داستان فیزیک در سال ۲۰۲۱ چگونه گذشت؟

ضمن تبریک سال نوی میلادی، در این مقاله به بررسی داستان فیزیک در سال ۲۰۲۱ می‌پردازیم‌، داستانی که از ذرات زیراتمی رازآلود شروع می‌شود و با کامپیوترهای کوانتومی عجیب و غریب و یکی از بلندپروازانه‌ترین آزمایش علمی تاریخ یعنی پرتاب تلسکوپ جیمز وب ادامه می‌یابد. با دیپ لوک همراه باشید…

یکی از اولین یافته‌های سال ۲۰۲۱ کشف یک پدیده‌ شگفت‌انگیز کیهانی بود: لکه دراز و عجیبی که در تصاویر اشعه ایکس از کیهان ظاهر می‌شد و تا پیش از این دانشمندان باور داشتند توده‌های گازی باقی‌مانده از یک انفجار ستاره‌ای قدیمی است. اما مشخص شد که این لکه در واقع لبه یک ساختار عظیم است؛ یک حباب که بر کهکشان راه شیری سایه انداخته است. جالب اینکه کشف مذکور توسط رصدخانه فضایی فرمی انجام شده بود که از اساس برای بررسی این پدیده طراحی و ارسال نشده بود، چرا که اصلا کسی به دنبال کشف آن نبود. به هر حال این نوع اکتشافات، سابقه دیرینه‌ای داشته و به زمانی برمی‌گردند که اقمار مشتری به صورتی کاملا غیرمنتظره در تلسکوپ گالیله خود را نمایان ساختند. این موضوع نشان می‌دهد که نگاه دقیق‌تر و با ابزار پیشرفته‌تر به پدیده‌های عالم معمولا نتایج غیرمنتظره‌ای به بار می‌آورد.

تلسکوپ جیمز وب به فضا پرتاب شد. پرتاب این تلسکوپ موفقیت آمیز بوده است. برای اطلاع بیشتر به این لینک مراجعه کنید. برای پیدا کردن یک مورد مناسب جهت مقایسه با این دستاورد در تاریخ باید به دوره گالیله برگردیم. قابلیت‌های این تلسکوپ آنچنان متمایز از موارد قبلی است، و توانایی‌اش آن‌چنان زیاد است که پتانسیل آن را دارد که جا پای دستاورد عظیم گالیله در مشاهده آسمان توسط دوربین یک اینچی‌اش بگذارد: تغییر بنیادین رابطه انسان با پهنای عظیم گیتی. انتظارات منجمان از این تلسکوپ لیست بلندی است که شامل مشاهده کهکشان‌های اولیه در ابتدای شکل‌گیری کیهان و همچنین نمایان ساختن سیارات فراخوشیدی شبیه زمین می‌باشد. اما همواره این احتمال وجود دارد که یک اکتشاف غیرمنتظره باعث حیرت همگان شده و تلسکوپ جیمز وب با آن شناخته شود.

ذرات بنیادی آنگونه که انتظار می‌رود رفتار نمی‌کنند

عموما با صرف مدت زمان کافی و کسب داده‌های بیشتر، اکثر ناهنجاری‌های کشف شده در فیزیک تبدیل به پدیده‌های جذاب حاصل از تعدد ذرات شده و رویای کشف ناشناخته‌های فیزیکدانان را نقش بر آب می‌کنند. تعداد اندکی از این یافته‌ها در طول چندین دهه به صورت ناشناخته باقی مانده و در نهایت به کشف یک پدیده جدید منجر می‌شوند. در آپریل سال ۲۰۲۱ فیزیکدانان نتایج اولیه آزمایشی را منتشر کردند که در جهت ردیابی یکی از همین ناهنجاری‌ها طراحی شده بود، یک ناهنجاری که بر اثر وجود میدان مغناطیسی ذاتی در ذره‌ای به نام میون بود. دانشمندان مشاهده کردند که مقادیر اندازه گیری شده تفاوت فاحشی با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد ذرات دارد و این موضوع سبب تایید نشانه‌های اولیه این کشف در سال ۲۰۰۱ شد. نتایج نشان از وجود ذرات و یا حتی قوانین فیزیکی ناشناخته دارد. این نتایج با رفتار عجیب نوترینو که در طول چند دهه بررسی شده‌ است، همخوانی دارند، نتایجی که منجر به ارائه حوزه‌ای کاملا جدید و بزرگ از ذرات و نیروهایی غیرقابل دسترسی موسوم به بخش تاریک می‌شود.

قوانین ترمودینامیک به طرز هوشمندانه‌ای دور زده می‌شوند

در نگاه اول بلورهای زمانی به نظر یکی از مقدس‌ترین قوانین طبیعت را نقض می‌کنند: هیچ چیز مجانی نیست. این اشیاء در ابتدا به شکل نظری و در سال ۲۰۱۲ (البته به شیوه اندکی متفاوت) اینگونه ظاهر شدند که گویا میان دو حالت متفاوت تا ابد در حال نوسان هستند بدون اینکه انرژی از دست داده یا بدست آورند. (یک لیزر انرژی اولیه را تامین می‌کرد، اما پس از آن این بلورها هیچ انرژی دیگری جذب نمی‌کردند). بالاخره در تابستان سال گذشته میلادی محققان از اولین بلورهای زمانی که به وسیله یکی از کامپیوترهای کوانتومی گوگل ساخته شده است را رونمایی کردند. آن‌ها برای این کار، یک حالت جدید از ماده را به وجود آوردند؛ اولین شکل ماده که خارج از تعادل فازی است و برای اولین بار به صورت خود به خود تقارن زمانی را می‌شکند. دو مورد مذکور علاوه بر این واقعیت هستند که چنین سیستمی یکی از مهم‌ترین قوانین عالم را نقض می‌کند. به گفته رودریک موزنر (Roderich Moessner)، نویسنده این مقاله، نتایجی چنین آزمایشی از آنجا که قانون دوم ترمودینامیک را دور می‌زند، بسیار جالب و شگفت‌انگیز است. شیطان ماکسول از این موضوع بسیار خرسند است (اشاره به پارادوکس طراحی شده توسط ماکسول که در یک آزمایش ذهنی سعی در دور زدن قانون دوم ترمودینامیک داشت).

ساختارهای غول‌پیکر کیهانی شناسایی شدند

یکی از مشکلات مهم در بررسی کهکشان راه شیری این است که ما در درون آن گیر افتاده‌ایم. به همین دلیل تشخیص این موضوع که یک لکه در آسمان شب از اثرات یک ساختار عظیم کهکشانی است یا تنها پدیده‌ای ستاره‌ایست که به دلیل نزدیکی، بزرگ دیده می‌شود کار بسیار دشواری است. چندین دهه دانشمندان بر این باور بودند که یکی از همین لکه‌ها ناشی از اثرات یک شی نزدیک است؛ شاید یک ابرنواختر بسیار قدیمی. اما بررسی‌های اخیر بر روی داده‌های حاصل از مشاهده در محدوده اشعه ایکس نشان از وجود یک لکه مشابه در سوی دیگر کهکشان دارد و این موضوع باعث ردیابی اثرات یک جفت حباب در ابعاد کهکشانی و به ارتفاع ۴۵ هزار سال نوری شد. دانشمندان احتمال می‌دهند که این حباب‌ها نشانه‌هایی از یک فوران است که میلیون‌ها سال پیش اتفاق افتاده است. بقایای یک ابر گازی نیم‌خورده که جرأت نزدیک شدن به ابرسیاهچاله‌ی مرکز کهکشان راه شیری را پیدا کرده بود.

 

تلاش‌ها در جهت محاسبات کوانتومی با بحث و جدل رو‌به‌روست

از آن‌جایی که بیت‌های کوانتومی منفرد (یا همان کیوبیت‌ها که تشکیل دهنده پردازنده‌های کوانتومی هستند) بسیار ناپایدار می‌باشند، محاسبات کوانتومی بسیار دشوار و سخت هستند. به همین دلیل بسیاری از افراد، مشتاق رویکرد جدید به این حوزه از طریق کیوبیت‌های مستحکم توپولوژیکی هستند؛ بیت‌هایی کوانتومی که اطلاعات به صورتی اجتناب ناپذیر در ساختار فیزیکیشان قرار می‌گیرد. در سال‌های اخیر تعداد زیادی از دانشمندان مدعی ساخت چنین کیوبیت‌هایی در آزمایشگاه‌هایشان شده‌اند. اما در حال حاضر بحث و جدل‌های زیادی در این حوزه و در میان دانشمندان آن وجود دارد. پدیده‌های زیادی وجود دارد که می‌تواند به اشتباه به عنوان یکی از این کیوبیت‌های توپولوژیکی در نظر گرفته شوند و به همین دلیل محققان مستقل هنوز مشاهده کیوبیت‌ها را تایید نکرده‌اند. حوزه محاسبات کوانتومی توپولوژیکی همچنان امیدوارکننده است، اما پیدا کردن این کیوبیت‌ها دشوارتر از چیزی است که به نظر می‌رسید.

 

سیاهچاله‌های پنهان، اسرار عجیب و غریب عالم را برملا می‌کنند

تصویر جدید و دقیق‌تر از سیاهچاله مرکزی کهکشان M87 به یک سوال قدیمی به قدمت چندین دهه پاسخ داد: سیاهچاله‌های ابرسنگین چگونه جت‌هایی از ماده و انرژی را تا هزاران سال نوری دورتر پرتاب می‌کنند؟ تصاویر M87 نشان از وجود یک میدان مغناطیسی کروی در اطراف این سیاهچاله دارد؛ این موضوع یک قطعه گم شده از نظریه ۴۴ ساله مربوط به شکل‌گیری این جت‌ها می‌باشد که به روند بلندفورد-نایک (Blandford-Znajek) معروف است. علاوه بر این امسال محققان یکی از اولین اکتشافات قانع‌کننده در زمینه وجود سیاهچاله‌هایی با ابعاد متوسط را انجام دادند. سیاهچاله‌هایی که کوچکتر از ابرسیاهچاله‌های مرکز کهکشان‌ها هستند، اما ابعادی بزرگتر از نمونه‌های ستاره‌ای آن دارند. محققان امیدوارند که به وسیله تکنیک‌های جدید رصدی، این اولین کشف سیاهچاله‌هایی با جرم ۵۵هزار برابر جرم خورشید، زمینه مشاهدات بعدی را مهیا کند.

 

آینده نجوم شروع به نمایان شدن می‌کند

پس از سه دهه تلاش و صرف ۱۰ میلیارد دلار سرمایه، تلسکوپ فضایی جیمز وب بالاخره و در روز کریسمس به فضا پرتاب شد. این تلسکوپ در طی یک ماه آینده روند باز شدن خود را که فرآیندی سخت و خطرناک است به پایان رسانده و در نهایت به مقصد نهایی خواهد رسید. جایگاه این تلسکوپ در فاصله‌ای بسیار دورتر از ماه بوده و امکان دسترسی فیزیکی انسان به آن وجود ندارد. با این وجود در صورت موفقیت، این پروژه قادر به کشف اسرار کیهانی نهفته در ۱۳ میلیارد سال قبل و در زمان شکل‌گیری عالم است.

منبع: Quanta Magazine