چطور دهه اخیر علم فیزیک را برای همیشه تغییر داد؟

دهه‌ای که پشت سر گذاشتیم، میزبان چندین دستاورد مهم در تاریخ علم فیزیک بود.

دهه ۲۰۱۰ دهه‌ای خارق‌العاده برای علوم جدید بود و کشف‌های تازه، نگاه فیزیک‌دانان را نسبت به حوزه فعالیت خود تغییر داد. متخصصین حوزه فیزیک ذرات و فیزیک نجومی وارد عصر جدیدی شده‌اند که رویکردهای آن‌ها را دچار تغییرات فراوان کرده است. تکنولوژی جدیدی که به کمک مکانیک کوانتومی به دست آمده نیز تفاوتی عظیم در زمینه پردازش، علوم مواد و چگونگی برخورد ما با انرژی به وجود خواهد آورد.

ناتالیا تورسو، دستیار پروفسور در زمینه فیزیک ذرات و فیزیک نجومی در دانشگاه استنفورد معتقد است: «به نظر می‌آید ما در میانه یک تغییر بنیادین در رویکردهای عملی هستیم. هنوز مشخص نیست به کدام سمت می‌رویم، اما فکر می‌کنم تا ۵۰ سال دیگر، دهه اخیر به عنوان آغازی بر یک تغییر اساسی در درک ما از فیزیک به یاد خواهند ماند».

یافتن کوچک‌ترین‌ها

دهه اخیر، تغییراتی رادیکالی در درک محققان از چیزهای بزرگ و همینطور چیزهای کوچک به وجود آورد. احتمالا در مهم‌ترین مورد، محققانِ برخورد دهنده هادرونی بزرگ -شتاب‌دهنده‌ ذراتی ۱۷ مایلی که در سوییس ساخته شده- شواهدی از بوزون هیگز (یا همان ذره خدا)‌ یافتند؛ آخرین ذره‌ای که در تئوری اصلی فیزیک ذرات به نام مدل استاندارد توصیف شده است.

تا پیش از سال ۱۹۶۴، برخی تئوری‌ها به خوبی جهان را توصیف می‌کردند، اما یک مشکل داشتند: آن‌ها پیش‌بینی می‌کردند که برخی ذراتی که محققان می‌دانستند جرم دارند، باید بدون جرم باشند. سپس شش محقق (که پیتر هیگز معروف‌ترین‌شان بود) در مجموعه‌ای از تحقیقات این مشکل را حل کردند. آن‌ها مکانیزمی را تشریح کردند که اجازه می‌داد ذرات حامل نیرو به نام بوزون، جرم داشته باشند. بنابراین تئوری‌های مرتبط با هستی همچنان درست بودند. این مکانیزم نیازمند وجود ذره‌ای دیگر بود که امروز بوزون هیگز نامیده می‌شود. علی‌رغم تحقیقات بسیار، بوزن هیگز هیچوقت پیدا نشد - تا اینکه دهه اخیر از راه رسید.

برخورد دهنده هادرونی بزرگ که بزرگ‌ترین آزمایشگاه علمی تاریخ هم هست در سال ۲۰۰۸ شروع به کار کرد. در روز چهارم جولای ۲۰۱۲، محققان از سراسر جهان به تالارهای سخنرانی رفتند تا درباره این کشف بزرگ بشنوند. شواهد هیگز طی دو آزمایش در حسگرهایی با ابعاد یک ساختمان، به نام‌های ATLAS و CMS پیدا شد. بسیاری به این نتیجه رسیدند که تمام ذرات پیش‌بینی شده در مدل استاندارد را یافته‌ایم و بنابراین مدل، نهایی شده. که البته حقیقت ندارد.

پتی مک‌براید، محققی در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی می‌گوید:

گفتن اینکه مدل استاندارد را کامل کرده‌ایم، این منظور را می‌رساند که کار تمام است. ولی کار ما تمام نشده. هنوز اسرار زیادی وجود دارد و در واقع برای ۹۶ درصد از اجزای هستی هنوز توضیحی در مدل استاندارد ارائه نشده است.

برخورد دهنده هادرونی بزرگ از سال ۲۰۱۲ در سکوت خبری فرو رفته است. از آن زمان نتایج بسیار جالبی در آزمایش‌های مدل استاندارد به دست آمده اما هیچ ذره دیگری را بعد از بوزون هیگز نیافته‌ایم. فیزیک‌دانان امیدوار بودند سازمان تحقیقات اتمی اروپا قادر به کشف شواهدی از ذرات دیگر،‌ مانند سوپرپارتنرها باشد.

پیش‌بینی می‌شود این ذرات به صورت طبیعی توضیحی برای ضعیف بودن گرانش نسبت به دیگر نیروها ارائه کنند (اینطور در نظر بگیرید که زمین با تمام گرانشش قادر به جدا کردن استیکرهایی که به یخچال چسبانده‌اید نیست) . علاوه بر این، به نظر می‌رسد توضیحی برای ماده تاریک نیز خواهیم یافت؛ ماده مرموزی که بیشتر از هر ماده دیگر در هستی یافت می‌شود اما هیچوقت به صورت مستقیم رصد نشده است.

و اگرچه اطلاعات زیادی از برخورد دهنده هادرونی بزرگ به دست آورده‌ایم و این آزمایشگاه قرار است در یک به‌روزرسانی به نرخ برخورد بالاتر دست پیدا کند، محققان مطمئن نیستند که هیچوقت قادر به یافتن شواهدی از این ذرات باشیم.

با این همه فیزیک‌دانان ذرات، راه‌های تازه‌ای را برای یافتن ذرات در پیش گرفته‌اند. آن‌ها آزمایش‌هایی تدارک دیده‌اند که با دقت بسیار بالا به دنبال جزییات می‌گردند که از نظر ریاضیاتی، انحراف بسیار از پیش‌بینی تئوری را در پی داشته باشد. محققان ضمناً مجبور به تفکر خارج از چارچوب و یافتن توضیحات تازه برای چیزهایی مانند ماده تاریک شده‌اند.

جاش فرایمن، پروفسور دپارتمان فیزیک اخترشناسی و فیزیک نجومی در دانشگاه شیکاگو می‌گوید:

از لحاظ تکنولوژیک، هدایت شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای به سمت انرژی‌های بیشتر [برای یافتن ذرات جدید] دشوارتر می‌شود. جامعه فیزیک ذرات به این درک رسیده که نیازمند تنوع در رویکردها هستیم... قرار است مشکلی چالش‌برانگیز باشد. وقتی شما مشکلی چالش‌برانگیز دارید، از تمام ابزارهای داخل جعبه‌ ابزارتان استفاده می‌کنید، چون علوم فیزیکی جدید یک‌جورهایی خجالتی هستند.

اختلالات فضازمانی

طی این دهه شاهد انقلابی در فیزیک در ابعاد بزرگ هم بودیم. بیش از یک دهه پیش، تئوری نسبیت عام آلبرت اینشتین پیش‌بینی می‌کرد وقایعی که انرژی بالایی می‌طلبند می‌توانند اختلالاتی در سرعت نور هنگام عبور از فضازمان ایجاد کنند که امواج گرانشی نامیده می‌شود. محققان برای مدت‌های طولانی در پی امواج گرانشی ناشی از ابرنواختر یا سیاهچاله‌هایی که به دور یکدیگر می‌گردند و برخورد می‌کنند بوده‌اند. شواهد غیرمستقیم برای نخستین بار با کشف دو پالسار (نوعی از ستاره‌های نوترونی که به دور یکدیگر می‌گردند) به نام PSR 1913-16 به دست آمد.

بعد از چند سال، محققان دریافتند که دوره چرخیدن دو ستاره به دور یکدیگر دقیقاً به همان شکلی طی می‌شود که سیستم نسبیت عام پیش‌بینی می‌کرد: انرژی دو ستاره صرف تولید امواج گرانشی می‌شود. اما علی‌رغم پژوهش‌های بیشتر، هیچوقت شواهد مستقیمی به دست نیامد.

تا اینکه دهه اخیر از راه رسید. در روز ۱۴ سپتامبر سال ۲۰۱۵ و در ساعت ۵:۵۱ صبح به وقت محلی، دو تاسیسات L شکل که هرکدام دو تونل یک مایلی در هر طرف داشتند، یکی در واشنگتن و دیگری در لوییزیانا، از طریق سنسورهای خود شاهد خروج لیزرهایشان از فاز بودند. این اتفاق در نتیجه برخورد و ادغام دو سیاهچاله، با جرمی ۲۹ و ۳۶ برابر خورشید و در فاصله ۱.۳ میلیارد سال نوری بود که امواج گرانشی‌شان بالاخره به زمین رسید.

پژوهش‌های بیشتری صورت گرفت، اما احتمالا مهم‌ترین کشف در سال ۲۰۱۷ به دست آمد. در آن سال طی همکاری با آزمایش مشابه Virgo در ایتالیا، سنسورها درست در لحظه‌ای امواج گرانشی را ثبت کردند که تلسکوپ‌های سراسر جهان تشعشعاتی رادیویی،‌ فرابنفش، مادون قرمز و اپتیکال را در همان نقطه از آسمان رویت کردند. این انفجار انرژی ناشی از برخورد دو ستاره نوترونی بود.

تنها همین اتفاق به محققان اجازه داد که دانش بیشتری درباره ریشه‌های برخی از سنگین‌ترین عناصر جدول تناوبی به دست آورند که می‌تواند به حل «بحران» فعلی فیزیک در زمینه سرعت انبساط جهان کمک کند.

این کشف دگرگون‌کننده، نقطه عطفی برای اخترشناسی چندجانبه بود که در آن هم از امواج نوری و هم ذرات و امواج دیگر برای شناسایی منبع استفاده می‌شود. تلسکوپ‌ها در ابتدا فقط برای رصد نورهای مرئی استفاده می‌شدند، سپس نوبت به تشعشعات الکترومغناطیسی دیگر با طول موج‌های مختلف -نظیر اشعه ایکس و امواج رادیویی- رسید و حالا هنگام رصد ممکن است اطلاعاتی درباره ذراتی مانند نوترینوها و امواج گرانشی نیز به دست آید.

پیتر گالیسون، پروفسور فیزیک در زمینه تاریخ علوم دانشگاه هاروارد معتقد است ما حالا به «عصر طلایی اخترشناسی چندجانبه» رسیده‌ایم.

سیاه‌چاله‌ها در آزمایشاتی دیگر هم لحظاتی مهم رقم زدند. محققان تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon)، که یک همکاری عظیم میان تلسکوپ‌های رادیویی سراسر جهان به حساب می‌آید، اخیرا دیش‌های خود را به سمت سیاهچاله‌ای در مرکز کهکشان M87 با ۶.۵ میلیارد جرم خورشیدی گرفتند. نتیجه کار نخستین تصویر از یک سیاهچاله بود، یا اگر دقیق‌تر باشیم، تصویری از سایه‌ای که سیاهچاله روی اجرام پشت خود می‌اندازد.

اگرچه محققان از مدت‌ها پیش شواهدی از اجرامی با توانایی خم کردن نور را دیده بودند -اجرامی غول‌آسا که آنقدر فضازمان را خم می‌کنند که حتی نور هم قادر به فرار از گرانش آن‌ها نیست- این مستقیم‌ترین رصدی بود که از یکی از آن‌‎ها داشتیم. محققان امیدوارند این کشف به ظهور دوران جدیدی در علم سیاهچاله منجر شود و بتوانیم درک بهتری از ماده‌ای که از مرکز ابرسیاهچاله‌ها خارج می‌شود داشته باشیم.

فیزیک در جهان واقعی

احتمالاً قهرمان ناشناخته فیزیک‌های ذرات و نجومی در دهه اخیر استفاده فزاینده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تحلیل حجم عظیمی از اطلاعات باشد. تصویر به دست آمده از سیاهچاله بدون یادگیری ماشین وجود نداشت و در این دهه، به گفته تورو، فیزیک ذرات در حال پشت سر گذاشتن یک نقطه عطف است.

در این دهه ضمناً شاهد آغاز دورانی از تکنولوژی بودیم که مزایای فیزیک ذرات را به کار می‌گیرد – مثلاً در کامپیوترهای کوانتومی. پیتر شور، ریاضی‌دان دانشگاه MIT که الگوریتم فاکتورگیری شور را خلق کرده می‌گوید: «به نظرم این دهه، دهه‌ای بود که در آن کامپیوترهای کوانتومی از چیزی علمی-تخیلی به چیزی واقعی تبدیل شدند».

این دیوایس‌های کوانتومی برای نخستین بار در سال ۱۹۸۱ و توسط ریچارد فاینمن پیشنهاد شدند. از همان ابتدا قرار بود از این کامپیوترها برای حل مسائلی استفاده شود که کامپیوترهای معمولی و سیمی که از ریاضیات اتم به جای منطق معمولی استفاده می‌کنند قادر به حل آن‌ها نیستند.

متخصصین به صورت خاص امیدوارند که یک روز قادر به شبیه‌سازی رفتار مولکول‌ها یا اجرای الگوریتم‌هایی خاص و پیچیده با استفاده از توانایی‌های ریاضیاتی کامپیوترهای کوانتومی باشند. اساساً این ماشین‌ها توزیع احتمالات بیشتری نسبت به کامپیوترهای عادی داشته و برای مثال احتمالات یک شیر و خط ساده با سکه را با دقت بالاتری تعیین می‌کنند.

در سال ۲۰۰۷ میلادی بود که فیزیک‌دانان در دانشگاه ‌ییل، «Transmon Qubit» را ابداع کردند؛ لوپی شامل سیم‌های فوق رسانا که به عنوان یک اتم مصنوعی عمل می‌کنند و کوچک‌ترین واحد در پردازش کوانتومی هستند. امروز شرکت‌هایی نظیر IBM و گوگل ماشین‌هایی با بیش از ۵۰ کیوبیت ساخته‌اند و به آرامی شاهد بهبودهایی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک –به هنگام حل مسائل خاص- بوده‌ایم. در همین حال، کمپانی‌های دیگر هم دیوایس‌هایی با ابعاد مشابه اما بر مبنای اتم‌هایی که توسط لیزر در یک نقطه باقی مانده‌اند ساخته‌اند. اکوسیستم استارتاپ‌هایی که ابزارهای نرم‌افزاری و قطعات سخت‌افزاری این دستگاه‌ها را فراهم می‌آورند نیز رشد کرده.

شاید چند دهه طول بکشد تا این ماشین‌ها از یک جنریتور ارقام تصادفی گران‌قیمت به دستگاهی با برتری فاحش بر کامپیوترهای کلاسیک تبدیل شوند. کنترل کردن این دستگاه‌ها پیش از اینکه کوانتومی بودن خود را به خاطر لرزش‌ها و تشعشعات جهان بیرون از دست بدهند فوق‌العاده دشوار است. حتی هنوز امکان خطا هم وجود دارد و دانشمندان در تلاشند دقت کار را بالاتر ببرند. یکی از راهکارها، ترکیب چندین کیوبیت با یکدیگر با هدف ساخت یک ابر کیوبیت بسیار منطقی است که از خطا در امان خواهد بود. اما دانشمندان امیدوارند که یک روز کاربردی واقعی و مهم برای این دیوایس‌های کوچک و پر سر و صدا بیابند.

در این دهه دانشمندان راهی برای به کارگیری مکانیک کوانتومی در تکنولوژی‌های روزمره نیز یافتند. برای مثال دانشمندان چینی ماهواره‌ای را به فضا فرستادند که از ریاضیات مکانیک کوانتومی برای رمزگشایی یک تماس ویدیویی بین چین و اتریش استفاده می‌کرد.

با عبور از مکانیک کوانتومی و رفتن به سراغ علم مواد، محققان احتمالا نخستین ماده‌ای که الکتریسیته را بدون هیچ مقاومت در دمای اتاق انتقال می‌دهد را ساخته باشند – کشفی دیگر که برای چندین دهه روی آن کار شده. و درست همین سال پیش، محققان دریافتند که روی دو ورقه گرافینی،‌ قادر به خاموش یا روشن کردن فوق رسانایی هستند – کشف دیگری که جرقه لازم را برای کار روی بی‌شمار سیستم دوبعدی مختلف زده.

دهه ۲۰۱۰ شاید بهترین دوران در تاریخ فیزیک نباشد – هرچه نباشد در قرن بیستم میلادی شاهد انبوهی از کشف‌های مختلف بودیم که بسیاری از آن‌ها نگاه ما به جهان چه در مقیاس کوچک و چه در مقیاس بزرگ را دگرگون کردند. اما بدون هیچ تردید، تاریخ‌شناسان در آینده به این دوره نگاه خواهند کرد و متوجه تغییری اساسی در تمام جنبه‌های فیزیک خواهند شد؛ از تکنولوژی‌های تازه گرفته تا متدهای آزمایشی و چگونگی تفکر درباره وقایع گوناگون.