبری پروفسور راینهارد دورنر، برای خود مطرح کردند. آن‌ها با همکاری همکارانشان در شتاب‌دهنده‌ی DESY در هامبورگ و موسسه‌ی فریتز-هابر در برلین، تصمیم گرفتند به معمایی پایان دهند که فراتر از فمتوثانیه‌ها قرار داشت. آن‌ها می‌خواستند مدت زمانی را اندازه بگیرند که یک ذره‌ی نور، یک فوتون، برای عبور از یک مولکول نیاز دارد. آزمایشگاه آن‌ها، یک مولکول ساده و در عین حال بنیادین بود: مولکول هیدروژن (H₂)، متشکل از دو اتم هیدروژن که با پیوندی به هم متصل‌اند. دانشمندان این مولکول را با پرتوهای ایکس بسیار پرانرژی از منبع نور سینکروترون پترا ۳ (PETRA III Synchrotron: نوعی شتاب‌دهنده‌ی ذرات که پرتوهای ایکس بسیار درخشان و پرانرژی تولید می‌کند) بمباران کردند. 

انرژی این پرتوها با دقتی باورنکردنی تنظیم شده بود؛ آن‌قدر دقیق که تنها یک فوتون کافی بود تا هر دو الکترون را از آغوش مولکول هیدروژن جدا کند. اینجا بود که جادوی مکانیک کوانتومی آغاز شد. الکترون‌ها، این ذرات شگفت‌انگیز، همزمان هم ویژگی‌های ذره‌ای و هم موجی از خود نشان می‌دهند. با برخورد فوتون، اولین الکترون کنده شد و این رویداد، امواجی الکترونی را به راه انداخت؛ ابتدا در یک اتم هیدروژن و سپس با فاصله‌ای بسیار ناچیز، در اتم دوم. این دو موج، همچون دو موج حاصل از برخورد دو سنگ‌ریزه با سطح آرام یک برکه، با یکدیگر درآمیختند. 

 فوتون در این میان، نقشی شبیه به یک سنگ‌ریزه‌ی تخت را بازی می‌کرد که دو بار پیاپی روی سطح آب سُر می‌خورد. وقتی قله‌ی یک موج با دره‌ی موج دیگر تلاقی می‌کند، یکدیگر را خنثی می‌کنند. این پدیده، یک الگوی تداخلی (Interference Pattern: الگویی از خطوط روشن و تاریک که حاصل برهم‌نهی دو یا چند موج است) خلق می‌کند. 

 برای دیدن این الگوی ظریف و محاسبه‌ی زمان، دانشمندان از یک ابزار شگفت‌انگیز به نام میکروسکوپ واکنش کولتریمز (COLTRIMS Reaction Microscope: دستگاهی فوق‌دقیق که می‌تواند مسیر و انرژی ذرات حاصل از واکنش‌های اتمی و مولکولی را با سرعتی بسیار بالا ردیابی کند) استفاده کردند؛ دستگاهی که خودِ پروفسور دورنر در توسعه‌ی آن نقش کلیدی داشت. این میکروسکوپ نه تنها الگوی تداخلی الکترونِ اول را ثبت کرد، بلکه با ردیابی هسته‌های باقی‌مانده‌ی هیدروژن که پس از جدا شدن هر دو الکترون، با شتاب از هم دور می‌شدند، توانست جهت‌گیری دقیق مولکول هیدروژن در فضا را نیز مشخص کند. 

 سون گروندمن، که این پژوهش، پایه‌ی اصلی رساله‌ی دکترای او را تشکیل می‌دهد، توضیح می‌دهد: از آنجایی که ما جهت‌گیری فضایی مولکول هیدروژن را می‌دانستیم، توانستیم با استفاده از تداخل امواج دو الکترون، به طور دقیق محاسبه کنیم که فوتون چه زمانی به اتم اول و چه زمانی به اتم دوم رسیده است.» و نتیجه، تاریخ‌ساز بود. این زمان، بسته به فاصله‌ی بین دو اتم از دید فوتون، حدود ۲۴۷ زپتوثانیه (Zeptosecond: یک تریلیونیمِ یک میلیاردم ثانیه یا ۱۰ به توان منفی ۲۱ ثانیه) بود. این، کوتاه‌ترین بازه‌ی زمانی است که بشر تاکنون موفق به اندازه‌گیری آن شده است.

 پروفسور دورنر می‌افزاید: ما برای اولین بار مشاهده کردیم که پوسته‌ی الکترونی یک مولکول، در همه‌جا به طور همزمان به نور واکنش نشان نمی‌دهد. این تأخیر زمانی رخ می‌دهد، زیرا اطلاعات درون مولکول، تنها با سرعت نور منتشر می‌شود. این کشف، نه تنها یک رکوردشکنی در اندازه‌گیری زمان بود، بلکه کاربرد جدیدی برای فناوری کولتریمز گشود و درک ما را از بنیادین‌ترین فعل و انفعالات ماده و نور، عمیق‌تر کرد. این مانند آن است که برای اولین بار، نه تنها یک تصویر ثابت از یک مولکول، بلکه فیلمی فریم به فریم از عبور نور از درون آن را تماشا کرده باشیم؛ سفری در مقیاسی از زمان که ذهن برای درکش به تقلا می‌افتد.

scitechdaily.com