داستان فیزیک در سال ۲۰۲۲ چگونه گذشت؟ از هیجان در قلب کیهان تا سرگردانی در دنیای ریزترین ذرات

فیزیک در سال ۲۰۲۲  سرشار از مشاهدات جدید و شیرین نجومی و پیشرفت‌های وسوسه‌انگیز در فیزیک ماده‌چگال بود. سال ۲۰۲۲ درست زمانی آغاز شد که تلسکوپ فضایی جیمز وب در حال بازکردن پوشش خورشیدی خود بود، یعنی پوشش غول‌پیکر، نازک و ظریفی که پس از باز شدن، دید ما را به جهان فروسرخ باز می‌کرد. چند ساعت پس از سال جدید، این پوشش خورشیدی می‌توانست به مشکل بخورد، تلسکوپ جدید را خراب کند و میلیاردها دلار و  تلاش‌های زیادی را به باد دهد، اما به درستی باز شد و سال جدید را در فیزیک آغاز کرد. با مرور مهم‌ترین اتفاقات فیزیک در سال ۲۰۲۲ به انتخاب کوانتامگزین، با دیپ لوک همراه باشید…

تلسکوپ فضایی جیمروب (JWST)، به سرعت شروع به مشاهده چهره‌های جدید و زیبایی از کیهان کرد. در ۱۱ ژوئیه، پرزیدنت بایدن از اولین تصویر عمومی این تلسکوپ رونمایی کرد: نمایی پانوراما از هزاران کهکشان در فواصل مختلف در فضا و زمان. روز بعد، چهار تصویر نمادین دیگر منتشر شد. از آن زمان، داده‌های تلسکوپ بین صدها ستاره‌شناس و کیهان‌شناس دست به دست شده و اکتشافات و مقالات کیهان‌شناسی، رشد چشمگیری داشته است.

نجوم، شنا در داده‌های تازه از هر نوعی است. به عنوان مثال، در ماه مه، تلسکوپ افق رویداد، اولین عکس از سیاهچاله عظیم در قلب کهکشانمان را منتشر کرد و این یکی از چندین رصد اخیری است که به اخترفیزیکدانان کمک می‌کند تا بفهمند کهکشان‌ها چگونه کار می‌کنند. تلسکوپ‌های دیگر در حال تصویربرداری از مکان میلیون‌ها کهکشان هستند، تلاشی که اخیراً شاهد شگفت‌انگیزی از عدم تقارن در توزیع کهکشان‌ها را به دست آورد.

پیشرفت‌ها در فیزیک ماده‌چگال نیز به سرعت در حال رخ دادن است.آزمایشی که در ماه سپتامبر منتشر شد، منشا ابررسانایی در دمای بالا را ثابت کرد، که می‌تواند به جستجوی همیشگی این زمینه، یعنی  یافتن ابررسانایی دمای اتاق، کمک کند. این امر هدف تحقیق در مورد مواد دو بعدی نیز هست. امسال، نوعی بلور مسطح، به عنوان بستر قدرتمندی برای پدیده‌های کوانتومی عجیب و بالقوه مفید ظاهر شد.

فیزیکدانان ذرات، که به دنبال اجزای بنیادی جدید برای جهان هستند، کمتر خوش‌شانس بوده‌اند. آن‌ها به کشف ویژگی‌های ذراتی که قبلاً می‌شناختیم از جمله پروتون، ادامه دادند. اما نظریه‌پردازان، سرنخ‌های مشخصی در مورد چگونگی فراتر رفتن از مدل استاندارد فیزیک ذرات دارند. با این حال، امید یک فضیلت است و حداقل می‌توان گفت امسال یک شکاف احتمالی در مدل استاندارد پیدا شد. بیایید لیست مهم‌ترین اتفاقات فیزیک در سال ۲۰۲۲ را از آنجا شروع کنیم.

فیزیک در سال ۲۰۲۲ : یک بوزون وسوسه‌انگیز سنگین

برخورددهنده تِواترون (Tevatron) در ایلینوی، یک دهه پیش آخرین پروتون‌های خود را شکست، اما کنترل‌کننده‌های آن به تجزیه و تحلیل آشکارسازی بوزون‌های W (ذراتی که واسطه نیروی ضعیف هستند) ادامه دادند. آنها در آوریل اعلام کردند که با ردیابی دقیق و حذف منابع خطا در داده‌ها، جرم بوزون W را دقیق‌تر از همیشه اندازه‌گیری کرده و متوجه شدند که این ذره به طور قابل توجهی سنگین‌تر از پیش‌بینی مدل استاندارد فیزیک ذرات است.

ناهماهنگی واقعی با مدل استاندارد، یک کشف تاریخی است که به ذرات یا اثرات جدید فراسوی نظریه اشاره می‌کند. با این حال، آزمایش‌های دیگر برای وزن W (به ویژه آزمایش ATLAS در برخورد‌دهنده بزرگ هادرونی اروپا) جرم آن را بسیار نزدیک‌تر به پیش‌بینی مدل استاندارد اندازه‌گیری کردند. اندازه‌گیری جدید تواترون، به نظر دقیق‌تر است، اما ممکن است یک یا هر دو گروه، منبع خطای ظریفی را نادیده گرفته باشند. هدف آزمایش اطلس حل این موضوع است. همانطور که گیوم اونال (Guillaume Unal)، یکی از اعضای ATLAS می‌گوید: «بوزون W باید در هر دو طرف اقیانوس اطلس، یکسان باشد.»

فیزیک در سال ۲۰۲۲ : بازنگری طبیعی‌ بودن

همه این هیاهوها در مورد مشکلی در مدل استاندارد، نشان‌دهنده وضعیت آشفته‌ای است که فیزیکدانان ذرات در آن قرار دارند. ۱۷ ذره بنیادی که شناخته‌ شده‌اند (آنهایی که در مدل استاندارد توصیف شده‌اند)، همه رازهای جهان را حل نمی‌کنند. با این حال برخورد دهنده بزرگ هادرونی، ذره هجدهمی را پیدا نکرده است.

سال‌ها بود که نظریه‌پردازان در مورد چگونگی ادامه مسیر با یکدیگر بحث کرده‌اند؛ اما اخیراً مسیر جدیدی باز شده است. نظریه‌پردازان در حال تجدید نظر در یک فرض قدیمی، به نام طبیعی‌ بودن هستند. طبیعی‌ بودن، راهی است برای استدلال در مورد آنچه طبیعی یا مورد انتظار قوانین طبیعت است. این ایده ارتباط نزدیکی با ساختار تقلیل‌گرایی طبیعت دارد که در آن تلاش می‌شود چیزهای بزرگ با چیزهای کوچکتر توضیح داده شوند. اکنون نظریه‌پردازان به این فکر می‌کنند که آیا ممکن است مشکلات عمیق طبیعی بودن مانند فقدان ذرات جدید از برخورددهنده بزرگ هادرونی به این معنی باشد که قوانین طبیعت به این شکل ساده از پایین به بالا ساخته نشده‌اند؟ آنها در انبوهی از مقالات جدید، در حال بررسی این موضوع هستند که گرانش چگونه می‌تواند این تصویر را به شدت تغییر دهد.

ایزابل گارسیا گارسیا (Isabel Garcia Garcia)، فیزیکدان نظری ذرات، با اشاره به لحظه کنونی در این زمینه می‌گوید: «برخی افراد، آن را بحران می‌نامند.» اما این دیدگاه، به نظر او این خیلی بدبینانه است: «این زمانی است که من احساس می‌کنم به چیز عمیقی رسیده‌ایم.»

فیزیک در سال ۲۰۲۲ : قفل فیزیک دو بعدی باز شد

هزاران فیزیکدان ماده چگال، گرافن را مورد مطالعه قرار داده‌اند. گرافن، ورقه بلوری است که از اتم‌های کربن ساخته شده و خواص ویژه‌ای دارد. اما اخیراً خانواده جدیدی از بلورهای مسطح به صحنه آمده‌اند: دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه (transition metal dichalcogenides) یا به اختصار TMD. انباشتن TMDهای مختلف باعث ایجاد مواد دلخواه با خواص و رفتارهای کوانتومی متفاوت می‌شود. خواص تقریباً جادویی این مواد، عمدتاً به لطف جی شان (Jie Shan) و کین فای مک (Kin Fai Mak)، زوجی که آزمایشگاه دانشگاه کرنل را اداره می‌کنند، شناخته شده است.  

فیزیک در سال ۲۰۲۲ : کرم چاله هولوگرافیک

در ماه نوامبر، فیزیکدانان اولین «آزمایش گرانش کوانتومی روی یک تراشه» را در نوع خود اعلام کردند. آنها یک «پروتکل تله‌ پورت کرم چاله» را بر روی کامپیوتر کوانتومی سیکامورگوگل اجرا کردند و جریان اطلاعات کوانتومی در این کامپیوتر را به گونه‌ای دستکاری کردند که از نظر ریاضی معادل اطلاعاتی بود که از یک کرم چاله بین دو نقطه در فضازمان عبور می‌کرد.

در واقع کرم چاله بخشی از فضا‌زمان ما نیست. این نوعی شبیه‌سازی یا هولوگرام است  (البته نه از آن‌هایی که ما به آن عادت کرده‌ایم) و هندسه فضا‌زمان متفاوتی نسبت به فضا‌زمان واقعی و چهار بعدی که در آن زندگی می‌کنیم، دارد. هدف آزمایش، اثبات دوگانگی هولوگرافیک بود؛ یک کشف نظری بزرگ در ۲۵ سال گذشته که بیان می‌کند سیستم‌های کوانتومی خاصی از ذرات را می‌توان به‌عنوان یک پیوستار گرانشی فضازمان تفسیر کرد. (فضازمان را می‌توان به صورت یک هولوگرام در نظر گرفت که از سیستم کوانتومی با ابعاد پایین‌تر ظاهر می‌شود.) محققان امیدوارند در آزمایش‌های پیشرفته‌تر کامپیوتر کوانتومی در سال‌های آینده، مکانیک دوگانگی هولوگرافیک را کشف کنند.

کرم چاله هولوگرافیک، نظرات زیادی را در بین فیزیکدانان و خوانندگان عادی ایجاد کرد. برخی از فیزیکدانان فکر می‌کردند که شبیه‌سازی کوانتومی در مقایسه با مدل نظری که مبتنی بر آن بود، بسیار محدود شده است. افراد بسیاری احساس‌کردند که بهتر بود فیزیکدانان درگیر در پروژه و روزنامه‌نگارانی که آن را پوشش دادند، تاکید می‌کردند که این یک کرم چاله واقعی نیست که بتواند مردم را به آندرومدا منتقل کند. در واقع، برای باز کردن یک کرم چاله در فضازمان واقعی، به موادی با انرژی منفی نیاز داریدکه به نظر نمی‌رسد چنین چیزی وجود داشته باشد.

فیزیک در سال ۲۰۲۲ : JWST  انقلابی در نجوم ایجاد می‌کند

بزرگترین دستاورد فیزیک در سال ۲۰۲۲ یک میلیون مایل دورتر از ماست، در نقطه‌ای از فضا به نام نقطه لاگرانژ ۲، جایی که آفتابگیر JWST می‌تواند به طور همزمان زمین، ماه و خورشید را بپوشاند. تصاویر JWST نفس‌ها را در سینه حبس می‌کند و داده های آن، در حال تغییر درک ما از کیهان است.

هنگامی که بایدن از اولین تصویر JWST رونمایی کرد، محققان بلافاصله شروع به مشاهده کهکشان‌های جالب کردند. مقالات علمی در عرض چند روز به صورت آنلاین منتشر شدند. دو هفته بعد، داده‌های JWST اکتشافات جدیدی در مورد کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات فراخورشیدی و حتی مشتری به دست آورد. یکی از هیجان‌انگیزترین یافته‌های اولیه این بود که به نظر می‌رسد کهکشان‌ها به طرز شگفت‌آوری در اوایل تاریخ کیهانی، ایجاد شده‌اند؛ شاید حتی زودتر از آن چیزی که مدل‌های کیهانی می‌توانند توضیح می‌دهند. انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۳ در مورد این موضوع بیشتر بشنوید.

ما همچنین باید صبورانه منتظر مطالعات مورد انتظار JWST در مورد سیارات سنگی در یک منظومه ستاره‌ای نزدیک به نام TRAPPIST-1 باشیم. یکی از تخصص‌های کلیدی JWST، تشریح نور ستاره‌ای است که جو یک سیاره دور را در حین حرکت سیاره به دور ستاره خود سوراخ می‌کند. این امر نشان می‌دهد که اتمسفر سیاره از چه چیزی ساخته شده است، از جمله شواهد احتمالی گازهای زیستی که ممکن است نشان‌دهنده حیات بیگانه باشد.