انجام کاری ناممکن در فیزیک: آفریدن و از بین بردن میدان‌های مغناطیسی از راه دور

* دانشمندان در پژوهشی تازه با دور زدن یک نظریه‌ی ۱۷۸ ساله، راهی برای پدید آوردن و خنثا کردن میدان مغناطیسی از راه دور پیدا کرده‌اند.

در این روش، جریان الکتریکی در پیکره‌بندی ویژه‌ای از سیم‌ها برقرار می‌شود تا میدان مغناطیسی‌ای پدید بیاورد که به نظر برسد انگار از سرچشمه‌ی دیگری آمده است. این توهم کاربردهایی واقعی دارد: یک داروی سرطان را تصور کنید که بتواند با کپسول‌هایی از نانوذره‌های مغناطیسی، یکراست به تومور در درون بدن منتقل شود. امکان این نیست که یک آهنربا به تومور چسبانیم تا نانوذرات را در مسیرشان هدایت کند، ولی اگر بتوانیم از بیرون بدن یک میدان مغناطیسی پدید بیاوریم که مرکزش درست روی آن تومور باشد، میتوانیم دارو را بدون یک روند تهاجمی به آن برسانیم.

شدت یک میدان مغناطیسی با فاصله کاهش می‌یابد، و فرضیه‌ای به نام "فرضیه‌ی اِرنشاو" که در ۱۸۴۲ ثابت شد می‌گوید پدید آوردن نقطه‌ای با بیشینه‌ی شدت میدان مغناطیسی در فضای تهی امکان‌ناپذیر است.

رزا مک-باتله، فیزیکدان مرکز نانوفناوری‌های زیست‌مولکولی در بنیاد فناوری ایتالیا و رهبر این پژوهش می‌گوید: «این که نمی‌توانید یک بیشینه‌ی میدان مغناطیسی در فضای تهی داشته باشید بدین معناست که نمی‌توانید بدون جاسازی یک چشمه‌ی واقعی [مغناطیسی] در نقطه‌ی هدف، میدان یک چشمه‌ی مغناطیسی را از راه دور پدید بیاورید.»

واقعی کردنِ یک پنداشت
ولی مک-باتله و همکارانش فکر کردند شاید بتوانند این مساله را دور بزنند. آنها از کار در نورشناسی (اپتیک) الهام گرفتند که مواد مهندسی شده‌ای به نام فراماده (طراحی شده برای داشتن ویژگی‌هایی که در هیچ ماده طبیعی وجود ندارد) را برای دور زدن محدودیت‌هایی که طول موج نور در واگشود یا رزولوشن ایجاد کرده به کار می‌برند. باتله و گروهش هم به همین شیوه فکر کردند شاید مواد مغناطیسی فرضی بتواند ناممکن را در دنیای میدان‌های مغناطیسی امکان‌پذیر سازد.

یک سیم بلند که با یک واسازِ مغناطیسی در بر گرفته
شده، کپی سیم را بیرون از آن پدید می‌آورد

این پژوهشگران ماده‌ای با تَراوایی مغناطیسی "منفی ۱" را در نظر گرفتند. تراوایی یا نفوذپذیری مغناطیسی یک ماده نشانگر میزان کاهش یا افزایش یک میدان مغناطیسی توسط یک ماده، در زمانی‌ست که آن ماده در معرض این میدان قرار بگیرد [می‌توان گفت نشانگر اینست که  اگر آن ماده در معرض یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد به چه اندازه این میدان را کاهش یا افزایش خواهد داد]. در ماده‌ای با تراوایی مغناطیسی منفی ۱، جهت میدانی که درون ماده القا می‌شود مخالف جهت میدان آغازین خواهد بود.

بی‌گمان، یک روش تازه برای القای میدان‌های مغناطیسی آن هم بر پایه‌ی موادی که وجود ندارند چندان به درد نخواهد خورد. ولی اگرچه این ماده‌ی فرضی با تراوایی منفی وجود ندارد، فیزیکدانان می‌توانند با برقرار کردن جریان الکتریکی در پیکره‌بندی ویژه‌ای از سیم‌ها، گونه‌ای "ماده‌"ی موقتی پدید بیاورند. این بدین دلیلست که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی پدید می‌آورد و میدان مغناطیسی هم جریان الکتریکی را، یک دستاورد معادلات الکترومغناطیس ماکسول.

مک-باتله در گفتگو با لایوساینس گفت: «در پایان، ما هیچ ماده‌ای به کار نمی‌بریم، ما چیدمان دقیقی از جریان‌ها را به کار می‌بریم که می‌تواند مانند یک فراماده‌ی فعال پنداشته شود.»

مک-باتله و گروهش برای پدید آوردن یک میدان از یک فاصله، یک استوانه‌ی توخالی پدید آوردند که از حدود ۲۰ سیم پیرامون یک سیمِ بلند درونی ساخته شده بود. هنگامی که جریان در این سیم‌ها برقرار می‌شود، یک میدان مغناطیسی پدید می‌آید که درست مانند اینست که انگار سیم بلند درونی در واقع بیرون از دستگاه است. این پدیده هم‌ارزِ الکترومغناطیسیِ اینست که صدای یک هنرمند شکم‌گو* را در بیرون بشنویم؛ سرچشمه‌ی میدان هم واقعا بیرون از دستگاه نیست، ولی خود میدان را نمی‌توان از میدانی که از چشمه‌ی بیرون از دستگاه پدید آمده بازشناخت (تشخیص داد).

مک-باتله می‌گوید: «ما توهمِ داشتنِ این چشمه در یک فاصله را آفریدیم.» این دانشمندان گزارش یافته‌های خود را در شماره‌ی ۲۳ اکتبر نشریه‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر کردند.

کاربردهای زیست‌پزشکی
هنور پرسش‌هایی درباره‌ی میزان کارایی این روش برای کاربردهای واقعی وجود دارد. یک ویژگی جالب این سامانه، وجود ناحیه‌ای با میدان‌های مغناطیسی بسیار نیرومند میان استوانه‌ی سیمی و آن میدانِ با فاصله است. به گفته‌ی مک-باتله، این ناحیه می‌تواند با برخی از کاربردهای پژوهش تداخل پیدا کند، هرچند که مشکل‌ساز بودن یا نبودنش احتمالا بستگی به کاری که می‌خواهید با این میدان بکنید دارد.

یکی از کاربردهای احتمالیِ فراتر از دارورسانی می‌تواند خنثا کردن میدان‌های مغناطیسی از راه دور باشد، ترفندی که می‌تواند در رایانش کوانتومی، برای کاهش نوفه (نویز) از میدان‌های بیرونی که توانایی تداخل با سنجش‌ها را دارند سودمند باشد. کاربرد احتمالی دیگر می‌تواند بهبودِ تحریک مغناطیسی تَراجمجمه‌ای مغز، که از آهنرباها برای برانگیختن یاخته‌های عصبی در مغز جهت درمان افسردگی بهره می‌گیرد باشد. این که بشود میدان‌های مغناطیسی را از یک فاصله مهار و کنترل کرد می‌تواند هدفگیری تحریک مغناطیسی تَراجمجمه‌ای مغز را پیشرفت و بهبود دهد، به گونه‌ای که پزشکان بتوانند بهتر روی ناحیه‌های ویژه‌ای از مغز انسان تمرکز کنند.

امید بعدی پژوهشگران ساختن آرایه‌ای از سیم‌ها است که امکانِ پدید آوردن میدان‌های مغناطیسی سه‌بعدی (3D) از راه دور را فراهم کند.

--------------------------------------------
تلگرام، توییتر، و اینستاگرام یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
instagram.com/1star.7sky

واژه‌نامه:
electric current - magnetic field - cancer - tumor - nanoparticle - magnet - Earnshaw's Theorem - Rosa Mach-Batlle - Istituto Italiano Di Tecnologia Center for Biomolecular Nanotechnologies - Italy - optics - metamaterials - resolution - wavelength - magnetic permeability - Maxwell - Equations of electromagnetism - ventriloquist - Physical Review Letters - Biomedical applications - quantum computing - transcranial magnetic stimulation - neuron - depression - human brain - 3D


منبع: لایوساینس

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان