الوقت- سواء كنت تلعب بالعالم المجهري الغريب أو تتطلع إلى الامتدادات اللانهائية للفضاء، فإن 2022 كان عاما مليئا تماما بالفيزياء الرائدة.
وفيما يلي 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.
ويمثل 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.
وبالإضافة 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 عقودا، وقد لا تكون موجودة هنا في الوقت المناسب لتقديم حل بديل للآلة لأزمة المناخ، لكن هذا لا يعني أن الأخبار لم تجعل المستقبل أكثر إشراقا قليلا.
2. ناسا تصطدم عمدا بكويكب لتحويل مساره
في سبتمبر، ضرب علماء ناسا "عين الثور" الفلكية عن طريق توجيه المركبة الفضائية التي يبلغ وزنها 1210 رطلا (550 كيلوغراما)، و314 مليون دولار أمريكي لاختبار إعادة توجيه الكويكبات المزدوجة (DART) إلى الكويكب ديمورفوس على بعد 56 قدما (17 مترا) من مركزه الدقيق.
وصُمم 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 1280 قدما (390 مترا) - بمقدار 73 ثانية على الأقل، لكن المركبة الفضائية غيرت مدار ديمورفوس في الواقع بـ 32 دقيقة مذهلة. وأشادت وكالة ناسا بالاصطدام باعتباره لحظة فاصلة في الدفاع الكوكبي، ما يمثل المرة الأولى التي أثبت فيها البشر قدرتهم على تجنب حدث خارج كوكب الأرض.
وقد لا تكون هذه هي المرة الوحيدة التي يتم فيها إجراء اختبار كهذا: تقول الصين إنه في عام 2026، ستضرب 23 صاروخا من صواريخها البالغ وزنها 992 طنا (900 طن متري) في الكويكب Bennu في محاولة أخرى لإعادة توجيه صخرة فضائية. وهذه المرة، يمكن أن يكون Bennu في الواقع تهديدا 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 هوكينغ الشهيرة
اقترح الفيزيائيون تجربة جديدة تماما لتسريع الإلكترون إلى سرعات الضوء، وتحويله إلى غير مرئي وتحميمه في فوتونات الإشعاع، أو حزم من الضوء.
وكان 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، ما يغمره في توهج الكم الأثيري. ونظرا لأن التأثير مرتبط ارتباطا وثيقا بتأثير هوكينغ - حيث تظهر الجسيمات الافتراضية المعروفة بإشعاع هوكينغ تلقائيا 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 حلا بديلا بتقنية تسمى الشفافية المحرضة بالتسارع لتحفيز التأثير. عن طريق غسل الفراغ المحيط بالإلكترون بشعاع 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. العلماء يرسلون المعلومات من خلال أول محاكاة لثقب دودي ثلاثي الأبعاد
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 الآخر - وقد تم إجراؤه جزئيا لاختبار نظرية مفادها أن الكون عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد التي تندمج آثارها الكمومية ذات الأبعاد المنخفضة مع الجاذبية لتصبح واحدة.
لكن التجربة نفسها تم إجراؤها باستخدام تسع بتات كمومية فقط، أو كيوبت، على شريحة Sycamore 2. ومن 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".
وأدى نجاح تجربتهم إلى إنشاء نظام جديد تماما يمكن استخدامه لاختبار تقاطع ميكانيكا الكم والجاذبية، ومعرفة ما إذا كنا جميعا مجرد صور ثلاثية الأبعاد بعد كل شيء.
5. الصورة الأعمق والأكثر تفصيلا للكون على الإطلاق
أخيرا، أحضرت وكالة ناسا تلسكوب جيمس ويب الفضائي على الإنترنت، وكشفت النقاب عن أول صورة كاملة الألوان لها باعتبارها أعمق صورة للكون وأكثرها تفصيلا يتم التقاطها على الإطلاق. وتسمى "الحقل العميق الأول لويب"، تبدو الصورة بعيدة جدا لدرجة أن الضوء الذي تلتقطه يأتي من عندما كان عمر كوننا بضع مئات من ملايين السنين، تماما عندما بدأت المجرات في التكوين وبدأ الضوء من النجوم الأولى في الوميض.
وتحتوي 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 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 معا لصنع بلازما كوارك غلوون - وهي حساء هائج من الجسيمات الأولية التي تحتوي على لبنات بناء مادة الكون. ومن حساء البلازما هذا، وسط تريليونات من الجسيمات الأخرى، ظهر جسيم X.
وسمي الجسيم X بسبب بنيته غير المعروفة، وقد ظل بعيد المنال لأنه قصير العمر للغاية، ويتحلل على الفور تقريبا إلى جسيمات أكثر استقرارا. وقام الفيزيائيون بغربلة المليارات من التفاعلات للعثور على هيكل الانحلال الفريد هذا، واستخرجوا حوالي 100 جسيم من مجموعة البيانات الهائلة.
والآن وقد وجد الفيزيائيون توقيعه، يريدون معرفة هيكله. تتكون البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات مرتبطة بشكل وثيق، لكن يعتقد الباحثون أن جسيم X سيبدو مختلفا تماما، حيث يحتوي على أربعة كواركات مرتبطة ببعضها البعض بطريقة لم يكتشفوها بعد.
7. تعرّف 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 نجما ميتا على حافة مجرة درب التبانة ينفجر بطريقة شديدة العنف لدرجة أنهم اقترحوا في هذا العام فئة جديدة تماما من الانفجار النووي الحراري.
ويُعرف بالنجم النيوتروني - تمزيق كرات من الغاز من نجم مصاحب، فقط لينفجر الغاز عند الاصطدام بمجرد ملامسته لسطح النجم النيوتروني. وجعلت هذه الانفجارات سطح النجم شديد السخونة والضغط لدرجة أنه حتى العناصر الثقيلة مثل الأكسجين والنيون بدأت في الاندماج في قلبه، ما 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.
وتعتبر 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. علماء فيزياء الجسيمات يحاولون كسر الفيزياء مرة أخرى
لن تكتمل سنة في الفيزياء بدون محاولة واحدة على الأقل لكسر أفضل نموذج حالي لدينا للواقع. قام محطم ذرة في Fermilab في إلينوي بقياس كتلة W boson، وهو جسيم أساسي وحامل القوة للقوة النووية الضعيفة، باعتباره أثقل مما توقعه النموذج القياسي، وهو الوصف السائد للجسيمات دون الذرية.
وسيتم 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.
