فرارسیدن سال نو میلادی، فرصت خوبی برای مرور اتفاقات فیزیک در سال گذشته است. تنوع اتفاقات فیزیک در سال ۲۰۱۹ کم نبود، از کوچکترین‌ها تا بزرگ‌ترین‌ها، از مسئله‌ی شعاع پروتون تا مشاهده سیاه‌چاله، از ابررسانایی تا گرانش. ضمن تبریک سال نو میلادی، برای مرور مختصر مهم‌ترین اتفاقات فیزیک در سال ۲۰۱۹ با دیپ لوک همراه باشید…
عکسی که در ماه آوریل منتشر شد: یک حفره‌ی تاریک محاصره شده با حلقه‌ای نورانی؛ اولین نظاره‌ی بشر به یک سیاه‌چاله. البته که شکی در وجود سیاه‌چاله‌ها نبوده است: ستاره‌شناسان به مدت طولانی ستاره‌هایی را که توسط بند‌های نامرئی تغییر جهت می‌دادند، مطالعه کرده‌اند و حتی در سال‌های اخیر به امواج برخوردهای سیاه‌چاله‌ها که فضازمان را به لرزه می‌انداختند، نیز گوش داده‌اند، اما در دیدن تهی بودن، چیز متفاوتی وجود دارد، پیامد پیش‌بینی‌نشده‌ی نظریه‌ی گرانش اینشتین آشکار شد.
چه کسی فکر می‌کرد که در سال ۲۰۱۹ دقیقا ۱۰۰ سال پس از تایید نسبیت عام، هنوز در مورد پیامدهای آن صحبت کنیم؟ اما حالا شاید بزرگترین معمای جهان، اختلاف هر چند کوچک اما اذیت‌کننده بین دو روش مکمل اندازه‌گیری انبساط جهان است. امید است که فیزیک‌دانان با تمرکز بر روی اینکه دقیقا چه چیزی باعث بروز اختلاف می‌شود، بتوانند مشخص کنند که ایده‌های ما در مورد ساختار جهان، دقیقا کجا دچار خطا می‌شوند.
پس از آن راز‌های دیگری وجود دارد که شواهدشان سخت‌تر بدست می‌آیند: جهان از کجا آمد؟ زمان چگونه از عدم پدید آمد؟ آیا کل کیهان فقط یک هولوگرام است؟ این احتمال وجود دارد که ما هیچوقت پاسخ این سوال‌ها را نیابیم اما مهم این است که فیزیک‌دانان تنها با دنبال کردن رد پاهای ارزشمندی که اینشتین و بنیان‌گذاران نظریه‌ی کوانتوم از خود به جای گذاشته‌اند، به پاسخ‌ها نزدیک شوند.
سیاه‌چاله‌ای که برای اولین بار مشاهده شد
دانشمندانی که بر روی تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon) کار می‌کردند توانستند سیاه‌چاله‌ی ابرسنگین را در گوشه‌ی مسیه ۸۷ (یک کهکشان بزرگ‌تر در خوشه‌ی ویرگو) به تصویر بکشند. قسمت عمده‌ی آن سیاه‌چاله که تقریبا ۶.۵ میلیارد برابر خورشید بود، شگفت‌انگیز نبود. چیزی که بیشتر گیج‌کننده بود، مشاهده‌ی تاییدنشده‌ی یک سیاه‌چاله با جرم صد برابر خورشید توسط آشکارسازهای امواج گرانشی لیگو و ویرگو بود. درحالیکه معلوم شده سیاه‌چاله‌های فوق سنگین در مراکز کهکشان‌های سنگین قرار می‌گیرند، ستاره‌شناسان نمی‌دانند که چگونه یک سیاه‌چاله در کلاس یک ستاره‌ی معمولی می‌تواند تا بیش از ۵۰ برابر جرم خورشید رشد کند.
مشاجره بر سر جهان در حال رشد
بزرگترین راز کیهان این است که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. وقتی کیهان‌شناسان نرخ انبساط جهان را از دو روش متفاوت بدست آورده و نتایج را با هم مقایسه می‌کنند، به دو عدد ناسازگار می‌رسند. دیوید گراس (David Gross) برنده‌ی جایزه‌ی نوبل در یک نشست ویژه گفت: «ما آن را تنش یا مشکل نمی‌نامیم بلکه آن را یک بحران می‌دانیم». کیهان‌شناسان امیدوارند این ناسازگاری، نشانه‌ای از درک ناقص و ناکارآمد ما از عملکرد جهان باشد و حتی شاید به نظریه‌ای که در پشت آن پنهان شده، اشاره کند.
پایان مسئله‌ی پروتون
امید مشابهی که شاید اندازه‌گیری‌های ناسازگار منجر به یک نظریه‌ی بهتر شود، مطالعات پروتون را نزدیک به یک دهه زنده نگه داشته است. در سال ۲۰۱۰، یک گروه تحقیقاتی آلمانی شعاع پروتون را با استفاده از یک روش جدید اندازه گرفت. اندازه‌گیری‌های آن‌ها بصورت ناسازگاری کوچکتر از مقداری بود که در میان عموم دانشمندان پذیرفته شده بود. در نتیجه، فعالیت‌های زیادی در این حوزه انجام شد: صدها مقاله منتشر شد که چگونگی اصلاح قوانین فیزیک را به منظور پذیرفتن دو عدد بررسی می‌کردند، همچنین انگیزه‌ای برای انجام آزمایش‌های جدید که بصورت ماهرانه‌تری پروتون را بررسی کنند بوجود آمد. امسال این وضعیت دیوانه‌‌وار پایان یافت. گروه دیگری از فیزیک‌دانان با استفاده از یک روش مستقل دیگر، دریافتند که پروتون کوچکتر از چیزی است که تصور می‌شد.
زمان و فضا از کجا می‌آیند؟
مردم فراموش می‌کنند که واژه‌ی انفجار بزرگ در ابتدا یک اصطلاح تمسخر‌آمیز بود. فرد هویل (Fred Hoyle) که مبدع آن بود، اعتقاد داشت که جهان از ازل وجود داشته و مشکلات ذاتی جهان که از هیچ بوجود می‌آیند، بسیار احمقانه هستند و ارزش اندیشیدن ندارند. اما استیون هاوکینگ این مسائل را بسیار جدی می‌گرفت. او در دهه‌ی ۱۹۸۰، به همراه همکارش جیمز هارتل ایده‌هایی را توسعه دادند که ظهور تمام فضا و زمان را امکان‌پذیر می‌کرد. فضا و زمان مفاهیمی هستند که فیزیک‌دانان تا امروز بر سر آن‌ها بحث می‌کنند، اما فرضیه‌های هاوکینگ در بازار ایده‌هایی که منشا فضا و زمان را توضیح می‌دهند، دیگر تنها نیستند. برخی از این فرضیات شامل هولوگرام‌های کیهانی و برخی دیگر شامل ترکیب عجیبی از گرانش و کدهای کوانتومی هستند. اگرچه یک جواب کامل و دقیق دور است، اما کاملا امکان‌پذیر است. برخی از کیهان‌شناسان می‌گویند پاسخ این مسائل در الگوهای مثلث‌های کیهانی که هنوز در آسمان پنهان هستند، دیده خواهند شد.
شگفتی‌های ماده
گرافن یک صفحه‌ی بسیار نازک از کربن خالص است که به آسانی با شکافتن یک تکه از گرافیت معمولی (مغز مداد) بدست می‌آید. سال‌ها پیش، یک فیزیک‌دان فکر کرد که اگر یک صفحه گرافن را روی یک صفحه‌ی دیگر از آن قرار دهیم و آن‌ها را مقداری بپیچیم اتفاق جالبی خواهد افتاد. اما هیچکس انتظار ابررسانایی را نداشت. زمانی که معلوم شد این صفحات پیچ‌خورده، ابررسانا هستند، صنایع تویسترونیک (twistronics) اتفاق بزرگ دیگری بود که در فیزیک رخ داد، حتی اگر کسی آن را بطور کامل درک نکند.
نظریه‌ی کوانتوم عجیب‌تر می‌شود
صد سالگی پیدایش نظریه‌ی کوانتوم نزدیک است و از آن زمان تاکنون، مردم درباره‌ی اینکه واقعا چه اتفاقی در حال رخ‌دادن است بحث می‌کنند. امسال برخی از ایده‌هایی که زمانی مبهم بودند و در رابطه با چگونگی عملکرد دنیای زیراتمی بحث می‌کردند، در معرض آزمایش قرار گرفتند. برای مثال در داروینیسم کوانتومی، ویژگی‌هایی که با مشاهدات ماکروسکوپی (مانند مکان و تکانه) همراه‌اند، از یک لیست احتمالات کوانتومی انتخاب می‌شوند. مشابه نظریه‌ی انتخاب طبیعی داروین، سازگازترین ویژگی‌ها یعنی آن‌هایی که بیشترین کپی از خود را می‌سازند پیروز می‌شوند. ایده‌ی دیگری که نظریه‌ی مسیر کوانتومی نام دارد، کمک می‌کند تا توضیح دهد چه اتفاقاتی در طول فرایندهای اندازه‌گیری‌های کوانتومی که هنوز مبهم هستند رخ می‌دهد. اوایل امسال، ایده‌هایی برای توضیح یک کشف تجربی مهم مطرح شدند تا ثابت کنند یک جهش کوانتومی (یک جهش از یک حالت کوانتومی به حالت دیگر) یک اتفاق آنی نیست، بلکه زمان‌بر است.
منبع: quantamagazine.org
