مهمترین اخبار فیزیک در سال 2023

ویراستاران مجله physics اخبار برگزیده خود از سال 2023 را انتخاب کرده اند.

سال گذشته، مملو از اخبار پیرامون شگفتی های کیهانی بود، از جمله کشف امواج گرانشی عظیم گذرنده از میان کهکشان ما، انتشار اولین تصویر نوترینو از راه شیری و مطالعات مربوط به احتمال برخوردهای سیاره ای- مایلیم به خوانندگان اطمینان خاطر دهیم که برخوردها در منظومه شمسی، خیلی نزدیک به حوالی ما نیستند. اجرام زمینی نیز داده هایی را برای موضوعات هیجان انگیز در مورد ساز و کارهای ارتباط سلولی، مفاهیم یادگیری ماشین برای فیزیک و ساعتهای مولکولی دقیق فراهم آوردند.

با آرزوی یک 2024 بی نظیر!

ویراستاران

موج سواری روی امواج گرانشی غول پیکر

یکی از بزرگترین پیشرفتهای غیرمنتظره امسال، این کشف بود که کهکشان ما در اقیانوسی از امواج گرانشی عظیم نوسان کننده در مقیاس های زمانیِ سال ها تا دهه ها، حرکت می کند (خبر مربوطه). امواج نانو هرتز توسط چهار آزمایش نجوم رادیویی مستقل شناسایی شدند که گذر امواج گرانشی را از طریق ثبت کردن تغییرات جزئی در زمان رسیدن پالس ها از "فانوس های دریایی" کیهانی، موسوم به پالسارها، آشکارسازی می کنند. محتمل ترین توضیح برای این امواج، جفت های سیاهچاله های کلان جرم در دیگر کهکشان ها است، اما منابع مربوط به ماده تاریک، تورم یا نقص های کیهانی را نمی توان کنار گذاشت. برای مصورسازی این کشف، مجله Physics با جورج چام Jorge Cham، با نام مستعار PHD Comics همکاری کرد (Special Feature: The Nanohertz Gravitational-Wave Detection Explained را ببینید).

در 29 ژوئن، گروه IceCube از اولین تصویر نوترینو راه شیری پرده برداری کرد.(Research News: Milky Way Viewed through Neutrinos را ببینید). نقشه-یک دنباله از لکه های آبی، تار و به هم پیوسته- با تصاویر تکه ای از آسمان که در طول موج های امواج رادیویی، اپتیکی و اشعه گاما گرفته شده اند، تقریبا مطابقت دارد. هنگامی که نائوکو کوراهاشی نیلسون Naoko Kurahashi Neilson از گروه آیس کیوب، اولین بار آن را دید از شگفتی حیرت زبانش بند آمده بود. "به همه مردمی فکر کن که در تاریخ بشریت، چه با چشمان خود چه با تلسکوپ، به راه شیری نگاه کرده اند. هیچ یک از آنها این چشم انداز را ندیده اند. هیجان انگیز است که اولین نفر باشی!" اخترشناسان هنوز باید این نقشه را آنالیز کنند تا دریابند چه اسراری ممکن است در بر داشته باشد.

گریختن از امواج کوانتومی؟

اغلب فیزیکدانان انتظار دارند که رفتار کوانتومی را در قلب همه نیروهای بنیادی بیابند. اما گرانش تاکنون این انتظار را برآورده نکرده است، زیرا کوانتیزه کردن گرانش، مستلزم کشیدن "قالی فضا زمان-کلاسیک" از زیر پای دیگر تئوری های نیرو است. کار جدید تئوری، حاکی از آن است که یک جایگزین وجود دارد: فضازمان را به صورت کلاسیک باقی بگذارید، اما مقداری تصادفی بودن در میان ساز و کاری که گرانش را با دیگر نیروها جفت می کند، قرار دهید ( Viewpoint: Might There Be No Quantum Gravity After All? را ببینید). یک مزیت این رویکرد این است که می تواند اثری را که میدان های کوانتومی روی انحنای فضا­زمان دارند، توصیف کند. پژوهشگران به عنوان محک های ممکن برای این تئوری جدید، تلاش برای در همتنیدگی گرانشی دو جرم یا جستجو برای نوسانات در وزن یک شی در یک میدان گرانشی را پیشنهاد داده اند.

ارتباط موثر، شیوه سلولی

ارتباط، چیزهای زنده را از جسم غیر زنده جدا می کند. نه تنها ارگانیسم های زیستی دائما با محیط خود تبادل انرژی می کنند، بلکه آن را طوری انجام می دهند که با ارسال و دریافت اطلاعات در همپیچیده شده است. پژوهشگران رویکرد جدیدی را جهت تعیین مقدار انرژی لازم برای اینکه یک سلول به اجزائش اطلاعات بفرستد اتخاذ کردند (Viewpoint: The Cost of Sending a Bit Across a Living Cell را ببینید). مدل های مبتنی بر سه ساز و کار اصلی پیام رسانی- جریانهای الکتریکی، پخش شوندگی مولکولی و امواج صوتی- به فاصله ای که طی آن اطلاعات می تواند با یک بهای انرژی معقول ارسال شود به دقت اشاره کرده اند. این یافته به پژوهشگران کمک خواهد کرد که بازدهی پیام رسانی زیستی را ارزیابی نمایند و متوجه شوند چگونه بر هم کنش انرژی و تبادل اطلاعات، ماده زنده را توصیف می کند.

تکرارگرها برای یک شبکه کوانتومی

پژوهشگران با نمایش یک تکرارگر کوانتومی مبتنی بر یون های به دام افتاده، گام مهمی به سمت توسعه شبکه های ارتباط کوانتومی کاربردی برداشتند (Viewpoint: Quantum Repeater Goes the Distance را ببینید). کیوبیت ها در یک شبکه کوانتومی معمولا به شکل فوتون های در همتنیده جابه جا شده در فیبرهای نوری هستند. اما تضعیف در فیبرها در فاصله ای که فوتون ها می توانند به طور قابل اطمینانی طی آن جابه جا شوند، محدودیت های حدی ایجاد میکند. تکرارگر کوانتومی مبتنی بر یون می تواند تلفات فوتونی را با عمل کردن به عنوان یک گره واسطه بین بخش های دور جبران کند. گروه از تکرارگر به منظور نمایش یک ارتباط 50 کیلومتری -فاصله ای کافی برای برخی کاربردها- استفاده کردند. اما آنها همچنین راهی به منظور دستیابی به اندازه های صدها کیلومتری در آینده نزدیک ترسیم کردند.

فیزیکدانان برای هوش مصنوعی چه کاری میتوانند انجام دهند؟

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (AI/ML) به طور فزاینده ای در حال سودمند واقع شدن برای فیزیک هستند. برخی کاربردها-بدون هیچ تعجبی-از قابلیت AI/ML برای جستجو کردن در میان مقادیر زیادی از داده ها به منظور خلاصه کردن مفاهیم فیزیکی معنادار بهره می برند. اما همان طور که سانکار داس سارما Sankar Das Sarma از دانشگاه مریلند می نویسد، AI/ML این پتانسیل را دارد که بیشتر از فقط یک ابزار روزمره باشد. می تواند فیزیک را با کشف مفاهیم و نظریه های جدید متحول سازد (Opinion: How AI and ML Will Affect Physics را ببینید). داس سارما استدلال می کند که فیزیکدانان نباید فقط به طور منفعلانه از AI/ML استفاده کنند، بلکه باید تلاش کنند تا دریابند چرا آن کار می کند و چه موقع شکست می خورد. او می نویسد: "ما نباید فقط بپرسیم که AI/ML چه کاری می تواند برای ما انجام دهد، بلکه باید بپرسیم ما چه کاری می توانیم برای AI/ML انجام دهیم".

منطقه امن سیاره

جهان ها می توانند واقعا به هم برخورد کنند. این نگرانی دانشمندانی است که آشوب را در منظومه شمسی ما مطالعه می کنند و دریافته اند که در مقیاس های زمانی میلیون-سال سیاره ها باید از مدارهای خود خارج شوند که به طور بالقوه منجر به برخوردهای سیاره ای خواهد شد. و با این وجود، منظومه شمسی ما در مقیاس های زمانی بیلیون-سال پایدار است. پژوهش جدیدی از آنچه که احتمالا در حال جلوگیری کردن از برخوردهای فاجعه بار است، پرده برداری کرده است (Viewpoint: Tackling the Puzzle of Our Solar System’s Stability را ببینید). پژوهشگران کمیت های معینی را در منظومه شمسی شناسایی کرده اند که تحت تاثیر قوانین پایستگی مشابه با آنهایی که بر تکانه زاویه ای حاکم هستند، می باشند. این قوانین، حرکت بی نظم سیارات را "هدایت می کنند" به طوریکه تغییرات مداری مدت زمان زیادی طول می کشد که رخ دهند. این اخبار اطمینان بخش در یک کاریکاتور توصیف شده است (Special Feature: How Our Solar System Avoids Planet Collisions را ببینید).

ساعت با عقربه های مولکولی

ساعتهای مچی این روزها در حال برگشتن به جایگاه خود هستند، اما آخرین مد گاهشماری در فیزیک ممکن است یک ساعت مولکولی باشد. ساعتهای بسیار دقیق که از اتم های به دام افتاده استفاده می کنند مرسوم هستند، اما اصول کاری مشابه می توانند برای مولکولهای به دام افتاده هم به کار برده شوند. با استفاده از مولکولهای استرانسیوم (SR₂)، پژوهشگران دقیق ترین ساعت مولکولیِ تا این تاریخ را با نرخ خطای یک در 10¹⁴ ساختند ( Research News: New Accuracy Record for Molecular Lattice Clock را ببینید). تیک تاک ساعت که از گذارهای ارتعاشی مولکولهای استرانسیوم ناشی می شود، به دقت ساعتهای اتمی نیست، اما دستگاه می تواند کاربردهای ویژه ای را تحت پوشش قرار دهد. برای مثال پژوهشگران می توانند از آنها به منظور جستجوی نیروهای وابسته به گرانش فرضی از طریق مقایسه فرکانسهای تیک تاک ساعتهای ساخته شده با ایزوتوپ های مختلف استرانسیوم استفاده کنند.

خنثی کردن امواج آب

در گامی به سوی کاهش فرسایش خط ساحلی، پژوهشگران یک کانال آب به عرض 6 سانتی متر ساختند که امواج آبی را "می بلعد" (Focus: Vanishing Act for Water Waves را ببینید). وقتی امواج با فرکانس مناسب به یک جفت از کاواک های تشدید کننده ساخته شده در کنار کانال برسند، ناپدید می شوند-کاواک ها هر نوع بازتاب و عبور از آن نقطه را با تولید بازتاب هایی که هر انتشار دیگری را خنثی می کند، حذف می کنند. یک متخصص انتشار موج می گوید این ایده میتواند به کاربردهایی از قبیل سدهایی با کاهش خطر سرریز شدن آب و سیستم هایی برای استخراج کردن انرژی از امواج اقیانوس منتهی شود.

"زمستان های طولانی" در قطب جنوب

هر زمستان، در ایستگاه قطب جنوب آموندسن-اسکات، چند ده پژوهشگر با شب قطبی طولانی 6 ماهه با اجرای آزمایش ها در علم هواشناسی، اخترفیزیک و زیست شناسی، رو به رو می شوند. در یک قسمت از برنامه This is Physics (Podcast: Life at the South Pole Science Station را ببینید)، دو پژوهشگر که در حال کار با تلسکوپ قطب جنوب و آزمایش BICEP بودند، با مجله Physics درباره زیبایی آسمانهای شب و هیجان اندازه گیری سیگنال ها از نخستین لحظات عالم، و در عین حال درباره محرومیت های حسی که زندگی در قطب جنوب موجب میشود، صحبت کردند. غذای لذیذ یک نانوای خلاق- او هم مهمان پادکست بود-که روشهایی به منظور دستیابی به پختن خمیر مایه از فلفل های سبز رشد یافته در گلخانه کوچک ایستگاه پیدا کرده بود، به آنها روحیه میداد.

منبع:

Highlights of the Year

ترجمه خبر: بهناز ساربانها