مرحبا Giktayms! لقد حان الوقت لتقييم النتائج العلمية لعام 2017 مع المجتمع الفيزيائي الأمريكي. هذه المرة ، بذل محررو APS قصارى جهدهم وأعدوا مجموعة مسلية للغاية من أحدث إنجازات العلوم الأساسية. اليوم سنتحدث عنها بمزيد من التفصيل.
علم الفلك بموجات الجاذبية وكل شيء
جنبا إلى جنب مع جائزة نوبل ، جلب علم الفلك بموجات الجاذبية مفاجآت جديدة. انضم برنامج Advanced Advanced Virgo الأوروبي إلى كاشفين لموجات الجاذبية LIGO. الآن يمكن تأكيد ملاحظات الكواشف الأمريكية بشكل مستقل عن طريق جهاز بتصميم مختلف ، يقع في قارة مختلفة. علاوة على ذلك ، يسمح لك وجود ثلاثة مكشافات بتحديد اتجاه مصدر موجات الجاذبية. لم يكن علينا الانتظار طويلاً: في 14 أغسطس ، سجلت جميع أجهزة الكشف الثلاثة الإشارة التالية من اندماج اثنين من الثقوب السوداء ، حيث يمكن تحديد موقعها (العلامة الخضراء في الشكل) بشكل أكثر دقة من أجهزة الكشف.
وبعد ذلك بثلاثة أيام ، رأى الكاشفون حدثًا جديدًا - هذه المرة اندماج الثقوب السوداء ، ولكن النجوم النيوترونية. بمصادفة محظوظة ، بالتزامن مع هذا الحدث ، شهد عدد كبير من التلسكوبات وميضًا من اندماج النجوم في الطيف بأكمله - من الراديو إلى إشعاع غاما. إن القدرة على تسجيل كل من موجات الضوء والجاذبية في وقت واحد هي اختراق مذهل لعلم الفلك ، مما يعني أن علماء الفيزياء الفلكية لن يشعرون بالملل بالتأكيد في المستقبل القريب.
نحن نعد بلورة زمنية
هناك ظاهرة أساسية في الفيزياء مثل كسر التناظر العفوي : تحدث عندما تفقد حالة الطاقة الأرضية للنظام التناظر المتأصل في المعادلات التي تصفه. المثال الأكثر وضوحًا هو الكريستال: فهو يحول الفضاء العادي ، وكل نقاطه متشابهة مع بعضها البعض ، إلى هيكل مع فترة محددة بدقة. بالحديث بشكل أكثر علميًا ، تكسر البلورة التناظر الانتقالي المستمر للفضاء ، مما يجعلها منفصلة. بما أن المكان والزمان كيانات من نفس النوع ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه: هل من الممكن إنشاء بلورة مماثلة للوقت - أي جعل الحالة الأساسية للنظام ليست ثابتة ، ولكن تتغير بشكل دوري؟ يشير الحدس إلى أنه لا: النظام المتغير عادة ما يكون لديه طاقة حركية غير صفرية ، وبالتالي ليس في حالة الطاقة الأرضية. ومع ذلك ، في عام 2012 ، تبين أنه إذا كان زخم النظام غير الخطي يعتمد على السرعة ، يصبح هذا ممكنًا. وسرعان ما تم تعميم هذا الاستنتاج على حالة الأنظمة الكمومية.
في وقت لاحق أصبح من الواضح أنه في التوازن الحراري ، لا تزال بلورات الوقت غير موجودة. ومع ذلك ، إذا تم ممارسة تأثير دوري خارجي على النظام ، يصبح حقيقيًا إنشاء بلورة زمنية منفصلة - كما أنها تغير حالتها بشكل دوري ، ولكنها تفعل ذلك أبطأ عدة مرات من الاضطراب الخارجي. وبعبارة أخرى ، إذا تم توسيع استجابة البلورة الزمنية في سلسلة فورييه ، فسوف نرى إشارة على أحد التوافقيات الفرعية للتأثير الخارجي. في العام الماضي ، نشر فريقان ملاحظة تجريبية لهذا. استخدم التعاون من ماريلاند وبيركلي سلسلة من أيونات الإيتيربيوم لهذا ، وتعمل بشكل دوري على السبين الذري باستخدام نبضات الليزر مع فترة T. في الفترات الفاصلة بين النبضات ، تفاعلت الأيونات مع بعضها البعض بطريقة حدثت فيها تطور النظام بأكمله مع فترة 2T . كان هذا هو الدليل الرئيسي على تكوين بلورة الوقت. بعد شهر واحد فقط ، أبلغت مجموعة من جامعة هارفارد عن تجربة مماثلة مع مجموعة من مراكز NV في الماس ، والتي تم تحريك لفاتها بواسطة نبضات الميكروويف. هنا ، تمكن المؤلفون من ملاحظة التذبذبات مع فترة مضاعفة وثلاث مرات. بالإضافة إلى الأهمية الأساسية ، تفتح هذه الأعمال إمكانيات جديدة لدراسة ديناميات الأنظمة الكمومية ، ويمكن أن تكون أيضًا مثيرة للاهتمام لتخزين الحالات الكمية.
السببية في العالم الكمي
إذا ارتبطت ظاهرتان مع بعضهما البعض ، فقد تكون أحدهما سبب الآخر. أو ربما لا. لنفترض أن هناك علاقة واضحة بين كمية موجات المد في اليابان وشيلي. لا يؤثر أي منهما على الآخر ، لأن لكل منهما سبب جذري مختلف تمامًا - الزلازل في المحيط الهادئ. يساعد مبدأ رايشنباخ أحيانًا على فهم سبب الظواهر المترابطة: إذا كان من المعروف أن السبب الجذري لظاهرتين قد حان ، فإن الارتباط بينهما يختفي.
العالم الكمي أكثر تعقيدًا. السبب الجذري للعديد من الظواهر (على سبيل المثال ، ارتباطات الجسيمات المتشابكة) تم البحث عنه لفترة طويلة في المعلمات المخفية التي لا يمكن للمراقب الوصول إليها. ومع ذلك ، أظهرت التجارب على دراسة عدم مساواة بيل أنه لا توجد معلمات مخفية (على الأقل في أي من الأنواع التي نعرفها). لذلك ، في العالم الكمي ، يتم تنظيم السؤال نفسه بشكل مختلف: ليس ما هو السبب ، ولكن ما هي السببية الكمومية بشكل عام . وقد حقق التعاون من بريطانيا وكندا تقدمًا في هذه القضية. اقترح المؤلفون إعادة تعريف مبدأ رايشنباخ ، والانتقال من التطور الكلاسيكي القطعي إلى التطور الوحدوي ، الذي تطيعه الأنظمة الكمومية. وكانت النتيجة أول نموذج متسق قادر على وصف السببية الكمومية بدقة تامة. على الرغم من الرياضيات ، يلقي هذا العمل الضوء على طبيعة الارتباطات الكمومية ، وربما سيوفر فرصة لتصور الظواهر الكمومية بلغة سببية.
شبكة Wi-Fi: رادار معك دائمًا
إن فكرة استخدام إشعاع وحدة Wi-Fi لرادار الأجسام القريبة ليست جديدة (على سبيل المثال ، عمل 2005). من الناحية العملية ، كل شيء معقد بسبب الميزات الأساسية لأجهزة إرسال Wi-Fi. بادئ ذي بدء ، فهي ، على عكس الرادارات ، تشع في جميع الاتجاهات. هذا يولد انعكاسات متعددة من الأجسام المحيطة ويعقد تحليل الإشارة بشكل كبير. من حيث المبدأ ، يمكن تبسيط المهمة عن طريق إرسال نبضات قصيرة - ولكن هذا صعب بسبب شبكة Wi-Fi الضيقة النطاق.
تم اقتراح حل أصلي للمشكلة من قبل مجموعة من الجامعة التقنية في ميونيخ. يسجلون واجهة الموجة خلف الكائن قيد الدراسة ، ثم يعيدون تشكيل شكله باستخدام خوارزميات معروفة للهولوغرافيا البصرية. في التجربة ، كانت الدقة حوالي 3 سم لموجه Wi-Fi بتردد 5 جيجا هرتز. مكافأة لطيفة هي حقيقة أن المصدر يمكن أن يرسل أي إشارة - ستعمل إعادة الإعمار في أي حال. من الصعوبات - يجب أن يتم تسجيل واجهة الموجة بكسل تلو الآخر ، وتحريك جهاز الاستقبال جسديًا. سيؤدي استخدام مجموعة من أجهزة الاستقبال إلى تبسيط هذه العملية بشكل كبير من خلال رفع معدل الإطارات إلى 10 إطارات في الثانية.
الموصلات الفائقة في Cuprate
أكثر الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة لا تزال أكواب - المركبات التي تشمل أكسيد النحاس ، مثل YBaCuO. يذهب الأبطال إلى حالة التوصيل الفائق بالفعل عند 134 كلفن (-139 درجة مئوية) ، في حين لا تزال طبيعة هذه الموصلية الفائقة محل تساؤل. على أي حال ، كان يعتقد أنه لم يتم وصفها من قبل نظرية BCS ، والتي أثبتت نفسها عند العمل مع العديد من الموصلات الفائقة الأخرى (تسمى أيضًا الموصلات الفائقة من النوع الثاني). على وجه الخصوص ، تتنبأ نظرية BCS بوجود دوامات Abrikosov ، على طول الدائرة التي يتدفق فيها تيار مستمر ، بينما تختفي الموصلية الفائقة داخل الدوامة. تظهر مثل هذه الدوامات في المجال المغناطيسي ، والتي لا يمكن أن توجد في الموصل الفائق ، ولكنها تخترق بسهولة في دوامة غير موصلة. تتم ملاحظة دوامات Abrikosov تجريبيًا في الموصلات الفائقة من النوع الثاني (تؤكد نظرية BCS) ، ولم يتم رؤيتها أبدًا في أكواب.
في الواقع ، لم يلاحظوا حتى هذا العام. أظهر التعاون من سويسرا وألمانيا للمرة الأولى ظهور الدوامات فائقة التوصيل في كأس Y123. للقيام بذلك ، استخدم المؤلفون مجهر مسح نفقي ، حيث قاموا بقياس موصلية العينة على مساحة 90x90 نانومتر 2 ووجدوا شبكة شعرية من الدوامات (في الشكل). على الرغم من عدد من الصعوبات والغموض التجريبي (يرجع ذلك بشكل أساسي إلى مساهمة الإشارة من الإلكترونات غير الموصلة) ، فإن الخصائص الملحوظة لهذه الدوامات موصوفة جيدًا بواسطة نظرية BCS ، والتي يمكن أن تلقي الضوء على طبيعة الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. علاوة على ذلك ، فإن النهج نفسه ، الذي يأخذ في الاعتبار مساهمة الإلكترونات غير فائقة التوصيل في الإشارة العامة ، سيكون مهمًا للغاية بالنسبة للبحوث المستقبلية.
مساهمة الغلوونات في دوران البروتون
مطياف البوصلة في سيرن ، حيث تم قياس مساهمة الكواركات في دوران البروتون. الصورة من هنا
تتكون نوى الذرات من بروتونات ونيوترونات ، كل منها يتكون بدوره من ثلاثة كواركات. البروتونات لها دوران (عزم مغناطيسي داخلي) يساوي ½ ؛ بالضبط نفس دوران الكوارك. من المثير للدهشة بشكل خاص نتائج التجارب التي أظهرت أن إجمالي دوران البروتون هو 30 ٪ فقط يحددها دوران الكواركات. أسباب ذلك لا تزال غير واضحة ، وكذلك طبيعة الدوران المتبقي ؛ في حين أن هناك ما يكفي من المرشحين - هذه أزواج كوارك افتراضية أثرية ، والزخم المداري للجسيمات ، وبالطبع gluons - حاملات التفاعل القوي الذي يجمع الكواركات معًا.
هذا العام ، حسب تعاون من أربع جامعات أمريكية لأول مرة مساهمة تدور من gluons. يتم ذلك باستخدام المحاكاة العددية المتطورة للديناميكيات الكمومية على الشبكة المكانية الزمانية. اتضح أن إجمالي دوران الغلوونات هو 0.25 ± 0.05 - وبعبارة أخرى ، تحدد الغلوونات نصف دوران البروتون تقريبًا! مساهمة أصغر بكثير من الكواركات ، على ما يبدو ، ناتجة عن نقل الزخم الزاوي إلى الكواركات إلى سحابة من أزواج الكواركات والأقراص الافتراضية. كان دور الجلوينز في هذه العملية ضئيلاً. بشكل عام ، جعلت هذه الحسابات من الممكن فهم البنية الداخلية للبروتون بشكل أفضل ، ومن المخطط تأكيدها التجريبي لمصادم الأيونات الإلكترونية الأمريكية في المستقبل.
بحثا عن المادة المظلمة
كما تعلم ، فإن القطب السالب هو أيضًا قطب كهربائي ، والنتيجة السلبية هي أيضًا نتيجة. على مدى الـ 16 شهرًا الماضية ، لم تتمكن أكبر ثلاثة كاشفات للمادة المظلمة (الإيطالية XENON1T و PandaX-II الصينية و LUX الأمريكية) من اكتشاف أي آثار لـ WIMPs - وهي جسيمات يُفترض أنها تشكل مادة مظلمة. يوضح هذا بوضوح أن الأفكار النظرية الحالية حول WIMPs لا تزال بعيدة عن الواقع. بالنظر إلى البحث غير الناجح عن التناظر الفائق في المصادم LHC ، حتى أن أحدهم يتساءل عن وجود هذه الجسيمات الافتراضية.
إن جوهر التجارب على البحث عن WIMPs بسيط للغاية: إن كاشفاتها عبارة عن حاويات ضخمة تحتوي على زينون سائل ، وتقع في أعماق الأرض ، تحمي من الإشعاع الكوني. يؤدي تفاعل الذبول الثقيل مع ذرة الزينون إلى وميض الضوء وتوليد الإلكترونات ، والتي يتم اكتشافها بواسطة مضاعفات ضوئية أعلى وتحت السعة. بمعرفة الحدود النظرية لطاقة WIMPs ، يمكن للمرء تقدير العدد المتوقع من الأحداث لكل وحدة زمنية. إن حقيقة وجود عدد قليل جدًا من مثل هذه الأحداث المسجلة يعني أن خصائص WIMPs تختلف تمامًا عن تلك المتوقعة. على ما يبدو ، إذا كانت WIMPs موجودة ، فإن لها كتلة مختلفة أو مقطع عرضي مبعثر مختلف للذرات (أو ربما كلاهما) ، مما يعني أنه سيتعين على الأجيال الجديدة من أجهزة الكشف البحث عنها.
يتعرف التعلم الآلي على الظروف الطوبوغرافية
الآثار الطوبوغرافية في الفيزياء هي موضوع موضعي للغاية يصعب تفسيره على الأصابع. هذا هو السبب في أنه لا يتم تغطيته عمليا في أدب العلوم الشعبية (وهذا على الرغم من النجاحات الهائلة هو تذكر على الأقل عن الجرافين أو تأثير الكم الكمي أو جائزة نوبل 2016). باختصار ، لا يمكن ترجمة الحالات الطوبوغرافية المختلفة إلى بعضها البعض من خلال تغيير مستمر سلس للنظام ، مما يجعلها مستقرة للغاية ضد الاضطرابات الخارجية. أبسط مثال على ذلك هو شبكة ثنائية الأبعاد من الذرات التي تدور إما شكل أو لا تشكل دوامة:
صورة من هنا
رياضيا ، تختلف هذه الحالات في الشحن الطوبولوجي - في هذه الحالة ، عدد الدوامات في النظام بعلامة زائد إذا كانت الدوامات ملتوية في اتجاه عقارب الساعة وناقصًا عكس اتجاه عقارب الساعة. التهمة على اليسار هي 0 ، و -1 على اليمين. إذا اختلفت الرسوم الطبوغرافية ، فلا يمكن للحالات أن تمر بسلاسة مع بعضها البعض. تكمن الصعوبة في أن حساب الشحنة الطبوغرافية يمكن أن يكون صعبًا للغاية. على سبيل المثال ، إذا كان حجم الدوامة ضخمًا ، ويلوي في مكان ما عند الحدود ، فعندئذٍ لحساب الشحنة ، سيتعين عليك دراسة جميع الذرات في النظام. ولكن هناك رسوم طوبوغرافية أكثر صعوبة في الحساب ، مما يجعل حسابات مواد طوبوغرافية جديدة لا تطاق تقريبًا.
اقترح المنظرون من كورنيل وجامعة كاليفورنيا حلاً لهذه المشكلة. جوهرها هو أنه ، على أساس الشبكة البلورية المدروسة (بتعبير أدق ، كثافة الإلكترون - الكثافة الإلكترونية) ، في الواقع ، يتم إنشاء مجموعة متعددة الأبعاد (صورة QLT) من التكاملات الخاصة على الخطوط ذات الحجم المتزايد. هذا يسمح لك بتغطية منطقة الشبكة الكافية للتعرف على الخصائص الطوبولوجية. بعد ذلك ، يتم تغذية صفيف متعدد الأبعاد لمدخلات الشبكة العصبية أحادية الطبقة المدربة مسبقًا ، والتي تستنتج ما إذا كانت الحالة طوبولوجية أم لا. مقارنة بالطرق التقليدية ، تبين أن هذه الطريقة منتجة للغاية ، ويخطط المؤلفون لتطوير تطبيقات التعلم الآلي لفيزياء المادة المكثفة.