همزمان با شروع سال نوی میلادی، مناسب است که مروری بر مهمترین های فیزیک در سالی که گذشت داشته باشیم. مجله فیزیک اخبار منتخب خود از سال 2022 را در سایتش منتشر کرده است که در زیر خلاصه ای از آن را می خوانید:

سال 2022 با تصاویر خیره کننده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، پیشرفت هایی در گداخت لیزری، اجرای برخورد دهنده بزرگ هادرونی ارتقا یافته و اولین آزمایش یک سیستم دفاعی سیارکی نتایج شگفت انگیز زیادی را به همراه داشت. همچنین تلاش‌های مهمی در مقیاس کوچک‌تر در حوزه فیزیک بیولوژیک، کوانتوم و ماده چگال انجام گرفت.

نشان سال برای گداخت لیزری

سال با موفقیتی به پایان رسید و تأسیسات ملی احتراق در کالیفرنیا به نقطه عطفی که مدت ها در انتظارش بود رسید. در اوایل سال جاری، تیم به احتراق دست یافت، یک شرایط سوزاندن خودپایدار که در آن گرمایش محلی بر گرمایش خارجی و از دست دادن انرژی به محیط غالب است (نگاه کنید به دیدگاه: گداخت گرما را افزایش میدهد). هفته گذشته، محققان اعلام کردند که قدم بعدی را برداشته‌ و نشان دادند که یک واکنش گداخت ناشی از لیزر انرژی بیشتری نسبت به انرژی صرف شده تولید می‌کند (به اخبار پژوهشی: نزدیک شدن به گداخت هسته‌ای مراجعه کنید). متیو زف Matthew Zepf از Helmholtz Institute Jena می‌گوید در حالی که عملی کردن راکتور گداخت مبتنی بر لیزر چندین دهه است که باقی مانده، نتایج نشان می‌دهد که گداخت لیزری با سرعتی مشابه با پیشرفت رایانه ها به پیش می‌رود.

فیزیک کوانتومی را حقیقی تصور نکنید

در معادله کوانتومی شرودینگر عدد فرضی i نوشته شده است که نشان می‌دهد جواب‌های معادله را می‌توان با مقادیر مختلط معرفی کرد. اما آیا اعداد مختلط فقط برای راحتی ریاضی هستند؟ آیا می توان یک نظریه کوانتومی را فقط بر اساس اعداد حقیقی فرمولبندی کرد؟ در واقع برخی از فیزیکدانان عنوان کرده اند که مکانیک کوانتومی با مقادیر حقیقی، می تواند همان پیش بینی های مکانیک رایج را ارائه دهد، اما در آغاز سال آزمایش های دو گروه مستقل - بر اساس "مسابقه ای" که در آن سه طرف آزمایش‌های بل-مانند را انجام می‌دهند – چیز دیگری را پیشنهاد داد (نگاه کنید به دیدگاه: مکانیک کوانتومی باید پیچیده باشد). تجزیه و تحلیل ها نشان می­ دهد که اعداد مختلط برای توصیف چنین آزمایشاتی ضروری است، به این معنی که اعداد واقعی برای توصیف جهان کوانتومی آنطور که ما به طور کلی آن را درک می کنیم، کافی نیستند.

سیاهچاله راه شیری نمایان می شود

در ماه می، دانشمندان از دومین تصویر سیاهچاله رونمایی کردند. اولین عکس سیاهچاله که در سال 2019 منتشر شد، یک سیاهچاله بسیار پرجرم را در فاصله بیش از 50 میلیون سال نوری از زمین نشان می داد. دومی Sagittarius A* را نشان داد، پرتگاه سیاهی که در فاصله 26000 سال نوری از ما قرار دارد (به اخبار پژوهشی: اولین تصویر سیاه چاله راه شیری مراجعه کنید). این کار، کار چندان مهمی نبود، زیرا شامل بازیابی یک تصویر کامل از عکس‌های فوری گرفته شده توسط تلسکوپ‌های جداگانه و خراب شده به علت تار شدن ناشی از حرکت گاز در اطراف Sagittarius A* بود. برای دور زدن این مشکلات، این تیم الگوریتم‌هایی را توسعه دادند که می‌توانند از بین هزاران تصویر بازسازی‌شده، تصویری را انتخاب کنند که بهترین تناسب با داده‌های ناقص را داشته باشد. کیتی بومن Katie Bouman، مهندس مؤسسه فناوری کالیفرنیا که روی این الگوریتم‌ها کار می‌کرد، گفت: رسیدن به این نتیجه سال‌ها طول کشید، اما ما هرگز از این چالش عقب نشینی نکردیم.

اطلاعات بیشتر در مورد بوزون هیگز

ده سال پس از کشف بوزون هیگز، هیچ چیز در مورد آن با مدل استاندارد مخالفت نمی کند. اما فیزیکدانان ذرات بر این باورند که مطالعه هیگز مهمتر از همیشه است (به ویژگی خبری: عصر فیزیک هیگز مراجعه کنید). دانستن اینکه هیگز چگونه با خود و با ذرات دیگر تعامل می کند یا یافتن سایر ذرات هیگز-مانند می تواند به فیزیکدانان کمک کند تا ماهیت ماده تاریک را رمزگشایی کنند یا علت تسلط ماده بر ضد ماده را توضیح دهند. اجرای سوم برخورد دهنده بزرگ هادرونی که در ماه جولای آغاز شد (به اخبار پژوهشی: نشانه های خوب برای اجرای سوم مراجعه کنید)، تعداد ذرات هیگز موجود برای تجزیه و تحلیل را دو برابر خواهد کرد. لوکا مالگری Luca Malgeri سخنگوی تاسیسات CMS که هیگز را کشف کرد، می‌گوید: «ما واقعاً در حال ورود به عصر فیزیک دقیق هیگز هستیم.

دو نقطه عطف فضایی

در 12 جولای، ناسا اولین تصاویر گرفته شده توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب، بزرگترین تلسکوپ پرتاب شده به فضا را با جهان به اشتراک گذاشت (به اخبار پژوهشی: تصاویر کیهانی نمادین از تلسکوپ فضایی جیمز وب مراجعه کنید). دقیقاً سه ماه بعد، آنها تأیید کردند که اولین نمایش از ابزاری برای دفاع سیاره‌ای، که شامل کوبیدن یک فضاپیما به یک سیارک بود، کارش را انجام داده است: تغییر مدار سیارک (به اخبار پژوهشی مراجعه کنید: برخورد فضاپیما باعث تغییر مدار سیارک به اندازه 32 دقیقه شد) . در حالی که اطلاعات ارسالی از هر دو ماموریت هنوز در حال بررسی است، سال 2022 به احتمال زیاد در کتاب های تاریخ به عنوان نقطه عطفی برای تحقیقات فضایی ثبت خواهد شد.

رمزگشایی از تا شدن پروتئین

در چند سال گذشته AlphaFold - یک مدل یادگیری ماشین - به موفقیت قابل توجهی در پیش‌بینی ساختارهای پروتئینی سه بعدی از توالی‌های آمینو اسیدی آنها دست یافت. امسال، محققان نشان دادند که AlphaFold همچنین می‌تواند اصول فیزیکی زیربنایی حاکم بر فرآیند تا شدن را آشکار کند (نگاه کنید به دیدگاه: مدل یادگیری ماشین فیزیک حاکم بر تا شدن پروتئین را آشکار می کند). هر توالی آمینواسیدی معین می‌تواند به روش‌های زیادی تا شود و AlphaFold می‌تواند آن‌هایی را که قابل دوام هستند از بین همه پیکربندی‌های نامزد انتخاب کند. این تحقیق نشان داد که با انجام این کار، AlphaFold اصول فیزیکی مانند به اصطلاح پتانسیل انرژی برای تا شدن پروتئین را می آموزد. این یافته نشان می دهد که یادگیری ماشین می تواند اطلاعاتی را در مورد فرآیندهای زیست مولکولی پیچیده که نمی توانند از اصول اولیه استخراج شوند، کشف کند.

گالیله امروزی

در پایان تابستان MICROSCOPE - یک آزمایش مبتنی بر ماهواره - گزارش داد که اصل هم ارزی را با بالاترین دقتی که تاکنون به دست آمده تأیید کرده است (نگاه کنید به دیدگاه: ماهواره اصل سقوط را تأیید می کند). طبق این اصل، جرم‌های گرانشی و اینرسی کاملاً معادل هستند و یافتن اختلاف هایی بین این دو می‌تواند فراتر از فیزیک مدل استاندارد که به رازهایی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک مربوط است را آشکار کند. آزمایش‌هایی که از زمان گالیله انجام شده است، این اصل را با حساسیت روزافزون تأیید کرده‌اند. MICROSCOPE با رهایی از اختلالاتی که بر آزمایش‌های زمینی تأثیر می‌گذارد، تمام رکوردهای حساسیت را شکست. این آزمایش با مقایسه سرعت سقوط دو استوانه ساخته شده از مواد مختلف نشان داد که اگر جرم گرانشی و اینرسی با هم تفاوت داشته باشند کمتر از 1 قسمت در 10¹⁵ است. مجله فیزیک نیز این آزمایش را در یک کاریکاتور به تصویر کشیده است.(ویژگی خاص را ببینید: اصل هم ارزی زیر میکروسکوپ).

معمای جیوه شکسته شد

جیوه، اولین ابررسانایی که شناسایی شده، زمانی که محققان توصیفی نظری ارائه کردند که می تواند رفتار فلز را از روی اصول اولیه (first principles) پیش بینی کند، برخی از آخرین اسرار حل نشده خود را کنار گذاشت (به خلاصه: توضیح ابررسانایی جیوه، 111 سال بعد مراجعه کنید). کشف ابررسانایی در سال 1911 انجام شد، زمانی که فیزیکدان هایک کامرلینگ اونس جیوه را تا حدود 4K خنک کرد. در حالی که بعدها ابررسانایی جیوه به عنوان "متعارف" شناخته شد، هیچ نظریه میکروسکوپی قادر به توصیف دقیق آن نبود. محققان با در نظر گرفتن اثرات نامحسوس و اغلب نادیده گرفته شده مرتبط با ابررسانایی جیوه، این کار را انجام دادند. بینش به ‌دست‌آمده می‌تواند در جستجوی طراحی ماده برای ابررساناهای معمولی نزدیک به شرایط دما و فشار محیطی مفید باشد.

شنیدن بهتر به روش کوانتومی

یک روش جدید برای اندازه‌گیری سریع جفت فوتون‌های درهم‌تنیده مکانیک کوانتومی منجر به ارائه میکروفون نوری کوانتومی شد که عملکرد بهتری از میکروفون کلاسیک داشت (به تمرکز: شنیدن تفاوت کوانتومی مراجعه کنید). در این نمایش، گروه محقق یک سری از کلمات گفته شده با صدای کم را در سیگنال‌های نوری که توسط فوتون‌های درهم‌تنیده منتقل می‌شد رمزگذاری کردند که سپس آشکارسازی شده و به صدای ضبط شده تبدیل شدند. شنوندگان، کلمات را در این «ضبط کوانتومی» با دقت بیشتری نسبت به کلمات ضبط شده با تکنیک کلاسیک معادل تشخیص دادند. محققان می گویند که ارائه آنها قابلیت این روش را برای اندازه گیری سیگنال های سریع و پر سر و صدا، مانند سیگنال هایی که توسط حرکت تک مولکول ها در سلول های بیولوژیکی ایجاد می شود نشان می دهد.

منبع:

Highlights of the Year

ترجمه خبر: شهره کرمی