النتائج المادية للعام - 2019

مرحبا يا هبر! في أسبوع العمل الأول من العام الجديد ، حان الوقت للنظر إلى الوراء وتذكر نجاحات 2019. لقد تذكرنا العام الماضي بالانجازات التكنولوجية والمشاكل العلمية الجديدة. دعونا نلقي نظرة فاحصة على النتائج الأكثر إثارة للاهتمام.

ثقب أسود صورة

في الربيع ، قدم تعاون Event Horizon Telescope للعالم أول صورة لثقب أسود هائل في مجرة ​​M87 المجاورة. كانت هذه نتيجة ممتازة للعمل الضخم - لعدة أيام ، شاهدت ثمانية مراصد إذاعية في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك القارة القطبية الجنوبية ، في وقت واحد ثقب أسود. تمت معالجة البيانات على مجموعات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا و MPIfR ، وتم تسليمها على محركات الأقراص الصلبة - من غير الواقعي نقل حجم البيجابايت على الإنترنت من المراصد عن بعد (وخاصة من أنتاركتيكا). أمضيت بضعة أشهر أخرى في معالجة الصور وإعادة الإعمار. يمكن قراءة قصة جيدة حول تفاصيل التجربة ، على سبيل المثال ، على العناصر ( واحد ، اثنان ) أو على N + 1 .

في الصورة نفسها ، نرى قرص تراكم - مادة ساخنة ، تدور في دوامة قبل السقوط في ثقب أسود. ليست البقعة الموجودة في الوسط هي الثقب الأسود نفسه ، وإنما هي الظل منه: الضوء المنبعث من الثقب الأسود ينحني بسبب العدسة الجاذبية ، لذلك يكون الظل أكبر بعدة مرات من أفق حدث الثقب الأسود.

يتم تشغيل القرص تراكم من هذا الثقب الأسود نحونا من قبل طائرتها. إذا كانت موجودة بجانبنا (مثل حلقات زحل) ، فسنرى شيئًا مشابهًا للثقب الأسود من Interstellar. لسوء الحظ ، علم الفلك هو علم مراقبة حصريًا: ليس لدينا أدنى فرصة للتأثير على هذه العمليات الفخمة أو حتى النظر إليها من زاوية مختلفة بسبب المسافة البعيدة عنها.

يبقى أن نضيف أن هذه الصورة وحدها لا تثبت وجود ثقوب سوداء - نحن واثقون من وجودها بسبب كتلة النتائج الأخرى. من الأرجح أن تكون قيمته في تأكيد أفكارنا حول ما يحدث في نوى المجرات. وبالطبع ، في خلق تعاون دولي ضخم يسمح بعمليات رصد منهجية مع تلسكوب بحجم الأرض. في المستقبل القريب ، يتم تضمين التلسكوبات الجديدة ذات الطول الموجي الأقصر في الشبكة ، ودراسة ديناميكيات العمليات حول الثقوب السوداء في نواة M87 و Milky Way.

مشاكل هابل الثابتة

إن عالمنا يتوسع: المسافات بين المجرات المجاورة تتزايد باستمرار ؛ يتم تحديد معدل هذا التوسع من خلال ثابت هابل. قياساتها الدقيقة هي أهم مهمة لعلم الكونيات ، وفي نفس الوقت تكون المهمة صعبة للغاية. حتى وقت قريب ، تقارب كل شيء بقيمة حوالي 70 كم / ثانية لكل ميغابارسك. تم تحقيق دقة جيدة في العام السابق فقط: أدى تحليل بيانات القمر الصناعي بلانك ، الذي قاس تباين إشعاع CMB ، إلى ثابت هابل يبلغ 67.4 ± 0.5 كم / ثانية / مليون طن من الكربون. حصل تعاون Dark Energy Survey ، الذي درس التقلبات في كثافة المادة في الكون باستخدام شبكة من التلسكوبات البصرية ، على نفس النتيجة.

لكن عام 2019 جلبت مفاجآت. تقاربت العديد من المجموعات التي جمعت إحصاءات طويلة الأجل حول أجسام فضائية مختلفة - الكوازارات ، السيفيدس ، masers الفضائية - بقيمة حوالي 74 كم / ثانية / Mpc (النقاط الزرقاء على الرسم البياني). على عكس نتائج العام الماضي ، في كل هذه الأعمال ، تم قياس المسافة إلى المنشآت الموجودة. تعكس تقلبات الإشعاع المقطوع وكثافة المادة ما حدث في فجر الكون. نتيجةً لذلك ، لدينا فرق بين أكثر من أربعة انحرافات معيارية بين قيم الكونين المبكرين والحاليين ، مما لا شك فيه أنه مثير للاهتمام ويثير على الأقل مناقشات حول الفيزياء الجديدة.

هنا يمكنك العثور على الكثير من النقاط المثيرة للجدل: على سبيل المثال ، تمت معايرة المسافات إلى العديد من الكائنات باستخدام نفس الشموع القياسية ، لذلك لا يمكن اعتبارها مستقلة. الكرز الموجود على الكعكة هو قياس تم إجراؤه بواسطة عمالقة حمراء هائلة (النقطة الحمراء): إنه يعطي نتيجة حل وسط تبلغ 69.8 كم / ثانية / مليون برميل في اليوم ، ولكن من المفارقات أن معايرة المسافات إلى هذه العمالقة الحمراء أقل دقة. يوجد الآن نقاش نشط في المجتمع حول هذا الموضوع ، ولا يزال سبب التباين غير واضح. أود أن أصدق أنه في المستقبل القريب سيبدأ حل المفارقة.

نصف قطر البروتون

يحدث شيء مشابه في عالم الميكروي: قياسات حجم البروتون (بدقة أكثر ، نصف قطر الشحنة) تعطي نتائج مختلفة . والتناقضات هنا أكثر أهمية.

بشكل عام ، هناك طريقتان بسيطتان لقياس نصف قطر البروتون:

• قصف الإلكترون بروتون: كلما اقترب الإلكترون من البروتون ، زاد انحناء طريقه. باستخدام نمط الانتثار ، يمكن للمرء إعادة بناء نصف القطر الذي تتركز فيه شحنة البروتون.
• التحليل الطيفي للهيدروجين. نواة الهيدروجين هي البروتون ، وحجمها يؤثر على مستويات الطاقة التي يمكن أن يكون فيها الإلكترون. عن طريق قياس طاقة مستويين في وقت واحد ، يمكنك حساب نصف قطر النواة.

أعطت كلتا الطريقتين نفس النتيجة: حوالي 0.875 فيمتري. في عام 2010 ، اقترح فريق MPQ استبدال الإلكترون في ذرة الهيدروجين بميون ، وهو جسيم أولي أثقل له خصائص مماثلة. يدور الميون الثقيل بالقرب من البروتون ، لذلك فإن نصف قطر البروتون له تأثير أقوى على مستويات الطاقة. كانت نتيجة القياس أقل بشكل غير متوقع - 0.841 fm. تكررت القياسات في عام 2013 ، وكانت النتيجة هي نفسها.

بينما كان العالم بأسره يفكر في سلوك الميون الهيدروجين بطريقة خاصة وإذا كان هناك أي فيزياء جديدة هنا ، قررت MPQ تكرار التجربة باستخدام الهيدروجين العادي - وحصلت مرة أخرى على نصف قطر أصغر من البروتون! بعد عام ، في عام 2018 ، تم تكرار التحليل الطيفي للمستويات الأخرى في الهيدروجين العادي في باريس ... وتم الحصول على قيمة نصف القطر القديمة! هنا ، تحول تركيز المناقشات نحو البحث عن أخطاء شائعة ، مع مراعاة الفرق في الارتفاع بين المعملين: التحليل الطيفي الدقيق هو في الأساس مقارنة مع معيار التردد / الوقت المعروف ، ووفقًا للنظرية العامة للنسبية ، يتدفق الوقت في باريس وميونيخ بطرق مختلفة قليلاً. لمسافات مختلفة إلى مركز الأرض.

لقد سرني العام الماضي بالفعل بتجربتين ، وحتى من قارة أخرى. أولاً ، كررت مجموعة من تورنتو التجربة باستخدام التحليل الطيفي للهيدروجين وحصلت على نفس النتيجة مثل MPQ. وسرعان ما تم تأكيد ذلك من خلال تجربة تشتت الإلكترون-البروتون من التعاون الأمريكي. بالتوازي مع هذا ، بدأت مجموعة MPQ بنفس التجربة التي أجراها الفرنسيون في عام 2018 - وهو اختبار لإمكانية التكاثر لم يسبق له مثيل في العلوم الحديثة! هناك بالفعل نتائج أولية ، لكن المؤلفين لم يكشفوا عنها بعد - فهي مثيرة للاهتمام فقط لأنها ستكون مثيرة للاهتمام. لا يزال سبب التباين غير معروف ، ولكن يبدو أن كل شيء سيصبح واضحًا في المستقبل القريب.

التفوق الكم

في الخريف ، نشرت نيتشر مقالًا أظهر فيه فريق Google التفوق الكمي . تمكنت Sycamore من رقاقة بحجم 53 كيلوبايت من حل مشكلة معينة في 200 ثانية. سيستغرق الأمر 10 آلاف عام لحلها على كمبيوتر عملاق كلاسيكي.

اتضح أن المهمة نفسها ، التي ظهرت عليها النتيجة ، كانت عادية للغاية. يختلف الكمبيوتر الكمومي عن الكمبيوتر العادي ، حيث إنه يمكن أن يقوم بتنفيذ العمليات الكمية التي يتعذر الوصول إليها على أجهزة الكمبيوتر التقليدية (شكرًا ، Cap!). لذلك ، في التجربة ، نفذت الرقاقة الكمومية مجموعة عشوائية من العمليات الكمومية ، وقام كمبيوتر كلاسيكي بمحاكاة نفس مجموعة الإجراءات.

وقد بدأت مناقشة جادة حول النتيجة. على سبيل المثال ، يقول باحثو IBM أن خوارزمية كلاسيكية محسنة من شأنها حل المشكلة ليس في آلاف السنين ، ولكن في بضعة أيام. تعتبر مشكلة تصحيح الأخطاء أكثر حدة: الذاكرة الكمومية هشة لدرجة أن تصحيح أخطاء البرامج لا ينقذ هنا ، وآليات التصحيح المعروفة في الأجهزة تعقد بنية رقائق الكم بأوامر من حيث الحجم. وتوسيع نطاق رقائق الكم من العشرات من البتات إلى ما لا يقل عن المئات هو أبعد بكثير مما يمكن تحقيقه حاليا. لذلك ، فإن نتيجة Google مختلطة للغاية: نعم ، لقد تخطينا على عتبة عصر الكم ، ولكن إلى أي مدى يمكننا المضي قدمًا - وما إذا كان يمكننا ذلك على الإطلاق - لا يزال مجهولًا.

ضوء مضغوط ليغو

سمع الجميع عن الاكتشاف الأخير لموجات الجاذبية وجائزة نوبل لعام 2017 التي تلت ذلك. يوجد الآن ثلاثة مراصد حساسة بما فيه الكفاية لموجات الجاذبية في العالم: جهازان للكشف عن LIGO في الولايات المتحدة و VIRGO في إيطاليا. هذه مقاييس تداخل ليزر دقيقة بشكل لا يصدق : لتحقيق الدقة الحالية ، تم استثمار قوى هائلة في قياس الضوضاء ذات الطبيعة المختلفة وتحسينها:

اليوم ، المصدر الرئيسي للضوضاء هو ضجيج الضوء الكمومي (منحنى أرجواني): وهو ناتج عن حقيقة أن الليزر ينبعث فوتونات في أوقات عشوائية. يمكن التعامل مع هذه الضوضاء باستخدام الارتباطات المستحثة بالضوء في شعاع الضوء الذي يعيد توزيع ضوضاء شدة الضوء على ضوضاء طورها ، وهو أمر غير ضار بهدفنا. تم بالفعل اختبار هذه التقنية على مقياس التداخل الألماني GEO600 ، وفي العام الماضي تم تشغيله أخيرًا على كل من LIGO و VIRGO . على ما يبدو ، هذا هو أول تطبيق للضوء المضغوط لحل المشاكل العملية. الآن ستزداد حساسية أجهزة الكشف بدرجة كبيرة (تصل إلى مرتين في بعض مديات التردد) ، ونأمل أن نسمع ظواهر أكثر إثارة للاهتمام من الأركان البعيدة للكون.

وهذه أيضًا نتيجة خاصة لهبر - بالنسبة له يجب علينا أن نشكر ميخائيل شكاف ، الذي يشارك مباشرة في هذا الموضوع وقد كتب العديد من المقالات المثيرة حول LIGO وليس فقط. شكرا لك ونجاحات جديدة!

حد كتلة النيوترينو

تبقى النيوتريونات واحدة من أكثر الجزيئات الأولية غامضة: فهي لا تتفاعل عمليا مع المادة ويمكنها بسهولة المرور عبر الأرض. نحن نعلم أن لديهم على الأقل بعض الكتلة من ذبذبات النيوترينو: في الطريق من الشمس إلينا ، يتحول جزء من النيوترينو إلى نيوترينو من نوع مختلف. التحول عملية ديناميكية ، مما يعني أن الوقت يتدفق في الإطار المرجعي للنيوترينو - أي أنها تطير بسرعة أبطأ من سرعة الضوء بسبب كتلتها.

قياس هذه الكتلة هو أكثر صعوبة بكثير. الحد الأدنى - حوالي 9 meV - نحن نعرف من التذبذبات النيوترينو. استغرق مشروع KATRIN في كارلسروه ، ألمانيا ، قياس الحد الأعلى. كانت الفكرة هي ملاحظة التحلل الإشعاعي للتريتيوم إلى هيليوم -3 ، وإلكترون ، ومضاد لإلتهابات: من المستحيل اكتشاف هذا الأخير ، لكن يمكنك قياس سرعات الجسيمات المتبقية وحساب الطاقة المفقودة. في الممارسة العملية ، من الأسهل التعامل مع الإلكترونات: تعني أعلى سرعات يمكن تحقيقها أن طاقة الانحلال جميعها دخلت النيوترينو والإلكترون. مثل هذه الحالات نادرة ؛ لذلك ، يجب أن يتم تحسين الكاشف بشكل جيد للكشف عن الإلكترونات من طاقة معينة.

لهذا السبب ، استغرق مشروع KATRIN وقتًا طويلاً للتحضير ، لكنه أعطى النتيجة الأولى بعد شهر من التشغيل: الحد الأعلى لطاقة النيوترينو كان 1.1 فولت ، مما ضاعف التقدير السابق. من المخطط أن تحصل KATRIN على إحصائيات لمدة خمس سنوات أخرى ، مما يحسن الدقة إلى 0.2 فولت. ويمكن للتجارب الأكثر تقدماً القائمة على نفس الفكرة أن تزيد من دقة القياس إلى 40 ميجا فولت.

بدلا من الاستنتاج

في رأيي ، تبين أن العام الماضي كان اجتماعيًا للغاية: إن الإنجازات التي تذكرها ترجع إلى الجهود المشتركة للعديد من المجموعات ، وإلى قضايا جديدة - الاختلافات بينها. العمل الجماعي في العلوم - من تجارب سطح المكتب إلى التعاون الدولي - يزداد أهمية لتحقيق نتائج ذات مغزى. آمل أن نبذل كل جهد ممكن لضمان أن يكون عملنا أكثر إنتاجية ، وأن نتائج العام المقبل ليست أقل إثارة للاهتمام.

استنادا إلى مجلة كوانتا ، العلوم والجمعية الفيزيائية الأمريكية .