انديشه و طرز فكر انيشتين در بسياري از پژوهش‌هاي علمي مورد استفاده قرار گرفته‌ است. از شتاب دادن به ذره و نزديك رسانيدن سرعت آن به سرعت نور تا توانا ساختن ستاره‌شناسان براي طرح ريزي نقشه‌ي آسمان بالاي سر همه از فرضيات و معادلات انيشتين سرچشمه مي‌گيرند. با اين حال بر همه آنقدر روشن نيست كه اين فرضيات چه استفاده‌هايي در زندگي روزمره‌ و عادي عموم دارند. در اين مقاله به سه نمونه از كارهاي انيشتين و كاربرد عمومي آن‌ها مي‌پردازيم.
يكي از وسيله‌هايي كه عموم در كارهاي روزمره از آن استفاده مي‌كنند چشم برقي يا فتوسل است. چشم برقي گيرنده‌ي حساسي‌ است كه به محض دريافت نوري مخصوص، وسايل ماشيني يا برقي متصل به خود را به راه مي‌اندازد. ممكن است فكر كنيد كه تا به حال به يك چشم برقي برخورد نكرده‌ايد ولي اين‌طور نيست. به عنوان نمونه مي‌توان به يك دَر خودكار (اتوماتيك) مغازه اشاره كرد كه هنگام مواجه شدن و راه رفتن در جلوي آن، دَر خود به خود باز مي‌شود. انيشتين اولين دانشمندي بود كه توانست در مقاله‌ي علمي خود بر روي تاثير فتوالكتريك، اين پديده را به طور صحيح توضيح داده و پيش‌بيني كند. به طور خلاصه هنگامي كه اشعه‌اي از نور به فلز برخورد مي‌كند، آن فلز از خود برق توليد مي‌كند (كه اين برق باعث به كار افتادن وسيله‌ي متصل به آن مي‌شود). مهم‌تر از آن اين است كه مقدار برق فرستاده شده توسط فلز به فركانس نوري كه به فلز مي‌تابد بستگي دارد؛ (نه به مقدار نوري كه به آن مي‌تابد! سال 1905 ميلادي) اين مقاله بعدها باعث شد كه انيشتن جايزه‌ي نوبل فيزيك سال 1921 را از آن خود كند. در زندگي روزمره بسيار با چشم برقي برخورد مي‌كنيم بدون آن‌كه متوجه آن باشيم. به عنوان نمونه در تورنتو بسيار مشاهده كرده‌ايم كه چراغ‌هاي خيابان به طور خودكار هنگام غروب، درست هنگامي كه رنگ آسمان ارغواني مي‌شود، روشن مي‌شوند (رنگ بنفش و ارغواني در طيف بين از شدت شديدتري برخوردارند). از ديگر نمونه‌هاي كاربرد اين برهان مي‌توان به استفاده‌ي آن در باتري‌هاي خورشيدي در ساعت، ماشين‌حساب و حتي ماهواره‌ها اشاره كرد.
در سال 1917 ميلادي انيشتن تحقيقي را بر روي نظريه‌ي نور و تشعشع آغاز كرد. در پي آمد اين تحقيقات، انيشتين در مقاله‌ي علمي خود «در نظريه‌ي كوانتومي تشعشع» چگونگي تحريك شدن اتم‌ها و آزاد كردن آني نور از آن‌ها را شرح داد. به طور خلاصه، يك فوتون (ذره‌اي از نور) مي‌تواند الكترون‌هاي يك اتم را تحريك كند و اين باعث تشعشع ِفوتون ديگري از اتم مي‌شود. سپس اين دو فوتون الكترون‌هاي دو اتم ديگر را تحريك كرده و چهار فوتون را تشكيل مي‌دهند. به اين ترتيب از تابش يك فوتون به اتم‌هاي يك فلز، تعداد زيادي فوتون تشكيل مي‌شوند. با متمركز ساختن اين فوتون‌ها پرتويي به وجود مي‌آيد كه اين پرتو همان ليزر است. اگر چه تا سال 1954 ليزر ساخته نشد، ولي اختراع آن و ديگر وسايل ليزري دست آورد نظريه‌ي انيشتن بر روي نور و ماده بود. دليل اين كه چرا ليزر قبل از اين -بين سال‌هاي 1917 تا 1954- اختراع نشد هنوز مخفي است زيرا معادلات انيشتين ساختن ليزر را بسيار آسان كرده‌اند. ليزر بخش بسيار مهمي از DVD ' CD ' وسايل پزشكي، ابزار برش تجاري و فيبر نوري (Fiber Optic Communication) را تشكيل مي‌دهد.
شايد مهم‌ترين كاربرد روزمره‌‌ي نظريه‌ي انيشتين سيستم مكان‌يابي ِسراسري (Global Positioning System - GPS) باشد...

 GPS دستگاهي است كه از طريق ارتباط با يك ماهواره مي‌تواند مكان خودش را به طور دقيق تعيين كند. امروزه رايج است كه سيستم‌هاي GPS در ماشين به كار گذاشته شوند كه مي‌توانند مكان ماشين را به طور دقيق (در شعاع 15 متري ماشين) تعيين كنند. براي سنجش دقيق فاصله و مكان، لازم است كه هم‌زماني بسيار دقيقي ميان دستگاه GPS و ماهواره‌ي آن برقرار شود. برقراري چنين هم‌زماني بدون وجود فرضيه‌ي نسبيت انيشتن غير ممكن خواهد بود. چرا؟
فرضيه‌ي نسبيت انيشتين به طور خلاصه توضيح مي‌دهد كه ساعت (زمان‌سنج) در سرعت زياد كندتر از ساعت بر روي زمين حركت مي‌كند. به همين ترتيب ساعتي شناور در فضا بسيار دور از مركز زمين، كمتر در معرض نيروي جاذبه‌ي زمين قرار مي‌گيرد و در نتيجه سريع‌تر از ساعت در روي زمين حركت مي‌كند.
بفرض كه يك ماهواره‌ي GPS با سرعتي در حدود 14000 كيلومتر در ساعت حركت مي‌كند كه بر طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت دقيقا 7 ميكرو‌ثانيه در روز كندتر از ساعتي ساكن بر روي زمين حركت مي‌كند. ولي به اين دليل كه ماهواره‌ي GPS بيست‌هزار كيلومتر بالاتر از سطح كره‌ي زمين در حركت است طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت 45 ميكرو‌ثانيه در روز تندتر از ساعتي بر روي سطح كره‌‌ي زمين حركت مي‌كند. بنابراين ساعت ماهواره در مجموع 38 ميكرو‌ثانيه در روز سريع‌تر حركت مي‌كند. اين تفاوت شايد در ابتدا به هيچ عنوان مهم به نظر نرسد ولي همين تفاوت بسيار كوچك مي‌تواند باعث از بين رفتن دقت سيستم GPS بميزان 11 كيلومتر در روز برسد. به واسطه‌ي فرضيه‌ي نسبيت انيشتين اين هم زمان‌سازي مي‌تواند تصحيح شده و دقت لازم را به سيستم GPS بدهد.
با وجود اين‌كه بيشتر مردم تنها از بمب اتمي به عنوان نمونه‌ي كاربردي نظريه‌ي انيشتين ياد مي‌كنند، ولي نظريات و تئوري‌هاي بي‌شمار انيشتين زمينه‌ساز تعداد بي‌شماري از اختراعات شده‌اند كه زندگي روزمره را راحت و راحت‌تر سازند.
از ميان مجموعه مقاله هاى اينشتين مقاله اى كه او در سال 1905 عرضه كرد، اثر مهمى در پيشرفت علم داشته است. در آن مقاله پديده فوتوالكتريك را شرح مى دهد و با استفاده از نظريه كوانتوم پلانك نظريه فوتونى نور را بيان مى كند. بر طبق اين نظريه نور مانند انرژى هاى ديگر حالت كوانتومى دارد. كوانتوم نور را كه فوتون مى ناميم مقدار مشخص انرژى است كه اندازه آن، E، از رابطهhv = Eبه دست مى آيد كه v بسامد موج و h ثابت پلانك است.
بنابر اين نظريه هر چه بسامد نور بيشتر يا طول موج آن كمتر باشد، انرژى فوتون بيشتر است. چنانچه اين فوتون ها در مسير حركت خود به الكترون هايى برخورد كنند، جذب الكترون مى شوند و انرژى الكترون را بالا مى برند و در نتيجه الكترون مى تواند از ميدانى كه در آن قرار گرفته است، آزاد و خارج شود. اينشتين به مناسبت توضيح پديده فوتوالكتريك جايزه نوبل سال 1921 فيزيك را دريافت كرد. نظريه فوتونى او نه فقط نور بلكه سراسر طيف موج هاى الكترومغناطيسى از موج هاى گاما تا موج هاى بسيار بلند را دربرمى گيرد و توضيح مى دهد.
موضوع دومين مقاله اينشتين حركت براونى بود. در سال 1827 رابرت براون (1858- 1773) گياه شناس و پزشك انگليسى حركت مداوم معلق دو مايع را مشاهده كرد و متوجه شد كه اين ذره ها با قطرى حدود يك ميكرون پيوسته به اين سو و آن سو حركت مى كنند. اينشتين همين آزمايش را در مقاله اى با استفاده از نظريه جنبشى ذره ها تعبير و تفسير كرد و از روى آن عدد آوودگادرو را به دست آورد.
اينشتين نظريه نسبيت خاص را در مقاله سوم معرفى كرد. در اين مقاله بود كه مفاهيم اساسى طبيعت موجى فضا، حجم، زمان و حركت به طور كامل تغيير كرد. اينشتين ضمن مطالعه هاى خود توانست مسئله سرعت نور را كه از مدت ها پيش تعجب دانشمندان را برانگيخته بود، حل وفصل كند. او نظريه خود را براساس دو اصل زير قرار داد:
1- سرعت نور در جهان ثابت است
2- قانون هاى طبيعت براى ناظرين مختلف كه يكنواخت حركت مى كنند يكسان است.
اينشتين نشان داد كه اگر ثابت نبودن سرعت نور را بپذيريم، نتيجه هاى شگفت انگيزى به بار مى آيد. براى مثل هر چه سرعت حركت جسمى بيش تر شود، طول آن كوتاه تر و جرمش بيشتر مى شود. نتيجه ديگر آنكه به زمان مطلق و فضاى مطلق به شكلى كه پيشينيان تصور مى كردند نمى توان قائل شد و زمان و فضا را جدا و مستقل از يكديگر نمى توان در نظر گرفت. دنياى مادى يك فضا و زمان چهاربعدى است. جرم يك جسم نيز ثابت نيست و با تغيير سرعت تغيير مى كند به طورى كه مى توان جرم را نوعى انرژى متراكم در نظر گرفت و يا انرژى را جرم پراكنده دانست. اينشتين با بيان نظريه نسبيت خاص، قانون بقاى ماده لاوازيه و اصل بقاى انرژى ماير را به اصل بقاى مجموع ماده و انرژى درآورد و رابطه معروف جرم و انرژى را به دست آورد. اينشتين در سال 1916 نظريه نسبيت عام را تنظيم و اعلام كرد. در اين نظريه نه تنها حركت با سرعت ثابت و مسير مستقيم، بلكه هر نوع حركتى در نظر گرفته شده بود. در بسيارى موارد دليل آنكه سرعت و مسير حركت هر متحركى تغيير مى كند، وجود نيروى جاذبه است. بنابراين در نظريه نسبيت عام بايد نيروى جاذبه در نظر گرفته شود. اينشتين يك رشته معادله تنظيم كرد كه نشان مى داد اگر در هيچ جا ماند و نيروى جاذبه وجود نداشته باشد، جسم متحرك مسير مستقيمى را طى مى كند و اگر ماده وجود داشته باشد فضاى پيرامون جسم متحرك دگرگون شده، جسم مسير منحنى را طى مى كند. نظريه نسبيت عام نشان مى دهد كه اين منحنى ها چگونه بايد باشند و اين به طور كامل با آن چه در نظريه جاذبه نيوتن پيش بينى شده بود، تطبيق نمى كرد. براى مثال بر طبق نظريه اينشتين مسير نور تحت تاثير ميدان جاذبه قوى تغيير مى كند. در صورتى كه از قانون هاى نيوتن چنين نتيجه اى به دست نمى آمد. كسوف سال 1919 نظريه اينشتين را ثابت كرد. در سال 1969 دو سفينه پژوهشى كه به سمت مريخ فرستاده شدند، اثر خورشيد بر مسير موج هاى راديويى را مورد مطالعه و مشاهده قرار دادند.
سال 1905 در مجله آنالن فيزيك، 5 مقاله از او درج شد. مقاله اى تحت عنوان «سنجش ابعاد مولكول از يك راه نو» كه در دانشگاه را براى اين كارمند ناشناس گشود.
مقاله اى تحت عنوان «درباره نظريه مربوط به توليد و تبديل نور» كه بعدها نام «فتوالكتريك» گرفت براى او جايزه نوبل را به ارمغان آورد. اين كشف او بر اعتبار فيزيك كوانتوم افزود و به كارهاى طيف نگارى كمك كرد. سومين مقاله مربوط به «حركت كوچكترين ذره شناور در يك مايع» است كه زمانى موضوع تحقيقات رابرت براون گياه شناس معروف انگليسى بود. چهارمين مقاله «الكتروديناميك اجسام متحرك» بود. اين مقاله عجيب و غريبى بود! چرا كه هيچ زيرنويس و منبع و ماخذى نداشت و نويسنده به هيچ دانشمند قبلى استناد نكرده است. اين مقاله در نمايش خطوط كلى نظريه نسبيت نوشته شده بود.
و مقاله پنجم «آيا سختى يك جسم به انرژى محتوى آن بستگى دارد؟» كه يك جورهايى به قصد بيان نظريه نسبيت از وجود نيرويى شگرف و بى سابقه خبر داد.
من به شانس اعتقاد ندارم
اينشتين مدت ها در برابر غرابت و بيگانگى قوانين كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمى بودند مقاومت كرد. نقش تعيين كننده و مهمى كه اين قوانين به شانس و عدم قطعيت مى دادند با غريزه هاى او جور در نمى آمد. اما برخلاف مشكلاتى كه با پيامدهاى فلسفى فيزيك كوانتومى داشت، در نهايت نقش مهمى در پيشرفت اين شاخه بازى كرد. مثلاً در 1925 مقاله اى از ساتيندرانات بوز فيزيكدان هندى درباره آمار فوتونى خواند و فهميد كه اگر اتم ها را بتوان زمانى تا نزديكى هاى صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چيز عجيب و غريبى اتفاق مى افتد
سال ،1905 اينشتين 26 ساله بود و تلاش مى كرد تا پايان نامه دكترايش درباره اندازه مولكول ها را تمام كند. علاوه بر اين براى درآوردن خرج زندگى، كارمند اداره ثبت اختراعات سوئيس هم بود و نوآورى هاى بقيه را ارزيابى مى كرد. شايد فكر كنيد اين كار روزانه، وادارش مى كرده تا به كاربردهاى عملى تئورى هايى كه در اوقات فراغتش به آنها مى پرداخت، فكر كند. اما احتمالاً وقتى داشت 5 تا از مهمترين مقاله هاى زندگى علمى اش را منتشر مى كرد به خيالش نمى رسيد كه ايده هاى جديد او درباره ماده، انرژى و زمان در نهايت بتواند به ابداع ابزارهاى جديدى براى پيشرفت صنعت و سلامت بشر بينجامد. اينشتين، نه از مهندسى بدش مى آمد، نه آن را دون شأن خودش مى دانست ولى خال درشتش، مهندسى نبود. اختراعات شخصى او _ از جمله يخچالى كه هيچ بخش مكانيكى متحركى نداشت و يك پمپ بى نشت _ هيچ وقت به توليد انبوه نرسيدند. مهم هم نيست چون در سال هاى قرن بيستم، ديگران براساس ايده هاى راديكال او _ مثلاً اين كه نور، بسته بسته مى آيد و اين بسته ها يك حد جهانى سرعت را به رسميت مى شناسند و انرژى و ماده را مى شود به E=MC2 به هم تبديل كرد _ گستره وسيع و قابل توجهى از فناورى ها را وارد زندگى بشر كردند. حالا در قرن 21 مهندسين كمر به استفاده از اين اصول و قضاياى معروف در راه هاى تازه اى بسته اند كه شايد مهم ترينش طراحى انواع جديدى از رايانه ها باشد. علاوه بر اين آنها به دنبال پيدا كردن كاربردهاى عملى براى بعضى از نظريه هاى كمتر شناخته شده اينشتين هم هستند. مثلاً نانوتكنولوژيست ها دارند ابزارهايى مى سازند كه مى تواند با بهره گيرى از حركت تصادفى مولكول ها _ چيزى كه اولين بار اينشتين در 1905 به درستى توضيحش داد _ فرآيند تحليل و جداسازى DNA را سريع تر كند. آزمايشگاه هاى سرتاسر دنيا هم در حال توليد شكل عجيب و غريبى از ماده اى اند كه اينشتين در يكى از آزمايش هاى ذهنى اش به سال 1925 وجودشان را پيش بينى كرده بود. از اين گله هاى همدوس اتم هاى فوق سرد _ كه همتاى مادى پرتوهاى ليزر به حساب مى آيند مى توان در ساخت ساعت هاى اتمى قابل حمل، ژيروسكوپ هاى بسيار دقيق ناوبرى و حسگرهاى گرانشى كه به كار كشف رگه هاى معدنى و ميدان هاى نفتى مى آيند، استفاده كرد. در اين مقاله، به توضيح 3 مورد از جديدترين و هيجان انگيزترين كاربردهايى كه از تئورى هاى اينشتين و البته آزمايشگاه هاى تحقيقاتى بيرون آمده اند، مى پردازيم. البته مسلم است كه با اين روند بايد چشم به راه ابداعات و نوآورى هاى بيشترى از اين نوع در سال ها و دهه هاى آينده بود. هر چند نزديك به يك قرن از زمانى كه اين فيزيكدان بزرگ شروع به ارائه ابزارهاى رياضى بهترى براى توصيف جهان كرد مى گذرد، اما به نظر مى رسد فهرست وسايل مفيد و با ارزشى كه مخترعان با هوش مى توانند از اين تئورى ها بيرون بياورند، پايانى ندارد.
نسبيت براى اسپين ها
تنها رايانه اى كه اينشتين براى ارائه نظريه نسبيت خاصش در 1905 از آن استفاده كرد، همانى بود كه داخل جمجمه اش داشت. از خيلى جهات آن ماشين بيوشيميايى به مراتب تواناتر از هر رايانه الكترونيكى بود و مطمئناً هنوز هيچ ريزپردازنده نيمه رسانايى ساخته نشده كه بتواند با چگالى و بازده انرژى مغز انسان برابرى يا رقابت كند. همان اندامى كه تقريباً يك ميليون ميليارد المان پردازشى را در بافتى يك كيلوگرمى جا داده و توان مصرفى و گرماى توليدى اش از يك پردازنده پنتيوم چهار كمتر است. توليد گرما و مصرف انرژى، امروزه جدى ترين موانع صنعت نيمه رسانا در راه ساختن ريزتراشه هاى قدرتمندتر و با قيمت ثابت به حساب مى آيند. در 20 سال آينده پيشرفت پردازنده هاى ديجيتال سيليكونى به مرزهاى بنيادى فيزيك و اقتصاد خواهد رسيد و آن موقع، تراشه سازها مجبور مى شوند به طرح هايى روى بياورند كه از اصول و قضاياى فيزيكى متفاوتى- مثل نسبيت خاص- براى كار بهره بگيرند. شايد اين، تركيب غريبى به نظر بيايد. نسبت خاص درباره حركت در سرعت هاى بالا است كه در آن اينشتين براى اولين بار، برداشت هاى مطلق از مفاهيم زمان و ايستايى را كنار گذاشت. تنها چيزى كه مطلق باقى ماند C بود يعنى سرعتى كه نور، فضاى تهى را با آن مى پيمايد. اين نظريه، پيامدهاى عجيب و غريبى براى هر جسم سريع (نسبت به ناظر) دارد. مثلاً طول جسم كوتاه مى شود، گذشت زمان را با آهنگ كندترى در مقايسه با ناظر، احساس مى كند و اگر در يك ميدان الكتريكى ايستا در حال حركت باشد، ميدان را كمى مغناطيسى مى بيند. البته اين اثرات نسبيتى، معمولاً خيلى جزيى و كوچك هستند. مگر اين كه سرعت جسم به كسر قابل توجهى از سرعت نور- كه حدود 300 ميليون متر بر ثانيه است- برسد.با اين معيار، حتى لپ تاپ ها و رايانه هاى جيبى هم خيلى سريع حركت نمى كنند ولى وضعيت براى الكترون هاى داخلشان متفاوت است. اوايل سال گذشته گروهى از فيزيكدانان دانشگاه سانتا باربارا در كاليفرنيا به رهبرى ديويد آوشالوم، روش جديدى ابداع كردند كه در آن مى توان به كمك نسبيت، الكترون هاى سريع داخل نيمه رساناها را وا داشت تا كارهاى جديد و خارق العاده اى بكنند.كار، هنوز در مراحل ابتدايى است. چيزى در مايه هاى ساخت اولين گيت منطقى نيمه رسانا در 40 سال پيش. ولى اگر مهندسان بتوانند روشى براى كنار هم چيدن ميليون ها گيت نسبيتى روى يك تراشه سيليكونى كوچك پيدا كنند- چيزى كه آوشالوم به همراه گروه هاى تحقيقاتى انيتل و هيولت پاكارد روى آن كار مى كند- نتيجه اش مى تواند پردازنده هايى خيلى سريع تر از مدل هاى كنونى باشد كه توان بسيار كمترى نياز دارند و گرماى به مراتب كمترى هم آزاد مى كنند. جالب تر از اين، تراشه هاى نسبيتى مى توانند منطقى را به خدمت بگيرند كه خيلى پيچيده تر از عمليات دودويى مورد استفاده در رايانه هاى امروزى است. اين قطعات جديد، حتى قادرند الگوى اتصالات داخليشان را بهينه سازى كنند و تقريباً در لحظه، به مدارى كه براى كار موجود طراحى شده، تبديل شوند. موبايلى را تصور كنيد كه مى تواند آرايش مدار فرستنده گيرنده اش را براى استفاده از هر شبكه مخابراتى در دنيا تغيير بدهد و با فشار يك دكمه، پردازنده اش را براى ترجمه كلام از يك زبان به زبان ديگر از نو برنامه ريزى كند. تراشه هايى مانند اين را به احتمال زياد مى شود در كارخانه هاى ريزپردازنده كنونى ساخت. محتواى جادويى، يك ماده جديد نيست، بلكه فيزيك مدرن است. يعنى رفتارهايى كه با نظريه هاى نسبيت و مكانيك كوانتومى توصيف مى شود.
 
جاذبه مغناطيسى
ريزتراشه هاى نيمه رساناى رايج، براساس نظريه هاى كلاسيك الكترومغناطيس _ كه به قرن 19 برمى گردد _ عمل مى كنند. به طور خلاصه، يون هاى سريع به ورقه هاى سيليكونى مى خورند و جزيره هاى كوچكى كه مازاد يا كمبود الكترون دارند به وجود مى آورند. ولتاژهايى كه با الكترودهاى ميكروسكوپى واقع در اطراف اين جزاير به آنها اعمال مى شود، الكترون ها را به طرفشان هل مى دهد يا از آنها بيرون مى راند. به اين ترتيب، گيت هاى منطقى بازوبسته و جريان الكتريكى گذرنده از آنها، تنظيم مى شود. مسئله همين جا است، پرت كردن و هل دادن تعداد زيادى الكترون به اطراف، دقت چندانى ندارد (بعضى از آنها در جهت هاى تصادفى به اطراف پرتاب مى شوند و انرژى را هدر مى دهند) و تعداد زيادى برخورد گرمازا به وجود مى آورد. حالا بيشتر از يك دهه است كه فيزيكدان ها روى روش هوشمندانه ترى كار مى كنند: استفاده از نيروهاى مغناطيسى به جاى ميدان هاى الكتريكى براى كنترل الكترون ها. مايكل فلاتى فيزيكدان دانشگاه آيوا مى گويد اين روش عملى است: «چون الكترون ها طورى رفتار مى كنند كه انگار يك آهن رباى ميله اى كوچك، با خودشان دارند.» آهن ربا، قطب شمال و جنوب دارد، همان طور كه زمين دور محور گذرنده از قطب هايش مى چرخد، الكترون هم داراى يك جهت گيرى مغناطيسى است، يك ويژگى كوانتومى كه فيزيكدان ها اسم «اسپين» را رويش گذاشته اند. البته ذرات بنيادى، مثل الكترون، واقعاً نمى چرخند اما مثل ژيروسكوپ هاى كوچك رفتار مى كنند. اگر به يك الكترون، ميدان مغناطيسى وارد كنيد، قطب هايش شروع به حركت تقديمى مى كنند (يعنى خودمحورى روى يك دايره مى چرخد) و اگر ميدان را برداريد، اسپين الكترون دوباره ايستا باقى مى ماند («اسپين الكترون» را ببينيد). فلاتى مى گويد: «با استفاده از اين اثر، مى توان جهت اسپين را از بالاسو به پايين سو چرخاند و ارزش بيت اطلاعاتى آن الكترون را از يك به صفر تغيير داد.» در حالى كه در الكترونيك، اطلاعات با تغيير تعداد و انرژى الكترون ها در مدار جابه جا مى شود، دانش نوپاى «اسپين ترونيك» اطلاعات را در جهت گيرى الكترون ها مخفى مى كند و عمليات منطقى را به جاى جابه جا كردن الكترون با چرخاندن اسپين آن به اين سو و آن سو انجام مى دهد. سال گذشته، شركت موتورولا توليد انبوه تراشه هاى حافظه اسپين ترونيك را با نام MRAM (رم مغناطيسى) آغاز كرد. برخلاف حافظه هاى رايانه اى رايج، تراشه هاى MRAM با قطع و وصل برق، اطلاعاتشان را از دست نمى دهند، چون اسپين الكترون به سادگى جهتش را تا برگشتن جريان، حفظ مى كند. دستگاه هاى اسپين ترونيك با باترى ها هم سازگارترند چون چرخاندن اسپين ها، توان خيلى كمى مصرف مى كند و به خاطر ويژگى حفظ اسپين، مى شود تراشه را در فاصله بين چند عمليات، خاموش كرد. تغيير اسپين الكترون، انرژى جنبشى ذره را افزايش نمى دهد و بنابراين مدار، تقريباً هيچ گرمايى توليد نمى كند. فرآيند هم فوق العاده سريع است: وسايل آزمايشى ساخته شده، توانسته اند اسپين الكترون ها را در عرض چند پيكو ثانيه (12-10 ثانيه) سروته كنند! البته تا همين چند وقت پيش همه وسايل اسپين ترونيك به فلزات فرومغناطيس پيش احتياج داشتند كه خيلى با تكنيك هاى جارى توليد ريزتراشه ها همخوانى ندارد. آوشالوم مى گويد: «تصور اينكه چطور مى شود آهن رباهاى كوچكى در ميليون ها نقطه يك تراشه ساخت و هر كدام را جداگانه كنترل كرد، كار سختى است. غيرممكن نيست اما مشكل است. خيلى بهتر خواهد بود اگر بتوانيم از ميلياردها دلار ثروت سرمايه گذارى شده در فناورى موجود گيت سازى الكترونيك، استفاده كنيم و به جاى ميدان مغناطيسى، ميدان هاى الكتريكى را براى بازى با اسپين ها به كار بگيريم.»
از بيت ها تا فيت ها
اينجاست كه پاى اينشتين و تئورى هوشمندانه اش _ اينكه الكترون سريع، يك ميدان الكتريكى را تا حدى مغناطيسى مى بيند _ وسط مى آيد. در تحقيقاتى كه نتايجش ژانويه سال گذشته منتشر شد، گروه آوشالوم نشان داد كه روى هم نشاندن دو نيمه رساناى اندكى متفاوت در تركيبات، تراشه را طورى تحت تاثير قرار مى دهد كه يك ميدان الكترونيكى درونى، در آن ايجاد مى شود. اين ميدان، مناطق قوى و ضعيفى دارد كه مثل حصار عمل مى كنند و الكترون هاى در حال گذر از نيمه رسانا را به دام مى اندازند. به خاطر نسبيت، ميدان الكتريكى از ديد الكترون هاى در حال عبور، كمى مغناطيسى به نظر مى آيد و بنابراين اسپين الكترون ها درست مثل يك ژيروسكوپ، شروع به چرخيدن مى كند. در مقاله ماه ژانويه، همين گروه توضيح داده بود كه چطور مى شود از پالس هاى نور ليزر، علاوه بر اندازه گيرى اسپين الكترون هاى ورودى براى هم خط كردن جهت گيرى آنها هم استفاده كرد و به اين ترتيب، بيت هاى اسپين ترونيكى را به وجود آورد. اين طور كه آوشالوم مى گويد: «قدم بعدى، ساختن اين بيت ها، جابه جا كردن، رديابى و تشخيصشان در يك وسيله الكتريكى است. گام اساسى و مهمى است اما حالا آن را برداشته ايم. اين وسيله از همان ولتاژهاى كوچكى كه الان در تراشه هاى رايانه اى به كار مى رود، استفاده مى كند. وقتى الكترون ها به بخش تحت تنش نيمه رسانا (همان جا كه ميدان الكتريكى شكل مى گيرد) برخورد مى كنند اسپين شان آناً قطبيده مى شود. از اين به بعد ما مى توانيم با روشن و خاموش كردن الكترودهاى گيت، جهت اسپين الكترون ها را به صورت همدوس عوض كنيم. اينجا «همدوس» كلمه كليدى است چون همين مفهوم است كه قابليت هاى شگفت آور تراشه هاى اسپين ترونيك را زياد مى كند و آنها را از بيت ها (رقم هاى دودويى صفر و يك)، به فيت ها _ يعنى رقم هاى فازى كه مى توانند طيف گسترده ترى از مقادير را اختيار كنند _ مى رساند. به زبان ساده، فاز يك الكترون همان جهت اسپين آن است كه مى توان مثل سوزن يك قطب نما تصورش كرد: اگر يك ريزتراشه بتواند الكترون هاى با اسپين رو به شمال، جنوب، شرق و غرب را از هم تشخيص بدهد، آن وقت به هر فيت مى توان يكى از اعداد صفر، يك، 2 يا 3 را بسته به جهت اسپين متناظرش نسبت داد. باز هم از آوشالوم بشنويد: «هرچه فاز اسپين را با دقت بيشترى بتوانيد تعيين كنيد، چگالى ذخيره اطلاعات بالاتر مى رود. به عبارت ديگر، اينكه اين چگالى 50 برابر شود يا 10000 برابر، بستگى به آن دارد كه زاويه اسپين را با چه دقتى بتوانيد بخوانيد. خوشبختانه با استفاده از نتايج چندين دهه كار بر روى تكنيك تصويربردارى با تشديد مغناطيسى (MRI) - كه اسپين هسته اتم ها را رديابى مى كند- مى دانيم كه چطور اين زاويه را خيلى دقيق اندازه بگيريم.با اين وجود فلاتى خاطرنشان مى كند: «هنوز يك ترانزيستور اسپينى كامل كه كار بكند، ساخته نشده است. فايده ترانزيستورها در مدار اين است كه سيگنال ها را تقويت مى كنند و به اين ترتيب به آنها اجازه مى دهند بدون افت از گيت هاى پرتعداد يك ريزپردازنده عبور كنند. هر چند انواع اسپين ترونيك آنها هنوز وجود خارجى ندارد. اما مطمئناً به زودى سروكله شان پيدا خواهد شد و محققان از همين حالا مشتاقانه براى كارهايى كه مى شود با آنها كرد، نقشه مى كشند.سال گذشته اينولدكخ و همكارانش در موسسه الكترونيك حالت جامد در برلين طرحى از يك المان منطقى اسپين ترونيك منتشر كردند كه قادر است تحت كنترل نرم افزار فعاليتش را تغيير بدهد. يعنى مثلاً در يك زمان نقش گيت AND بومى را بازى كند و چند نانوثانيه بعد به يك گيت OR يا NOR يا NAND تبديل شود. رايانه هايى كه در حال فعاليت خودشان را دوباره مداربندى مى كنند و اتصالات داخلى شان را تغيير مى دهند، به واقع مى توانند بسيار قدرتمند ظاهر شوند. كخ اخيراً توانست يك جمع كننده كامل _ رايج ترين نوع از اجزاى منطقى رايانه ها _ را فقط با استفاده از 4 المان منطقى اسپينى به جاى 16 ترانزيستور الكترونيكى كه معمولاً براى اين كار لازم است، طراحى كند. توان مصرفى و فضاى اشغال شده به وسيله اين نمونه اسپين ترونيكى به ترتيب 85 و 75 درصد كمتر از معادل الكترونيكى اش خواهد بود و با همان سرعت طرح هاى سيليكونى فعلى كار خواهد كرد. مهندسان هنوز راه زيادى تا استفاده از نسبيت به عنوان ابزارى براى طراحى مدارهاى اسپين ترونيكى پيش رو دارند. اما وقتى راه موجود هر روز با موانع جديد، بسته تر و صعب العبورتر مى شود، فناورى هاى اينشتينى مى تواند مسير كاملاً تازه اى براى صنعت رايانه باز كند.
يك ولگردى سودمند
اينشتين بيشتر از همه به خاطر نظرياتش درباره چيزهاى بزرگ معروف است: سرعت نور، سرنوشت جهان و چيستى زمان. ولى در 1905 مولكول هاى كوچك هم توجه اش را جلب كردند. همان سال در پايان نامه دكترايش تخمين هاى قبلى درباره اندازه اين ذرات را بهتر كرد و در مقاله ديگرى قوانين رياضى حاكم بر حركت براونى را به دست آورد. حركت براونى همان پديده ميكروسكوپى است كه از زمان كشفش در 1827 به وسيله رابرت براون دانشمندان را در توصيفش گيج كرده بود. براون گياه شناس متوجه شده بود كه ذرات ريزى مثل دانه هاى گرده گياهان به صورت درهم و برهم و آشوبناكى حركت مى كنند. (ستون «حركت مولكول ها» را ببينيد) آسان ترين توضيح آن بود كه اين ذرات زنده اند ولى براون نشان داد كه حتى ذرات پودر سنگ هم در آب همين حركات را از خودشان نشان مى دهند. تا آغاز قرن بيستم بعضى از نظريه پردازان فكر مى كردند كه نيروهاى الكتريكى ذرات را اين طرف و آن طرف مى راند. در حالى كه سايرين از ايده هايى مثل تبخير، همرفت، تاثير نور و چيزهاى ديگر طرفدارى مى كردند. اينشتين مى گفت ذره معلق در مايع به خاطر آنكه مولكول هاى مايع از همه سو با آن برخورد مى كنند، اين سو و آن سو مى رود. در واقع معنى حرفش آن بود كه اين پديده يك سند محكم براى نظريه بحث برانگيزى است كه گرما را همان حركت تصادفى مولكول ها مى داند. اينشتين در مقاله اش بعضى از رابطه هاى بنيادى رياضى حاكم بر حركت براونى را هم به دست آورده بود. بعداً معلوم شد كه آن شاخه از رياضيات اتفاقاً در تحليل بازارهاى بورس پيش بينى اينكه مواد چطور در مايعات يا گازها پخش مى شوند و طراحى صافى هاى براونى سفيد واقع مى شود. مورد اخير _ يعنى صافى هاى براونى _ با استفاده از اين واقعيت ساده كه در حركت براونى ذرات ريز بيشتر از ذرات درشت، جابه جا مى شوند، مى توانند جنب وجوش هاى تصادفى ذرات را به كار مفيد تبديل كنند. كارى مثل طبقه بندى ويروس ها براساس اندازه يا حذف آلاينده هاى آب. دو سال پيش مهندسان موفق شدند دو نمونه از چنين وسايلى را با استفاده از تكنيك هايى شبيه آنها كه در ساخت ريزتراشه ها به كار مى رود، بسازند. اول جيمز سى آشتورم و همكارانش در دانشگاه پرينستون يك صافى براونى ساختند. آنها كانالى درون يك ورقه سيليكونى ايجاد كردند كه داخلش در فاصله هاى مساوى، ستون هايى به عرض 6 و ارتفاع 3 ميكرون داشت. ستون ها با ديواره كانال زاويه 45 درجه مى سازند و طورى قرار گرفته اند كه وقتى مايع از درون كانال عبور مى كند، ذرات معلق در آن با برخورد به ستون ها به سمت راست منحرف مى شوند. هر چه ذره كوچكتر باشد، بيشتر ورجه و ورجه مى كند و بنابراين مسير كلى اش مرتباً بيشتر و بيشتر به راست منحرف مى شود. در آزمايش هايى كه نتايجش دسامبر دو سال پيش منتشر شد، اشتورم مخلوطى از آب و DNA دو نوع ويروس مختلف را از درون كانال گذراند و مشاهده كرد كه همين ساختار ساده قادر است دو نوع DNA را با دقت خيلى خوبى از هم جدا كند. با استفاده از اين فناورى اينشتين مى توان زمان لازم براى جدا كردن نمونه هاى بزرگ DNA را تا دوسوم كاهش داد.
روشى كه احتمالاً ارزان تر و جمع و جورتر از وسايل موجود است. سوون ماتياس و فرانك مولر هم نوع متفاوتى از صافى هاى براونى را در موسسه فيزيك ماكس پلانك در واينبرگ آلمان ساخته اند كه بيشتر به يك اسفنج شبيه است. هزاران كانال موازى، ورقه نازكى از سيليكون را سوراخ سوراخ كرده اند و هر كدام با الگويى مشابه گردن يك بطرى، پهن و باريك مى شوند. ماتياس و مولر صافى شان را وسط ظرفى با دهانه هم اندازه كه پر از آب و دانه هاى پلاستيكى ميكروسكوپى بود، محكم كردند. كف ظرف مرتباً بالا و پايين مى رفت و با موج هايش آب را در كانال ها جلو و عقب مى راند. وقتى دانه هاى پلاستيكى به طرف داخل كانال ها جريان پيدا مى كردند، حركت براونى شان در قسمت گردن مانند كانال آنها را به ديواره كانال فشار مى داد و مانع بيرون رفتن مجددشان همزمان با تغيير جهت جريان مى شد. به تدريج تقريباً همه دانه ها در كانال هاى صافى به طرف قسمت بالايى ظرف حركت مى كردند و در پايين آبى تميز باقى مى گذاشتند. از آنجا كه اين صافى را مى توان در اندازه هاى بزرگ ساخت، اين روش راه تازه اى براى جدا كردن آلاينده هاى جامد، مثل دوده ويروس ها يا اجزاى سلولى، از يك جريان پيوسته آب جلوى روى مهندسان باز مى كند.
پيش گويى با چكه هاى اتمى
اينشتين مدت ها در برابر غرابت و بيگانگى قوانين كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمى بودند مقاومت كرد. نقش تعيين كننده و مهمى كه اين قوانين به شانس و عدم قطعيت مى دادند با غريزه هاى او جور در نمى آمد. اما برخلاف مشكلاتى كه با پيامدهاى فلسفى فيزيك كوانتومى داشت، در نهايت نقش مهمى در پيشرفت اين شاخه بازى كرد. مثلاً در 1925 مقاله اى از ساتيندرانات بوز فيزيكدان هندى درباره آمار فوتونى خواند و فهميد كه اگر اتم ها را بتوان زمانى تا نزديكى هاى صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چيز عجيب و غريبى اتفاق مى افتد. اثرات كوانتومى اتم ها را مجبور مى كند تا موقتاً به صورت نوعى ابراتم متراكم شوند. به عبارت ديگر گروه اتم ها، همان گونه آرايش پيدا مى كند كه فوتون هاى يك باريكه ليزر.ليزرها، ابزارهاى سودمندى از كار درآمده اند و دلايل خوبى هست كه «ليزرهاى اتمى» هم به همين اندازه كارا خواهند بود. اما ماده چگاليده بوز- اينشتين (اسمى كه به اين چكه هاى فوق سرد اتمى اطلاق مى شود) بيشتر از 70 سال به صورت يك پيش بينى هوشمندانه باقى ماندند. در ژوئن 1995 اريك كرنل و كارل ويمن از موسسه JILA در بولدر، بالاخره توانستند كارى كنند كه 2000 اتم روبيديوم _ همان طور كه اينشتين پيش بينى كرده بود- كنار هم بنشينند. 60 سال بعد، اين دو به همراه ولفگانگ كترل از MIT براى كارشان نوبل گرفتند.حالا كرنل و دانش جويانش در JILA آخرين قدم ها را براى كامل كردن تراشه اى برمى دارند كه مى تواند اين مواد چگال را روى سطحش هدايت كند. تراشه كرنل، چكه هاى اتمى را به روشى مى شكافند و دوباره تركيب مى كنند كه با استفاده از آن مى توان شتاب و چرخش را حتى با حساسيت بيشترى نسبت به فناورى هاى مبتنى بر ليزر، ثبت و اندازه گيرى كرد. چيزى كه خودشان اسم تداخل سنج اتمى را رويش گذاشته اند. به قول كرنل «مى توانيد يكى از اينها را در شكم هواپيما بگذاريد و با آن تغييرات كوچك در شدت و جهت گرانش را اندازه بگيريد. اين افت و خيزهاى ريز شتاب گرانش، نشان دهنده چيزهايى است كه چون در عمق زياد زمين يا آب قرار دارند نمى توانيد آنها را ببينيد. چيزهايى مثل ميدان هاى نفتى، رگه هاى معدنى، غارها و حتى تونل ها و صخره هاى زيرزمينى» اين طور كه كرنل ادامه مى دهد: «تداخل سنج هاى اتمى قادرند دقت بهترين حسگر چرخشى حاضر، يعنى ژيروسكوپ هاى مكانيكى را هم 100 تا 1000 بار بهتر كنند. يك ژيروسكوپ خوب بيشتر از هر چيزى به درد تعيين موقعيت مى خورد. البته با وجود شبكه ماهواره اى GPS تعيين موقعيت جهانى) اين مسئله حل شده به نظر مى رسد. ولى اگر قرار باشد شما مدت زيادى توى يك قوطى تيتانيومى زير آب بمانيد و هيچ صدايى هم از خودتان درنياوريد يك ژيروسكوپ خوب به كارتان مى آيد. موقعيتى كه اتفاقاً نيروى دريايى زياد با آن سر و كار دارد. «اشاره كرنل به كاربردهاى نظامى قضيه است. جاهايى كه سينگال هاى GPS به طريقى بلوكه و متوقف مى شوند. اما نياز به سيستم هاى ناوبرى دقيق، همچنان وجود دارد. همان طور كه از اسمش برمى آيد يك تداخل سنج اتمى، همانند مشابه نورى اش دو گروه اتم همدوس را روى هم مى اندازد و الگوى تدافعى حاصل را بررسى مى كند، مثل همه چيزهاى كوانتومى، ماده چگاليده بوز _ اينشتين هم رفتار دوگانه موجى _ ذره اى از خودش نشان مى دهد. وقتى يك مجموعه تراكم و همدوس اتمى دو تكه مى شود، تكه ها حركتشان را با طول موج و فاز يكسان آغاز مى كنند. حالا اگر اين دو قسمت، مسيرهاى مختلفى را طى كنند يكى از آنها در فاز از ديگرى عقب مى افتد. بنابراين زمانى كه دو تكه بعد از طى مسير، دوباره به هم مى رسند قله ها و دره هاى موجشان روى هم مى افتد و يك الگوى رشته رشته مانند به وجود مى آورد كه در آن مناطقى كه شامل تعداد زيادى اتم هستند با مناطق تقريباً خالى از هم جدا شده اند. كترل و مارك كازويچ از دانشگاه استنفورد به همراه عده اى ديگر به تازگى موفق شده بودند، تداخل سنج هاى اتمى واقعى بسازند ولى دستگاهشان بيشتر حجم يك اتاق را پر مى كند. چون مجموعه هاى متراكم اتمى (يا همان چكه ها) بايد در حال سقوط آزاد درون يك اتاقك خلاء بزرگ، شكافته و بازتركيب شوند. مدل هايى كه كرنل و دانا اندرسون رويش كار مى كنند، خيلى جمع و جور تر از آب درخواهد آمد.«با هدايت اتم ها مى توان اندازه تداخل سنج را تا يك تراشه كوچك كاهش داد.» اين حرف را يكى از دانشجويان كرنل به اسم ينيگ جووانگ در حالى كه به تكه اى شيشه در حد و اندازه اسلايد ميكروسكوپ اشاره مى كند، مى زند. دو نوار موازى و نازك طلايى از وسط اسلايد مى گذرند و چيزى شبيه يك راه آهن كوچك به وجود مى آورند. جريان الكتريكى هم جهت و هم اندازه از نوار ها مى گذرد و يك ميدان مغناطيسى ايجاد مى كند كه مقدارش در وسط دو نوار صفر است وانگ مى گويد: «اتم هاى دوبيديومى كه استفاده مى كنيم، دوست دارند در ضعيف ترين قسمت ميدان مغناطيسى بمانند. بنابراين ناحيه وسط دو نوار مثل يك كانال براى آنها عمل مى كند كه از آن بيرون نمى آيند.» كمى جلوتر خط آهن طلايى به يك تقاطع Y شكل مى رسد كه همان شكافنده است. وانگ ادامه مى دهد: «اينجا يك موج ايستاده از نور ليزر به وجود مى آوريم كه نيمى از اتم هاى مجموعه چگاليده را به راست و نيمى را به چپ مى فرستد. حدود 300 ميكرون جلوتر، تكه ها دوباره به موج هاى ايستاده اى برخورد مى كنند كه مانند آينه اتم ها را برعكس بار اول منحرف مى كند. كمى بعد از اين انحراف تكه ها به هم مى رسند، بر هم نهاده مى شوند و تداخل مى كنند. در اين جا يك دوربين مخصوص محل رشته هاى اتمى ايجاد شده را ثبت مى كند.» هر چند اندازه تجارى مناسب براى تداخل سنج چيزى حدود كف دست است اما اين دستگاه با متعلقاتش هنوز يك ميز آزمايشگاه را پر مى كند. كرنل مى گويد: «خيلى از بخش هاى طرح ما هنوز هم جاى كوچك شدن دارند اما بعضى ها هم اين طور نيستند. مثل سيستم هاى سردكننده ليزرى كه اتم ها را از دماى اتاق به چند ميليارديم درجه بالاتر از صفر مطلق مى رساند.» بنابراين يك ژيروسكوپ اتمى ممكن است نهايتاً در ساعت مچى يا تلفن همراه جا نشود اما تا استفاده از آن در هواپيماها و زيردريايى ها، راه زيادى باقى نمانده است. از اين گذشته اگر سرگذشت ليزر، معيار خوبى باشد، كارآفرينان آينده، كاربردهاى بيشترى براى اين حالت جديد ماده پيدا خواهند كرد. خيلى بيشتر از آنچه دانشمندان حالا بتوانند تصورش را بكنند.

===============================================

 نوسنده: حمیده رجب لو