مهمترین خبرهای فیزیک در سال ۲۰۱۶

به گزارش انجمن خرد به نقل از بیگ بنگ و انجمن فیزیک ایران، جای تعجب نیست که کشف امواج گرانشی توسط لایگو در صدر لیست رخدادهای مورد علاقه سایت فیزیک در سال ۲۰۱۶ باشد. جایگاه های بعدی به تحقیقاتی تعلق می گیرد که موجب تغییر در دیدگاه ما شده اند، شاهکار تجربی شگفت انگیزی به شمار می روند یا خیلی ساده باعث شده اند که به فکر فرو رویم.

لایگو امواج گرانشی را آشکار کرد

مسلماً، بزرگترین اتفاق فیزیک سال کشف لایگو در مورد امواج گرانشی از ادغام سیاهچاله‌ها بود: مشاهده مجموعه‌ای از امواج در ماه فوریه اعلام شد، و مجموعه دیگری در ماه ژوئن منتشر شد. اگر این “فقط” اولین آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی در فضا-زمان بود که اینشتین یک قرن قبل پیش بینی کرده، به خودی خود نتیجه‌ای فوق العاده به حساب می‌آمد.

اما آنچه باعث افزایش اهمیتش شد این است که اولین نشانه تجربی است که نشان می‌دهد جفت سیاهچاله ها می توانند در کیهان تشکیل و با هم ادغام شوند. اگر باز هم کافی نیست، باید گفت که این یافته ها طلوع دوره جدیدی در نجوم امواج گرانشی هم هستند که در آن تشخیص امواج گرانشی زمینی به امری عادی بدل شده و با دیگر مشاهدات نجومی تلفیق خواهد شد. این موارد شامل اطلاعات به دست آمده از امواج نوری، رادیویی، و سایر طول موج‌ها و همچنین مشاهده امواج گرانشی فضایی در آینده است (راهی به سوی آشکارسازهای امواج گرانشی فضایی).

کلیشه‌های جنسیتی در آزمایشگاه های فیزیک

تقریباً به هر دانشکده‌ی فیزیکی که نگاه کنیم تعداد محققان مرد غالب است. بر طبق مطالعات دو تیم از دانشمندان علوم اجتماعی در مورد فرهنگ حاکم بر آزمایشگاه های فیزیک، محیط کار برای زنان فیزیک پیشه می تواند مملو از کلیشه‌های جنسیتی پنهان و آشکار باشد ( کلیشه‌ها چطور بر زنان فیزیکدان تاثیر می گذارد). در مصاحبه با دانشجویان و اعضای هیئت علمی در گروه های فیزیک در ایالات متحده، کانادا، و غرب اروپا، محققان به استفاده از جوک ها و جملات اهانت آمیزی مانند “مثل دخترها رفتار نکن” برخوردند.

آنها همچنین دریافتند که دانشجویان دختر اغلب ایده های خود را نادیده گرفته و موفقیت خود را تضعیف می کنند. این در نهایت منجر به از دست رفتن حس تعلق خاطر و ماندن زنان در این رشته می شود. روانشناس اجتماعی نیلانجانا داسگوپتا در نوشته ای حاوی نتایج تحقیق، به گروه های فیزیک توصیه می‌کند که برای حل این مشکل، هنگام مواجهه با چنین رفتارهایی در صدد آموزش شخص و درخواست رفتار صحیح بربیایند.

هاوکینگ می گوید سیاهچاله ها ” موهای نرم” دارند

چهل سال پیش، استیون هاوکینگ استدلال کرد که سیاه چاله ها تبخیر شده و در نتیجه همه‌ی اطلاعات آنها از بین می رود. این پیشنهاد در تضاد با مکانیک کوانتومی بود که می‌گوید اطلاعات بقا دارند و موجب جنجال شدیدی شد که به پارادوکس اطلاعات سیاهچاله معروف است. امسال هاوکینگ در مورد این بحث تجدید نظر کرد. او در تحقیقی با همکارش مالکوم پری در دانشگاه کمبریج، و اندرو اشترومینگر از دانشگاه هاروارد، نشان داد فرضی که به تناقض منجر شده ممکن است اشتباه باشد.

فرض بر این است که اطلاعات داخل سیاهچاله از دید خارج آن پنهان است- یا به طور خلاصه “سیاه چاله مو ندارد”. در عوض، این سه نفر عنوان می کنند که سیاه چاله ها “موهای نرم دارند”- یعنی برانگیختگی های کم انرژی کوانتومی که می تواند برخی از اطلاعات سیاهچاله را آزاد کند (سیاهچاله ها مو دارند). محاسبات آنها هنوز حل تناقض نیست، اما ممکن است به پژوهشگران راهی برای انجام این کار نشان بدهد.

باد فوتونی، نانوکرات را جابجا می کند

آشکارسازهای حساس نیرو می توانند از معلق کردن نوریِ اشیاء در ابعاد نانو به عنوان توده آزمونی که در پاسخ به نیروهای خارجی تکان می خورد استفاده کنند. با چنین وسیله‌ای، گروهی از موسسه فناوری فدرال سوئیس(ETH) موفق به شناسایی جست و خیزهای یک نانوکره به علت کمانه کردن فوتون از سطح آن شدند (نگاه کنید به: اندازه گیری ضربات کوانتومیِ یک پرتو نور). ارزش بالای این آزمایش در آن است که ضربه ناشی از یک تک فوتون ده میلیارد بار کوچکتر از حداقل انرژی نوسانی کره در تله نوری‌اش است.

بنابراین برای تکان دادن شی فوتون‌های بسیار زیادی لازم است، اما جذب برخی از این فوتون ها باعث نویز حرارتی می‌شود که باعث شده بود نشانه‌های پس زدن فوتون در مطالعات قبلی دیده نشود. برای به حداقل رساندن نویز حرارتی، محققان آزمایش های خود را در خلاء بالا انجام داده و نانوکره خود را تا چند صد میکروکلوین سرد کردند. با نشان دادن اینکه اثر غالب در حرکت کره پس زنی فوتون است، آنها گام مهمی به سوی مطالعه مکانیک کوانتومی در سطح ماکروسکوپی برداشتند.

مشکل نوترینوهای سترون

در راستای نظریه هایی که چهارمین نوع نوترینو را پیش بینی کرده‌اند، مجموعه‌ی آیس کیوب(IceCube) گزارش داد که به طور قابل توجهی محدوده جرم احتمالی این ذرات را کوچک کرده است (شکار نوترینوهای سترون). نوترینوها سه نوع هستند: الکترون، میون، و تاو. با این حال، محققان به تازگی امیدوار به کشف نوترینوی دیگری به نام “سترونsterile ” هستند که تنها از طریق گرانش برهمکنش می‌کند و در مدل استاندارد نیست و اتفاق بزرگ بعدی در فیزیک خواهد بود. نشانه‌هایی از این ذرات در آزمایش دیده، هر چند هرگز تایید نشده است.

آیس کیوب که رصدخانه ای غول پیکر در قطب جنوب است، با رصد ناپدید شدن نوترینو و پادنوترینوهای میون در عبور از هسته زمین به دنبال نوترینوهای سترون می‌گردد. با فرض اینکه نوترینوی سترون سنگین تر از نوترینوهای دیگر است، انتظار می‌رفت تقریباً ۱۰۰٪ پادنوترینوهای میون ناپدید شوند. اما آیس کیوب چنین چیزی را مشاهده نکرد. با دید مثبت،‌ پژوهش‌های آینده اکنون بهتر می‌دانند که کجا باید به دنبال پیدا کردن ذرات فرضی باشند.

تقارن بلور در چگونگی حرکت آن نهفته است

بلورها به خاطر تقارن فضایی زیبایشان معروف هستند اما طبق عقیده سه نظریه پرداز از موسسه پریمیتر کانادا برخی از کریستال می توانند تقارن‌های زمانی هم داشته باشند (نوع جدید بلور همیشه در حال حرکت است). آنها با تعیین مکان مجموعه ای از چهار ماهواره در گردش به دور خورشید شروع کردند. زمانبندی این مدارها طوری بود که از روی هرکدام از آن‌ها منظره یکسانی دیده شود. متقارن‌ترین آرایش وقتی بود که ماهواره ها در هر دور شش بار در گوشه‌های یک مربع ظاهر می‌شدند اما هیچ وقت همزمان از آن نقطه عبور نمی‌کردند (فیلم را ببینید).

پس از آن تیم این حرکت را به n ماهواره تعمیم داد و در ادامه به پیشنهاد مفهومی به نام “تقارن حرکتی choreographic symmetry” را پیشنهاد داد که مشابه زمانی تقارن فضایی بلور است. محققان طیفی از چنین بلورهایی را در دو بعد یا بیشتر توصیف کرده و پیشنهاد دادند که این پیکربندی ممکن است در حرکت الکترون‌ها یا هسته‌های اتم ظاهر شود.

دوگانی رنگ در فوتون‌ها

فوتون‌ها گاهی مانند امواج و گاهی مانند ذرات رفتار می‌کنند. اما چیزی که همیشه در مورد هویت آن‌ها ثابت به نظر می رسید رنگ یا فرکانسشان بود. محققان دانشگاه کرنل در این زمینه ما را ناامید کرده و فوتونهای منفردی تولید کردند که برهم نهی دو رنگ مجزا هستند (فوتون کیوبیت از دو رنگ ساخته شده است). یک آشکارساز فرکانس که این نور” دو رنگ bichromatic ” را تحلیل می‌کند، نیمی از زمان رنگ آن را A و نیم دیگر B اندازه می‌گیرد. با این حال، مخلوط فقط شامل دو رنگ نیست.

بلکه هر فوتون هویت رنگ دوگانه‌ای دارد که پژوهشگران با فرستادن تک فوتون به تداخل سنج و مشاهده فریزهای تداخلی به آن پی برده‌اند. این فوتونها ممکن است اطلاعات کوانتومی را در دو حالت فرکانسی کدبندی کنند، شبیه به استفاده از دو حالت قطبش مجزا که در حال حاضر برای انتقال اطلاعات به کار می‌رود. چنین کیوبیت فوتون دو رنگی می تواند دو ابزار حافظه که در محدوده فرکانسی مختلفی کار می‌کنند را در هم تنیده کند.

فیزیکدان‌ها هنر حباب سازی را کامل می‌کنند 

حسن ختام لیست ما از بهترین‌های سال، حبابی است. محققان CNRS و دانشگاه رنه در فرانسه با الهام از کودکان در زمین بازی، گزارشی از درک فیزیکِ حباب‌ درست کردن ارائه کردند(فیزیک حباب‌ درست کردن). دانشمندان یک ماشین حباب ساز درست کرده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد سرعت گازی را که به لایه‌ای از صابون به ارتفاع یک متر دمیده می‌شود کنترل کنند- چیزی مثل یک حلقه حباب بسیار بزرگ.

همانطور که حباب سازهای تازه‌کار هم ممکن است حدس زده باشند، حباب‌ها فقط در سرعت‌های دمیدنی بالاتر از یک حد آستانه تشکیل می‌شوند و هرچه دهانه عریضتر باشد سرعت کمتری نیاز است. گروه همچنین متوجه شد که ضخامت لایه صابون اهمیتی ندارد. دستگاه آن‌ها می‌تواند در نمایش‌های کلاس درس در مورد فیزیک حباب که در کف و حتی مدل‌های کیهانشناسی ظاهر می‌شود مورد استفاده قرار گیرد. از دید ما، آزمایش این گروه فرانسوی به سادگی داستانی دوست داشتنی از تحقیق درمورد فیزیک به واسطه کنجکاوی در مورد پیرامونمان است.