شاهکاری که در اعماق فضا، دنیای علم را تکان داد

سالی که در آن هستیم درست در زمانی آغاز شد که تلسکوپ فضایی جیمز وب در حال باز کردن سپر خورشیدی خود بود و پس از باز شدن، رصد خانه را در سایه‌ای منجمد فرو برده و دید ما را به جهانی گسترده‌تر باز کرد. چند ساعت بعد از باز شدن این سپر خورشیدی احتمال بروز مشکل و خراب شدن تلسکوپ جدید وجود داشت، و ممکن بود میلیارد‌ها دلار و دهه‌ها سال تلاش را به باد بدهد. اما این سپر خورشیدی کاملا باز شد و پنجره‌ای جدید را در دنیای فیزیک گشود.

به گزارش خبرآنلاین، تلسکوپ جیمز وب، خیلی زود مشاهدات خود را با ارسال چهره‌ای متفاوت و زیبا از کیهان آغاز کرد. بایدن، رئیس جمهور آمریکا در تاریخ ۱۱ جولای، از اولین تصویرارسالی از تلسکوپ پرده‌برداری کرد. این تصویر یک پانورامای زیبا از هزاران کهکشان در فواصل مختلف در زمان و فضا بود. روز بعد، چهار تصویر نمادین دیگر نیز از تصاویر ارسالی توسط این تلسکوپ منتشر شدند. از آن زمان، داده‌های تلسکوپ، در اختیار صد‌ها ستاره‌شناس و کیهان‌شناس قرار گرفته و اکتشافات و مقالات کیهانی زیادی منتشر شده‌اند.

این روز‌ها حجم بالایی از داده‌های جدید در اختیار دنیای نجوم قرار گرفته است. مثلا در ماه می، تلسکوپ Event Horizon اولین عکس از سیاهچاله‌ای بزرگ در قلب کهکشان ما را منتشر کرده و این اتفاق یکی از چندین رصد اخیر بوده که به اخترفیزیکدانان کمک کرد تا به چگونگی رفتار کهکشان‌ها پی ببرند. سایر تلسکوپ‌ها در حال نقشه‌برداری از موقعیت میلیون‌ها کهکشان دیگر هستند، تلاشی که اخیرا شواهد شگفت‌انگیزی از عدم تقارن در گستردگی کهکشان‌ها به دست آورده است.

پیشرفت‌ها در زمینه فیزیک ماده چگال نیز سرعت زیادی داشته است. نتیجه تحقیقات منتشر شده در ماه سپتامبر از منشا ابررسانایی در دما‌های بالا خبر می‌داد که این موضوع به جستجوی دائمی برای نسخه گرمتری از این پدیده که می‌تواند در دمای اتاق نیز جوابگو باشد کمک خواهد کرد. همچنین این موضوع، هدفی برای تحقیق در مورد مواد دو بعدی است. امسال، نوعی کریستال مسطح، به عنوان یک پلتفرم قوی برای پدیده‌های کوانتومی عجیب و غریب که به‌طور بالقوه مفید هستند، پدیدار شد.

فیزیکدانان ذرات که به دنبال اجزای اساسی جدید جهان هستی هستند، شانس کمتری داشتند. آن‌ها به کشف ویژگی‌های ذراتی نظیر پروتون که قبلا درباره آن‌ها می‌دانستیم پرداختند، موضوع پروژه بصری فوق‌العاده‌ای که پاییز امسال مقاله‌ای در مورد آن منتشر شد. اما نظریه‌پردازان در مورد اینکه چگونه از مدل استاندارد فیزیک ذرات فراتر برویم، سرنخ‌های معدودی دارند؛ مجموعه‌ای از معادلات که به طرز شگفت‌انگیزی برای دنیای کوانتوم که نیم قرن است نظریه‌ای نتوانسته آن را شکست دهد، جامع است. در سالی که گذشت حداقل یک دستاورد احتمالی در مدل استاندارد ایجاد شد.

بازاندیشی در مورد طبیعی بودن

تمام هیاهویی که در مورد احتمال یک مشکل بسیار ظریف درباره مدل استاندارد وجود دارد، نشان‌دهنده وضعیت آشفته‌ای است که فیزیک‌دانان ذرات با آن روبرو هستند. تعداد ذرات بنیادی که در مدل استاندارد در مورد آن‌ها صحبت شده است، ۱۷ ذره هستند که تمام راز‌های جهان هستی را حل نمی‌کنند. هنوز برخورددهنده بزرگ هادرون، ذره هجده‌ام را پیدا نکرده است.

سالهاست نظریه‌پردازان در مورد چگونگی ادامه این مبارزه با یکدیگر دست و پنجه نرم می‌کنند. اما اخیرا راهی جدید برای آنان باز شده است. نظریه‌پردازان در حال بازنگری اندیشه‌ای با نام طبیعی بودن هستند که برای مدت‌های طولانی به عنوان یک فرضیه در نظر گرفته شده است، روشی برای استدلال آنچه انتظار می‌رود طبیعی باشد یا در قوانین طبیعت وجود داشته باشد. این ایده ارتباط نزدیکی با ساختار تقلیل گرای طبیعت، چیزی شبیه عروسک‌های تو در توی ماتروشکا، دارد، که در آن چیز‌های بزرگتر توسط چیز‌های کوچکتری که داخل آن نهفته است توضیح داده می‌شوند. در حال حاضر نظریه‌پردازان در مورد این موضوع تردید دارند که آیا مشکلات عمیق طبیعی بودن مانند فقدان ذرات جدید برخورد دهنده هادرون بزرگ می‌توانند به معنای این باشد که قوانین طبیعت با این ساختار ساده از کوچک به بزرگ ساخته نشده‌اند. در انبوهی از مقالات جدید، این موضوع در حال بررسی است که چگونه جاذبه زمین ممکن است بر تغییر دادن این تصویر و نظریه، به طور چشمگیری تاثیر گذار باشد.

ایزابل گارسیا گارسیا، فیزیکدان تئوری ذرات، با اشاره به موقعیتی که در حال حاضر در آن قرار داریم گفت: «برخی از مردم آن را یک بحران می‌نامند». اما به نظر او این خیلی بدبینانه است. او در ادامه می‌گوید: «اکنون زمانی است که من احساس می‌کنم به موضوع عمیقی دست یافته‌ایم».

باز شدن قفل فیزیک دو بعدی

هزاران فیزیکدان ماده چگال، بر روی گرافن، ورقه‌ای کریستالی که از اتم‌های کربن با خواص ویژه‌ای ساخته شده‌اند، مطالعاتی انجام داده‌اند. اما اخیرا خانواده جدیدی از کریستال‌های مسطح بنام دی کالکوژناید‌های فلزات واسطه (TMD) روی کار آمده‌اند. انباشته شدن TMD‌های مختلف، باعث ایجاد موادی با خواص و رفتار‌های کوانتومی متفاوت می‌شود.

خواص تقریبا جادویی این مواد به لطف جی شان و کین‌فای‌مک، زن و شوهری که آزمایشگاهی در دانشگاه کورنل را اداره می‌کنند، شناخته شد. مقاله اصلی مجله Quanta از شان و مک که تابستان گذشته منتشر شد، داستان مواد دو بعدی در پس زمینه فیزیک ماده چگال را بیان می‌کند. آن‌ها همچنین از مجموعه‌ای از پیشرفت‌های جدید هیجان‌انگیزشان از اتم‌های مصنوعی گرفته تا اکسایتون‌هایی با عمر طولانی صحبت کردند. همچنین یک مستند کوتاه درباره این دو نفر و اکتشافات‌شان پخش شد.

به گفته ماریا اسپیروپولو، رهبر تیم تحقیقاتی موسسه فناوری کالیفرنیا، در ماه نوامبر فیزیکدانان از اولین «آزمایش گرانش کوانتومی بر روی یک تراشه» خبر دادند. آن‌ها یک «پروتکل کرم چاله» را در کامپیوتر کوانتومی Sycamore گوگل اجرا کرده و جریان اطلاعات کوانتومی در کامپیوتر را به گونه‌ای دست‌کاری کردند که از نظر ریاضی، با اطلاعاتی که از یک کرم چاله بین دو نقطه در فضا-زمان عبور می‌کرد، برابر یا دوبرابر آن بود.

برای روشن شدن مطلب باید بگوییم که کرم چاله بخشی از فضا-زمانی نیست که ما در آن قرار داریم. در واقع نوعی شبیه‌سازی یا هولوگرام است ـ البته نه از آن‌هایی که ما به آن عادت داریم- و هندسه فضا-زمان متفاوتی نسبت به فضا-زمان واقعی، یا منحنی مثبت و چهاربعدی فضا-زمانی که در آن زندگی می‌کنیم، دارد. هدف از این آزمایش نشان دادن دوگانگی هولوگرافیک بود. یک کشف نظری بزرگ در ۲۵ سال گذشته که بیان می‌کند سیستم‌های کوانتومی خاص از ذرات می‌توانند به عنوان یک زنجیره پیوسته گرانشی فضا-زمان تفسیر شوند.

کرم چاله هولوگرافیکی نظرات متفاوتی را بین فیزیک‌دانان و خوانندگان معمولی ایجاد کرد. برخی از فیزیک‌دانان فکر می‌کنند که شبیه‌سازی کوانتومی در مقایسه با مدل نظری آن که مبتنی بر داشتن یک توصیف دوگانه هولوگرافیک بعنوان یک کرم چاله بود، بسیار ضعیف است. بسیاری حس می‌کردند فیزیکدانانی که در این کار دست داشتند و روزنامه‌نگارانی که اخبار مربوط به آن را پوشش می‌دادند، بهتر بود بر این نکته تاکید کنند که این یک کرم چاله واقعی نیست که بتواند مردم را به کهکشان آندرومدا منتقل کند. در واقع، برای باز کردن یک کرم چاله در فضا-زمان واقعی، به موادی با انرژی منفی نیاز دارید و بنظر می‌رسد که چنین چیزی وجود ندارد.

تلسکوپ جیمز وب انقلابی در نجوم

بزرگترین اتفاقی که امسال در علم فیزیک رخ داد مستقر شدن این تلسکوپ در یک میلیون مایل دورتر از زمین، و در نقطه‌ای از فضا با نام نقطه لاگرانژی۲ است، جایی که سپر خورشیدی آن می‌تواند به طور همزمان زمین، ماه و خورشید را مسدود کند. تصاویر ارسالی توسط تلسکوپ جیمز وب نفس‌ها را در سینه حبس کرده و داده‌های این تلسکوپ در حال تغییر دادن درک ما از کیهان هستند.

زمانی که بایدن از اولین تصاویر دریافتی از تلسکوپ جیمز وب رونمایی کرد، محققان کهکشان‌های جالبی در تابلویی وسیع در مقابل خود می‌دیدند. در عرض چند روز مقالات علمی زیادی به صورت آنلاین منتشر شدند. دو هفته بعد Quanta گزارش داد که داده‌های تلسکوپ جیمز وب، اکتشافات جدیدی در مورد کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات فرا خورشیدی و حتی سیاره مشتری انجام داده است. یکی از هیجان‌انگیزترین یافته‌های اولیه این بود که به نظر می‌رسد کهکشان‌ها در اوایل تاریخ کیهانی به طرز شگفت‌آوری دور هم جمع شده‌اند- حتی شاید زودتر از آن چیزی که مدل‌های کیهانی بتوانند به راحتی توضیح دهند. انتظار می‌رود که اطلاعات بیشتری در مورد این موضوع در سال ۲۰۲۳ منتشر شود.

همچنین باید صبورانه منتظر مطالعات پیش‌بینی شده بیشتری از تلسکوپ جیمز وب در مورد سیارات سنگی در یک منظومه ستاره‌ای نزدیک به خودمان، به نام TRAPPIST-۱ باشیم. یکی از تخصص‌های کلیدی تلسکوپ جیمز وب، آنالیز نور ستاره‌ای است که جو یک سیاره دور از خود را در حین حرکت آن سیاره سوراخ کرده و به آن نفوذ می‌کند. این اطلاعات مشخص خواهد کرد که اتمسفر سیاره از چه چیزی ساخته شده است، از جمله احتمال وجود گاز‌های «ردپای زیستی» که ممکن است نشان‌دهنده زیست گونه‌های بیگانه (آدم فضایی‌ها) باشد. در حال حاضر این تلسکوپ سیارات فراخورشیدی فوق‌العاده‌ای را شناسایی کرده است. اما جهان‌هایی نظیر سیارات TRAPPIST-۱ که به طور بالقوه قابلیت سکونت دارند، آنقدر کوچک هستند که باید قبل از نمایان شدن ویژگی‌های جوی، در چند سال آینده چند بار از مقابل خورشید منظومه خود عبور کنند.

ممکن است دیدن ردپا‌های زیستی در آسمان آن‌ها بعید باشد. با این حال برخی از اخترشناسان تمام دوران حرفه‌ای خود را صرف این موضوع کرده‌اند. لیزا کالتنگر، مدیر موسسه کارل ساگان در دانشگاه کرنل و یکی از پیشگامان مدل‌ساز کامپیوتری جهان‌های قابل سکونت بالقوه، درست زمانی که اولین سیاره‌های فراخورشیدی کشف شدند، روی کار آمد. او به گروهی از رویاپردازان پیوست که بر روی یافتن شیوه زندگی روی یک سیاره کار می‌کردند. شناخت ما از کالتنگر، حکایت از آن دارد که چطور او و نسل ستاره‌شناسان سیارات فراخورشیدی، دهه‌هاست که برای این دوره برنامه‌ریزی می‌کنند و در سال‌های آینده درباره آن‌ها بیشتر خواهیم شنید.