Researchers at Fermilab's MINOS experiment have announced a surprise result that could point to a fundamental difference between neutrinos and their anti particles. The findings, if confirmed by further experimental runs, may help physicists to explore some of the elemental differences between matter and anti-matter.

The MINOS experiment is designed to test the theory that neutrinos can change between types in a process known as neutrino "oscillation". When this idea was first muted in the 1950s it was controversial because it implies that neutrinos have mass, a feature that contradicts the Standard Model of particle physics. However, the theory has been supported by subsequent experiments, which have found the Sun to be producing fewer electron neutrinos than had been expected. It is also backed-up by an apparent shortfall in muon neutrinos produced by cosmic rays interacting in the Earth's atmosphere.

The MINOS experiment was set up to study neutrino oscillation by making the first high precision measurements of a controlled beam of neutrinos produced within a particle accelerator environment. Each experimental run begins at Fermilab near Chicago where a target is bombarded with energetic protons to produce a beam of neutrinos, called the NuMI beam. This is fired through the Earth towards the Soudan mine in Minnesota, some 735 km away. Deep in the mine, the neutrinos interact with the MINOS detector, which consists of a large iron calorimeter in the presence of a magnetic field. MINOS is designed to make highly precise measurements of the energy spectrum of muons, which arise from interactions with the Fermilab neutrinos.

Dips and troughs

Where troughs appear in this energy spectrum, it is an indication that a number of muon neutrinos have oscillated into the less energetic tau neutrinos, which cannot be recorded in the detector. The energy range over which this dip appears can reveal information about the difference between the masses of the two neutrino types. A dip appearing at higher energies corresponds to a larger difference between the masses of the two different types of neutrino. When it began operations in 2006, the MINOS team were initially probing for the mass difference between muon neutrinos and tau neutrinos. After recording firing 7 x 10²⁰ protons at the Fermilab target, they arrived at a result of 2.35 x 10^-3eV², which represents the square of the difference between the mass eigenstates (Δm²) of the two different types of neutrino.

However, more recently the MINOS team has switched its attention to antineutrinos, and the Fermilab NuMI beam was altered to produce a beam of muon antineutrinos. The detector in the Soudan mine operates in the same way except muon antineutrinos produce positively-charged muons rather than negative. Neutrino models suggest that antineutrinos should also oscillate between types, where Δm2 should correspond to the same value as their neutrino counterparts.

To their surprise, however, the MINOS team has recorded a Δm² value of 3.35 x 10^-3eV² between muon antineutrinos and tau antineutrinos, which is smaller than their neutrino result by approximately 40%. The neutrino value and the antineutrino value are inconsistent at a confidence level of 90–95%, which corresponds to a statistical significance of approximately 2 sigma. "While the neutrinos and antineutrinos do behave differently on their journey through the Earth, the Standard Model predicts the effect is immeasurably small in the MINOS experiment," says Jenny Thomas, a spokesperson for the MINOS team based at University College London.

Out of the blue

Thomas says that the result has come "completely out of the blue", but she warns that the particle physics community generally expects a statistical significance of 3 or 4 sigma before they start to take serious notice of a result. "Clearly, more antineutrino running is essential to clarify whether this effect is just due to a statistical fluctuation,” she adds.

David Wark, a neutrino physicist at Imperial College, London, shares a similar view. "[The uncertainty] isn’t a concern in the sense that it doesn’t show that they did anything wrong, it just shows that there is not enough data to make a strong conclusion." Wark points out that if there is a difference in the oscillations of neutrinos and anti-neutrinos, this would have an enormous impact on both the Standard Model and local relativistic quantum field theory. "It would not just demolish any particular model, it would require revision of the whole way we do particle physics."

The MINOS team will continue to take measurements of anti neutrino mass difference, with the current run coming to an end shortly, and the next one getting underway in September. "If the effect does prove to be real, then we could be looking at a 3 sigma significance by February 2012," says Thomas.

The results were presented earlier this week at the Neutrino 2010 conference in Athens, Greece.

ماده و صورت از مفاهیم اساسی فلسفه هستند كه اول بار توسط ارسطو وضع شدند و در طول تاریخ حیات فلسفه، همواره مفهومی بنیادین بوده و جای خاص خود را حفظ كرده اند.
ما در هر چیزی می توانیم ماده و صورت را بیابیم. به همین دلیل گفته می شود كه: وجود و حركت عالم هستی، بر اساس ماده و صورت است.
در آغاز، آنچه ارسطو را برای اولین بار، به این دو اصل راهنمایی كرد، تفاوتی بود كه میان مواد سازنده شئ و ساختار شئ، مشاهده می كرد.

ماده
ماده ی هر چیز یعنی مواد ، عناصر و در واقع خمیره ای كه شئ از آن تشكیل شده است. مثلا ماده ی لباس، پارچه، ماده ی میز، چوب و ماده ی نمك طعام، سدیم و كلر است.
بنابراین وقتی از ماده شئ صحبت می كنیم، منظورمان این است كه شئ از چه موادی ساخته شده است. آن موادی را كه شئ را تشكیل داده اند، روی هم رفته، ماده شئ می خوانیم.

صورت
منظور از صورت، قالب و ساختار شئ است؛ نوعی نظم و ساختار كه شئ را شكل و تعین می بخشد. به عنوان مثال، خیاط، پارچه را كه ماده لباس است شكل داده و به صورت لباس در می آورد؛ به عبارت دیگر، خیاط، به پارچه صورت می بخشد. در اینجا، صورتِ لباس است كه آن را لباس می كند، نه پارچه(ماده آن).
باید توجه داشت كه منظور از صورت فقط شكل و قیافه و ریخت ظاهری شئ نیست؛ بلكه همچنین مقصود از آن این است كه شئ برای اینكه به وجود آمده و كاركرد داشته باشد، به چه نحو تشكل یا سازمان پیدا كرده است.
مثلا، صورت مرغ در واقع، آن چیزی است كه همه مرغ ها به طور مشترك دارند؛ یعنی مجموعه ویژگی های خاصی كه در هر مرغ وجود دارد و آن را مرغ می كند؛ مانند بال، پر، تخم گذاری ... و از همه اساسی تر سازمان و ساختار مرغ یا صورت مرغ است كه به آن این اجازه را می دهد كه فعالیت ها و ویژگی های خاص یك مرغ را داشته باشد.
به این ترتیب، به نحوه خاص تشكل اجزاء مادی به منظور ایجاد كاركرد، صورت می گوییم. صورت مانند ظرف و ماده مانند آب است؛ آب را در هر ظرفی بریزیم، به شكل همان ظرف در می آید. صورت ماده را كه هیچ گونه تعینی ندارد، شكل می دهد.

رابطه ماده با صورت
صورت و ماده همیشه با هم وجود دارند و امكان ندارد یكی بدون دیگری تحقق پیدا كند. صورت، همان ساختار شئ است؛ همان ویژگی های شئ است و به همین علت، چیزی نیست كه بتواند از شئ جدا باشد، زیرا ویژگی شیئ از آن جدا نیست. امكان ندارد ماده ای بدون صورت موجود شود؛ زیرا هر ماده ای ظرف و قالبی می خواهد تا در آن جای بگیرد و متعین گردد.
البته می توانیم چنین چیزی را، یعنی ماده صرف را كه هیچ تعینی ندارد، فرض كنیم. فلاسفه، این ماده نامتعین و بی صورت را هیولای اولی می نامند و همان طور كه گفته شد، هیولای اولی فقط فرض ذهنی ماست و ممكن نیست تحقق خارجی داشته باشد.

صورت و حقیقت شئ
در حقیقت، این صورت شئ است كه یك شئ را آن شئ میكند؛ به عبارت دیگر، فعلیت شئ به صورت آن است. ماده شئ هیچ چیز خاصی نیست؛ توده ای خمیره است كه هیچ نامی نمی توانیم به آن بدهیم و این خمیره هر چیزی می تواند باشد؛ یعنی این استعداد را دارد كه به هر چیزی تبدیل شود. تنها وقتی كه این ماده به صورت خاصی درآمد، نام مخصوصی به خود می گیرد و در واقع آن هنگام است كه چیزی می شود. به عبارت دیگر، تنها وقتی می توانیم چه بودی و حقیقت یك شیئ را تعیین كنیم كه صورتی را پذیرفته باشد.
همه اشیا و موجودات به سوی كمال خود در حال حركتند و این كمال، همان صورت است. یعنی همه آن ها می خواهند به فعلیت برسند. دانه می خواهد گیاه شود؛ بنابراین دانه ماده و گیاه صورت آن است. بدین ترتیب گفته می شود كه ماده قوه و صورت، فعلیت شئ است.
چیزی كه هیچ ماده ای نداشته باشد، یعنی این كه همه اش كمال و فعلیت است؛ یعنی صورت محض و به گفته ارسطو، این صورت محض، خدا است.

از آنجایی که پول کوانتومی تنها اطلاعات است، می‌تواند مانند یک تصویر دیجیتال یا یک فایل متنی ذخیره و منتقل شود. اما به دلیل اینکه ویژگی‌های کوانتومی دارد، نمی توان آن را کپی کرد. مانند پول نقد کاغذی و بر خلاف یک کارت اعتباری، هر کسی که آن را در اختیار داشته باشد، مالک انحصاری آن محسوب می‌شود. اما این تنها استفاده پول کوانتومی نیست. برای فیزیک‌دانان، پول کوانتومی یک نوع سرگرمی به منظور مطالعه ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی نیز به شمار می‌رود.

ایده اولیه
ایده پول کوانتومی نخستین بار در سال 1968 / 1347، از سوی استفان وایزنر پیشنهاد شد. وی در نظر داشت اسکناسی خلق کند که به نوعی بتواند تعدادی فوتون را در خود ذخیره کند. به عنوان اجسام کوانتومی، فوتون‌ها هرگز قابل جعل کردن نیستند. بر اساس فیزیک کوانتومی، اجسام کوانتومی را هرگز نمی‌توان کاملا کپی کرد. هرگونه اندازه‌گیری، قابلیت اختیار کردن هم‌زمان 0 و 1 را برای یک کیوبیت از بین می‌برد، و آن را مجبور می‌کند تا یکی از مقادیر 0 یا 1 را اختیار کند.

پول کوانتومی وایزنر برای مدت 40 سال در حد یک ایده نظری باقی ماند و عملا فراموش شد، اگرچه کارهای وی در زمینه استفاده از مکانیک کوانتومی برای ارسای پیام‌های رمز اعتبار زیادی کسب کرد. تا اینکه سال گذشته اسکات آرونسون، دانشمند علوم رایانه انستیتو فناوری ماساچوست، ام.آی.تی، رویکرد جدیدی را پیشنهاد کرد. در این روش به جای اسکناس، بر روی رشته‌ای از اطلاعات که بیانگر پول کوانتومی بود، تمرکز شده بود.

حفاظت اطلاعات
دو روش برای حفاظت از اطلاعات وجود دارد. روش نخست ایمنی اطلاعاتی نام دارد که از نظر ریاضی کاملا امن است، اما دستیابی به این نوع ایمنی خیلی دشوار است. به همین دلیل معمولا از روش دوم که ایمنی محاسباتی نامیده می‌شود، استفاده می‌شود. در این روش، اطلاعات بوسیله کدی که شکستن آن بسیار دشوار است، محافظت می‌شود. نمونه‌ای از این روش الگوریتم RSA است که به صورت گسترده، برای رمزگذاری تراکنش‌های تجارت الکترونیک و سایر اشکال ارتباطی از آن استفاده می‌شود.

الگوریتم RSA مثالی از رمزگذاری کلید عمومی (Public Key) است. در این روش رمزگذاری پیغام‌ها بسیار ساده است و برای هر شخصی قابل استفاده است. با این وجود، فرایندکشف رمز سری باقی می‌ماند و تنها اشخاصی که رمز را می‌دانند، قادر به خواندن پیغام‌های رمزگذاری شده هستند. امنیت رمزگذاری کلید عمومی، به نوع خاصی از روابط ریاضی وابسته است که تابع دریچه (Trapdoor Function) نامیده می‌شود. محاسبه این تابع در یک جهت آسان است، اما محاسبه آن در جهت عکس بسیار دشوار است.

آرونسون نیز در ایده خود از روش دوم استفاده کرد، یعنی طرحی را برای پول کوانتومی ارائه کرد که صرفا ایمنی محاسباتی داشته باشد. وی اساس طرح خود را بر ریاضیات نامتقارن مورد استفاده در رمزگذاری کلید عمومی قرار داد.
در طرح آرونسون چیزی که پول کوانتومی کلید عمومی نامیده می‌شود، از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول وضعیت کوانتومی است. این بخش می‌تواند گروهی از فوتون‌ها باشد که دارای جهت قطبی شدگی خاصی هستند، که توسط بانک عامل مخفی نگه داشته می‌شود. بخش دوم مداری است که اصالت مجموعه قطبی شده را به عنوان یک پول کوانتومی بررسی می‌کند. چنین مداری در تراکنش‌های کوانتومی، معادل اشعه فرابنفش برای اسکناس‌های امروزی است.

این مدار همان نقش تابع دریچه را در رمزگذاری کلید عمومی ایفا می‌کند. فرایند تایید رمزی که این مدار از آن استفاده می‌کند آسان است، اما فرایند کشف رمز مورد استفاده برای قطبی‌سازی فوتون‌ها دشوار است. امنیت طرح آرونسون، تماما به دشواری انجام چنین کاری وابسته است.

امن یعنی چقدر؟
آرونسون و همکارانش در تلاش برای نشان دادن اینکه چگونه می‌توان چنین مدار تایید کننده‌ای را ساخت، با مشکلات متعددی مواجه هستند. عدم وجود یک توافق کلی در باره اینکه چگونه می‌توان کارها را از نظر محاسباتی ایمن ساخت، مشکلات را افزایش داده است. آرام هارو، ریاضی فیزیک‌دان دانشگاه بریستول انگلستان می‌گوید: «ما به یک فرض محتمل نیاز داریم تا امنیت کار خود را بر اساس آن قرار دهیم. اما متاسفانه نشان دادن امنیت روش‌های مورد استفاده خیلی دشوار است.»

تابستان گذشته آرونسون طرحی را ارائه کرد که ادعا می‌کرد بر اساس آن، می‌توان یک پول کوانتومی تولید کرد که هر کسی قادر باشد اصالت آن را بررسی کند و تنها بانک‌ها قادر به تکثیر آن باشند. اما این طرح پنج ماه بیشتر دوام نیاورد و یک گروه از فیزیک‌دانان توانستند اثباتی برای نادرستی آن ارائه دهند.

ایرادی که آنها در طرح آرونسون یافتند این بود که الگوریتم تایید پول، یک بررسی کامل از قطبی‌شدگی فوتون‌ها را انجام نمی‌دهد. بنابراین یک هکر برای فریب دادن مدار تایید کننده، نیازی به دانستن وضعیت کوانتومی اصلی نداشت. برای جعل کردن پول کوانتومی، تنها لازم بود تا هکر یک وضعیت به اندازه کافی نزدیک به وضعیت اصلی را پیدا کند، تا بتواند مدار را فریب دهد.

برای حل این مشکل، آرونسون و همکارانش از یک رویکرد جدید استفاده کردند. در این روش یک وضعیت کوانتومی ایجاد می‌‌شود که حتی برای بانک تولیدکننده آن محرمانه است. بانک هنگام تولید پول، بخشی از وضعیت کوانتومی محرمانه را اندازه‌گیری می‌کند و بقیه آن را دست‌نخورده باقی می‌گذارد. مدار تایید کننده از این بخش دست نخورده برای تایید اصالت پول استفاده می‌کند. نکته جالب توجه این روش این است که جعل کردن پول حتی برای خود بانک نیز بسیار دشوار است! اما مشکل اینجاست که هنوز کسی نتوانسته است ایمنی کامل این روش را اثبات کند.

حتی اگر ساخت پول کوانتومی به سرانجام نرسد، تلاش‌های انجام شده در این راه بینش جدیدی را از رفتار وضعیت‌های کوانتومی به فیزیک‌دانان بخشیده است. برخی از فیزیک‌دانان از این ایده‌ها استفاده می‌کنند تا محدودیت‌های آن‌چه را ما می‌توانیم درباره یک وضعیت کوانتومی بدانیم، کشف کنند. مکانیک کوانتومی می‌گوید که شما نمی‌توانید یک وضعیت را بدون از بین بردن آن اندازه‌گیری کنید. اما گروهی که بر روی پول کوانتومی کار می‌کنند نشان داده‌اند که تایید یک وضعیت کوانتومی از نظر فیزیکی امکان‌پذیر است، حتی اگر چیزی درباره آن وضعیت ندانید. شما می‌توانید اطلاعاتی را درباره این وضعیت به دست آورید، بدون اینکه آن را از بین ببرید.

For years, accelerator physicists have been working to make sense of a seemingly random rattling of the ground that affects the alignment of their equipment. Now one physicist has taken the most comprehensive look yet at such data from Europe, Japan, and the United States, and reports his results in the 11 June Physicsal Review Letters. The ground's haphazard jiggling, he says, conforms to a simple mathematical description that was proposed decades ago. Understanding this ground motion may prove useful in the design of future particle accelerators likely to dwarf those in use today.

Accelerator physicists obsess over the stability of the ground, as it is crucial for the proper functioning of their machines. For example, staff at the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, use a variety of devices to watch for subtle shifts in the position of their Volkswagen-sized magnets that guide particles. One technique uses a horizontal pipe half-filled with water that stretches around much of the Fermilab ring. Sensors measure micron-scale changes in the depth of the water that reflect tiny changes in elevation.

Accelerator facilities accommodate and correct for all sorts of ground motion, including that produced by seismic activity, the pull of the moon's gravity, and changing air pressure due to weather. But there is also a random component of the motion that Vladimir Shiltsev of Fermilab has shown follows a simple equation, <(ΔY)²> = ATL. That is, over time T, the square of the change in distance Y between two points that are initially a distance L apart is ATL, where A is a number that depends on the local geology.

This equation is similar to one that describes the so-called random walk, the simplest mathematical description of random diffusion of molecules, and it appears in many areas of physics. But the so-called ATL law includes an extra factor of L--as the distance between two points increases, so does the rate of displacement between them. The precise reason for this random motion seen across time and distance is a mystery, though Shiltsev says it might result from the "fractal" nature of the ground, as reported by geoscientists. If the ground is essentially a collection of blocks that vary over a wide range of sizes, and they all jiggle at random, that might produce the ATL law, Shiltsev speculates.

Shiltsev previously showed that the law explains ground motion at Fermilab, but he has now spent years looking through much more data from around the world and from various of sources, such as beam position monitors and laser trackers. Shiltsev compiled records collected over two decades from 15 accelerator facilities. He fully confirmed the ATL law and overall found that a 30-meter stretch of ground moves at random about a hundred nanometers in any direction each minute. Or in more human terms, if a soccer field was level 30 years ago, today it might be a millimeter higher at one end than the other.

That's small enough to be largely ignored at current accelerator facilities, but it might be significant if future accelerators such as the International Linear Collider (ILC) are built. These colliders may stretch 30 kilometers or more and focus their particle beams to just a few nanometers across.

The analysis is probably the most exhaustive ever done and "fits to a number of observations taken at various laboratories for years," says Katsunobu Oide, of the KEK laboratory in Tsukuba, Japan. "The formula is simple and easily applicable anywhere."

اگر درمورد فرآيند‌هاي زيستي كنجكاو هستيد و از حل معما ،طراحي آزمايش، ويا كار با اعداد و ارقام و رايانه لذت مي‌بريد، فرصت‌هاي هيجان‌انگيزي دربيوفيزيك در انتظار شماست.

بيوفيزيك دانشي ميان‌رشته‌اي است كه در مرز مشترك رياضي، فيزيك، شيمي، زيست‌شناسي،وحتي كامپيوتر قرار دارد. دانشمندان دراين رشته با به‌ كارگيري قوانين حاكم براين علوم به مطالعه‌ي چگونگي كاركرد موجودات زنده مي‌پردازند.
موضوعاتي هم‌چون تئوري اطلاعات، علوم كامپيوتر، هوش مصنوعي، وسايبرنتيك(الگوسازي از روي موجودات زنده) ازجمله موارد مطالعات بيوفيزيك‌دان‌ها هستند.
تلاش براي ساخت حافظه‌هاي كامپيوتري با الگوگيري ازمولكول DNA، ساخت زيردريايي، رادارهاي صوتي، بررسي آثار امواج ماكرويووامواج الكترومغناطيسي بي‌سيم‌ بر مغز، توليد الكتريسيته توسط جان‌داران زنده و... مسائلي عملي پيش روي پژوهش‌گران در اين عرصه است.
به طور كلي به علومي كه سعي مي‌كنند پديده‌هاي طبيعت را به طريق علمي توصيف كنند، علوم طبيعي گفته‌ مي شود. بر اساس يك تقسيم ‌بندي تاريخي وسنتي بررسي و توصيف پديده‌هاي جهان زيست‌مند بر عهده‌ي زيست‌شناسان و تحليل پديده‌هاي جهان بي‌جان بر دوش فيزيك‌دانان نهاده شده است. اما لحظه‌اي تأمل كنيد! مگر ماده‌ي تشكيل‌ دهنده‌ي اين دو جهان يكسان نيستند؟ مگر آبي كه بخش بزرگي از جرم بدن ما را تشكيل مي‌دهد، همان تركيب H2O با همان ويژگي‌هاي آشناي فيزيكي وشيميايي نيست؟ ومگر تركيبات تشكيل ‌دهنده‌ي بدن موجودات زنده از عناصري غير از عناصر جدول تناوبي ساخته شده است؟.....
اكنون دانشمندان متقاعد شده‌اند كه اين مواد همانندند وبنا براين طبيعي است كه درپي اين باشند كه دست‌كم بخشي از جهان زيست‌مند را به كمك قوانين فيزيك تحليل كنند.
بيوفيزيك‌دانان سعي مي‌كنند بفهمند كه مغز چگونه اطلاعات را پردازش و ذخيره‌سازي مي‌كند؟، قلب چگونه خون را به داخل رگ‌ها پمپ مي‌كند؟، ماهيچه‌ها چگونه منقبض مي‌شوند؟، گياهان چگونه در فر‌آيند فتوسنتز نور را جذب مي‌كنند؟، ژن‌ها چگونه روشن وخاموش(فعال وغير‌فعال) مي‌شوند؟، وبسياري پرسش‌هاي ديگر ....
البته روان‌شناسان، زيست‌شناسان مولكولي و سلولي، دانش‌مندان علم ژنتيك، وبيوشيمي‌دان‌ها هم روي اين مباحث كار مي‌كنند ولي ديدگاه بيوفيزيك‌دانان اساسا از آن‌ها متفاوت است. بيوفيزيك‌دانان به طورويژه به فيزيك وشيمي‌-فيزيك فرآيند‌هاي زيستي توجه مي‌كنند ودر اين راستا از اندازه‌گيري، سنجش‌هاي كمي، وتحليل بيش‌ترين كمك را مي‌گيرند.
چالش‌هايي كه بيوفيزيك‌دانان با آن‌ها مواجه هستند در سطوح مختلفي قرار دارند. در بالاترين سطح بررسي چگونگي فرآيند انديشيدن، حس كردن، چشيدن، شنيدن، و ديدن در موجودات زيست‌مند قرار دارد. اين گروه از دانش‌مندان سازوكار‌ تنفس ونيز كاركرد سيستم دفاعي بدن موجودات زنده را مورد مطالعه قرار مي‌دهند. گروهي از ايشان هم به مطالعه‌ي فرآيند‌هاي زيستي در ابعاد تك سلول‌ها مي‌پردازند. آن‌ها تحقيق مي كنند كه سلول‌ها چگونه حركت مي‌كنند، تقسيم مي‌شوند، وبه محرك‌هاي محيطي پاسخ مي‌دهند ونيز چگونه به مواد اجازه‌ مي‌دهند به آن‌ها راه يابند ودرآن‌ها جابه‌جا شوند. برخي ديگر از اين دانش‌مندان هم به ساختار و رفتار زيست‌مولكول‌هاي سازنده‌ي سلول‌ها (مولكول‌هاي خيلي بزرگ مثل DNAوپروتئين‌ها) علاقه‌مندند. توانايي اين مولكول‌ها براي انجام فعاليت‌هاي زيستي‌ي پيچيده به ساختار سه بعدي و ويژگي‌هاي ديناميكي‌ي آن‌ها وابسته است.
خلاصه اين كه : كشف رابطه‌ي ساختار وعمل‌كرد پرسشي بنيادين در اين دانش است.
بنابراين همان طور كه در بالا اشاره شد بيوفيزيك به شاخه‌هاي مختلفي تقسيم مي‌شود:
(1) بيوفيزيك مولكولي
(2) بيوفيزيك سلولي
(3) بيوفيزيك جمعيت‌هاي سلولي
(4) بيوفيزيك فيزيولوژيك
(5) بيوفيزيك پرتوها و گرما
(6) بيوفيزيك نظري

خدمت بيوفيزيك به فيزيك: فيزيك‌دانان براي مطالعه‌ي سيستم‌هاي زيستي بايد به ابزار‌هايي مثل مكانيك آماري، كوانتم مكانيك، ترموديناميك غير تعادلي و... مجهز باشند.
مسائل زيستي به فيزيك‌ پيشه‌ها خدمت فراواني كرده‌است .مثلا به آن‌ها آموخته است كه ساخت موتور با بازدهي بالا و در ابعاد كوچك (حدود نانو متر) امكان‌پذير است يا اين‌كه آزمايش‌ باسلول‌هاي منفرد عملي است. هم‌چنين بيوفيزيك مسائلي را به جامعه‌ي فيزيك معرفي كرده است كه فيزيك‌دانان هنوز براي آن‌ها پاسخ‌هاي قانع كننده‌اي نيافته‌اند. مسائلي نظير پيچش پروتئين‌ها، ساز و كار خواندن اطلاعات از روي DNA، وعدم وجود تقارن چپ‌گرد و راست‌گرد از آن جمله‌اند.

خدمت بيوفيزيك به زيست فناوري: نتايج تحقيقات بيوفيزيك‌پيشه‌ها تأثير گسترده‌اي بر زيست فناوري وداروسازي دارد. محققان اين عرصه ابزارهايي براي فهم اساس مولكولي بيماري‌هايي نظير ايدز(AIDS) فراهم مي‌كنند. آگاهي از چگونگي‌ي كاركرد پروتئين‌ها وغشاها، پايه‌اي براي طراحي منطقي داروها ارائه مي‌كند.و...

بيوفيزيک در ايران: در ايران مؤسسه بين‌المللي تحقيقات بيوشيمي-بيوفيزيك دردانشگاه تهران با طراحي دقيق وپيشرفته وقابل مقايسه با مراكز بيوانفورماتيك در كشورهاي پيش‌رفته است. اين مركز با بهره‌مندي از اساتيد مجرب تا مقطع دكتري به تربيت دانشجو مي‌پردازد.
دانشگاه تربيت‌ مدرس هم دراين رشته در مقاطع كارشناسي ارشد و دكتري دانشجو مي‌پذيرد.
دانشجويان رشته‌هاي فيزيك وزيست‌شناسي مي‌توانند پس از شركت در آزمون كارشناسي ارشد در رشته‌ي بيوفيزيك تحصيلات خود را ادامه دهند.

بازار کار در ايران: فارغ‌التحصيلان رشته‌ي بيوفيزيك علاوه بر دانش‌گاه‌ها ومؤسسات آموزش عالي مي‌توانند در مراكز تحقيقاتي مثل انستيتو پاستور، مركز تحقيقات ژنتيك وتكنولوژي زيستي، مركز تحقيقات غدد درون ريز ومتابوليسم، مركز تحقيقات پليمر و....مشغول به كارشوند.

Particle physicists at the Gran Sasso laboratory in Italy have two reasons to celebrate. One is the first ever detection, by the OPERA experiment, of a neutrino that has mutated from another kind of neutrino as it travelled through space. The second achievement is the start-up of the ICARUS detector, which, like OPERA, will study neutrinos that have "oscillated" on their journey from the CERN laboratory outside Geneva in Switzerland.

Neutrinos are chargeless fundamental particles that come in three varieties, or "flavours" – electron, muon and tau. In the 1950s the Italian physicist Bruno Pontecorvo predicted that neutrinos should change, or oscillate, from one flavour to another as they travel through space, a property that would imply neutrinos have mass – in contradiction with the basic formulation of the Standard Model of particle physics. This idea was subsequently supported by experiments that found the Sun to be producing fewer electron neutrinos than had been expected, and by later experiments that detected a shortfall in muon neutrinos produced by cosmic rays interacting in the Earth's atmosphere.

In these experiments, the phenomenon of oscillation is only inferred indirectly. A reduction in the number of neutrinos from their source to their detection is taken to mean that some of these particles have oscillated to a different flavour of neutrino that cannot be picked up by the detector.

A different approach

OPERA and ICARUS, which are located in the laboratory of the Italian National Institute for Nuclear Physics some 1400 m under the surface of the Gran Sasso mountain in central Italy, take a different approach. Both detectors are designed to make a positive sighting of the tau neutrinos that theory predicts will result from the oscillation of some of the muon neutrinos contained within a beam that is produced at CERN and fired 730 km through the Earth to Gran Sasso. Although physicists believe that the different absence measurements, taken together, constitute very strong evidence for neutrino oscillation, the tau sightings would rule out the slim possibility that the disappearing muon neutrinos are instead decaying or disappearing off into higher dimensions.

The 1250 tonne OPERA instrument, built by a collaboration of around 170 physicists from 12 countries, detects neutrinos using 150,000 "bricks", with each brick consisting of many alternating layers of lead and films of nuclear emulsion. These bricks record the tracks of the decay products that result from the interaction of neutrinos with the lead nuclei, each neutrino generating tracks with a distinctive shape. Tau neutrinos produce a charged particle known as a tau lepton, which then decays into a muon, hadron or electron, generating a very short track with a distinctive kink in it.

Weak interaction

The fact that neutrinos interact extremely weakly with normal matter means that only a tiny fraction of the billions of neutrinos in the CERN beam that pass through OPERA every second will leave their mark in the detector. Since it started up in 2006, the experiment has detected a few thousand muon neutrinos but it was not until August 22 last year that it detected its first tau neutrino – on account of the delicate measurement. The researchers say to a confidence of 98% that their signal is due to a tau neutrino. According to OPERA spokesman Antonio Ereditato of the University of Bern in Switzerland, the unambiguous observation of a tau neutrino will require several more events like the one recorded so far. "This might require a few more years," he says, "but physicists are patient".

The other news at the Gran Sasso is the opening of another neutrino detector, ICARUS, which uses quite a different detection technique. First proposed in 1977 by Carlo Rubbia, who would go on to share the Nobel prize in 1984 for the discovery of W and Z bosons, this involves filling a tank with a large amount of liquid argon, lining the walls of the tank with planes of wires and then setting up a large potential difference across the tank. Any charged particles passing through the tank create pairs of positively charged ions and electrons as they travel, with those electrons that do not recombine then drifting towards the wire planes where they register a signal. The spatial sequence of signals recreates the path of the charged particles and reveals whether or not those particles were produced by a tau neutrino. ICARUS recorded its first events on 27 May.

ريچارد فاینمن، فيزيكدان آمريكايي زماني علم را با اين گفته تشريح كرده بود كه: «طبيعت يك بازي بزرگ شطرنج است كه آن را خدايان بازي مى كنند و ما افتخار آن را داشتيم كه آن بازي را نگاه كنيم. قوانين بازي چيزي است كه ما آن را فيزيك اساسي و مبادي مى ناميم و هدف ما درك و فهم اين قوانين است.» بر طبق گفته فاینمن فیزیک از  گذشته هاي دور به عنوان علمي شناخته شده است كه مى كوشد تا «همه چيز» را تشريح و تفسير كند.

 فيزيك، مطالعه بر ماده و انرژي و كاوش دريافتن قوانيني است كه رفتار آنها را مشخص مى كند. در حالي كه شيميدانان عنصرها و تركيب ها را مطالعه مى كنند فيزيكدانان به مطالعه نيروهايي مى پردازند كه عنصرها را به وجود مى آورند و با هم تركيب و يا از يكديگر جدا مى كنند. در حالي كه اخترشناسان اجرام فضايي را مطالعه مى كنند، فيزيكدانان نيروهايي را مطالعه مى كنند كه اين اجرام را اينگونه شكل بخشيده اند و قوانيني را بررسي مى كنند كه بر حركت آنها در فضا حاكم هستند.
فيزيكدان ها مى خواهند بدانند كه چه چيزي سبب مى شود كه اتم ها به يكديگر پيوند يافته و كهكشان ها از هم جدا هستند. براي درك همين مطالب است كه نيروهايي مانند گرانش و پديده هايي چون حركت، مغناطيس، الكتريسيته و انرژي هسته اي را آزمايش و بررسي مى كنند.
بسياري از بزرگترين فيزيكدانان جهان، همچون فين من تحقيقات علمي را دنبال مى كنند و به تدريس آنها مى پردازند. در حالي كه گروه ديگري از فيزيكدانان در صنايع، طراحي شبكه هاي ارتباطي برتر، نيروگاه هاي با بازده بالا، ساختمان هاي امن تر و كارخانه هاي اتومبيل سازي، كشتى سازي و هواپيماسازي بسيار پيشرفته اي كه مقاومت هوا بر آن بسيار ناچيز است، كار مى كنند. بعضي از فيزيكدانان هم با پژوهشگران امور پزشكي همكاري مى كنند تا راه هاي جديدي را براي كاوش در تن آدمي بيابند. ممكن است روزي فيزيكدانان راه هاي عملي را براي پرواز اتومبيل و قطار در هوا به دست آورند و انرژي نامحدود، ارزان و پاك را در اختيار همگان قرار دهند. اين موارد فقط شماري از فرصت هاي بى شمار عملي است كه راه آن براي فيزيكدانان امروزي باز شده است.

This composite image shows N49, the aftermath of a supernova explosion in the Large Magellanic Cloud. A new long observation from NASA's Chandra X-ray Observatory reveals evidence for a bullet-shaped object being blown out of debris field left over from an exploded star.

In order to detect this bullet, researchers used Chandra to observe N49 for more than 30 hours. Using the new Chandra data, the age of N49 -- as it appears in the image -- is thought to be about 5,000 years and the energy of the explosion is estimated to be about twice that of an average supernova. These preliminary results suggest that the original explosion was caused by the collapse of a massive star.

Image Credit: X-ray: NASA/CXC/Penn State/S. Park et al.

Optical: NASA/STScI/UIUC/Y.H. Chu & R. Williams et al.

موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم و غیره بسته به اندازه، طول موج یا رنگ معینی از نور را پس از تحریک الکترون ها با استفاده از یک منبع خارجی از خود ساطع می کنند. انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیص های پزشکی کاربرد فراوانی دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می کنند با این تفاوت که در برابر درخشان شدن خاصیت و توانایی خود را از دست نمی‌دهند و در برابر تعداد سیکل های تحریک و انتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند


کاربردهای نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در رنگ های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می توانیم نقاط کوانتومی را بسته به فرکانس مورد نیاز نور انتخاب کنیم و باعث شویم تا یک گروه از نقاط کوانتومی مشابه گروه دیگری با یک یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسبهای چندگانه امکان می دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند.
در دانشگاه فنی جورجیا و مرکز تحقیقات کمبریج ار نقاط کوانتومی در تصویر برداری سلول های تومور در موش استفاده شده است. این نقاط کوانتومی از هسته های کادمیومی به قطر 5 نانومتر که با سولفید سلینید پوشیده شده بودند درست شده بودند و توسط پوششی از پلیمر محافظت می شدند تا از حمله آنتی بادی های بدن موش به آنها و نیز نشت یونهای کادمیوم و سلینیوم سمی در بدن جلوگیری شود.

به پوسته خارجی این نقاط کوانتومی آنتی بادیهایی متصل شد تا به صورت هدفمند به سلول تومور پرستات متصل شوند.

نقاط کوانتومی با کمک جریان خون و از طریق تزریق وارد بدن شده و در محل تومور جمع شدند تا علاوه بر ایجاد قابلیت آشکار سازی در تصویربرداری به درمان و نابودی این سلولهای تومور نیز کمک نمایند.
امروزه از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلولهای سالم و سلولهای تومور در مغز کمک گرفته می شود. تیمی از محققان از بنیاد کلینیک کلیولند اعلام داشته اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می کنند این نقاط کوانتومی قابل رویت هستند و حتی زمانی که تحت تابش قرار نمی گیرند نیز مرئی می باشند.

نتایج کار این تیم تحقیقاتی در مجله نئوسرجری درج شده است. بر این اساس زمانی که حجم زیادی از نقاط کوانتومی به موشهای مبتلا به تومور مغزی تزریق شد، نانوکریستال های فلوئوروسانت در سلول های ایمنی موش ها (ماکروفاژها ) تجمع می کنند. این سلولها می توانند از سد بین مغز و خون بگذرند و در اطراف سلولهای مغزی جای گیرند.

زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین های دیجیتالی ویژه ، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعیین می‌کنند

دو نوع نظریهٔ ریسمان "صفر" وجود دارد یکی A₀ و دیگری B₀ که تفاوت آن‌ها برمی گردد به این که کدام نوع از میدان‌های راموند – راموند در طیف بدون جرم قرار می‌گیرند.

پل آدرین موریس دیراک ۸ اوت ۱۹۰۲ در بریستول، انگلستان به دنیا آمد.فیزیکدان و ریاضیدان بریتانیایی و از پایه‌ریزان مکانیک کوانتومی بود و در سال ۱۹۳۳ برنده جایزه نوبل شد.
پدر پل دیراک، چارلز دیراک یک سوییسی فرانسوی زبان و مادرش فلورنس هولتن دختر یک ملوان از کورنوال بود. پس از فارغ‌التحصیلی در مهندسی برق از دانشگاه بریستول در سن ۱۹ سالگی به یک باره خود را بیکار یافت و چون نتوانست کاری پیدا کند، تقاضای عضویت در دانشگاه کمبریج را کرد و پذیرفته شد. او در ۱۹۲۶ از دانشگاه کمبریج درجه دکترا گرفت و پس از چندی به مقام استادی ریاضی آن دانشگاه دست یافت و تا هنگام بازنشستگی اش در ۱۹۶۹ مقامش را حفظ کرد. او پس از بازنشستگی به آمریکا رفت و در ۱۹۶۱ مقام استادی تحقیقات فیزیک در دانشگاه ایالتی فلوریدا را اختیار کرد.
او در سال ۱۹۲۶ توانست یک فرمول‌بندی عمومی از مکانیک کوانتومی به دست آورد، که در هر دوی نظریات مکانیک ماتریسی هایزنبرگ و مکانیک موجی شرودینگر در حالتهای خاص صادق باشد. یکی دیگر از حالتهای خاص این فرمولبندی عمومی، مکانیک کلاسیک بود.
در ۱۹۲۸ دیراک توانست از قاعده پائولی، معادله دیراک را که به اسم او نامگذاری شده است، به دست آورد. این معادله که بر خلاف معادله شرودینگر نظریه نسبیت خاص را نادیده نمی‌گیرد، برای توجیه تابع موجی الکترونها در حالت نسبی در نظر گرفته می‌شود. این معادله از این رو اثر زیمن را در نظریه‌اش توضیح می‌دهد. دیراک به همین خاطر توانست، موجودیت پوزیترون را پیش‌بینی کند و همچنین نشان دهد که اسپین یک فرآیند نسبی است. این ذره برای نخستین بار در سال ۱۹۳۲ مشاهده شد.
از این گذشته تابع دلتای دیراک(همانطور که از نامش بر می‌آید) و نمایش برا-کت (bra-ket) حالتها در فضای هیلبرت نیز به دیراک برمی‌گردد.
سال ۱۹۳۳ دیراک به همراه شرودینگر جایزه نوبل فیزیک را به خاطر معرفی یک مدل اتمی جدید به دست آورد.در ۱۹۵۲ نیز، دیراک صاحب مدال ماکس پلانک شد. از این گذشته به افتخار این دانشمند بزرگ، مدال دیراک به خاطر زحمتهای علمی دیگر دانشمندان به وجود آمده است.

قوانین مکانیک را می‌توان بطور آماری در دو سطح مختلف به مجموعه‌ای از اتمها اعمال کرد در سطحی که نظریه جنبشی گازها نامیده می‌شود. به طریقی کم و بیش فیزیکی و با استفاده از روشهای نسبتا ساده میانگین گیری ریاضی ، عمل می‌کنیم. برای فهم نظریه جنبشی گاز را در فشار ، دما ، گرمای ویژه و انرژی داخلی این روش را که در سطح بکار برده می‌شود.

نگاه اجمالی
در ترمودینامیک فقط با متغیرهای ماکروسکوپیک ، مانند فشار و دما و حجم سر و کار داریم. قوانین اصلی ترمودینامیک‌ها بر حسب چنین کمیتهایی بیان می‌شوند. ابدا درباره این امر که ماده از اتمها ساخته شده است صحبتی نمی‌کنند. لیکن مکانیک آماری ، که با همان حیطه‌ای از علم سر و کار دارد که ترمودینامیک از آن بحث می‌کند و وجود اتمها را از پیش مفروض می‌داند. قوانین اصلی مکانیک آماری حامی قوانین مکانیک‌اند که در حدود اتمهای تشکیل دهنده سیسنم بکار می‌روند.

تاریخچه
نظریه جنبشی توسط رابرت بویل (Rabert Boyle) (1627 – 1691) ، دانیل بونولی (1700 – 1782) ، جیمز ژول (1818 – 1889) ، کرونیگ (1822 – 1874) ، رودولف کلاوسیوس (1822 – 1888) و کلرک ماکسول ( 1831 – 1879 ) و عده‌ای دیگر تکوین یافته است. در اینجا نظریه جنبشی را فقط در مورد گازها بکار می‌بریم، زیرا برهم کنش‌های بین اتمها ، در گازها به مراتب متغیرترند تا در مایعات. و این امر مشکلات ریاضی را خیلی آسانتر می‌کند.
در سطح دیگر می‌توان قوانین مکانیک را بطور آماری و با استفاده از روشهایی که صوری‌تر و انتزاعی‌تر از روشهای نظریه جنبشی هستند بکار برد. این رهیافت که توسط جی ویلارد گیبس (J.willard Gibbs) و لودویگ بولتز مانی (Ludwig Boltz manni) (1844 – 1906) و دیگران تکامل یافته است، مکانیک آماری نامیده می‌شود، که نظریه جنبشی را به عنوان یکی از شاخه‌های فرعی در بر می‌گیرد. با استفاده از این روشها می‌توان قوانین ترمودینامیک را به دست آورد. بدین ترتیب معلوم می‌شود که ترمودینامیک شاخه‌ای از علم مکانیک است.

محاسبه فشار بر پایه نظریه جنبشی
فشار یک گاز ایده‌آل را با استفاده از نظریه جنبشی محاسبه می‌کنند. برای ساده کردن مطلب ، گازی را در یک ظرف مکعب شکل با دیواره‌های کاملا کشسان در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم طول هر ضلع مکعب L باشد. سطحهای عمود بر محور X را که مساحت هر کدام e2 است. A1 و A2 می‌نامیم. مولکولی را در نظر می‌گیریم که دارای سرعت V باشد. سرعت V را می‌توان در راستای یالهای مولفه‌های Vx و Vy و Vz تجزیه کرد. اگر این ذره با A1 برخورد کند در بازگشت مولفه X سرعت آن معکوس می شود. این برخورد اثری رو ی مولفه Vy و یا Vy ندارد در نتیجه متغیر اندازه حرکت عبارت خواهد بود :

m Vx - m Vx) = 2 m Vx - )= اندازه حرکت اولیه – اندازه حرکت نهایی

که بر A1 عمود است. بنابراین اندازه حرکتی e به A1 داده می‌شود برابر با m Vx2 خواهد بود زیرا اندازه حرکت کل پایسته است.

زمان لازم برای طی کردن مکعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معکوس می‌شود و ذره به طرف A1 باز می‌گردد. با این فرض که در این میان برخوردی صورت نمی‌گیرد مدت رفت و برگشت برابر با 2 e Vx خواهد بود. به طوری که آهنگ انتقال اندازه حرکت از ذره به A1 عبارت است: mVx2/e = Vx/2e . 2 mVx ، برای به دست آوردن نیروی کل وارد بر سطح A1 ، یعنی آهنگ انتقال اندازه حرکتی از طرف تمام مولکولهای گاز به A1 داده می‌شود.

(P = M/e(Vx12 + Vx22 + Vx32

P = 1/2eV2

تعبیر دما از دیدگاه نظریه جنبشی
با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 یعنی انرژی کل انتقال هر مول از مولکولهای یک گاز ایده‌آل ، با دما متناسب است. می‌توان گفت که این نتیجه با توجه به معادله بالا برای جور در آمدن نظریه جنبشی با معادله حالت یک گاز ایده‌آل لازم است. و یا اینکه می‌توان معادله بالا را به عنوان تعریفی از دما بر پایه نظریه جنبشی یا بر مبنای میکروسکوبیک در نظر گرفت. هر دو مورد بینشی از مفهوم دمای گاز به ما می‌دهد. دمای یک گاز مربوط است به انرژی جنبشی انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گیری می‌شود. انرژی جنبشی مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطی به دمای گاز ندارد.

حرکت کاتوره‌ای را به عنوان بخشی از تعریف آماری یک گاز ایده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر این اساس می‌توان محاسبه کرد. در یک توزیع کاتوره‌ای سرعتهای مولکولی ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراین ما باید چارچوب مرجعی را بکار ببریم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهای دیگر ، سرعت هر یک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بیشتر است. در اینصورت حرکتها دیگر کتره‌ای نخواهد بود و برای V2 مقادیر متفاوتی بدست می‌آید. پس دمای گاز داخل یک ظرف در یک قطار متحرک افزایش می‌یابد. می‌دانیم که M V2 1/2 میانگین انرژی جنبشی انتقالی هر مولکول است. این کمیت در یک دمای معین که در این مورد صفر درجه سلسیوس است، برای همه گازها مقدار تقریبا یکسانی دارد. پس نتیجه می‌گیریم که در دمای T ، نسبت جذر میانگین مربعی سرعتهای مولکولهای دو گاز مختلف مساوی است با ریشه دمای عکس نسبت به مربعهای آنها.

T=2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2

مسافت آزاد میانگین
در فاصله برخوردهای پی‌درپی ، هر مولکول از گاز با سرعت ثابتی در طول یک خط راست حرکت می‌کند. فاصله متوسط بین این برخوردهای پی‌درپی را مسافت آزاد میانگین می‌نامند. اگر مولکولها به شکل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمی‌کردند. و مسافت آزاد میانگین بینهایت می‌شد. اما مولکولها نقطه‌ای نیستند و بدین جهت برخوردهایی روی می‌دهد. اگر تعداد مولکولها آنقدر زیاد بود که می‌توانستند فضایی را که در اختیار دارند کاملا پر کنند و دیگر جایی برای حرکت انتقالی آنها باقی نمی‌ماند. آن وقت مسافت آزاد میانگین صفر می‌شد. بنابراین مسافت آزاد میانگین بستگی دارد به اندازه مولکولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولکولهای گاز به صورت کروی هستند در این صورت مقطع برای برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولکولی با قطر 2d را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در داخل گازی از ذرات نقطه‌ای هم ارز حرکت می‌کند. این مولکول در مدت t استوانه‌ای با سطح مقطع лd2 و طول Vt را می‌روبد. اگر nv تعداد مولکولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد میانگین ، L ، فاصله متوسط بین دو برخورد پی‌درپی است بنابراین ، L ، عبارت است از کل مسافتی که مولکول در مدت t می‌پیماید. (Vt) تقسیم بر تعداد برخوردهایی که در این مدت انجام می‌دهد. یعنی

I = Vt/πd2nv =1/√2πnd2

I=1/√2πnd2

این میانگین بر مبنای تصویری است که در آن یک مولکول با هدفهای ساکن برخورد می‌کند. در واقع ، برخوردهای مولکول با هدف دمای متحرک انجام می‌گیرد در نتیجه تعداد برخورد دما از این مقدار بیشتر است.

توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به سرعت جذر میانگین مربعی مولکولهای گاز ، اما گستره سرعتهای تک‌تک مولکولها بسیار وسیع است. بطوری که برای هر گازی منحنی‌‌ای از سرعتها مولکولی وجود دارد که به دما وابسته است. اگر سرعتهای تمام مولکولهای یک گاز یکسان باشند این وضعیت نمی‌تواند مدت زیاد دوام بیاورد. زیرا سرعتهای مولکولی به علت برخوردها تغییر خواهند کرد. با وجود این انتظار نداریم که سرعت تعداد زیادی از مولکولها بسیار کمتر از V‌rms (یعنی نزدیک صفر) یا بسیار بیشتر از Vrms ، زیرا وجود چنین سرعتهایی مستلزم آن است که یک رشته برخوردهایی نامحتمل و موجی صورت بگیرد. مسئله محتملترین توزیع سرعتها در مورد تعداد زیادی از مولکولهای یک گاز را ابتدا کلوک ماکسول حل کرد. قانونی که او ارائه کرد در مورد نمونه‌ای از گاز که N مولکول را شامل می‌شد چنین است :

N(V)=4πN(m/2πKt)3/2V2e-mv2/2kt

در این معادله N(V)dV تعداد مولکولهایی است که سرعت بین V و V+3v است، T دمای مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولکول است. تعداد کل مولکولهای گاز (N) را ، با جمع کردن (یعنی انتگرال‌گیری) تعداد موجود در هر بازه دیفرانسیلی سرعت از صفر تا بینهایت به دست می‌آید. واحد (N(V می‌تواند مثلا مولکول برا سانتیمتر بر ثانیه باشد.

N =∫∞0N(V)dv

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات
توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات شبیه گاز است. اما بعضی از مولکولهای مایع (آنهایی که سریعترند) می‌توانند در دماهایی کاملا پایینتر از نقطه جوش عادی از سطح مایع بگریزند. (یعنی تبخیر شوند). فقط این مولکولها هستند که می‌توانند بر جاذبه مولکولهای سطح فائق آیند. و در اثر تبخیر فرار کنند. بنابراین انرژی جنبشی میانگین مولکولهای باقیمانده نیز کاهش می‌یابد در نتیجه دمای مایع پایین می‌آید. این امر روشن می‌کند که چرا تبخیر فرایند سرمایشی است.

مثال واقعی در مورد توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به فرمول N(V)= Σ410N(M/2πkT)3/2 توزیع سرعتهای مولکولی هم به جرم مولکول و هم به دما بستگی دارد هرچه جرم کمتر باشد نسبت مولکولهای سریع در یک دمای معین بیشتر است. بنابراین احتمال اینکه هیدروژن در ارتفاعات زیاد از جو فرار کند بیشتر است، تا اکسیژن و ازت. کره ماه دارای جو رقیقی است. برای آنکه مولکولهای این جو احتمال زیادی برای فرار از کشش گرانشی ضعیف ماه ، حتی در دماهای پایین آنجا نداشته باشند، انتظار می‌رود که این مولکولها یا اتمها متعلق به عناصر سنگینتر باشند. طبق شواهدی ، در این جو گازهای بی اثر سنگین مانند کریپتون و گزنون وجود دارند که براثر واپاشی پرتوزا در تاریخ گذشته ماه تولید شده‌اند. فشار جو ماه در حدود 10 برابر فشار جو زمین است.

توزیع ماکسولی
ماکسول قانون توزیع سرعتهای مولکولی را در سال 1859 میلادی به دست آورد. در آن زمان بررسی این قانون به کمک اندازه گیری مستقیم ممکن نبود و در حقیقت تا سال 1920 که اولین کوشش جدی در این راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هیچ اقدامی صورت نگرفته بود. افراد مختلفی تکنیکهای این کار را به سرعت بهبود بخشیدند. تا اینکه در سال 1955 یک بررسی تجربی بسیار دقیق در تائید این قانون (در مورد مولکولهای گاز توسط میلر (Miller) و کاش (Kusch) از دانشگاه کلمبیا صورت گرفت.

اسبابی که این دو نفر بکار بردند در مجموعه‌‌ای از آزمایشها مقداری تالیوم در کوره قرار می‌دادند و دیواره‌های کوره O را تا دمای یکنواخت 80±4K گرم کردند. در این دما تالیوم بخار می‌شود و با فشار 3.2x10-3 میلیمتر جیوه ، کوره را پر می‌کند. بعضی از مولکولهای بخار تالیوم از شکاف s به فضای کاملا تخلیه شده خارج کوره فرار می‌کند و روی استوانه چرخان R می‌افتند در این صورت استوانه که طولش L است تعدادی شیار به صورت مورب تعبیه شده که فقط یکی از آنها را می‌توان دید. به ازای یک سرعت زاویه‌ای معین استوانه (W) فقط مولکولهایی که دارای سرعت کاملا مشخص V هستند می‌توانند بدون برخورد با دیواره‌ها از شیارها عبور کنند. سرعت V را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:

V=LW/q و L/V= φ/W = زمان عبور مولکول از شیار

 φ : تغییر مکان زاویه‌ای بین ورودی و خروجی یک شیار مورب است. استوانه چرخان یک سرعت گزین است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاویه‌ای (قابل کنترل) W متناسب است.

نقص توزیع سرعت ماکسولی با نظریه جنبشی
اگرچه توزیع ماکسولی سرعت برای گازها در شرایط عادی سازگاری بسیار خوبی با مشاهدات دارد. ولی در چگالیهای بالا ، که فرضهای اساسی نظریه جنبشی کلاسیک صادق نیستند. این سازگاری نیز به هم می‌خورد. در این شرایط باید از توزیعهای سرعت مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی ، یعنی توزیع فرمی - دیراک (Fermi Dirac) بوز – انیشتین (Bose Einstein) استفاده کرد. این توزیعهای کوانتمی در ناحیه کلاسیک ( چگالی کم ) با توزیع ماکسولی توافق نزدیک دارند و در جایی که توزیع کلاسیک با شکست مواجه می‌شود با نتایج تجربی سازگارند. بنابراین در کاربرد توزیع ماکسولی محدودیتهایی وجود دارد. همانگونه که در واقع برای هر نظریه‌ای چنین است.

Researchers in the US have done what Albert Einstein thought was impossible – measure the instantaneous velocity of a particle undergoing Brownian motion. The measurements, performed on micron-sized suspended glass beads, prove directly that a Brownian particle's kinetic energy is independent of its size, as is the case with atoms and molecules, and suggest a way of studying the quantum properties of macroscopic particles.

In 1905 Einstein published a mathematical description of Brownian motion – the random movement of small particles held in a liquid or gas as a result of their continuous bombardment by the molecules in the fluid. This work cleared up earlier controversial studies of Brownian particles, which suggested that the particle's velocity would approach infinity when measured over very short periods.

By combining thermodynamics and statistical mechanics, Einstein showed that the displacement of a particle continuously subject to random collisions is proportional to the square root of time and not to time, as would be the case for a particle following an undisturbed, or "ballistic", trajectory. The experimenters had therefore been measuring the wrong quantity – velocity in this case was not simply displacement divided by time.

Impossible to follow

Einstein's prediction was verified experimentally a few years later by the physical chemist Jean Perrin. However, Einstein knew that his formulation only applied above a certain length scale – at the smallest distances even Brownian particles should show ballistic motion. But he believed that it would be impossible in practice to track this motion, given the incredibly short timescales over which the Brownian fluctuations take place. For example, a silica sphere with a diameter of 1 µm immersed in water has a velocity that changes both in direction and magnitude every 100 ns (10^-7 s), requiring that a detector system have a response time of less than about 10 ns.

Now, Mark Raizen, Tongcang Li and colleagues at the University of Texas at Austin have found a way round this problem by studying particles in air rather than a liquid. Because air is much less dense than water its molecules are farther apart and therefore the distance, and time, between Brownian collisions is much greater. Indeed, velocity of a Brownian particle changes about once every 100 µs in air.

Air, however, is not dense enough to support even the lightest of particles against the force of gravity. Instead, Raizen's team suspended a micron-sized silicon-oxide bead in air using the radiation pressure of a pair of laser beams known as an optical tweezer. As the bead was battered to and fro by air molecules its slight displacement from the centre of the laser trap was measured by the tiny deflection of one of the beams, this beam having been split and the difference in power between the two halves then measured.

Ballistic trajectories right on target

The researchers plotted graphs of how the displacement varied with the measurement timescale. As expected, they found that on the microsecond scale this relationship obeyed the straight proportionality predicted for ballistic trajectories. They then calculated the instantaneous velocities along these ballistic trajectories (simply from dividing displacement by time) and found them to follow a Maxwell-Boltzmann distribution, as predicted by kinetic theory.

The average instantaneous velocity was found to be very close to that calculated using the equipartition of energy theorem, which states that in thermal equilibrium each degree of freedom of a particle has the same average kinetic energy – ½kT – no matter how massive the particle. The experiment therefore provides direct verification of this theory for Brownian particles, says Raizen, and proves, as he puts it, that a micron-sized glass bead has the same average kinetic energy as a single air molecule.

The researchers say that their technique can also be used to reduce the motion of a suspended particle in a vacuum, by applying a force of just the right strength in the opposite direction to the instantaneous velocity at every moment. In fact, they believe that it will be possible to cool a particle down all the way to its quantum ground state. At this point, they say, the energy equipartition theorem will no longer hold true because the existence of zero-point energy means that the kinetic energy of the particle will not approach zero even at 0 K.

'Important step forward'

Mark Haw of the University of Strathclyde in the UK describes the work as "an important step forward" in our understanding of Brownian motion, adding that it could have important applications in systems that are strongly affected by such motion, including living cells and nanoscale machines. But he cautions that it will be difficult to reach the quantum regime. "The necessary refinement in precision may take some time," he explains.

The research has been published in Science