سال در فیزیک

آیا سال ۲۰۲۴ به عنوان سالی برجسته در جستجوی درک جهان به یاد خواهد ماند یا فقط یک سال معمولی؟ این بستگی به این دارد که آیا نتیجه‌ای از بهار امسال واقعی است یا خیر. در آوریل، فیزیکدانان نشانه‌ای از سیگنالی را کشف کردند که نشان می‌دهد انرژی تاریک، انرژی مرموز فضای خود، ممکن است در حال ضعیف شدن باشد. «نشانه» اصطلاح ترجیحی است زیرا علامت در آسمان به اندازه کافی قوی نیست که به عنوان «شواهد» نامیده شود، چه برسد به «کشف». اخترفیزیکدانان از ابزار طیف‌نگاری انرژی تاریک (DESI) برای نقشه‌برداری از میلیون‌ها کهکشان در فواصل مختلف در فضا و زمان استفاده کردند و از این نقشه استنباط کردند که جهان چگونه در طول تاریخ خود گسترش یافته است. داده‌ها تأیید کردند - همانطور که از سال ۱۹۹۸ می‌دانیم - که گسترش کیهان در حال شتاب گرفتن است، که توسط چیزی که ما آن را انرژی تاریک می‌نامیم، هدایت می‌شود. اما داده‌های DESI نشان می‌دهد که نرخ شتاب در حال کاهش است.

اگر انرژی تاریک منبع انرژی باشد که می‌تواند رقیق شود، این امر درک فیزیکدانان از قوانین بنیادی جهان را دگرگون و عمیق‌تر می‌کند. «اگر درست باشد، این اولین سرنخ واقعی است که در ۲۵ سال گذشته درباره ماهیت انرژی تاریک به دست آورده‌ایم»، آدام ریس، یکی از کاشفان برنده جایزه نوبل انرژی تاریک، به کوانتا گفت. فیزیکدانان نظری مشغول تلاش برای توضیح اینکه چرا انرژی تاریک ممکن است تغییر کند، هستند، در حالی که DESI داده‌های بیشتری برای ارزیابی قطعی‌تر در سال‌های آینده ثبت می‌کند.

در جستجوی اجزای نامرئی جهان، ماده تاریک به یک نقطه عطف ناامیدکننده رسید. آزمایشگرانی که به دنبال ذرات فرضی ماده تاریک معروف به WIMPs بودند - ذرات سنگین و بی‌اثر که مدت‌ها به عنوان کاندیدای اصلی برای ماده غیر بازتابنده شناور در و اطراف کهکشان‌ها در نظر گرفته می‌شدند - به یک محدودیت برخورد کردند. آشکارسازها به قدری حساس شده‌اند که اکنون درخشش نوترینوها از خورشید را تشخیص می‌دهند، که آنها را از هر سیگنال ظریف‌تری کور می‌کند. «بنابراین این پایان عصر تشخیص WIMP است»، ناتالیا تورو، فیزیکدان دانشگاه استنفورد به ما گفت.

او و دیگر شکارچیان ماده تاریک تغییر جهت داده‌اند و اکنون به دنبال کاندیداهای جدید ماده تاریک هستند، به ویژه ذرات سبک اما فراوان که در گونه‌های مختلف ظاهر می‌شوند. «فرضیه رایج این است که این به نوعی ساده است. چرا باید انتظار داشته باشیم که اینطور باشد؟» فیلیپ شوستر، فیزیکدان دیگری از استنفورد، با بیان یک احساس رایج در میان متخصصان گفت.

آسمان شب اسرار زیادی در خود دارد. پرچمدار نجوم مدرن، تلسکوپ فضایی جیمز وب، امسال چند راز دیگر را به زمین فرستاد، به ویژه در مشاهدات خود از اجرام دور از اولین میلیارد سال جهان. کهکشان‌های موزی شکل، نقاط قرمز کوچک، خوشه‌های انگور مانند، سیاه‌چاله‌های جوان و بزرگ شوک‌آور: اخترفیزیکدانان در «سردرگمی زیبا»ی آن دوره شکل‌گیری تاریخ کیهانی غرق شده‌اند.

تلسکوپ وب همچنین اندازه‌گیری جدید دقیقی از نرخ گسترش جهان را ممکن ساخت، که معمایی به نام تنش هابل را عمیق‌تر کرد. در همین حال، تلسکوپ‌های دیگر بزرگترین میدان‌های مغناطیسی در جهان، مولکول‌های آلی پنهان و توده‌وارگی خود کیهان را آشکار کردند.

از بزرگترین صحنه به کوچکترین صحنه، فیزیکدانانی که اتم‌ها، مولکول‌ها و کریستال‌ها را در آزمایشگاه دستکاری می‌کنند، سال ۲۰۲۴ را در اوج کشف گذرانده‌اند و به سطوح شگفت‌انگیزی از دقت و کنترل بر معادن کوانتومی خود دست یافته‌اند. تیمی در اینسبروک حالت عجیب و غریب ماده‌ای به نام سوپرسولید را ایجاد کرد و حتی «گردبادهای کوانتومی» شاخصی را که هنگام هم زدن کریستال سفت و سخت اتم‌های دیسپروزیم تشکیل می‌شدند، تصویر کرد. اخترفیزیکدانان مشکوک هستند که این فاز سوپرسولید ممکن است در داخل ستاره‌های بسیار متراکم و سریع چرخان به نام تپ‌اخترها ظاهر شود.

در همین حال، فیزیکدانان ماده چگال که مواد دو بعدی - یعنی ورقه‌های کریستالی اتم‌ها - را مطالعه می‌کنند، امسال سه نوع جدید از ابررسانایی را کشف کردند، در حالی که بر روی یک فاز کوانتومی عجیب از ماده که در آن ذرات نوظهور دارای کسری از بار در لبه کریستال جریان دارند، نیز تأمل کردند. هنوز مشخص نیست که آیا این فازها از نظر فناوری مفید خواهند بود یا خیر، اما همیشه این رویاست.

فیزیکدانان نظری پیشرفت‌هایی از نوع انتزاعی‌تر داشته‌اند. آنها یک زبان هندسی جدید برای پیش‌بینی نتایج تعاملات ذرات توسعه داده‌اند. به طور سنتی، آنها از معادلاتی استفاده می‌کنند که این تعاملات را به عنوان رویدادهای دینامیکی که در فضا و زمان بر اساس قوانین کوانتومی رخ می‌دهند، توصیف می‌کنند. با استفاده از روش جدید، پاسخ‌ها به نظر می‌رسد از مجموعه‌ای از منحنی‌ها بر روی سطوح جاری می‌شوند. این بینش‌های پیشگامانه بخشی از تلاشی برای کشف پایه‌های بنیادی خود فضا و زمان هستند - موضوع «بازگشایی فضا-زمان»، یک شماره ویژه نه قسمتی که در سپتامبر منتشر کردیم.

بحث‌های مرتبط با فیزیک در X (که قبلاً به عنوان توییتر شناخته می‌شد) سایه‌های کم‌رنگی از آنچه قبلاً بودند هستند، اما گفتگوی زنده‌ای از یک خبر فیزیکی به وجود آمد، زمانی که Scientific American گزارش داد که یک آزمایش فیزیک کوانتومی شواهدی از «زمان منفی» را کشف کرده است. دقیقاً این به چه معناست؟ آیا چیزی واقعاً کمتر از هیچ زمانی طول کشیده است؟ نه دقیقاً. در دنیای کوانتومی، کلمات اغلب ناکام می‌مانند.

آنچه اتفاق افتاد این بود که فیزیکدانان در دانشگاه تورنتو فوتون‌ها را به سمت ابری از اتم‌های روبیدیوم شلیک کردند. هر فوتون ممکن است یک اتم در ابر را تحریک کند، یا بدون تعامل مستقیم عبور کند، یا هر دو. این احتمالات کوانتومی مانند دو موج تداخل کردند. سپس محققان می‌توانستند تعیین کنند که برخی فوتون‌ها سریع‌تر از زمانی که جذب و بازتاب می‌شدند از ابر اتم عبور کردند، که به معنای «زمان توقف منفی» است، گویی این فوتون‌ها اتم‌ها را برای مدت زمان منفی تحریک کرده‌اند - اما باز هم، این‌ها فقط کلمات هستند.