تقترب عطلة رأس السنة الميلادية ، مما يعني أن الوقت قد حان للتقييم مع المجتمع الفيزيائي الأمريكي . تبين أن السنة كانت مثيرة للاهتمام على جميع الجبهات - كل من الاكتشافات الأساسية والإنجازات الفنية.
اكتشاف العام: الموصلية الفائقة في الجرافين
ربما كان الاكتشاف الرئيسي لهذا العام هو الموصلية الفائقة للجرافين المكون من طبقتين . خلاصة القول بسيطة: أخذ ورقة من الجرافين ، ووضع ورقة أخرى عليها ، وتناوب في زاوية طفيفة. بفضل الزاوية "السحرية" التي تبلغ حوالي 1.1 درجة ، تصبح البنية فائقة التوصيل عند درجة حرارة تقارب 1 كلفن. درجة الحرارة هذه منخفضة جدًا بالنسبة لأي تطبيقات عملية ، وللب الفتح مختلف تمامًا: اتضح أن الجرافين ذو الموصلين الفائقين يتصرف بنفس الطريقة تمامًا الموصلات الفائقة ارتفاع درجة الحرارة.
تجدر الإشارة إلى أن طبيعة الموصلية الفائقة عالية الحرارة لا تزال غير مفهومة ، وقد لوحظ فقط في بلورات معقدة من نوع YBaCuO. إن محاكاة مثل هذه المادة لفهم ما يحدث فيها مهمة شبه مستحيلة. لذلك ، فإن حقيقة أن الجرافين أبسط بشكل لا يضاهى يمكن أن يلقي الضوء على سر الطبيعة الذي دام نصف قرن هو أكثر من مفاجأة سارة. والجرافين أكثر ملاءمة للعمل به - يمكن وضعه في حقول مغناطيسية / كهربائية ، وتدويره في زوايا مختلفة ، وقد تم كل هذا أكثر من مرة وتمت دراسته جيدًا ، لذلك هناك شيء يمكن مقارنته به.
لا يوجد فهم واضح لما يحدث حتى الآن ، لكن الفكرة الأساسية واضحة: تطبيق صفحتين من الجرافين يشكلان نمطًا معقدًا يتكرر على مسافة عشرات الذرات (الخطوط الصفراء في الصورة). هذا يخلق فائق دوري ، والذي يؤثر على مناطق الطاقة من الجرافين ويؤدي إلى الموصلية الفائقة في زاوية "السحر". لقد تم بالفعل العمل مع مواد ثنائية الطبقات من قبل عشرات المجموعات العلمية في جميع أنحاء العالم ، وعلى ما يبدو ، في السنوات المقبلة ، سيكون لدينا نتائج مثيرة للاهتمام حقًا.
مفاجأة العام: تذبذبات النيوترينو
النيوترونات هي جزيئات أولية خفيفة للغاية تظهر غالبًا في التفاعلات النووية. اليوم ، نحن نعرف ثلاثة أنواع من النيوتريونات (الإلكترون ، الميون ، والتاو النيوترونات). ويمكنهم "التحول" من نوع إلى آخر أثناء الطيران - يسمى هذا التأثير الرائع بتذبذبات النيوترينو (كانت هناك مراجعة جيدة على هابري) ، وقد تم اكتشافه من خلال جائزة نوبل لعام 2015.
هذه المرة ، جاءت أخبار مثيرة للاهتمام من Fermilab . في تجربة MiniBooNE ، تم إنشاء نيوتريونات muon وتمت دراسة تحويلها إلى إلكتروني. اتضح أن تذبذبات النيوترينو حدثت في كثير من الأحيان أكثر مما كان متوقعا. أحد أبسط التفسيرات هو وجود نوع رابع من النيوترينو - ما يسمى النيوترينو المعقم . على عكس الأنواع الأخرى ، تتفاعل النيوتريونات المعقمة مع المادة المحيطة فقط من خلال الجاذبية (وبالتالي ، يكاد يكون من المستحيل اكتشافها مباشرة) ، لكنها يمكن أن تؤثر على وتيرة تذبذبات النيوترينو.
من حيث المبدأ ، هذه النظريات معروفة منذ زمن طويل. ومع ذلك ، فإن إدخال نوع جديد من النيوترينو يغير كثيرًا النموذج القياسي للجزيئات الأولية. يتم الآن التخطيط لإجراء تجارب صقل (MicroBooNE في Fermilab ، DANSS في Kalinin NPP) ، وتبقى مسألة النيوتريونات المعقمة مفتوحة حتى الآن.
لغز السنة: المادة المظلمة
كما نعلم ، يتكون جزء كبير من الكون من المادة المظلمة - مادة غير مرئية ذات طبيعة غير معروفة ، والتي تشكل الجزء الأكبر من المجرات. لفترة طويلة ، كان المرشح الرئيسي لدور المادة المظلمة هو WIMP - جسيمات أولية ضخمة غير معروفة تتفاعل مع العالم الخارجي فقط من خلال الجاذبية (مثل ، على سبيل المثال ، النيوتريونات العقيمة المذكورة أعلاه). تم إنشاء العديد من أجهزة الكشف المختلفة للبحث عنها ، ولكن لم يحقق أي منها نتائج إيجابية ، لذا فقد تحول الاهتمام الآن تدريجياً نحو تفسيرات أخرى محتملة.
إن البديل الأبسط ، الذي طرحه هوكينج منذ نصف قرن ، سيكون ثقوبًا سوداء - فهي ضخمة للغاية وغير مرئية. على سبيل المثال ، يمكن أن تتشكل الثقوب السوداء الأولية التي يتراوح وزنها من 10 إلى 8 كتل شمسية عند فجر الكون ، قبل ظهور الذرات. في حالة وجود مثل هذه الأشياء ، يجب أن نلاحظ من وقت لآخر كيف تمر عبر الأقراص المرئية للنجوم ، وتشويه شكلها وسطوعها بسبب عدسة الجاذبية .
في أحد أعمال العام الماضي ، بحث المؤلفون عن تشوهات مشابهة للنوع المستعر الأعظمي نوع 1 أ. ولكن دون جدوى. هذا يعني أن الثقوب السوداء الأولية التي تزن أكثر من 0.01 كتلة شمسية ليست كافية لشرح كل المادة المظلمة التي يمكن ملاحظتها. ومع ذلك ، يمكنهم تعويض جزء منه.
وكانت نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام دراسة امتصاص الهيدروجين بين النجوم. اتضح أنه في بعض المراحل المبكرة من الكون ، كان الهيدروجين أكثر برودة بكثير مما تتوقع النماذج. سيكون التفسير الأكثر منطقية لهذا هو تبريد الغاز بين النجوم بسبب التفاعل مع جزيئات المادة المظلمة. لا يلقي الضوء على طبيعته ، بل يشهد ضد الفرضية مع الثقوب السوداء. باختصار ، لا يزال البحث عن المادة المظلمة لغزًا علميًا كلاسيكيًا: لا شيء واضح ، ولكنه فضولي بشكل رهيب.
المحافظون لهذا العام: هيجز بوسون ونموذج قياسي
سمع الجميع عن اكتشاف بوسون هيغز في عام 2012. لم تكن المهمة سهلة ، فقد أصبح من الصعب التحقق مما إذا كنا نفهم دورها في النموذج القياسي وميزات التفاعل مع الجسيمات الأولية الأخرى بشكل صحيح. وفقًا للنظرية ، تزداد قوة التفاعل مع الفرميونات مع زيادة كتلة الأخير ، لذلك فمن الأسهل ملاحظة التفاعل مع أثقلها. في الواقع ، تميزت السنة الماضية بنتائج حول هذا الموضوع.
أولاً ، أظهر تعاون ATLAS و CMS من CERN ولادة بوزون هيغز جنبًا إلى جنب مع زوج من الكوارك العلوي وأعلى علامة أثرية (ما يسمى بعملية ttH). كان الطريق إلى ذلك شائكًا ، في وقت من الأوقات بدا أن عملية ttH كانت أكثر ترجيحًا من المتوقع ( مراجعة جيدة ) ، لكن نتائج 2018 تظهر أن كل شيء في اتفاق تام مع النموذج القياسي.
والنتيجة الثانية من نفس التعاون هي انحطاط بوسن هيغز في كوارك وتاريخي. هنا المبدأ هو نفسه: كلما كانت منتجات الاضمحلال أثقل ، زاد احتمال حدوثها. ومع ذلك ، فإن بوزون هيغز لا يملك الطاقة الكافية للانحلال إلى أثقل الكواركات العلوية والكواكب العلوية ؛ وبالتالي ، فإن أكثر الاحتمالات (58٪) تفسخًا في الكوارك ب و الكوارك ب. تمت إضافة المشاكل من خلال حقيقة أن البروتونات التي تصطدم في المصادم تحب أن تتحلل إلى أزواج الكوارك المضادة للكوارك نفسها ، لذلك كان علينا اختيار الظروف التجريبية الماكرة التي بموجبها كانت الضوضاء الناتجة عن تصادم البروتون في حدها الأدنى. ومرة أخرى ، تزامنت النتيجة مع تنبؤات النموذج القياسي - لذلك من الواضح أنه لا يمكن توقع ظهور فيزياء جديدة في هذا المجال.
سبوتنيك من السنة: Micius
قبل عامين تحدثت عن إطلاق القمر الصناعي الكم الصيني Micius. خلال هذا الوقت ، مهد بنجاح الطريق إلى الإنترنت عبر الأقمار الصناعية الكم ، مما يدل على التوزيع الرئيسي الكم بين بكين وفيينا. يتم إنشاء المفتاح أثناء مرور القمر الصناعي على المحطة الأرضية ، ومعدل البت هو 3 إلى 9 كيلو بايت / ثانية ، والذي يعطي في أحد الممرات مفتاحًا بطول يتراوح من 50 إلى 100 كيلو بايت.
لم تكن مظاهرة الإنترنت الكمومي أقل جمالا. كما تتذكر ، كانت أول رسالة تم إرسالها على الراديو هي اسم "هنري هيرتز" الذي صده السيد مورس. واستمرارًا للتقليد ، كانت أول رسائل على الإنترنت الفضائي الكمومي هي صور للفيلسوف الصيني Mo-Tzu (سُمي القمر الصناعي باسمه) وإدوين شرودنغر (الذي عاش في فيينا).
كان العرض التوضيحي التالي هو تشفير مؤتمرات الفيديو بين أكاديميات العلوم في الصين والنمسا. تم تشفير الفيديو باستخدام خوارزمية AES ، وتغيير المفتاح 128 بت كل ثانية. نتيجة لذلك ، تم استخدام 72 كيلو بايت فقط من المفتاح السري لعقد مؤتمر فيديو لمدة 75 دقيقة.
في المستقبل غير البعيد ، ستستمر أعمال Micius باستخدام قمر صناعي جديد. ستولد فوتونات متشابكة بطول موجة 1550 نانومتر ، حيث ستكون الإضاءة الصادرة عن الشمس أقل قليلاً ، وسيكون انتقال الغلاف الجوي أعلى قليلاً منه عند 850 نانومتر الحالي. إلى جانب أجهزة الكشف الأرضية الجديدة (التي تم اختبارها بالفعل بنجاح) ، سيمكن ذلك من تلقي إشارة من القمر الصناعي ليس فقط في الليل ، ولكن أيضًا خلال النهار ؛ وسيؤدي الإطلاق إلى مدار أعلى إلى زيادة وقت رؤية القمر الصناعي. حتى الآن ، كل شيء يسير بشكل مثالي ؛ كل ما تبقى هو تمنى المبدعين من ريح عادلة.
ثورة العام: إعادة تعريف نظام SI
سوف يستقيل معيار الكيلوغرام - وهو نفس أسطوانة البلاتين إيريديوم من غرفة الأوزان والمقاييس - في 20 مايو 2019. سيتم تحديد الكيلوغرام الجديد من خلال أحد الثوابت الأساسية - ثابت بلانك. جنبا إلى جنب مع ذلك ، فإن تعريفات درجة كلفن (التي سيتم ربطها مع ثابت بولتزمان) ، والأمبير (سيتم التعبير عنها من خلال شحنة الإلكترون) وسوف يتغير الخلد (الذي سيكون هناك بالضبط 6.02214076 × 10 23 ذرات). وهكذا ، من الآن فصاعدًا ، سيتم تحديد جميع قيم نظام SI من خلال الثوابت الفيزيائية الأساسية.
يعد نظام وحدة SI الجديد جميلًا حيث أننا لم نعد نقيس الكميات المادية بوحدات ملائمة لنا ، بل نعلق الوحدات على كيانات مادية متماثلة في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال ، يكون المتر واحدًا بقدر ما ينتقل الضوء في فراغ في 1/299 792 458 ثانية. الرقم 299 792 458 هو بالضبط ، لأننا أنفسنا وضعه. في المقابل ، يتم تعيين الثاني من خلال مستويين للطاقة في ذرة السيزيوم ، المسافة بينهما تساوي تمامًا 9 192 631 770 هرتز. وهكذا ، تتحول المقاييس من معايير العبادة إلى وصفة: ذرات السيزيوم ، وسرعة الضوء وثبات بلانك هي نفسها في كل مكان ، وإذا كنت قد تم إحضارك فجأة إلى المريخ ، فيمكنك استعادة نظام الوحدات بالكامل.
فيديو العام: تزايد الكريستال
صورة من مجهر إلكتروني ذي دقة ذرية لن تفاجئ أحداً. شيء آخر - الفيديو ، وحتى ماذا! تمكنت مجموعة من باريس من تصوير كيف ينمو بلورة زرنيخيد الغاليوم ذرة بواسطة ذرة من محلول مفرط ، طبقة تلو الأخرى:
من حيث المبدأ ، لا يوجد شيء جديد هنا - لقد تمت دراسة ميزات نمو البلور منذ فترة طويلة بشكل جيد وتستخدم بنشاط في صناعة أشباه الموصلات. لكن الفيديو ، كما ترى ، رائع.
تقنية النانو لهذا العام: أسرع قمم الغزل
أظهرت مجموعتان - من المدرسة الفنية العليا في زيوريخ وجامعة بوردو - طريقة لإرخاء الجسيمات النانوية بسرعة تفوق مليار ثورة في الثانية. لهذا السبب ، تم التقاط الجسيمات النانوية - قطرات زجاجية أو دمبل 100 - 200 نانومتر في الحجم - في ملاقط بصرية تشكلت بواسطة ليزر مركّز. إذا كان الاستقطاب الليزري دائريًا ، فإن شعاع الليزر لديه لحظة الدوران التي يمكن أن تنتقل إلى الجسيمات ، وبالتالي يلفها.
بطبيعة الحال ، فإن لحظة الدوران الخاصة بالفوتون صغيرة جدًا ، لذا فقد تمت عملية السحب ببطء شديد - على مدار دقائق. كان تباطؤ الجسيمات النانوية ضد الهواء المحيط أيضًا عقبة ؛ وبالتالي ، لم تتحقق أقصى سرعات إلا في فراغ عميق (10 - 5 م ب). لكن النتيجة كانت مثيرة للإعجاب: في أقصى السرعات ، كانت قوات الطرد المركزي قريبة من كسر الجسيمات النانوية ، لذلك قد تكون هذه التكنولوجيا مهمة لقياس قوة المواد. وفي مثل هذه الثورات ، يمكن أن يظهر تأثير Casimir نفسه - وهي ظاهرة كمومية أساسية ناجمة عن وجود جسيمات افتراضية في الفراغ.
مكافأة السنة الجديدة: سترة الغزلان ومعادلة لها
APS مغرم جدًا بإنهاء العام بشيء غير عادي. هذه المرة ، أحب المحررين العمل على خصائص النسيج المحبوك. نعلم جميعًا أن الصوف من إحدى الكرات لا يكاد يمتد ، لكن سترة التريكو ستناسبك بسهولة حتى لو كنت قد ربحت خمسة كيلوغرامات بعد عطلة رأس السنة الجديدة. السبب في ذلك ، بالطبع ، هو في الحلقات ، والتي يمكن أن تغير شكلها ، والسماح للنسيج لتمتد.
لقد اقترحت أنماط النسيج المترابط السابقة أن جميع الحلقات تشوه أكثر أو أقل. من الواضح تمامًا أن هذا ليس صحيحًا: إذا قمت بتمديد الوشاح ، فسوف ينكمش بقوة في الوسط ، وبالكاد يتقلص في موضعك. ويمكن أن ينتقل الخيط قليلاً من حلقة إلى أخرى ، مع تغيير محيطه.
أثارت كل هذه الأسئلة ثلاثة علماء من فرنسا لدرجة أنهم قرروا إنشاء نموذج أنيق للنسيج المحبوك. كان هناك نقطتان رئيسيتان: الخيط لا يمكن فصله ، والنسيج يحاول تقليل الطاقة الكلية الناتجة عن ثني الخيط في الحلقات. والنتيجة هي نموذج بسيط إلى حد ما يصف تشوه الحلقات اعتمادًا على موضعها في النسيج. أوه نعم ، بالتوازي مع هذا ، ربطوا قماش النايلون وبدأوا في مده بكل الطرق. بالطبع ، اتضح أن النموذج في اتفاق ممتاز مع النتائج التجريبية.
بدلا من الاستنتاج
هكذا نتذكر العام الماضي. والآن للعمل ، وسنحاول جعل السنة المقبلة لا تقل إثارة للاهتمام ؛).