8 مرات فجرت الفيزياء أذهاننا في عام 2022
أول عرض للانصهار النووي ؛ أعمق صورة للكون تم التقاطها على الإطلاق ؛ تحويلات الكويكبات المقصودة واكتشاف أن أفضل نموذج لدينا للواقع يمكن ، في الواقع ، كسره. سواء كنت تلعب بالعالم المجهري الغريب أو تتطلع إلى الامتدادات اللانهائية للفضاء ، فإن عام 2022 كان عامًا مليئًا تمامًا بالفيزياء الرائدة. هنا 8 مرات فجرت الفيزياء أذهاننا في عام 2022.
1. الاندماج النووي يصل للاشتعال
في ديسمبر ، استخدم العلماء في منشأة الإشعال الوطنية (NIF) التي تمولها الحكومة الأمريكية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا أقوى ليزر في العالم لتحقيق شيء كان علماء الفيزياء يحلمون به منذ ما يقرب من قرن – اشتعال حبة وقود بواسطة الاندماج النووي.
يمثل العرض التوضيحي المرة الأولى التي تتجاوز فيها الطاقة الخارجة من البلازما في النواة النارية للمفاعل النووي الطاقة التي يبثها الليزر ، وكانت دعوة حاشدة لعلماء الاندماج بأن الهدف البعيد هو طاقة نظيفة غير محدودة وشبه غير محدودة هو في الواقع قابل للتحقيق.
ومع ذلك ، لا يزال العلماء يحذرون من أن الطاقة من البلازما تتجاوز فقط طاقة الليزر ، وليس من المفاعل ككل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن طريقة الحبس بالليزر التي يستخدمها مفاعل NIF ، المصممة لاختبار الانفجارات النووية الحرارية لتطوير القنبلة ، سيكون من الصعب توسيع نطاقها. قد لا نزال بعيدين عن المفاعلات الاندماجية التجارية عقودًا ، وقد لا تكون موجودة هنا في الوقت المناسب لتقديم حل بديل للآلة لأزمة المناخ ، لكن هذا لا يعني أن الأخبار لم تجعل المستقبل أكثر إشراقًا قليلاً. .
2. ناسا تصطدم عمدا بكويكب لتحويل مساره
في سبتمبر ، ضرب علماء ناسا “عين الثور” الفلكية عن طريق توجيه المركبة الفضائية التي يبلغ وزنها 1210 رطلاً (550 كيلوغرامًا) ، و 314 مليون دولار أمريكي لاختبار إعادة توجيه الكويكبات المزدوجة (DART) إلى الكويكب ديمورفوس على بعد 56 قدمًا (17 مترًا) من مركزه الدقيق. . صُمم الاختبار لمعرفة ما إذا كانت مركبة فضائية صغيرة مدفوعة على طول مسار مخطط يمكنها ، مع إعطاء مهلة كافية ، إعادة توجيه كويكب من تأثير كارثي محتمل على الأرض.
وكان نجاحا باهرا. كان الهدف الأصلي للمسبار هو تغيير مدار ديمورفوس حول شريكه الأكبر – الكويكب ديديموس الذي يبلغ عرضه 1،280 قدمًا (390 مترًا) – بمقدار 73 ثانية على الأقل ، لكن المركبة الفضائية غيرت مدار ديمورفوس في الواقع بـ 32 دقيقة مذهلة. أشادت وكالة ناسا بالاصطدام باعتباره لحظة فاصلة في الدفاع الكوكبي ، مما يمثل المرة الأولى التي أثبت فيها البشر قدرتهم على تجنب هرمجدون خارج كوكب الأرض ، ودون أي مساعدة من بروس ويليس.
قد لا تكون هذه هي المرة الوحيدة التي يتم فيها إجراء اختبار كهذا: تقول الصين إنه في عام 2026 ، ستضرب 23 صاروخًا من صواريخها البالغ وزنها 992 طنًا (900 طن متري) في الكويكب بينو في محاولة أخرى لإعادة توجيه صخرة فضائية. . وهذه المرة ، يمكن أن يكون Bennu في الواقع تهديدًا للأرض – حيث يقدر أن لديه فرصة 1 من 1750 لتحطيمنا على مدى 300 عام القادمة.
3. تجربة محرك الالتواء لتحويل الذرات إلى غير مرئية يمكن أن تضيف مصداقية لتنبؤات ستيفن هوكينج الشهيرة
اقترح الفيزيائيون تجربة منضدية جديدة تمامًا لتسريع الإلكترون إلى سرعات الضوء ، وتحويله إلى غير مرئي وتحميمه في فوتونات الميكروويف ، أو حزم من الضوء.
كان هدفهم هو اكتشاف تأثير Unruh ، وهي ظاهرة افتراضية لم تُشاهد بعد ، والتي تقول إن الجسيم الذي يسافر بسرعة الضوء يجب أن يعطي طاقة كافية للفراغ المحيط لإنشاء تيار من الجسيمات الافتراضية ، مما يغمره في توهج الكم الأثيري. نظرًا لأن التأثير مرتبط ارتباطًا وثيقًا بتأثير هوكينج – حيث تظهر الجسيمات الافتراضية المعروفة بإشعاع هوكينج تلقائيًا عند حواف الثقوب السوداء – ويرتبط كلا التأثيرين بالنظرية المراوغة للجاذبية الكمومية ، لطالما كان العلماء حريصين على اكتشاف أحدهما. كإشارة إلى وجود الآخر.
لكن إلقاء نظرة خاطفة على التأثير يتطلب تسارعات هائلة ، تفوق بكثير قوة أي مسرع جسيمات موجود. لذلك اقترح الفيزيائيون حلاً بديلاً بتقنية تسمى الشفافية المحرضة بالتسارع لتحفيز التأثير. عن طريق غسل الفراغ المحيط بالإلكترون بشعاع ميكروويف قوي مع جعل الإلكترون نفسه غير مرئي في نفس الوقت حتى لا يتداخل الضوء معه ؛ ووجدت الدراسة أنه يجب أن يكونوا قادرين على إثارة التوهج الخافت إلى الوجود.
4. يرسل العلماء المعلومات من خلال أول محاكاة لثقب دودي ثلاثي الأبعاد
في مثال آخر على مهارة ترقيع الكم ، استخدم الفيزيائيون جهاز الكمبيوتر الكمي Sycamore 2 من Google لمحاكاة أول ثقب دودي ثلاثي الأبعاد على الإطلاق ونقل المعلومات من خلاله. لم يتم إنشاء الصدع “الصغير” عبر الزمكان بالجاذبية ، ولكن من خلال التشابك الكمي – ربط جسيمين أو أكثر بحيث يؤثر قياس أحدهما بشكل فوري على الآخرين – وقد تم إجراؤه جزئيًا لاختبار نظرية مفادها أن الكون عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد التي تندمج آثارها الكمومية ذات الأبعاد المنخفضة مع الجاذبية لتصبح واحدة.
أشياء قوية ، لكن التجربة نفسها تم إجراؤها باستخدام تسع بتات كمومية فقط ، أو كيوبت ، على شريحة Sycamore 2. من خلال تشابك اثنين من الكيوبتات على جانبي الرقاقة ، تمكن العلماء من إرسال معلومات سليمة من جانب إلى آخر كما لو كانا ثقبين أسودين متصلين بواسطة ثقب دودي. الباحثون غير متأكدين مما إذا كانوا قد قاموا بمحاكاة الثقوب السوداء عن كثب بما يكفي لاعتبارها متغيرات غريبة من الشيء الحقيقي ، وقد أطلقوا في النهاية على شقوق الكمبيوتر الكمومية اسم الثقوب السوداء “الناشئة”. لقد أدى نجاح تجربتهم إلى إنشاء نظام جديد تمامًا يمكن استخدامه لاختبار تقاطع ميكانيكا الكم والجاذبية ، ومعرفة ما إذا كنا جميعًا مجرد صور ثلاثية الأبعاد بعد كل شيء.
5. الصورة الأعمق والأكثر تفصيلاً للكون على الإطلاق
أخيرًا ، أحضرت وكالة ناسا تلسكوب جيمس ويب الفضائي على الإنترنت ، وكشفت النقاب عن أول صورة كاملة الألوان لها باعتبارها أعمق صورة للكون وأكثرها تفصيلاً يتم التقاطها على الإطلاق. تسمى “الحقل العميق الأول لويب” ، تبدو الصورة بعيدة جدًا لدرجة أن الضوء الذي تلتقطه يأتي من عندما كان عمر كوننا بضع مئات من ملايين السنين ، تمامًا عندما بدأت المجرات في التكوين وبدأ الضوء من النجوم الأولى في الوميض.
تحتوي الصورة على مجموعة كثيفة للغاية من المجرات ، الضوء الذي منه ، وهو في طريقه إلينا ، قد تشوه بفعل الجاذبية لعنقود مجري في عملية تعرف باسم عدسة الجاذبية. يجلب حتى الضوء الخافت في البؤرة. ولكن على الرغم من العدد المذهل من المجرات في المنظر ، فإن الصورة لا تمثل سوى قطعة صغيرة من السماء – بقعة السماء محجوبة بحبة رمل مثبتة على طرف إصبع بطول الذراع.
6. جسيم بدائي من فجر التاريخ ينبع من حساء البلازما
هناك أكثر من طريقة للنظر إلى الماضي. في كانون الثاني (يناير) ، أعاد علماء الفيزياء في مصادم الهادرونات الكبير ، أكبر محطم للذرات في العالم ، إنشاء الكون بعد مائة من المليار من الثانية بعد الانفجار العظيم من خلال تحطيم أيونات الرصاص معًا لصنع بلازما كوارك غلوون – وهي مرق هائج من الجسيمات الأولية التي تحتوي على لبنات بناء مادة الكون. من حساء البلازما هذا ، وسط تريليونات من الجسيمات الأخرى ، ظهر جسيم X.
سمي الجسيم X بسبب بنيته غير المعروفة ، وقد ظل بعيد المنال لأنه قصير العمر للغاية ، ويتحلل على الفور تقريبًا إلى جسيمات أكثر استقرارًا. قام الفيزيائيون بغربلة المليارات من التفاعلات للعثور على هيكل الانحلال الفريد هذا ، واستخرجوا حوالي 100 جسيم من مجموعة البيانات الهائلة.
الآن وقد وجد الفيزيائيون توقيعه ، يريدون معرفة هيكله. تتكون البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات مرتبطة بشكل وثيق ، لكن يعتقد الباحثون أن جسيم X سيبدو مختلفًا تمامًا ، حيث يحتوي على أربعة كواركات مرتبطة ببعضها البعض بطريقة لم يكتشفوها بعد. سيحتاجون إلى طلب المزيد من حساء البلازما.
7. يتعرف علماء الفلك على انفجار نووي حراري كبير لدرجة أنهم يضطرون إلى منحه فئة جديدة
لم يكن الانفجار العظيم الانفجار الكبير الوحيد الذي يخضع للتحقيق هذا العام. في عام 2011 ، رأى علماء الفلك نجمًا ميتًا على حافة مجرة درب التبانة ينفجر بطريقة شديدة العنف لدرجة أنهم اقترحوا في هذا العام فئة جديدة تمامًا من الانفجار النووي الحراري لذلك.
يطلق على الانفجار الهائل ، الذي يُطلق عليه اسم انفجار شديد ، على الأرجح أن يكون ناتجًا عن لب نجم ميت – يُعرف بالنجم النيوتروني – تمزيق كرات من الغاز من نجم مصاحب ، فقط لينفجر الغاز عند الاصطدام بمجرد ملامسته لسطح النجم النيوتروني. جعلت هذه الانفجارات سطح النجم شديد السخونة والضغط لدرجة أنه حتى العناصر الثقيلة مثل الأكسجين والنيون بدأت في الاندماج في قلبه ، مما أدى إلى تفاعل تسلسلي جامح. النتيجة؟ أقوى انفجار منفرد تم اكتشافه على الإطلاق في نجم نيوتروني ، والذي أطلق طاقة في ثلاث دقائق أكثر مما تطلقه الشمس في 800 عام.
تعتبر ظروف الانفجارات المفرطة نادرة بشكل لا يصدق ، لذلك يشك علماء الفلك في أنهم سيلقون لمحة أخرى عن واحدة في حياتهم ، لكن هذا لن يمنعهم من دراسة النظام الذي جاء منه للحصول على مزيد من الأدلة حول كيفية حدوث الانفجار الكبير.
8. يحاول علماء فيزياء الجسيمات كسر الفيزياء مرة أخرى
لن تكتمل سنة في الفيزياء بدون محاولة واحدة على الأقل لكسر أفضل نموذج حالي لدينا للواقع. محطم ذرة في فيرميلاب في إلينوي قياس كتلة البوزون دبليو، وهو جسيم أساسي وحامل قوة للقوة النووية الضعيفة ، لأنه أثقل مما كان متوقعًا النموذج القياسي، الوصف السائد لحديقة الحيوان للجسيمات دون الذرية. التقدير – دقيق للغاية لدرجة أن الفيزيائيين قارنوه بإيجاد وزن 800 رطل (363 كجم) من الغوريلا إلى أقرب 1.5 أونصة (42.5 جرام) – سيتم فحصها وإعادة صياغة النتائج بدقة قبل التأكيد الكامل. ولكن إذا صمدت ، يمكن أن تفتح النموذج القياسي للكشف عن فيزياء جديدة. مهما حدث ، سنكون على يقين من مراقبة القوانين الأساسية للكون لأي تغييرات مفاجئة في عام 2023.
