سال ۲۰۲۴، سالی پربار برای فیزیک بود. از اعماق کیهان تا کوچکترین ذرات، دانشمندان به کشفیات شگفتانگیزی دست یافتند. از یک سو، با کشف آتشفشانهای باستانی در ماه، به منشا منظومهی شمسی نزدیکتر شدیم و از سوی دیگر، با توسعهی کامپیوترهای کوانتومی، به آیندهی محاسبات قدم گذاشتیم.
شفافسازی پوست با رنگ خوراکی، انقلابی در زیستشناسی ایجاد کرد و به ما اجازه داد تا بدون جراحی، درون بدن را مشاهده کنیم. سردسازی پوزیترونیوم، درهای جدیدی به روی مطالعهی پادماده گشود و گرافن نیمهرسانا، نویدبخش عصری جدید در صنعت الکترونیک است. همچنین، کشف تغییرات انرژی تاریک و پیشرفتهای چشمگیر هوش مصنوعی در حل مسائل پیچیدهی ریاضی، نشان از تلاشهای بیوقفه دانشمندان برای درک بهتر جهان هستی دارد.
حال که در روزهای پایانی سال ۲۰۲۴ هستیم، از شما دعوت میکنیم مهمترین دستاوردهای فیزیک امسال را با ما مرور کنید.
انقلابی در تصویربرداری زیستی؛ شفافسازی پوست با رنگ خوراکی
یک روز صبح از خواب بلند میشوید، کمی رنگ خوراکی زرد روی پوستتان میزنید و بعد، مستقیم درون بدنتان را تماشا میکنید! شاید فکر کنید قسمتی از یک داستانِ علمیتخیلی را میخوانید، اما گروهی از پژوهشگران دانشگاه استنفورد دقیقا این کار را روی موشها انجام دادهاند. آنها با استفاده از یک رنگ خوراکی معمولی به نام تارترازین، توانستند پوست موشها را شفاف کنند و بدون هیچ برشی به درون بدنشان سرک بکشند.
تصویربرداری از بافتها و اندامهای داخلی بدن با استفاده از روشهای اپتیکی کاری چالشبرانگیز است. زیرا بافت، نور تابیده شده را پراکنده میکند. پراکندگی نور به این دلیل رخ میدهد که بافت از بخشهای متفاوتی مانند آب و چربی با ضریب شکستهای متفاوت، تشکیل شده است. درنتیجه، عمق نفوذ نور به داخل بدن محدود میشود.
آنیتا طاهرانپور
تارترازین با جذبِ قویِ نورِ آبی و نورِ نزدیک به فرابنفش میتواند بافتهای زیستی را در عرض چند دقیقه شفاف کند. در این حالت، نورِ تابیده شده تا عمق بیشتری نفوذ میکند. در آزمایشهایی که روی پوست، ماهیچه و بافتهای همبند موشها انجام شد، پژوهشگران توانستند ساختارهای عمیق و فعالیتهای زیستی را با وضوح بالا مشاهده کنند.
تارترازین با جذب نور در محدودهی آبی، یک تغییر جالب ایجاد میکند: ضریب شکست نور برای آب را در نواحی موردنظر برای طول موجهای نور قرمز تغییر میدهد. در این حالت، ضریب شکست نور برای آب در این طولموجها به ضریب شکست نور برای چربی، نزدیکتر میشود. بنابراین، بافت زیستی در طول موجِ نور قرمز شفافتر دیده میشود. البته این شفافیت با تهرنگی از قرمز همراه است.
پژوهشگران با این روش توانستند بدون نیاز به جراحی، اندامهای داخلی مانند کبد، رودهی کوچک و مثانه را از زیر پوست مشاهده کنند. آنها حتی موفق شدند نورونهای رودهای را که با پروتئینهای فلورسنت نشانهگذاری شده بودند، در شکم موشها ببینند و حرکات این سلولهای عصبی را دنبال کنند.
یکی از مهمترین دستاوردهای فیزیک در سال ۲۰۲۴، شفافسازی پوست بهکمک رنگ خوراکی برای بررسی اندامهای داخلی موش بود
پوست در عرض چند دقیقه شفاف میشود و با برداشتن رنگ، به حالت اولیهی خود برمیگردد. تا این لحظه، این تحقیق، تنها روی حیوانات انجام شده است، اما با انجام آن روی انسان، تحول عظیمی ایجاد خواهد شد. این تکنیک میتواند مزایای فراوانی در حوزههای زیستشناسی، تشخیص بیماریها و حتی در صنایع آرایشی داشته باشد.
فقدان نیاز به نمونهبرداریهای تهاجمی (بیوپسی)، یکی از هیجانانگیزترین کاربردهای احتمالی این فناوری است. تصور کنید به جای جراحیهای پیچیده، بتوان تنها با شفافسازی پوست و بافتها، ساختارهای داخلی را بهدقت بررسی کرد! این پیشرفت میتواند راه را برای روشهای ایمنتر و سادهتر در پزشکی باز کند.
این همکاری علمی از یک گفتوگوی ساده و دوستانه در کافهای در دانشگاه استنفورد در تابستان ۲۰۲۱ آغاز شد. در آن زمان، یک دانشجوی دکترا تاثیر امواج مایکروویو را بر مغز بررسی میکرد. از سوی دیگر، یک پژوهشگر پسادکتری مشغول انجام پروژهای در رابطه با برهمکنش انواع مختلف مولکولهای رنگی با نور بود. ترکیب دو پروژه، جرقهای برای این کشف جذاب و شگفتانگیز شد.
پردهبرداری از رازهای پادماده با پوزیترونیوم سرد
سردسازی پوزینرونیوم اهمیت زیادی دارد، زیرا پس از ۳۰ سال دوباره راهی برای تحقیقات دقیق در بارهی این حالت کوانتومی منحصربهفرد فراهم شده است. پیش از این، بهدلیل نبود منابع پوزیترونیوم سرد با دمایی کمتر از دمای اتاق، مطالعهی دقیق خواص این ذره ممکن نبود.
در پروژهی AEgIS در سِرن، تمرکز دانشمندان بر مطالعهی سیستمهای پادماده در میدانهای گرانشی است و پوزیترونیوم بهعنوان ابزاری کلیدی برای این تحقیقات استفاده میشود. پوزیترونیوم سبکترین اتم در طبیعت و از یک الکترون و همتای پادمادهاش، پوزیترون، تشکیل شده است. این دو ذره، تنها حدود ۱۰۰ میلیاردم ثانیه میتوانند در کنار یکدیگر بمانند و پوزیترونیوم را شکل دهند.
پوزیترونیوم سیستمی بسیار ایدهآل برای پژوهشگران فیزیک نظری است، زیرا هیچ پیچیدگی اضافی ندارد. همچنین، سطوح انرژی این ذرات نقطهمانند را با دقت فوقالعاده بالایی میتواند مطالعه کرد. درنتیجه، پوزیترونیوم سیستمی بینظیر برای انجام آزمایشهای پیشرفته و بررسی خواص پادماده است.
پژوهشگران AEgIS با سردسازی پوزیترونیوم، امید دارند بتوانند اثرات حرکت زمین در مدار خورشید را از طریق اندازهگیری فرکانس خاص پوزیترونیوم و مشاهدهی انتقال به سرخ گرانشی، بررسی کنند. این آزمایش نهتنها نقطه عطفی در مطالعهی پادماده خواهد بود، بلکه دریچهای تازه بهسمت درک قوانین بنیادین طبیعت باز میکند. سردسازی پوزیترونیوم کلید اصلی این پیشرفت بیسابقه است، زیرا امکان بررسی دقیقتر ویژگیهای این مادهی اسرارآمیز را فراهم میکند. در ادامه، کمی در مورد این فرآیند سردسازی پوزیترونیوم با لیزر، صحبت میکنیم.
سردسازی اتم با لیزر
هنگامیکه نور لیزر با فرکانسی خاص را بر یک اتم میتابانیم، آن اتم به یکی از حالتهای برانگیختهاش (حالتهایی با انرژی بیشتر) میرود. تا زمانیکه فرکانسِ لیزرِ تابیده شده با اختلاف انرژی حالتهای برانگیختهی اتم مطابقت داشته باشد، این اتفاق رخ میدهد.
به زبان ساده، اتم، انرژی لیزر را جذب میکند و از حالت عادی به حالت پرانرژیتر (برانگیخته) میرود. این فرآیند بهدلیل هماهنگی دقیق بین انرژی لیزر و تفاوت انرژی بین حالتهای اتم، امکانپذیر است. اتم پس از رفتن به حالت برانگیخته، به حالت کمانرژیتر یا حالت زمینه که حالتی پایدارتر است، برمیگردد. این بازگشت، با تابش فوتون در جهتی تصادفی همراه است. اما این تمام داستان نیست و بخش بسیار مهمتری نیز وجود دارد.
سردسازی پوزیترونیوم با لیزر، کلید مطالعهی پادماده است
وقتی اتم با تابش لیزر به حالت برانگیخته میرود، مقداری انرژی بهشکل یک نیروی کوچک در جهت تابش لیزر دریافت میکند. این حالت را میتوانیم مشابه حالتی تصور کنیم که لیزر، اتم را در مسیر جذب فوتون هل میدهد. اما پس از بازگشت اتم به حالت پایه، فوتون در جهتی کاملا تصادفی منتشر میشود. به این پدیده فشار تابشی میگوییم.
فشار تابشی به نیرویی اشاره دارد که بهدلیل جذب و انتشار فوتونها، بر یک اتم وارد میشود و میتواند باعث حرکت یا تغییر مسیر آن شود. با تابش مداوم لیزر، اتم به حالت برانگیخته میرود و پس از مدت زمان کوتاهی به حالت پایه برمیگردد. با تکرار این چرخه، اتم به تدریج در جهت تابش لیزر سرعت میگیرد.
مهدیه یوسفی
برای کنترلِ دقیقترِ حرکت اتمها، به پدیدهی جالب دیگری بهنام اثر دوپلر نیاز داریم. این اثر زمانی اتفاق میافتد که اتم در حال حرکت به سمت لیزر یا دور شدن از آن باشد. همانطور که گفتیم، اتم، تنها میتواند فوتونهایی را با فرکانس خاص بپذیرد. حال فرض کنید فرکانس لیزر تابیده شده، دقیقا با انرژی لازم برای برانگیختگی اتم مطابقت نداشته باشد. در این حالت، اتم، تنها زمانی لیزر را حس میکند و برانگیخته میشود که در حال حرکت بهسمت لیزر یا دور شدن از آن باشد. این حالت، مشابه شنیدن صدای آمبولانس در اتوبان است. صدای آمبولانس، هنگام نزدیک شدن یا دور شدن از ما تغییر میکند. به این پدیده اثر دوپلر میگوییم.
بهلطف فشار تابشی میتوان سیستمی طراحی کرد که تنها اتمهایی با سرعت خاص، به لیزر واکنش نشان دهند. به عبارت سادهتر، ما میتوانیم اتمهایی را که مثلا در حال حرکت به سمت لیزر هستند، انتخاب و برانگیخته کنیم. این روش راهکاری مناسب برای کنترل حرکت اتمها با استفاده از نور است.
حال برای سردسازی اتم از دو لیزر که یکی از سمت راست و دیگری از سمت چپ تابیده میشود، استفاده میکنیم. فرکانسِ دو لیزر بسیار نزدیک به فرکانسِ لازم برای برانگیختگی اتم است. درنتیجه، اتم (پوزیترونیوم) تنها زمانی تحریک میشود که با سرعت مشخصی به سمت یکی از لیزرها حرکت کند.
اگر اتم به سمت لیزر راست حرکت کند، با جذب انرژی، برانگیخته میشود و فشار تابشی لیزر آن را به سمت چپ هل میدهد. همین اتفاق در جهت معکوس، هنگام حرکت اتم به سمت لیزر چپ نیز رخ میدهد. نتیجهی نهایی آن است که اتمها در این مسیر، تنها در صورت حرکت با سرعتی خاصی، تحتتاثیر قرار میگیرند. با تکرار این فرآیند، اتمها به تدریج سرعت خود را از دست میدهند و سرد میشوند.
گرافن، آماده برای سلطنت بر صنعت تراشه
پژوهشگران موسسهی فناوری جورجیا برای نخستینبار موفق به ساخت یک نیمهرسانای کاربردی از گرافن شدهاند. گرافن، بهصورت طبیعی نیمهرسانا نیست، زیرا انرژی گاف آن برابر صفر است. ساخت گرافن بهعنوان یک نیمهرسانا، چالشی بزرگ بوده که اکنون بهلطف این پژوهش، برطرف شده است.
مسعود ذاکری
انرژی گاف، ویژگیای است که به ماده امکان میدهد جریان الکتریکی را مانند کلید برق، روشن و خاموش کند؛ مشخصهای مهم در ترانزیستورها. گرافن با انرژی گافِ صفر نمیتواند جایگزین مناسبی برای سیلیکون، مادهی اصلی ساخت تراشههای امروزی، باشد.
برای حل این مشکل، پژوهشگران از تکنیکی به نام دوپینگ استفاده کردند، که طی آن اتمهایی به گرافن اضافه میشوند. این روش بدون آسیب به ساختار گرافن، آن را به یک نیمهرسانای کاربردی تبدیل میکند. سرپرست این پروژه، نتیجهی بهدست آمده را با اولین پرواز برادران رایت مقایسه میکند. همانطور که نخستین پرواز آنها آغازگر عصری نو در صنعت هوانوردی بود، گرافنِ نیمهرسانا نیز میتواند سرآغازی برای عصری جدید در صنعت الکترونیک باشد.
انقلاب در کیهانشناسی؛ انرژی تاریک در حال تغییر است
اعلام ثابت نبودن مقدار انرژی تاریک، یکی دیگر از اخبار بسیار مهم فیزیک در سال ۲۰۲۴ است. بهگفتهی آدام ریس، اخترشناس در دانشگاه جانز هاپکینز، «یافتهی جدید ممکن است اولین سرنخ واقعی باشد که در ۲۵ سال گذشته در مورد ماهیت انرژی تاریک بهدست آوردهایم.»
براساس یافتههای غیرقطعی اخترشناسانی که بزرگترین و دقیقترین نقشهی سهبعدی ساختهشده تاکنون از تاریخ کیهان را ترسیم کردهاند، مقدار انرژی تاریک نهتنها ثابت نیست، بلکه ممکن است تغییرپذیرتر باشد و درطول زمان قویتر یا ضعیفتر، معکوس یا حتی ناپدید شود.
انرژی تاریک همان چیزی است که باعث میشود انبساط جهان نهتنها ادامه پیدا کند، بلکه هر لحظه سریعتر شود. ثابت کیهانی، سادهترین نوع انرژی تاریک است.
شتاب گرفتن انبساط جهان، بهدلیل مفهومی بهنام فشار منفی، رخ میدهد. فشار منفی با هیچ یک از مفاهیم فیزیکی که میشناسیم، مطابقت ندارد. اینجا همان جایی است که وجود مفهومی بهنام انرژی تاریک لازم میشود.
میلاد میرکانی
نتیجهگیری اخیر در صورت تایید میتواند اخترشناسان و سایر دانشمندان را از پیشبینی تلخ سرنوشت نهایی جهان نجات دهد. اگر انرژی تاریک درطول زمان تاثیری ثابت داشته باشد، درنهایت تمام ستارگان و کهکشانها را چنان از یکدیگر دور میکند که حتی ممکن است اتمها از هم بپاشند و جهان و کل حیات درون آن، نور و انرژی برای همیشه نابود شوند. درعوض، بهنظر میرسد که انرژی تاریک میتواند مسیر را تغییر دهد و کیهان را به سوی آیندهای پرحاصلتر هدایت کند.
دیپمایند؛ جابهجایی مرزهای هوش مصنوعی
یکی دیگر از دستاوردهای هیجانانگیز فیزیک در سال ۲۰۲۴، پیشرفت چشمگیر دیپمایند در توسعهی دو پروژهی مهم بهنامهای آلفاپروف (AlphaProof) و آلفاجئومتری (AlphaGeometry) بود. آلفاپروف بر حل مسائل اثباتی در ریاضیات تمرکز دارد، درحالیکه آلفاجئومتری در تحلیل و حل مسائل هندسی پیچیده، پیشتاز است. این دو سیستم در کنار هم نشان دادهاند که هوش مصنوعی میتواند در حد ریاضیدانهای خبره عمل کند.
دیپمایند با ترکیب هوشمندانهی شبکههای عصبی عمیق (مانند آنچه در مدلهای زبانی پیشرفتهی امروزی بهکار میرود) و استدلال نمادین (مانند آنچه نرمافزارهای ریاضی استفاده میکنند)، دستاورد بزرگی را رقم زده است. این ترکیب، بهنام نوروسیمبولیک (Neuro-Symbolic) با منطقی ساختاریافته، عملکردی مشابه مدلهای زبانی بزرگ دارد و به هوش مصنوعی توانایی حل مسائل پیچیدهی ریاضی و هندسی را میدهد.
مریم صفدری
در جولای ۲۰۲۴، دیپمایند اعلام کرد که آلفاپروف و آلفاجئومتری به سطحی از مهارت رسیدهاند که میتوان آنها را با مدالآورِ نقره در المپیاد جهانی ریاضی مقایسه کرد. شاید این مقایسه در نگاه اول زیاد مهم بهنظر نرسد، اما اهمیت آن وقتی مشخص میشود که بدانیم برندهی مدال فیلدز (معادل جایزهی نوبل در ریاضیات)، تحتتاثیر این پیشرفت قرار گرفته است.
این دستاورد طی سالها و بهطور تدریجی شکل گرفته است، اما سال ۲۰۲۴ را میتوانیم نقطهی اوج آن بدانیم. همچنین، دیپمایند گام بعدی را حل مسائل پیچیدهی فیزیک میداند.
گوگل، به رویاهای کامپیوترهای کوانتومی نزدیکتر شد
تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل برای نخستین بار نشان داد که تصحیح خطای کوانتومی دقیقا همانطور که پیشبینی میشد، در عمل قابلاجرا است. اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی در واحدهایی بهنام کیوبیت ذخیره میشوند. کیوبیتها، برخلاف بیتهای کلاسیک، بسیار حساس هستند و بهراحتی تحتتاثیر نویزِ محیط یا خطاهای داخلی قرار میگیرند.
هوشیار ذوالفقارنسب
درنتیجه، تصحیح خطا یکی از مهمترین چالشها در مسیر ساخت کامپیوترهای کوانتمی است. چالشی که محققان با آن روبهرو بودند آن بود که افزودن کیوبیتها، خود باعث افزایش خطا میشد. براساس پژوهشهای انجام شده، تصحیح خطا در کامپیوترهای کوانتومی امکانپذیر است و با افزودن کیوبیتهای بیشتر به سیستم، خطاها بهصورت غیرقابلکنترل افزایش نمییابند. اما نباید فراموش کنیم که کیوبیتهای اضافه شده باشد کیفیت بالایی داشته باشند.
تصحیح خطا برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی تجاری بسیار ضروری است. اگر این فرایند بهدرستی انجام نشود، ساخت کامپیوترهای کوانتومی که بتوانند محاسبات پیچیده و قابل اعتماد انجام دهند، غیرممکن خواهد بود. روز نهم دسامبر ۲۰۲۴، گوگل اعلام کرد که این روش تصحیح خطا را روی تراشهای جدید بهنام ویلو با ۱۰۵ کیوبیت استفاده کرده است.
این تراشه میتواند محاسبات را سریعتر از هر کامپیوتر کلاسیک و حتی ابرکامپیوترها انجام دهد. هرچند نتیجهی محاسبات انجام شده هنوز برای کاربردهای عملی قابلاستفاده نیست و صرفا یک توزیع تصادفی است، اما این پیشرفت نشاندهندهی گام بزرگی در مسیر ساخت کامپیوترهای کوانتومیِ تجاری و کاربردی است.
آیا باید قوانین گرانش را بازنویسی کنیم؟
گرانش اصلاحشده و تحلیل دادههای سیستمهای دوتایی، یکی از جذابترین و چالشبرانگیزترین خبرهای مرتبط با فیزیک در سال ۲۰۲۴ بود. سیستم دوتایی از دو جسم (مانند دو ستاره) تشکیل شده است که در فاصلهای بسیار زیاد از هم، بهدور یکدیگر میچرخند. این سیستم، بهدلیل ویژگیهای منحصربهفردش، برای آزمایش نظریههای مرتبط با گرانش مانند نظریهی دینامیک نیوتونی اصلاح شده (Modified Newtonian Dynamics یا MOND) بسیار ارزشمند است.
نظریهی MOND بهعنوان یکی از مهمترین رقیبهای مادهی تاریک مطرح شده است و تلاش میکند پدیدههای کیهانی را بدون نیاز به وجود مادهی تاریک توضیح دهد. بهاحتمال زیاد از فیزیک هالیدی به یاد دارید که نیروی گرانشی با مربع فاصلهی دو جسم از یکدیگر نسبت معکوس دارد (1/R^2). این بدان معنا است که هرچه فاصلهی دو جسم از یکدیگر بیشتر باشد، نیروی گرانشی بین آنها کوچکتر میشود.
این نسبت در فاصلههای بسیار بزرگ ممکن است به R/1 تغییر کند. این تغییر باید هنگامیکه دو ستاره در فاصلههای بسیار زیاد بهدور یکدیگر میچرخند، قابلمشاهده باشد. اگر نظریهی MOND درست باشد، این تغییر را میتوانیم در زمان چرخش مدار ستارهها (دورهی تناوب)، مشاهده کنیم. به زبان ساده، مدتزمانی که طول میکشد تا ستارهها یک دور کامل بهدور هم بچرخند، با چیزی که از گرانش نیوتونی انتظار داریم، متفاوت خواهد بود. بررسی این زمانها، درست یا اشتباه بودن این نظریه را نشان میدهد.
در سال ۲۰۲۴، چند گروه تحقیقاتی پس از تحلیلِ دادههای بهدست آمده از سیستمِ دوتایی، به نتایج متناقضی رسیدند. نتایج یک گروه، نظریهی MOND را تایید و نتایج گروهِ دیگر، نظریهی MOND را رد کردند. در حال حاضر، هنوز هیچ نتیجهی قطعی وجود ندارد و احتمالا این بحث تا سال ۲۰۲۵ ادامه خواهد یافت.
این ماجرا نشان میدهد چگونه تحلیلهای مختلف از دادههای یکسان میتوانند نتایج متفاوتی داشته باشند. علاوهبر آن، موضوع گرانش اصلاحشده مستقیما به پرسشهای بنیادی دربارهی ساختار کیهان و وجود مادهی تاریک مرتبط است.
آتشفشانهای باستانی در سمت پنهان ماه
یکی از برجستهترین موفقیتهای علمی و فناوری سال ۲۰۲۴، ماموریت چانگای-۶ چین بود که برای نخستین بار نمونههایی را از سمت پنهان ماه به زمین آورد. سمت پنهان ماه همواره پشت به زمین قرار دارد و ارتباط مستقیم با آن ممکن نیست. اما تفاوتهای زمینشناسی این منطقه با سمت نزدیک ماه، آن را به هدفی هیجانانگیز برای دانشمندان تبدیل کرده است.
در نوامبر ۲۰۲۴، دانشمندان نتایج اولیهی این ماموریت را منتشر کردند. نمونههای بهدستآمده شامل بازالتهای آتشفشانیای بودند که قدمت آنها به ۲٫۸ میلیارد سال پیش میرسد. این کشف نشان داد که سمت پنهان ماه در گذشته شاهد فعالیتهای آتشفشانی بوده است.
سال ۲۰۲۴ سالی بود که در آن فیزیکدانان با استفاده از ابزارهای نوین و ایدههای خلاقانه، به پرسشهای بنیادین در مورد جهان هستی پاسخ دادند و به ما نشان دادند که هنوز ناشناختههای بسیاری برای کشف وجود دارند. کدامیک از کشفیات و دستاورهای فیزیک امسال برای شما هیجانانگیزتر بود؟