آشنایی با امواج اسکالر

امواج اسکالر یکی از مفاهیم جذاب و پیچیده در زمینه الکترومغناطیس و فیزیک است. این نوع امواج توسط نیکولا تسلا در سال ۱۸۹۹ کشف شد و از آن زمان به عنوان موضوعی مورد بحث بسیاری از پژوهشگران بوده است. برای فهم بیشتر امواج اسکالر ابتدا باید امواج الکترومغناطیسی را توضیح داد. در فیزیک، امواج الکترومغناطیسی شامل امواجی هستند که از دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی عمود بر هم ایجاد می‌شوند که با زمان و مکان، نوسان و در جهتی خاص حرکت می‌کنند. به بیان دیگر، امواج الكترومغناطیسی نوسانات میدان های الكتریكی و مغناطیسی عمود برهم هستند كه در فضا به صورت امواج عرضی انتشار پیدا می‏كنند. این امواج شامل امواج مادون قرمز، نور مرئی، اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس و گاما می‌شوند. یک نمونه از امواج الکترومغناطیسی در شکل ذیل نشان داده شده است:

امواج اسکالر به عنوان یکی از انواع امواج میدانی در فضای حالت کوانتومی وجود دارند. امواج اسکالر به تنهایی در فضا حرکت نمی‌کنند، بلکه به عنوان بخشی از یک فضای حالت کوانتومی برای توصیف وضعیت یک ذره یا سیستم ذرات به کار می‌روند.  برخلاف امواج عرضی الکترومغناطیسی که به صورت عمود بر جهت حرکتشان به سمت بالا و پایین حرکت می‏کنند، امواج اسکالر در راستای جهت انتشار ارتعاش می‏کنند. از نظر فنی امواج اسکالر، اندازه (بزرگی) دارند اما جهت ندارند، زیرا طبق تعریف امواج اسکالر و مطابق شکل ذیل، دو موج الکترومغناطیسی مساوی با فرکانس یکسان که مخالف یکدیگر هستند، امواج اسکالر (یا امواج طولی) را تشکیل می‌دهند.

هنگامی که دو فرکانس از جهات متضاد به هم می‏رسند، یکدیگر را خنثی می‏کنند و انرژی ساکن را پشت سر می‏گذارند. این انرژی ساکن از امواج اسکالر می‌تواند انتقال انرژی بدون تلفات را انجام دهد و در طول زمان یا مسافت از بین نمی‌رود، اما امواج نور یا امواج صوتی در طول زمان و مسافت تحلیل می‌روند. این انرژی اسکالر می‏تواند اطلاعات را حمل کند و این اطلاعات می‏تواند برای اهداف درمانی بکارگیری شود. همانطور که تسلا در یکی از آزمایشات خود نشان داد، امواج اسکالر قادرند از یک سمت به سمت دیگر بدون از دست دادن قدرت میدان عبور کنند. تسلا با آزمایش‏های خود ثابت کرد که امواج اسکالر می‏توانند از اجسام فلزی جامد بدون از دست دادن قدرت عبور کنند و می‏توانند حتی سریعتر از سرعت نور حرکت کنند. یک کشف مهم دیگر بیان می‏کند که علاوه بر انواع امواج الکترومغناطیسی، انواع مختلفی از امواج اسکالر نیز وجود دارد. به عنوان مثال، امواج اسکالر حیاتی، امواج اسکالر احساسی، امواج اسکالر ذهنی، امواج اسکالر علّی و … وجود دارد.
 
امواج الکترومغناطیسی و امواج اسکالر هر دو نوعی از امواج هستند که انرژی را از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر منتقل می‌کنند. هر دوی این امواج می‌توانند فرکانس مشابهی داشته باشند و هر دو می‌توانند به صورت امواجی در فضا حرکت کنند. هم‏چنین در فیزیک، هر دوی این امواج دارای معادلات خاصی هستند که می‌توان از آنها برای محاسبه خصوصیات و ویژگی‌های آنها استفاده کرد. بعضی از کاربردهای امواج الکترومغناطیسی و امواج اسکالر نیز ممکن است مشابه باشند. برای مثال، در فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم، هر دو نوع امواج برای ارسال اطلاعات استفاده می‌شوند. هم‏چنین، در برخی از کاربردهای پزشکی، هر دو نوع امواج برای تصویربرداری و درمان استفاده می‌شوند.
با این حال باید توجه داشت که تفاوت اساسی بین امواج الکترومغناطیسی و امواج اسکالر، در نوع میدان حمل‏کننده انرژی است. در واقع، تفاوت اصلی بین این دو نوع امواج در روش انتقال انرژی و مکانیسمی است که برای حمل انرژی استفاده می‌شود. شکل ذیل مقایسه بین انتشار امواج الکترومغناطیسی (عرضی) و امواج اسکالر (طولی) را نشان می‏دهد. امواج الکترومغناطیسی با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی انرژی را منتقل می‌کنند.

این امواج، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را به طور همزمان حمل می‌کنند و انرژی را از طریق این دو میدان به محل مقصد منتقل می‌کنند. امواج الکترومغناطیسی در ارتباطات بی‌سیم، رادیو، تلویزیون، انواع پزشکی و دیگر کاربردها استفاده می‌شوند. اما امواج اسکالر، به صورت امواجی یک بعدی و بدون حمل هرگونه میدان الکتریکی یا مغناطیسی، انتقال انرژی را انجام می‌دهند. به عبارت دیگر، این امواج به شکل نوساناتی در یک میدان اسکالر ایجاد می‌شوند و انرژی را از طریق این میدان به محل مقصد منتقل می‌کنند. در واقع در امواج اسکالر، انرژی امواج به صورت میدان‏های برداری بر روی یک نقطه انتقال نمی‌یابد و فقط با استفاده از یک میدان اسکالر (یا یک مقدار عددی)، انرژی را انتقال می‌دهند. این نوع امواج در برخی فناوری‌های جدید مانند رادیوتراپی و سیستم‌های انتقال انرژی بی‌سیم استفاده می‌شوند. تفاوت دیگر بین امواج الکترومغناطیسی و امواج اسکالر در وجود یا عدم وجود قطبیت در آنها است. امواج الکترومغناطیسی قطبی هستند، به این معنی که در آنها میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی در جهات عمودی به هم قرار دارند. این بدین معنی است که امواج الکترومغناطیسی دارای جهت و قطبیت هستند. اما امواج اسکالر بدون قطبیت هستند و فقط یک میدان متناوب بدون جهت خاص دارند. به عبارت دیگر، این امواج تنها یک ارزش عددی را تغییر می‏دهند و بدون داشتن جهت و قطبیت قابل شناسایی هستند. 
 
امواج اسکالر به عنوان یک روش نوین برای انتقال اطلاعات در فواصل بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند. در حالی که امواج الکترومغناطیسی معمولی با افزایش فاصله به طور قابل توجهی تضعیف می‌شوند، امواج اسکالر می‌توانند انرژی را به فواصل بالا منتقل کنند. از مزایای استفاده از امواج اسکالر در انتقال اطلاعات می‌توان به فاصله طولانی انتقال بدون افت شدید سیگنال،  عدم تداخل با امواج الکترومغناطیسی، قابلیت انتقال اطلاعات با فرکانس بالا، فاصله بین قطب‏های گیرنده و فرستنده بسیار بزرگ‌تر و پوشش گسترده اشاره کرد. به همین دلیل این امواج در بسیاری از کاربردهایی مانند انتقال اطلاعات در بین سیستم‌های نظامی و فضایی، شبکه‌های ارتباطی طولانی مدت، ارتباطات ماهواره‏ای، ارتباطات زمین و ماهواره، تحقیقات دور از دسترس، انتقال داده‌های رادیویی در دریا و بیابان‌ها و حتی در داخل زمین به کار می‌روند. هم‏چنین در صنعت نفت و گاز، این امواج برای ارتباط با سیستم‌های کنترلی در ناحیه‌های دورافتاده و بیرون از دسترس استفاده می‌شوند.
در حالت کلی برای انتقال سیگنال در فواصل بالای 100 کیلومتر، معمولا از فیبر نوری استفاده می‌شود. امواج نوری در فیبر نوری با سرعت بسیار بالا حرکت می‌کنند و با استفاده از تکنولوژی‌های پردازش داده‌ها، این امواج می‌توانند به صورت دیجیتال از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شوند. هم‏چنین، در شبکه‌های تلفن همراه و اینترنت از سیستم‌های ارتباطی مبتنی بر موج کوتاه و فرکانس بالا مانند میکروویو استفاده می‌شود که با انتشار موج‌های الکترومغناطیسی، ارتباطات را بین دو نقطه برقرار می‌کنند. در این حالت نیز، انتقال سیگنال به دلیل تضعیف موج‌ها در فواصل بلند، با استفاده از تکنولوژی‌های تقویت‏کننده موج و بازیابی سیگنال از موج‌های ضعیف، امکان‌پذیر می‌شود. استفاده از امواج اسکالر برای انتقال سیگنال در فواصل بالای 100 کیلومتر به دلیل دارا بودن مزایایی که اشاره شد، می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. برای استفاده از امواج اسکالر در انتقال داده، نیاز به ابزارهای خاصی است که قابلیت تولید، انتقال و دریافت این نوع امواج را دارا باشند. برای این منظور، می‌توان از آنتن‌های خاص و تجهیزات الکترونیکی مخصوصی استفاده کرد. برای تولید امواج اسکالر، می‌توان از مولد‌های تفاضلی استفاده کرد. این مولد‌ها، با ایجاد تفاضل پتانسیل بین دو نقطه، امواج اسکالر را تولید می‌کنند. برای انتقال این امواج، می‌توان از آنتن‌های خاصی استفاده کرد که برای انتقال امواج اسکالر طراحی شده‌اند. برای دریافت این امواج، نیز باید از آنتن‌هایی استفاده کرد که بتوانند این نوع امواج را به شکل سه بعدی دریافت کنند. در کل، برای استفاده از امواج اسکالر در انتقال داده، نیاز به تجهیزات الکترونیکی و آنتن‌های خاصی است که قابلیت تولید، انتقال و دریافت این نوع امواج را دارا باشند.به دلیل اینکه کاربردهای امواج اسکالر بسیار جدید و نوین هستند، تحقیقات و آزمایش‌های بیشتری برای بررسی و بهینه‌سازی این تکنولوژی نیاز است. 
از جمله چالش‌هایی که در استفاده از امواج اسکالر برای انتقال سیگنال وجود دارد، می‌توان به بررسی تاثیر فواصل بزرگ و مانع‌های مختلف بر روی کیفیت انتقال سیگنال اشاره کرد. هم‏چنین، نیاز به طراحی و ساخت سیستم‌هایی برای تولید و انتقال این امواج و نیز گیرنده‌های حساس برای دریافت آن‌ها است.

نظرات