رقص علمی: کشف علم با حرکات موزون!

توضیح مفاهیم علمی به زبان ساده

توضیح مفاهیم علمی به عموم مردم می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. در واقع، هر زیرشاخه‌ای از علم ممکن است برای یک دانشمند در زمینه‌ای متفاوت دشوار باشد. برای توضیح یک مفهوم نظری علمی به دانش‌آموزان دبیرستانی، نیاز به رویکردی کاملاً جدید داریم. این دقیقاً همان کاری است که محققان دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو انجام دادند. آن‌ها با برگزاری یک رقص با دانش‌آموزان دبیرستانی در دبیرستان اورنج گلن در اسکندیدو، سعی کردند مفهوم عایق‌های توپولوژیکی را توضیح دهند.

این آزمایش که به رهبری متیو دو، دانشجوی سابق و استاد شیمی و بیوشیمی دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، جوئل یوان-ژو انجام شد، در مجله Science Advances منتشر گردید. یوان-ژو در این باره گفت: “فکر می‌کنم مفهوم ساده است، اما ریاضیات آن بسیار دشوارتر است. ما می‌خواستیم نشان دهیم که این ایده‌های پیچیده در فیزیک و شیمی نظری و تجربی به اندازه‌ای که ممکن است در ابتدا فکر کنید، غیرقابل درک نیستند.”

عایق‌های توپولوژیکی و کاربردهای آن‌ها

عایق‌های توپولوژیکی نوعی ماده کوانتومی نسبتاً جدید هستند که دارای خواص عایق درون خود و خواص هادی در بیرون هستند. برای توضیح این مفهوم به زبان ساده، می‌توان گفت اگر عایق توپولوژیکی یک بوریتو باشد، داخل آن عایق و نان آن هادی خواهد بود. از آنجا که عایق‌های توپولوژیکی قادر به تحمل برخی اختلالات و تغییر شکل‌ها هستند، می‌توان آن‌ها را در شرایطی که نقص‌هایی ممکن است به وجود بیاید، سنتز و استفاده کرد. به همین دلیل، این مواد در زمینه‌های محاسبات کوانتومی، لیزرها و همچنین در ایجاد الکترونیک‌های کارآمدتر نویدبخش هستند.

رقص به عنوان ابزاری برای آموزش

برای زنده کردن این مواد کوانتومی، محققان یک زمین رقص (عایق توپولوژیکی) با ایجاد یک شبکه از نوارهای آبی و قرمز طراحی کردند. سپس برای ایجاد طراحی رقص، دو مجموعه قوانین را تعیین کردند که نحوه حرکت رقصندگان را مشخص می‌کرد. این قوانین بر اساس آنچه که به عنوان هامیلتیون در مکانیک کوانتومی شناخته می‌شود، بنا شده‌اند.

الکترون‌ها و قوانین هامیلتونی

الکترون‌ها تحت قوانین خاصی که توسط هامیلتونی تعیین می‌شود، عمل می‌کنند. هامیلتونی نمایانگر انرژی کل یک سیستم کوانتومی است که شامل انرژی جنبشی و پتانسیل می‌باشد. این هامیلتونی تعاملات الکترون را در انرژی پتانسیل ماده کدگذاری می‌کند.

رقص الکترون‌ها

هر رقصنده (الکترون) یک جفت پرچم داشت و شماره‌ای به او داده شده بود که به حرکتی خاص مربوط می‌شد:

• 1: پرچم‌ها را با دستانی که به سمت بالا اشاره می‌کنند، تکان بدهید.
• 0: بی‌حرکت بایستید.
• -1: پرچم‌ها را با دستانی که به سمت پایین اشاره می‌کنند، تکان بدهید.

حرکات بعدی بر اساس اقدام یک رقصنده همسایه و رنگ نوار روی زمین انجام می‌شد. یک رقصنده حرکات همسایه‌ای که نوار آبی داشت را تقلید می‌کرد، اما برعکس همسایه‌ای که نوار قرمز داشت عمل می‌کرد. اشتباهات فردی یا خروج رقصندگان از صحنه، رقص کلی را مختل نمی‌کرد و این نشان‌دهنده استحکام عایق‌های توپولوژیکی بود.

تحقیقات در آزمایشگاه یوان-ژو

علاوه بر توپولوژی، آزمایشگاه یوان-ژو همچنین به مطالعه فرآیندهای شیمیایی و فوتونیک می‌پردازد. در حین تفکر درباره امواج نوری، آنها متوجه شدند که حرکت یک گروه از افراد نیز شبیه به یک موج است. این ایده به یوان-ژو الهام بخشید تا از رقص برای توضیح یک موضوع پیچیده مانند عایق‌های توپولوژیکی استفاده کند.

اجرای این ایده به نظر چالشی سرگرم‌کننده برای دو، که در حال حاضر پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه شیکاگو است و در اوقات فراغت خود کلاس‌های سالسا می‌گیرد، می‌رسید. دو که از یک خانواده آموزشی می‌آید و به ترویج علمی متعهد است، می‌گوید این پروژه به او کمک کرد تا علم را به ساده‌ترین عناصرش تقلیل دهد. او بیان کرد: “ما می‌خواستیم این مفاهیم را به روشی غیرمتعارف و سرگرم‌کننده توضیح دهیم. امیدواریم دانش‌آموزان توانسته باشند ببینند که علم می‌تواند با ارتباط دادن به زندگی روزمره، قابل فهم و لذت‌بخش باشد.”

فهرست کامل نویسندگان

نویسندگان شامل متیو دو، خوان بی. پرز-سانچز، خورخه آ. کامپوس-گونزالس-آنگولو، آرغادیپ کُنر، فدریکو ملینی، سیندانا پانیر-سیواجوتی، یانگ روی پو، کای شوئینیکه، کونیانگ سان، استفان ون دن ویلندبرگ، الک بارون و جوئل یوان-ژو (همه از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو) و دیلن کارزن (مدرسه عالی اورنج گل) هستند. این تحقیق با حمایت یک گرنت CAREER از بنیاد ملی علوم (CHE 1654732) انجام شده است.