🖲️ 🥢 👨🏻‍⚕️ النتائج المادية للسنة 👨🏻‍🏫 🕙 😴

مرحبا Giktayms! الأيام الأخيرة من ديسمبر في الفناء ، مما يعني أن الوقت قد حان لتقييم السنة المنتهية مع المجتمع الفيزيائي الأمريكي. بالإضافة إلى اكتشاف التفاوتات الخماسية وبيل ، تم تضمين برامج التلفيف ، المادة المظلمة والبالونات المتفجرة في القائمة القصيرة . مرحبا بكم في القطط.

LHC ، أعطني خمسة!

وفقًا للنموذج القياسي ، فإن اللبنات الأساسية للكون هي ستة جسيمات أولية تسمى الكواركات (وعدد قليل من الأجزاء الأخرى ، لكنها اليوم لا تتعلق بها). نظرًا لطبيعة التفاعل ، لا يتم ملاحظة الكواركات بشكل فردي ، ولكن يتم جمعها في مجموعات من اثنين أو ثلاثة. على سبيل المثال ، يتكون البروتون والنيوترون من ثلاثة كواركات.

هل هناك جسيمات تتكون من عدد أكبر من الكواركات؟ تم طرح هذا السؤال قبل نصف قرن ، وتم التعبير عن الإجابة النهائية "نعم" من تعاون LHCb فقط في أغسطس من هذا العام. كانت هناك حاجة إلى حيلة تجريبية للاكتشاف: مصادم هادرون الكبير يصطدم بجسيمين مع هذه الطاقة البرية بحيث تتشكل سحابة من كمية كبيرة من منتجات الاضمحلال حولها. يكاد يكون من المستحيل تتبع مسارات المنتجات الفردية في هذه العصيدة.

لحسن الحظ ، تعيش معظم منتجات الاضمحلال القليل جدًا. تمكن أكثرهم عمرا من التحليق بعيدا عن نقطة التصادم ، حيث من الأسهل بكثير مراقبة مساراتهم. على سبيل المثال ، هذه هي الطريقة التي يتصرف بها باريون لامدا: وقت حياتهم كافٍ للتحليق لمسافة كبيرة والانفصال هناك إلى خماسي مرموق و K-meson. لذلك ، راقب مؤلفو العمل عن قصد تحلل لامدا باريون فقط ، مما سمح لهم باكتشاف ليس واحدًا فقط ، ولكن اثنين خماسيات.

نهاية الواقعية المحلية

وفقًا لميكانيكا الكم الحديثة ، يمكن للتلاعب بالجسيم A أن يغير على الفور حالة الجسيمات البعيدة بشكل تعسفي دون أي قنوات اتصال. بمعنى ما ، هذا يشير إلى انتقال المعلومات الفائق. لم يتمكن آينشتاين من تحمل هذا على الإطلاق: في نظرية النسبية الخاصة ، فإن سرعة أي تفاعل في الطبيعة محدودة بشكل صارم بسرعة الضوء. بعد ذلك بقليل ، اقترح بيل تجربة سمحت بحل التناقض. كانت الفكرة هي إنشاء جزيئين متشابكين ، وإجراء معالجات مستقلة معهم ، ثم قياس حالتهم. أشارت التجربة إلى أن آينشتاين كان على خطأ. ومع ذلك ، بقيت بعض الثغرات فيه:

ثغرة محلية: يجب أن يكون التلاعب بالجسيمات مستقلاً. أولاً ، يجب أن تكون عشوائية (ستحتاج إلى مولد رقم عشوائي للأجهزة) ؛ ثانيًا ، يجب ألا تصل المعلومات من أحد المعالجة إلى أخرى قبل اكتمالها (مما يعني أنك بحاجة إلى نشرها في مساحة بعيدة بما يكفي عن بعضها البعض).

ثغرة الكشف : الجسيمات المتشابكة عادة هي الفوتونات ، وكفاءة الكشف عن الفوتونات المفردة ليست عالية جدًا. يبقى العديد من الفوتونات غير مكتشفة ، ومن حيث المبدأ يمكن أن ينقل المعلومات. لإغلاق هذه الثغرة ، تحتاج إلى استخدام أجهزة كشف ضوئية فعالة للغاية ؛ أو استبدال الفوتونات بشيء آخر.

تم إغلاق كل من الثغرات بشكل منفصل لفترة طويلة. تميز هذا العام بالإغلاق المتزامن لكل من الثغرات في تجربة واحدة. و، في نفس الوقت حققنا ثلاث مجموعات - من هولندا ، النمسا و NIST في ولاية كولورادو. هذا يتناسب بشكل جيد مع ميكانيكا الكم. ومع ذلك ، بعد ظهور هذه الثغرات الجديدة ، هذه المرة تتعلق بآلية تشابك الجسيمات ؛ ومع ذلك ، ليس من الواضح حتى الآن ما إذا كانت ذات أهمية كبيرة.

الأشعة السينية ثلاثية الأبعاد للفيروس

هل تعرف كيف تم اكتشاف بنية الحمض النووي؟ هذه قصة رائعة لعبت فيها البلورات بالأشعة السينية دورًا مهمًا. إذا كنت تتألق على الجزيء بإشعاع الأشعة السينية ، فنتيجة للتفاعل معه ، فإنه يشكل نمط حيود يمكنك من خلاله استعادة بنية الجزيء. المشكلة هي أن نمط الحيود من جزيء واحد غامض للغاية. لتعزيز التباين ، يتم جمع العديد من الجزيئات المتطابقة في بلورة لإضافة إشارة ضعيفة من كل منها إلى واحدة قوية.

من السهل تجميع بعض الجزيئات في بلورة ، والبعض الآخر (مثل DNA) أكثر تعقيدًا. ولكن ماذا لو لم يتبلور الجزيء على الإطلاق؟ حتى وقت قريب ، بدا أنه لا يمكن فعل شيء في هذه الحالة. لقد تغير كل شيء هذا العام: التعاون من جميع أنحاء العالماستخدم مصدر أشعة سينية مشرقة لإلقاء الضوء على فيروسات ضخمة من زوايا مختلفة والحصول على 198 أنماط حيود أكثر أو أقل وضوحًا. وضعت خوارزمية تكرارية معقدة هذه البيانات في صورة ثلاثية الأبعاد ، والتي كان من الممكن تحديد شكل الفيروس. وكانت النتيجة نموذجًا ثلاثي الأبعاد (الصورة اليمنى السفلية) بدقة 125 نانومتر. على الرغم من أن هذا ليس كثيرًا ، إلا أن الاختراق الرئيسي لهذا العمل هو أن الخوارزميات الحديثة ومصادر الأشعة السينية الساطعة تسمح لنا باكتشاف بنية جزيء واحد.

الأطلس العالمي للمادة المظلمة

جزء مهم من المادة في الكون هو المادة المظلمة - مادة غير مرئية تخضع فقط لتفاعل الجاذبية. لهذا السبب ، لا يمكن اكتشاف وجودها إلا ككتلة إضافية ، وهو ما يفسر على سبيل المثال سبب دوران حواف المجرات بشكل أسرع مما ينبغي. والأجسام الضخمة ، كما تعلم ، تنحني الزمكان. أشياء ثقيلة جدا (مثل الثقوب السوداء) تؤدي إلى عدسة الجاذبية و الصليب أينشتاين . صور أفتح - مثل مناطق كبيرة من المادة المظلمة - صور "ممتدة" قليلاً.

تم استخدام هذه الميزة من قبل تعاون دولي كبير لتجميع خريطة كبيرة للمادة المظلمة.. قام الفلكيون بتحليل بيانات التلسكوب في تشيلي ، وتحديد استطالة صورة المجرات. إذا لم تكن هناك أشياء ضخمة في طريقها ، فستكون الصور غير مشوهة. إن وجود المادة المظلمة يضغط الصورة ويسمح لك بتحديد كتلة المادة المظلمة بدقة عالية إلى حد ما. بعد تحليل صور مليوني مجرة ، تمكن الفلكيون من تجميع خريطة مفصلة إلى حد ما لتوزيع المادة المظلمة في الكون. بالمناسبة ، يتم تنفيذ هذا العمل كجزء من دراسة واسعة النطاق لمسح الطاقة المظلمة ، واليوم تمت معالجة 3 ٪ فقط من البيانات المتوقعة - مما يعني أنه في السنوات القادمة ستصبح الخريطة أكثر تفصيلاً.

شبه معادن فالى

قبل ثمانين عامًا ، اقترح عالم الرياضيات الألماني فايل معادلة تصف الجسيمات الأولية ذات الكتلة الصفرية والصفر. باسم المؤلف ، أطلق عليهم اسم فيرميون ويل. لم يتم العثور على جسيمات أولية. ولكن اتضح أن المعادلة نفسها يمكن أن تصف سلوك الإلكترونات في بعض نصف المعدلات. وفي هذا الصدد، في وقت واحد مجموعتين من برينستون و بكين وجدت أن تتصرف بالضبط الإلكترونات زرنيخ التنتالوم (TAAS). درست مجموعة أخرى من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليس الإلكترونات في بلورة دورية TaAs ، ولكن الفوتونات في بنية دورية من صنع الإنسان - بلورة فوتونية. تمكنوا أيضًا من رؤية أن سلوك نظام الفوتون يتزامن مع ذلك الذي توقعه فايل.

بشكل عام ، فإن سلوك الإلكترونات في زرنيخ التنتالوم يشبه إلى حد كبير سلوكها في الجرافين: في كلا المادتين ، لا تحتوي الإلكترونات على كتلة فعالة صفرية. هذا هو سبب احتمالية الاكتشاف: مثل الجرافين ، يمكن استخدام زرنيخ التنتالوم كمادة ذات حركة هائلة لحاملات الشحن ومقاومة كهربائية منخفضة للغاية.

Qubits - في المدار!

نقل المعلومات باستخدام الضوء سهل ومريح. بالنسبة للبتات الكلاسيكية "0" و "1" ، من المعتاد الترميز عن طريق تشغيل مصدر الضوء أو إيقاف تشغيله. يمكن أن تكون البتات الكمومية (qubits) مزيجًا من صفر وواحد ، وعادة ما يستخدم الاستقطاب الخفيف لإرسالها: رأسي - "0" ، أفقي - "1" ، والحالات الأخرى تتوافق مع تركيبات "0" و "1". واليوم ، تنتقل الكيوبتات بنجاح عبر الألياف الضوئية (شبكات كمومية بالقرب من فيينا وجنيف بطول 50-80 كم) وعبر الهواء الطلق (حتى 150 كم).

هل من الممكن إرسال كيوبت أبعد من ذلك؟ غامر التعاون الإيطالي لإرسالالفوتونات المقطوعة إلى القمر الصناعي ، حيث انعكست من عاكس الزاوية وعادت إلى الأرض. كان الغرض من التجربة هو فهم مقدار تشوه الكيوبت بعد هذه الرحلة ، وما إذا كان من الممكن "قراءتها". تم استخدام خمسة أقمار صناعية مختلفة للمقارنة: أحدها شوه عن عمد الاستقطاب ويجب أن يدمر الكيوبت بشكل لا رجعة فيه ، والأخرى الأربعة لا يجب أن تؤدي إلى تشوهات. تم تأكيد التوقعات: اتضح أن قناة الاتصال عبر الغلاف الجوي كانت هادئة ، وتمكنا من قراءة المعلومات الكمية بعد رحلة بطول ألف كيلومتر. وهذا يعني أن التشفير الكمي في الفضاء على الأبواب.

مجهر فرميون

تنقسم جميع الجسيمات المعروفة لنا إلى بوزونات (مع دوران كامل) و فرميونات (مع نصف عدد صحيح تدور). يمكن لأي عدد من البوزونات أن يشغل نفس مستوى الطاقة. على سبيل المثال ، البوزونات التي تحتل حالة بأقل طاقة تشكل مكثف بوز-آينشتاين. حصل اكتشافه على جائزة نوبل ، وأوضحت العديد من الدراسات الفروق الدقيقة في ميكانيكا الكم والمجالات ذات الصلة.

الأمور ليست بهذه السهولة مع الفرميونات: يحظر مبدأ باولي أكثر من فرميونات على احتلال مستوى طاقة واحد. على الرغم من أن الفرميونات بعيدة عن بعضها البعض (على مسافة ميكرون) ، فإنها لا تشعر ببعضها البعض تقريبًا ويمكن أن تظل على نفس المستوى. هذا العام، ما يصل الى ثلاثة مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، جامعة هارفارد و غلاسكوتمكنت من تبريد العديد من الفرميونات (ذرات الليثيوم أو البوتاسيوم) إلى حالة بأقل قدر من الطاقة ؛ ضعها في عقد شبكة مستطيلة بحيث لا تتداخل مع بعضها البعض وتصويرها بنجاح (هذا فن منفصل). تجبر الخطط المستقبلية الفرميونات في العقد المجاورة على التفاعل مع بعضها البعض. سيؤدي هذا إلى فتح صفحة جديدة في الفيزياء ويسمح بمحاكاة سلوك الإلكترونات (والتي هي أيضًا الفرميونات) في أنظمة مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن لمحاكاة الموصلات الفائقة تسليط الضوء على ميزاتها والسماح بإنشاء موصلات فائقة جديدة ذات درجة حرارة عالية.

حان الوقت لتفجير الكرات

يبدو أن ما يمكن أن يكون مثيرا للاهتمام في انفجار بالون؟ اتضح أن هذا يمكن أن يكون مهمًا لفهم عمليات انتشار العيوب في مجموعة متنوعة من الهياكل ؛ والكرة هي نظام نموذجي مثالي لمثل هذا التحقيق: فهي تكلف فلسا واحدا ومن السهل العمل معه بشكل لا يصدق. حفز هذا الباحثين من باريس ، الذين وجدوا أن الكرة تنفجر بطرق مختلفة تمامًا ، اعتمادًا على مدى تضخمها.

يتم تخزين طاقة الكرة المنتفخة في شكل توتر مرن للقشرة. يسمح لك ثقب إزالة هذا الضغط وإعادة القشرة إلى شكلها الأصلي. اتضح أنه مع وجود ثقب ، تسعى الكرة للتخلص من الطاقة المخزنة بأسرع طريقة ممكنة. إذا كان توتر الغمد صغيرًا (على سبيل المثال ، إذا قمت بدس كرة منتفخة قليلاً بإبرة) ، فإن البزل ينتشر في اتجاهين حتى يخرج كل الهواء. إذا كان توتر القشرة مرتفعًا (قمنا بتضخيم الكرة حتى تنفجر) ، فإن الكسر المفرد لا يكفي لتحرير الطاقة بسرعة كافية. يصبح من المفيد تكوين واحد ، ولكن عدة فجوات تنتشر شعاعيًا من ثقب:

كلما تضخمت الكرة بشكل أقوى ، تم تشكيل انقطاعات شعاعية أكثر. تبين أن هذه النتيجة الغريبة تبدو مثيرة للاهتمام للغاية لدراسة تفتيت وسلوك العيوب والعيوب المماثلة في الأنظمة المختلفة. تم تكريس البحوث السابقة (النظرية بشكل رئيسي) لسلوك التقاطع أو دمج الانقطاعات. عمل جديد فتح عينيه على تقسيم مثل هذه العيوب.

تذكرت السنة الماضية هذه الاكتشافات. نأمل أن يكون العام القادم أقل إثارة للاهتمام =).

النتائج المادية للسنة