Μαξ Μπορν: Ο πρωτοπόρος της κβαντομηχανικής
Ο Μαξ Μπορν (Max Born) ήταν Γερμανός φυσικός, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1954 με τον Βάλτερ Μπότε για την πιθανολογική ερμηνεία της κβαντομηχανικής.
Ο Μπορν προερχόταν από μια εβραϊκή οικογένεια της ανώτερης μεσαίας τάξης. Αρχικά θεωρήθηκε πολύ αδύναμος για να φοιτήσει σε δημόσιο σχολείο, οπότε διδάχθηκε στο σπίτι πριν του επιτραπεί να φοιτήσει στο Γυμνάσιο König Wilhelm στο Μπρέσλαου. Στη συνέχεια, συνέχισε τις σπουδές του στη Φυσική και τα Μαθηματικά στα πανεπιστήμια του Μπρέσλαου, της Χαϊδελβέργης, της Ζυρίχης και του Γκέτινγκεν. Στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν έγραψε τη διατριβή του (1906), με θέμα την ευστάθεια των ελαστικών συρμάτων και ταινιών, για την οποία ανακηρύχθηκε διδάκτωρ έναν χρόνο αργότερα (1907).
Μετά από μια σύντομη θητεία στο στρατό αλλά και την παραμονή του στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, ο Μαξ Μπορν επέστρεψε στο Μπρέσλαου για το ακαδημαϊκό έτος 1908-09 και άρχισε μια εκτεταμένη μελέτη της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Με βάση τις εργασίες του στον τομέα αυτό, ο Μπορν προσκλήθηκε πίσω στο Γκέτινγκεν ως βοηθός του μαθηματικού φυσικού Χέρμαν Μινκόφσκι. Το 1915 ο Μπορν δέχτηκε μια θέση καθηγητή για να βοηθήσει τον φυσικό Μαξ Πλανκ στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου. Ωστόσο μεσολάβησε ο Ά ΠΠ και επιστρατεύτηκε στον γερμανικό στρατό. Παρ’ όλα αυτά, ενώ ήταν αξιωματικός του στρατού, βρήκε χρόνο να δημοσιεύσει το πρώτο του βιβλίο, Dynamik der Kristallgitter.
Το 1919 ο Μπορν διορίστηκε τακτικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Φρανκφούρτης και το 1921 δέχτηκε τη θέση του καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν. Ο Τζέιμς Φρανκ είχε διοριστεί καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Γκέτινγκεν το προηγούμενο έτος. Οι δυο τους έκαναν το Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν ένα από τα σημαντικότερα κέντρα μελέτης των ατομικών και μοριακών φαινομένων. Ένα μέτρο της επιρροής του Μπορν μπορεί να μετρηθεί από τους μαθητές και τους βοηθούς που ήρθαν να εργαστούν μαζί του -μεταξύ αυτών, ο Βόλφγκανγκ Πάουλι, ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο Πασκουάλ Τζόρνταν, ο Ενρίκο Φέρμι, ο Φριτς Λόντον, ο Π.Α.Μ. Ντιράκ, ο Βίκτορ Βάισκοπφ, ο Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ, ο Βάλτερ Χάιτλερ και η Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ.
Tα χρόνια στο Γκέτινγκεν ήταν τα πιο δημιουργικά και σημαδιακά για τον Μπορν. Το 1912 ο ίδιος και ο Ούγγρος μηχανικός Θίοντορ φον Κάρμαν διατύπωσαν τη δυναμική ενός κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία ενσωμάτωσε τις ιδιότητες συμμετρίας του πλέγματος, επέτρεψε την επιβολή κβαντικών κανόνων και τον υπολογισμό των θερμικών ιδιοτήτων του κρυστάλλου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε όταν ο Μπορν βρισκόταν στο Γκέτινγκεν και αποτέλεσε τη βάση της σύγχρονης θεωρίας της δυναμικής του πλέγματος.
Το 1925 ο Χάιζενμπεργκ έδωσε στον Μπορν ένα αντίγραφο του χειρόγραφου της πρώτης του εργασίας για την κβαντομηχανική και ο Μπορν αναγνώρισε αμέσως ότι οι μαθηματικές οντότητες με τις οποίες ο Χάιζενμπεργκ είχε αναπαραστήσει τα παρατηρήσιμα φυσικά μεγέθη ενός σωματιδίου – όπως η θέση, η ορμή και η ενέργειά του- ήταν πίνακες. Μαζί με τον Χάιζενμπεργκ και τον Τζόρνταν, ο Μπορν διατύπωσε όλες τις ουσιώδεις πτυχές της κβαντομηχανικής στην εκδοχή των πινάκων της. Λίγο αργότερα, ο Έρβιν Σρέντινγκερ διατύπωσε μια εκδοχή της κβαντομηχανικής βασισμένη στην κυματική εξίσωση. Σύντομα αποδείχθηκε ότι οι δύο διατυπώσεις ήταν μαθηματικά ισοδύναμες. Αυτό που παρέμενε ασαφές ήταν η σημασία της κυματοσυνάρτησης που εμφανιζόταν στην εξίσωση του Σρέντινγκερ. Το 1926 ο Μπορν υπέβαλε δύο εργασίες στις οποίες διατύπωσε την κβαντομηχανική περιγραφή των διαδικασιών σύγκρουσης και διαπίστωσε ότι στην περίπτωση της σκέδασης ενός σωματιδίου από ένα δυναμικό, η κυματοσυνάρτηση σε μια συγκεκριμένη χωροχρονική θέση θα πρέπει να ερμηνεύεται ως το πλάτος πιθανότητας να βρεθεί το σωματίδιο στο συγκεκριμένο χωροχρονικό σημείο. Το 1954 του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για την εργασία αυτή.
Ο Μπορν παρέμεινε στο Γκέτινγκεν μέχρι τον Απρίλιο του 1933, όταν όλοι οι Εβραίοι απολύθηκαν από τις ακαδημαϊκές τους θέσεις στη Γερμανία. Ο Μπορν και η οικογένειά του πήγαν στην Αγγλία, όπου δέχτηκε μια προσωρινή θέση λέκτορα στο Κέιμπριτζ. Το 1936 διορίστηκε καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Έγινε Βρετανός πολίτης το 1939 και παρέμεινε στο Εδιμβούργο μέχρι τη συνταξιοδότησή του το 1953. Την επόμενη χρονιά μετακόμισε με τη σύζυγό του στο Μπαντ Πύρμοντ, μια μικρή λουτρόπολη κοντά στο Γκέτινγκεν.
Επιστήμονες αναπτύσσουν 3D τυπωμένο σύστημα κενού που στοχεύει στην παγίδευση της σκοτεινής ύλης
Χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο τρισδιάστατο (3D) εκτυπωμένο σύστημα κενού, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν τρόπο για να «παγιδεύσουν» τη σκοτεινή ύλη με στόχο την ανίχνευση τοιχωμάτων. Αυτό θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προόδου για τη διαλεύκανση ορισμένων από τα μυστήρια του σύμπαντος.
Ειδικότερα, επιστήμονες από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ δημιούργησαν ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο σύστημα κενού το οποίο θα χρησιμοποιήσουν σε ένα νέο πείραμα για να μειώσουν την πυκνότητα του αερίου και στη συνέχεια να προσθέσουν υπερ-κρύα άτομα λιθίου για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν σκοτεινά τοιχώματα.
Η καθηγήτρια Clare Burrage από τη Σχολή Φυσικής είναι μία από τις επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης και εξηγεί: «Η συνηθισμένη ύλη από την οποία είναι φτιαγμένος ο κόσμος είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του περιεχομένου του σύμπαντος, περίπου 5%, το υπόλοιπο είναι είτε σκοτεινή ύλη είτε σκοτεινή ενέργεια – μπορούμε να δούμε τις επιδράσεις τους στο πως συμπεριφέρεται το σύμπαν, αλλά δεν ξέρουμε ποιες είναι. Ένας τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι προσπαθούν να μετρήσουν τη σκοτεινή ύλη είναι να εισάγουν ένα σωματίδιο που λέγεται “σκαλικό πεδίο”».
Οι ερευνητές βασίστηκαν για την κατασκευή των τρισδιάστατων δοχείων στη θεωρία, ότι τα ελαφριά πεδία σκαλάρ, με δυναμικό διπλού πηγαδιού και άμεσες συνδέσεις ύλης, υφίστανται μεταβάσεις φάσης που οδηγούνται από την πυκνότητα, οδηγώντας στο σχηματισμό τοιχωμάτων περιοχής.
«Καθώς η πυκνότητα μειώνεται, σχηματίζονται ατέλειες – αυτό είναι παρόμοιο με το όταν το νερό παγώνει σε πάγο, τα μόρια του νερού είναι τυχαία και όταν παγώνουν αποκτάς μια κρυσταλλική δομή με μόρια που παρατάσσονται τυχαία, με κάποια να παρατάσσονται με έναν τρόπο και κάποια με άλλον και αυτό δημιουργεί γραμμές διακλάδωσης. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και στα πεδία σπινθηρισμών καθώς η πυκνότητα μειώνεται. Δεν μπορείτε να δείτε αυτές τις γραμμές ρήγματος με το μάτι, αλλά αν τα σωματίδια περάσουν από πάνω τους μπορεί να αλλάξει η τροχιά τους Αυτά τα ελαττώματα είναι σκοτεινά τοιχώματα και μπορούν να αποδείξουν τη θεωρία των σκαλικών πεδίων – είτε ότι αυτά τα πεδία υπάρχουν είτε όχι», προσθέτει ο Burrage.
Για την ανίχνευση αυτών των ελαττωμάτων ή σκοτεινών τοίχων η ομάδα δημιούργησε ένα ειδικά σχεδιασμένο κενό το οποίο θα χρησιμοποιήσει σε ένα νέο πείραμα που θα μιμηθεί τη μετακίνηση από ένα πυκνό περιβάλλον σε ένα λιγότερο πυκνό περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας τη νέα διάταξη θα ψύξουν άτομα λιθίου με φωτόνια λέιζερ στους -273 °C, δηλαδή κοντά στο απόλυτο μηδέν. Σε αυτή τη θερμοκρασία, αποκτούν κβαντικές ιδιότητες, γεγονός που καθιστά την ανάλυση πιο ακριβή και προβλέψιμη.
Η Lucia Hackermueller, αναπληρώτρια καθηγήτρια στη Σχολή Φυσικής, που ηγήθηκε του σχεδιασμού του εργαστηριακού πειράματος, αναφέρει: «Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα δοχεία που χρησιμοποιούμε ως θάλαμο κενού έχουν κατασκευαστεί με βάση θεωρητικούς υπολογισμούς των σκοτεινών τοιχωμάτων. Έτσι δημιουργήθηκε αυτό που πιστεύαμε ότι είναι το ιδανικό σχήμα, η δομή και η υφή για την παγίδευση της σκοτεινής ύλης. Για να αποδείξουμε με επιτυχία ότι τα σκοτεινά τοιχώματα έχουν παγιδευτεί, θα αφήσουμε ένα ψυχρό ατομικό νέφος να περάσει μέσα από αυτά τα τοιχώματα. Το νέφος στη συνέχεια εκτρέπεται. Για να ψύξουμε αυτά τα άτομα εκτοξεύουμε φωτόνια λέιζερ στα άτομα, τα οποία μειώνουν την ενέργεια στο άτομο – αυτό είναι σαν να επιβραδύνουμε έναν ελέφαντα χρησιμοποιώντας χιονόμπαλες».
Η ομάδα χρειάστηκε τρία χρόνια για να κατασκευάσει το σύστημα και αναμένει να έχει αποτελέσματα μέσα σε ένα χρόνο.
«Είτε αποδείξουμε ότι υπάρχουν σκοτεινά τοιχώματα είτε όχι, θα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης και ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς ένα καλά ελεγχόμενο εργαστηριακό πείραμα μπορεί να σχεδιαστεί για να μετρήσει άμεσα φαινόμενα που είναι σημαντικά για το σύμπαν και διαφορετικά δεν μπορούν να παρατηρηθούν», καταλήγει ο Hackermueller.
