عبدالحفيظ العمري
02/09/2009, 09:11 PM
[
At the Limit of Time–Democritus’ Atom
The motion of atoms in molecules is fundamental to all dynamic changes of matter, whether the change is physical, chemical, or biological. But these atoms move with awesome rapidity and on ultrashort scales of time and length. On these scales, it is not clear that we can treat them as real, classical objects. Clearly, we must measure the passage of time for atoms on the time scale of the motion, and we must develop the concepts for understanding localization of atoms in space and time.
Can this be achieved at the limit of time for quantum atomic motions? If we do, we will then observe Democritus’ atom in motion and as a real object, making the transformation from the microscopic (wave function description) to the macroscopic (particle description) a reality in real time. At Caltech, we have been interested in this endeavor of developing ultrafast laser light to freeze the motion of atoms, to make a motion-picture film of molecules with a frame resolution of a femtosecond. A femtosecond is a millionth of a billionth of a second. In one second, light travels 300,000 km (186,000 miles), almost the distance from the Earth to the Moon; in one femtosecond, light travels 300 nanometers, the dimension of a bacterium, or a small fraction of the thickness of a human hair.
In principle, with femtosecond timing, the atom’s motion becomes visible, but how can we ad vance stop-motion photography to reach the scale of the atom? In the nineteenth century, the motion of animals was recorded for the first time using light shutters and flashes.
الترجمة
حد الزمن في ذرة ديمقريطس
إنّ حركةَ الذرّاتِ في الجزيئاتِ أساسيةُ إلى كُلّ التغييرات الديناميكة للمادةِ، سواء التغيير الفيزيائية او كيمياوية، أَو بيولوجية. لكن هذه الذرّاتِ تَتحرّكُ بسرعةِ رهيبةِ ومقاييسِ عالية القصر للزمن والمسافة. على هذه المقاييس هو لَيسَ واضحَ بأنّنا يُمْكِنُ أَنْ نتعامل معها كأجسام كلاسيكية حقيقية. بوضوح، نحن يَجِبُ أَنْ نقيس مرورَ الوقتِ للذرّاتِ على الفترة الزمنيةِ للحركةِ، ونحن يَجِبُ أَنْ نُطوّرَ مفاهيمَ معرفة تموضع الذرّاتِ في الفضاءِ والزمن.
هَلْ يُمْكِنُ انجَازَ ذلك في حدِّ الزمن للحركاتِ الذرّيةِ الكَمّيةِ؟ إذا َعمَلنا، نحن بعد ذلك سَنُلاحظُ ذرّة ديمقريطس في حركةِ كجسم حقيقي، متحولا مِنْ المجهريِ (وصف وظيفةِ موجةِ) إلى العيانيِ (وصف جزيئة) حقيقة في زمن حقيقي. نحن في كالتك إهتممنَا بهذا المسعى بتطوير اشعة ليزرِ عالية السرعة لتَجميد حركةِ الذرّات، لإنْتاج فيلم سينائي لحركة الجزيئاتِ بدقة إطارهاِ فيمتوثانية. الفيمتوثانية هي مليون من بليون من الثانية .في الثانية الواحدةِ يقطع الضوءَ 300,000 كيلومتراً (186,000 ميل)، تقريباً كالمسافة مِنْ الأرضِ إلى القمرِ؛ في فيمتوثانية واحدة يقطع الضوءِ 300نانومتر، طول بكتيريا، أَو كسر صغير مِنْ سُمكِ شَعَر بشري.
من حيث المبدأ، بتوقيت الفيمتو الثانيةِ، تُصبحُ حركةُ الذرّةَ مرئية، لكن كَيْفَ نحسن من لتصوير توقف الحركةِ الفوتوغرافي للوُصُول مِقياسِ الذرّةِ؟ في القرن التاسع عشرِ، حركة الحيواناتِ سُجّلتْ للمرة الأولى بإستعمال مصاريع كاميرا تضيئُ بالفلاشاتَ.
At the Limit of Time–Democritus’ Atom
The motion of atoms in molecules is fundamental to all dynamic changes of matter, whether the change is physical, chemical, or biological. But these atoms move with awesome rapidity and on ultrashort scales of time and length. On these scales, it is not clear that we can treat them as real, classical objects. Clearly, we must measure the passage of time for atoms on the time scale of the motion, and we must develop the concepts for understanding localization of atoms in space and time.
Can this be achieved at the limit of time for quantum atomic motions? If we do, we will then observe Democritus’ atom in motion and as a real object, making the transformation from the microscopic (wave function description) to the macroscopic (particle description) a reality in real time. At Caltech, we have been interested in this endeavor of developing ultrafast laser light to freeze the motion of atoms, to make a motion-picture film of molecules with a frame resolution of a femtosecond. A femtosecond is a millionth of a billionth of a second. In one second, light travels 300,000 km (186,000 miles), almost the distance from the Earth to the Moon; in one femtosecond, light travels 300 nanometers, the dimension of a bacterium, or a small fraction of the thickness of a human hair.
In principle, with femtosecond timing, the atom’s motion becomes visible, but how can we ad vance stop-motion photography to reach the scale of the atom? In the nineteenth century, the motion of animals was recorded for the first time using light shutters and flashes.
الترجمة
حد الزمن في ذرة ديمقريطس
إنّ حركةَ الذرّاتِ في الجزيئاتِ أساسيةُ إلى كُلّ التغييرات الديناميكة للمادةِ، سواء التغيير الفيزيائية او كيمياوية، أَو بيولوجية. لكن هذه الذرّاتِ تَتحرّكُ بسرعةِ رهيبةِ ومقاييسِ عالية القصر للزمن والمسافة. على هذه المقاييس هو لَيسَ واضحَ بأنّنا يُمْكِنُ أَنْ نتعامل معها كأجسام كلاسيكية حقيقية. بوضوح، نحن يَجِبُ أَنْ نقيس مرورَ الوقتِ للذرّاتِ على الفترة الزمنيةِ للحركةِ، ونحن يَجِبُ أَنْ نُطوّرَ مفاهيمَ معرفة تموضع الذرّاتِ في الفضاءِ والزمن.
هَلْ يُمْكِنُ انجَازَ ذلك في حدِّ الزمن للحركاتِ الذرّيةِ الكَمّيةِ؟ إذا َعمَلنا، نحن بعد ذلك سَنُلاحظُ ذرّة ديمقريطس في حركةِ كجسم حقيقي، متحولا مِنْ المجهريِ (وصف وظيفةِ موجةِ) إلى العيانيِ (وصف جزيئة) حقيقة في زمن حقيقي. نحن في كالتك إهتممنَا بهذا المسعى بتطوير اشعة ليزرِ عالية السرعة لتَجميد حركةِ الذرّات، لإنْتاج فيلم سينائي لحركة الجزيئاتِ بدقة إطارهاِ فيمتوثانية. الفيمتوثانية هي مليون من بليون من الثانية .في الثانية الواحدةِ يقطع الضوءَ 300,000 كيلومتراً (186,000 ميل)، تقريباً كالمسافة مِنْ الأرضِ إلى القمرِ؛ في فيمتوثانية واحدة يقطع الضوءِ 300نانومتر، طول بكتيريا، أَو كسر صغير مِنْ سُمكِ شَعَر بشري.
من حيث المبدأ، بتوقيت الفيمتو الثانيةِ، تُصبحُ حركةُ الذرّةَ مرئية، لكن كَيْفَ نحسن من لتصوير توقف الحركةِ الفوتوغرافي للوُصُول مِقياسِ الذرّةِ؟ في القرن التاسع عشرِ، حركة الحيواناتِ سُجّلتْ للمرة الأولى بإستعمال مصاريع كاميرا تضيئُ بالفلاشاتَ.