مهمترین دستاوردهای شگفت انگیز علم فیزیک در سال 2022

در سالی که گذشت، موجی از نوآوری‌ها و دستاوردهای برتر را در علم فیزیک شاهد بودیم. به همین بهانه مهمترین دستاوردهای شگفت انگیز علم فیزیک در سال 2022 را گردآوری کرده‌ایم.

با آغاز سال 2022، ما به یک برهه زمانی شگفت‌انگیز در عرصه علم فیزیک گام نهادیم. پیشرفت‌های فیزیک در زمینه‌های مختلف، راهکار‌ها و فناوری‌های زیادی را از گذشته تاکنون در اختیار بشریت قرار داده است.

در روزهای آغازین سال 2022، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) شروع به‌مشاهده چهره‌های جدید و زیبایی از کیهان کرد و در 11 ژوئیه، از اولین تصویر عمومی این تلسکوپ پرده برداری شد. این تصویر نمایی پانوراما از هزاران کهکشان در فضا بود و از آن روز به بعد داده‌های تلسکوپ بین صدها ستاره‌شناس و کیهان‌شناس توزیع شده و اکتشافات و مقالات کیهانی در حال سرازیر شدن هستند.

تحقیقات در مورد فیزیک ماده چگال نیز در این سال سرعت گرفته و پیشرفت‌های شگفت‌انگیزی به‌ارمغان آورده است. آزمایشی که در ماه سپتامبر منتشر شد، منشا ابررسانایی در دمای بالا را ثابت کرد.

به‌علاوه، نوعی کریستال مسطح که زمانی به روغن‌کاری اسکیت‌ها کمک می‌کرد، در این سال به‌عنوان یک پلتفرم قدرتمند برای پدیده‌های کوانتومی عجیب و غریب ظاهر شد.

در بین اکتشافات و دستاوردهای پی‌ در پی و بزرگی که طی سال جاری در علم فیزیک رخ داده است، در این مقاله به‌بررسی چهار مورد از مهمترین دستاوردهای علم فیزیک در سال 2022 پرداخته‌ایم.

اثبات ذره بوزون هیگز

بوزون هیگز یک ذره بنیادی اولیه دارای جرم است که مشاهده تجربی آن باعث شد دانشمندان بتوانند درباره چگونگی جرم‌دار شدن ماده توسط ذرات بنیادی بدون جرم دیگر، توضیحی ارائه دهند.

بوزون هیگز، برگرفته از نامِ پیتر هیگز است و می‌تواند دلایلی برای تفاوت‌های بین فوتون (بدون جرم) و بوزون‌های W و Z (پرجرم) ارائه کند. بوزون‌های دبیلو و زد بوزون‌های تبادلگر نیروی ضعیف می‌باشند که موجب واپاشی هسته‌اتم‌ها می‌شوند.

ذره گریزان بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ توسط دانشمندان مرکز سرن شناسایی شده و وجود آن تایید شد. اما این کشف در آن زمان به‌ثبت نرسید. در آوریل سال ۲۰۲۲، ذره بوزون به‌طور رسمی اثبات شده و پیتر هیگز و فرانسیس انگلبرت توانستند جایزه نوبل فیزیک را برای ایجاد نظریه چگونگی کسب جرم ذرات توسط بوزون هیگز و میدان هیگز به‌دست بیاورند.

کشف ذره بوزون هیگز یکی از مهمترین دستاوردهای علم فیزیک به‌حساب می‌آید. این ذره پس از کشف ذره خدا نامیده شد و گام بزرگی در فیزیک ذرات بنیادی بود.

گامی جدید در فیزیک مواد دو بعدی

هزاران فیزیکدان ماده متراکم گرافن را مورد مطالعه قرار داده‌اند؛ ورقه بلوری ساخته شده از اتم‌های کربن که دارای خواص ویژه‌ای است. اما اخیراً خانواده جدیدی از کریستال‌های مسطح به صحنه آمده‌اند که باعنوان دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه یا TMD شناخته می‌شوند.

انباشتن TMD های مختلف باعث ایجاد مواد سفارشی با خواص و رفتارهای کوانتومی متفاوت می‌شود. خواص تقریباً جادویی این مواد عمدتاً به لطف جی شان و کین فای مک، زوجی که آزمایشگاهی در دانشگاه کرنل را اداره می‌کنند، شناخته شده است. مشخصات کوانتا از شان و مک، که تابستان گذشته منتشر شد، داستان مواد دوبعدی را در پس زمینه فیزیک ماده متراکم بیان می‌کند.

مواد دو بعدی (2D)، که گاهی اوقات به‌عنوان مواد تک لایه مورد اشاره قرار می‌گیرد، موادی کریستالی متشکل از یک لایه از اتم هستند. این مواد در زمینه‌هایی مانند فتوولتائیک، نیمه هادی‌ها، الکترودها و تصفیه آب کاربرد دارند.

این مورد از مهمترین دستاوردهای علم فیزیک در سال 2022، مجموعه‌ای از پیشرفت‌های هیجان‌انگیز جدید را که از آزمایشگاه شان و ماک بیرون می‌آیند، از اتم‌های مصنوعی گرفته تا عمر طولانی را به‌دنیا عرضه می‌کند.

ایجاد یک کرم چاله هولوگرافیک

در ماه نوامبر سال 2022، یک گروه تحقیقاتی به رهبری ماریا اسپیروپولو از موسسه فناوری کالیفرنیا، با استفاده از رایانه کوانتومی گوگل (دستگاهی به‌نام سیکامور که در Google Quantum AI در سانتا باربارای کالیفرنیا قرار دارد) ایجاد یک کرم ‌چاله را به حقیقت بدل کردند.

این آزمایش گرانش کوانتومی روی یک تراشه در نوع خودش اولین است و می‌توان آن را به‌عنوان مدرکی برای اصل هولوگرافیک، یعنی یک فرضیه جامع در مورد چگونگی تطبیق دو ستون فیزیک بنیادی، مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در نظر گرفت.

کرم‌چاله‌ها تونل‌هایی در فضا – زمان هستند که از نظر تئوری می‌توانند امکان سفر به‌هر نقطه از جهان را فراهم کنند. نظریه نسبیت عام اینشتین امکان ایجاد کرم‌چاله‌ها را فراهم می‌کند. همه کرم‌چاله‌ها اساساً ناپایدارند و در همان لحظه‌ای که باز می‌شوند سریع بسته می‌شوند.

برخلاف یک هولوگرام معمولی، کرم چاله چیزی نیست که بتوانیم آن را ببینیم. فضا-زمان را می‌توان به صورت یک هولوگرام در نظر گرفت که از سیستم کوانتومی با ابعاد پایین‌تر بیرون می‌آید. محققان امیدوارند با الگو قرار دادن این مورد از مهمترین دستاوردهای علم فیزیک در سال 2022، در سال‌های آینده مکانیک دوگانگی هولوگرافیک را با هدف نهایی کشف کنند.

دانیل جافریس، یکی‌از نویسندگان مقاله و توسعه‌دهنده اصلی پروتکل تله پورت کرم‌چاله، معتقد است اگرچه یک کرم چاله را می‌توان «رشته‌ای از فضازمان واقعی» در نظر گرفت، اما بخشی از همان واقعیتی نیست که ما و کامپیوتر سیکامور در آن زندگی می‌کنیم.

جافریس می‌گوید: «فکر می‌کنم این درست است که گرانش در جهان ما از دل برخی [بیت‌های] کوانتومی ظهور می‌کند، به همان شکلی که این کرم‌چاله تک‌بعدی کودک از تراشه سیکامور پدیدار می‌شود. البته ما این امر را به‌طور قطع نمی‌دانیم، بلکه در حال تلاش برای درک آن هستیم.»

انقلاب تلسکوپ فضایی جیمز وب در علم نجوم

یکی از مهمترین دستاوردهای علم فیزیک در سال 2022، اطلاعات به‌دست آمده از تصاویری است که تلسکوپ فضایی جیمز وب با فاصله یک میلیون مایلی از زمین برای ما ارسال کرد. JWST در نقطه‌ای از فضا به‌نام Lagrange Point 2، جایی که آفتابگیر آن می‌تواند به طور همزمان زمین، ماه و خورشید را مسدود کند مستقر بود و تصاویری خارق‌العاده‌ از کیهان را به‌جهانیان عرضه کرد.

وقتی بایدن از اولین تصویر JWST پرده‌برداری کرد، محققان بلافاصله شروع به مشاهده کهکشان‌های عجیب موجود در تصویر کرده و مقالات علمی در عرض چند روز به‌صورت گسترده منتشر شدند. دو هفته بعد، مشخص ‌شد که داده‌های JWST اکتشافات جدیدی در مورد کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات فراخورشیدی و حتی مشتری به‌دست آورده است.

دستیابی به این اطلاعات، دانشمندان را نسبت به‌توانایی تلسکوپ جیمز وب برای انجام طیف وسیعی از تحقیقات در مورد سیارات فراخورشیدی امیدوار و راه را برای یافتن شواهد حیات بالقوه سیاره‌ها هموار کرده است.

جیمز وب همچنین در جریان رصد یک سیاره فراخورشیدی به نام WASP-39 b که در حال چرخش به دور ستاره‌ای در فاصله ۷۰۰ سال نوری از زمین است، مشخصات تقریبا کاملی از مولکول‌ها، اتم‌ها و مواد شیمیایی موجود در آسمان‌ِ جهانی دوردست به‌دست آورد.