دانشمندان با ساخت سریع‌ترین شی ساخته شده تابه‌‌حال، توانسته‌اند که یک قدم بزرگ را در رابطه با اندازه‌گیری نیروهای کوانتومی اسرارآمیز که بر نیستی (عدم) تأثیرمی‌گذارند، بردارند. این شی رکوردشکن یک قطعه کوچک سیلیکا است. این شی که در هر ثانیه میلیاردها بار می‌چرخد، حساسیت لازم را به دست آورده و تیم سازنده آن قادر خواهند بود تا این محصول را جهت تشخیص مقدارهای ضعیف و غیرقابل‌فهم کشش که به دلیل اصطکاک‌های درون خلا ایجاد می‌شوند، مورداستفاده قرار دهند.

همچنان که ما سعی می‌کنیم تا بفهمیم که جهان در ابتدایی‌ترین روزهای خود چگونه فعالیت می‌کرده، علم نیستی نیز در حال تبدیل شدن به یکی از موضوعات مهم فیزیک است. 

محققان اکنون این حقیقت را به‌راحتی پذیرفته‌اند که فضای خالی در واقع خالی نیست. این فضا در حقیقت پر از نوسانات کوانتومی است که ما اکنون مشغول یادگیری روش‌های تشخیص آن هستیم. اما ما همچنان مشغول تلاش جهت پیدا کردن ابزارهایی هستیم که از حساسیت لازم برخوردار بوده و به‌وسیله آن‌ها بتوان فعالیت این نیروهای کوچک را شناسایی کرد. 

چند سال پیش، پژوهشگران دانشگاه پردو آمریکا، با توسعه روشی که گشتاور و یا نیروی پیچش یک قطعه از الماس را اندازه‌ می‌گرفت، توانستند که یک قدم به جلو بردارند. فیزیکدانان با استفاده از لیزر، این ماده را در فضای خلا معلق کردند. دانشمندان از این طریق توانستند که یک دستگاه بسیار مناسب را جهت فهم تلنگرهای محیط اطراف، فراهم آورند.

فیزیکدان تانگ‌کنگ لی (Tongcang Li) در سال 2016 توضیح داد: “تغییر جهت این نانوالماس باعث می‌شد تا فیلتر ضدتشعشع لیزر بر چرخش‌ها پرتو بیفکند. تعادل پیچ‌خوردگی نقشی تاریخی را در توسعه فیزیک مدرن ایفا کرده است. حال یک نانو الماس بیضی‌شکل معلق در خلا، یک تعادل پیچشی در مقیاس نانو را فراهم آورده که چندین برابر نمونه‌های پیشین حساس‌تر است.”

سه سال بعد، لی و اعضای تیم وی الماس را با توپ‌هایی از جنس سیلیکا به قطر 150 نانومتر جایگزین کردند. این قطعه جدید در داخل یک محفظه خلاء معلق شده و یک لیزر 500 میلی‌ واتی نیز در کنار آن قرار داده شده بود. با استفاده از پالس‌های قطبی از جانب لیزر دومی، می‌توان چرخش توپ‌های سیلیکایی را تنظیم کرد.

چرخش این توپ‌ها با ذرات دمبلی‌شکل به عدد عجیب 300 میلیارد دور در دقیقه می‌رسد. این میزان توانسته که رکورد آزمایش‌های پیشین را که به‌سختی می‌توانستند یک‌پنجم این سرعت را کنترل کنند، بشکند. نوآوری مربوط به حساسیت نیروهای چرخش است که محققان قصد داشتند آن‌ها را ارتقاء دهند.

درحالی‌که این آزمایش بر فناوری‌های مدرن تکیه داشته، اما ریشه در پژوهش‌هایی دارد که مربوط به قرن‌ها پیش هستند. در اواخر قرن هجدهم میلادی، دانشمند بریتانیایی یعنی هنری کاوندیش (Henry Cavendish) تصمیم گرفت تا ارزشمندی قوانین نیوتن در زمینه گرانش را نشان دهد. این دانشمند سعی داشت این کار را با تلاش جهت اندازه‌گیری این نیرو با استفاده از دو وزنه سربی انجام دهد.

دو گوی سربی نسبتا سبک در دو طرف یک پرتو نوری با گستردگی 1.8 متری معلق شده بودند. این پرتو از یک سیم نزدیک به یک جفت توده سنگین ثابت‌شده در فضا، آویزان شده بود. مقدار پیچش موجود در آن سیم، اولین اندازه‌گیری واقعی یک مقدار ثابت گرانشی را فراهم کرد.

نسخه نانوی آزمایش کاوندیش می‌تواند بسیار حساس باشد. این ابزار از لحاظ تئوری می‌تواند جهت اندازه‌گیری ضربات ضعیف میدان‌های الکترومغناطیسی که نوعی از اصطکاک را در فضای خالی ایجاد می‌کنند، مورداستفاده واقع شود. این رویدادها به دلیل عدم قطعیت فیزیک ذرات شکل داده می‌شوند.

این دانشمندان طی گزارشی نوشتند: “یک ذره خنثی که سریع می‌چرخد، می‌تواند خلاء کوانتومی و حرارتی را به انعکاس‌های تابشی تبدیل کند. به این دلیل، خلاء‌های الکترومغناطیسی همانند یک مایع پیچیده رفتار کرده و یک گشتاور اصطکاکی را بر روی نانوروتورها (nanorotor) اعمال می‌کنند.”

نیروی چرخش پیچ‌خوردگی‌ها در واحدهایی به نام نیوتن متر اندازه‌گیری می‌شود. یک نیوتن متر در واقع یک نیوتن نیرو است که از یک متر دورتر به یک نقطه از اهرم وارد می‌شود.

آزمایشی در سال 2016 روشی را توسعه داد که می‌تواند گشتاور را با حساسیتی در حدود 3*10 به‌توان منفی 24 متر نیوتن، اندازه‌گیری کند. دمایی کمتر از یک درجه بالای صفر مطلق، جهت انجام این فرآیند لازم بود.

مقیاس‌های گشتاوری 1.2*10 به‌توان منفی 27 نیوتن متری چرخش توپ‌های سیلیکایی در میان چرخه‌های لیزری، باعث می‌شود تا لی و تیمش رکود پیشین را نیز بشکنند. آن‌ها این کار را در دمای اتاق انجام داده‌اند، نه در دمایی کمتر.

در آینده، آزمایش‌ها نوع مواد چرخنده را تغییر می‌دهند، همان‌طور که عوامل محیطی مانند دما و اشیای مجاور را نیز تغییر خواهند داد. این تغییرات را می‌توان جهت فهمیدن اینکه چگونه میدان‌های دست‌نخورده کوانتومی در کمترین سطح‌ انرژی وجود دارند، به‌کار گرفت.

این پژوهش در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.

نوشته سریع‌ترین شی چرخشی ساخته‌شده می‌تواند اصطکاک خلا را توضیح دهد اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

هنگامی‌که فیزیکدانان تشخیص دادند که سیگنال‌های پرانرژی ذرات نوترینو از جهت‌های غیرمنتظره کیهان ساطع می‌شوند، به دنبال یک منبع قدرتمند می‌گشتند که بتواند این موضوع را شرح دهد. بررسی پیگیرانه منابع به‌شدت مورد انتظار این ذرات انفعالی شبح‌مانند، حال بدون نتیجه به سرانجام رسیده است. این قضیه باعث شد تا راه برای حدس و گمان‌های عجیب‌وغریب پیرامون منبع این سیگنال‌ها، بازتر شود.

جست‌و‌جو در داده‌های هفت ساله ناشی از تجربه شکار نوترینوها توسط تیم IceCube، باعث شده تا دانشمندان اقرار کنند که توضیحات مربوط به اکتشاف این موضوع، بسیار ضعیف هستند. IceCube یک تیم گسترده بوده که دانشمندانی را از سرتاسر جهان گرد هم آورده است.

ذرات نوترینو اجزاهایی شبیه به الکترون بوده و در مدل استاندارد ذرات بنیادی قرار می‌گیرند. این ذرات جرم بسیارکمی داشته و همچنین بار الکتریکی نیز ندارند. این جرم کم و نیز خنثی بودن به این معنا است که نوترینوها علاقه‌ای ندارند تا توقف کرده و با سایر ذرات به تعامل بپردازند. فروپاشی اتمی در عمق خورشید باعث می‌شود تا هرروزه سیل این ذرات از این سیاره ساطع شود. نوترینوها فقط یک مجاورت کوچک با اتم را لازم دارند تا یک واکنش قابل‌توجه را ایجاد کنند.

جهت شکار تشعشع نادر نوترینو که به یک مولکول آب یخ‌زده برخورد می‌کند، رصدخانه IceCube رشته‌های طولانی تجهیزات حساس نورگیر را در زیر یخ‌های قطب‌ جنوب کار گذاشته‌ است. نزدیک به یک دهه است که این تجهیزات روزانه صدها اشعه را ضبط می‌کنند. طی این اقدام، جهت‌ها و انرژی‌های ذرات نوترینویی که به زمین رسیده‌اند، در یک پایگاه اطلاعاتی جمع‌آوری شده‌اند.

اما این تنها مسئله مهم نیست. آنتن ناپایدار تحریک‌کننده قطب جنوب ناسا (ANITA) از طریق یک بالن هلیوم و در ارتفاع 40 کیلومتری از سطح قطب جنوب، در هوا معلق مانده است. این بالن نشانه‌هایی از نوترینوهایی را که با انرژی بالای خود به اتم‌های جو برخورد می‌کنند، به دام می‌اندازد. 

هنوز ANITA در ابتدای راه خود قرار دارد، اما همین پروازهای کمی هم که توسط این آنتن انجام شده‌‌اند، باعث شده تا تعدادی از اشعه‌های آشکارساز این ذرات پرانرژی، با موفقیت تشخیص داده شوند. به‌ طرز عجیبی، دو عدد از این سیگنال‌ها از آسمان بالای زمین نمی‌آمدند، بلکه از خود این سیاره ساطع می‌شدند.

این‌ها تمامی نکات تعجب‌برانگیز یک ذره نوترینوی ساطع‌شده از سطح خورشید نیستند. در میان انواع انرژی‌هایی که توسط ANITA به ثبت رسیده‌اند، نوترینوها بسیار تعاملی‌تر رفتار می‌کنند. این ذرات در راندمانی بالا با اتم‌های سیاره ما ترکیب شده و در نتیجه اتم‌های کمی هستند که با این ذرات برخورد نداشته باشند.

اخترفیزیکدان الکس پیزوتو (Alex Pizzuto) از دانشگاه ویسکانسین مدیسون ایالات‌متحده، می‌گوید: “معمولا گفته می‌شود که نوترینوها ذراتی گریزان یا شبح‌مانند هستند، زیرا آن‌ها این توانایی را دارند که بدون برخورد با چیزی، از داخل اشیای مختلف عبور کنند. اما این انرژی‌های باورنکردنی؛ یعنی نوترینوها، بیشتر شبیه به گاوهایی در داخل مغازه‌های چینی هستند (جایی که باید همه چیز با احتیاط انجام شود). احتمال بیشتری می‌رود که نوترینوها با ذرات سطح زمین تعامل داشته باشند.”

پیدا کردن تعدادی نوترینوی گاو‌مانند که با سیاره ما نیز تعامل زیادی دارند، نیازمند نوعی توضیح است. البته کشف نوترینوها می‌تواند نتیجه اکتشاف شانسی این ذرات نادر نیز باشد. خوش‌شانس بودن چندان جواب نادرستی هم نیست. اما به‌احتمال‌زیاد، ذرات تشخیص داده شده به‌عنوان بخشی از یک توده عظیم به این سیاره برخورد کرده‌اند.

نوترینوهای پرانرژی تمایل دارند تا پیش از اینکه توسط میدان‌های مغناطیسی قوی کیهان، تحت فشار قرار گیرند، ما بین تعامل‌های میان پرتوهای کیهانی و هسته‌های اتمی متولد شوند.

به این دلیل، محققان بر روی آمارها کار کرده‌اند تا بفهمند که چه تعداد نوترینوی پرانرژی لازم است تا ANITA بتواند با احتمال بالایی به شناسایی آن‌ها بپردازد. دانشمندان همچنین از طریق داده‌های IceCube سعی کرده‌اند تا رویدادهای بالقوه را که می‌توانند مسئول تولید تعداد بالای نوترینوها باشند، شناسایی کنند.

فیزیکدان آناستازیا باربانو (Anastasia Barbano) از دانشگاه ژنو سوئیس اظهار می‌کند: “این فرآِیند باعث می‌شود تا رصدخانه IceCube به ابزاری عالی جهت پیگیری مشاهدات ANITA تبدیل شود، زیرا به ازای هر رویداد غیرعادی که توسط  ANITA تشخیص داده می‌شود، رصدخانه IceCube می‌توانسته که رویدادهای بسیار بیشتری را تشخیص دهد. در چنین مواردی، ما این کار را انجام نداده‌ایم.”

حال باید چه اقدامی انجام داد؟

اول از همه، باید در نظر داشت که حتی بهترین و حرفه‌ای‌ترین آزمایش‌ها نیز مستعد خطا هستند. کمتر از یک دهه پیش، یک هیجان افسارگسیخته در رابطه با کشف اینکه نوترینوها سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند، وجود داشت. پیش از اینکه اشتباه بودن این یافته مشخص شود، این موضوع مورد بررسی‌های زیادی قرار گرفته بود.

این یافته‌های جدید در حال حاضر به‌صورت پیش‌نویس در وب‌سایت arXiv.org قرار داده شده‌اند. این یافته‌ها قرار است که به The Astrophysical Journal ارسال شوند تا در آنجا توسط جامعه دانشمندان مورد بررسی‌های موشکافانه قرار گیرند.

حتی در حال حاضر نیز احتمالات خسته‌کننده‌ای وجود دارند که ما می‌توانیم آن‌ها را در نظر بگیریم. حتی اکنون می‌توانیم تصوراتی خارج از قوانین فیزیک فعلی را نیز در نظر بگیریم.

پیزوتو می‌گوید: “تحلیل‌های ما، تنها مدل استاندارد اخترشناسی را که رویدادهای غیرعادی ANITA را توضیح می‌داد، رد کرده‌اند. بنابراین در حال حاضر اگر این رویدادها واقعی بوده و فقط به دلیل چیزهای عجیب‌وغریب داخل ردیاب‌ها صورت نگرفته نباشند، آنگاه می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که این رویدادها به قوانین فیزیکی فراتر از مدل استاندارد اشاره می‌کنند.”

یکی از احتمالات این است که شتاب‌دهنده‌های کیهانی تعداد زیادی از نوترینوها را پشت‌ سرهم پرتاب می‌کنند. این بازه زمانی آن‌قدر کوتاه است که دانشمندان با تجهیزات فعلی نمی‌توانند به شکار آن‌ها بپردازند.

اگر بخواهیم که به فرضیه‌های بسیار عجیب اعتقاد داشته باشیم، حتی می‌توانیم نقشی را نیز برای ماده تاریک در نظر بگیریم. یا اینکه نوعی دیگر از ذرات را در نظر بگیریم که همانند نوترینوهای پرانرژی رفتار می‌کنند، اما از طریق راه‌های دیگری تولید می‌شوند.

سؤالات زیادی می‌توانند مطرح شوند. در حال حاضر، تحقیقات ما درباره رازهای ذرات نوترینو، در مراحل اولیه خود به سر می‌برند. بنابراین اگر بتوانیم بیشتر یاد بگیریم، آنگاه می‌توانیم امید داشته باشیم که ذرات نوترینو دریچه‌هایی را به سوی رازهای بزرگ باز کنند و در نهایت، این موضوع نیز باعث کشف قوانین جدید در علم فیزیک شود.

شکی نیست که رصدخانه IceCube و ANITA به دنبال راه‌هایی خواهند بود تا معمای این ذرات پرانرژی شبح‌مانند را حل کنند. همچنین می‌توان امید داشت که این رویه بتواند مرزهای علم فیزیک را نیز جا‌به‌جا کند.

نسخه پیش‌نویس این پژوهش در وب‌سایت arXiv.org موجود است.

نوشته معمای ذرات نوترینو که علم فیزیک قادر به توضیح آن نیست اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

شتاب‌دهنده‌های ذرات همانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC)، به‌شدت مفید و به‌طورمعمول نیز بسیار بزرگ هستند. این ابزارها برای مطالعه برخی از مباحث پایه‌ای فیزیک ذرات مورداستفاده قرار می‌گیرند. حال، دانشمندان موفق شده‌اند تا یکی از این ابزارها را در یک تراشه سیلیکونی جای دهند.

همان‌طور که شاید انتظار داشته باشید، این ابزار جدید همانند مدل بزرگ‌تر خود قدرتمند نیست، اما هنوز هم این تراشه شتاب‌دهنده می‌تواند برای محققانی که توان دسترسی به تجهیزات غول‌پیکر را ندارند، بسیار مفید واقع شود.

درحالی‌که این مدل اولیه هنوز یک نسخه آزمایشی است، اما تیم سازنده آن امیدوار هستند که با برداشتن این قدم بتوانند جایگزین‌های فشرده‌تری را برای شتاب‌دهنده‌های غول‌پیکر ذرات مانند: LHC و آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC، تولید کنند.

جلنا وکویچ (Jelena Vuckovic)؛ مهندس برق از دانشگاه استنفورد می‌گوید: “بزرگترین شتاب‌دهنده‌ها همانند تلسکوپ‌های قدرتمند هستند. تعداد کمی از آن‌ها در سرتاسر جهان وجود داشته و دانشمندان برای استفاده از آن‌ها باید به مراکزی همانند SLAC مراجعه کنند. ما می‌خواهیم که شتاب‌دهنده‌ها را کوچک‌سازی کنیم تا بدین شیوه این ابزارهای تحقیق بیشتر در دسترس قرار گیرند.”

جهت نیل به این هدف، دانشمندان به‌جای شتاب‌دهی مرسوم امواج ماکروویو در تجهیزاتی مانند SLAC، از امواج بسیار کوتاه‌تر لیزر استفاده کرده‌اند.

آن‌ها با استفاده از سیلیکون، کانال‌هایی را در مقیاس نانو (با پهنایی کمتر از موی انسان) ایجاد کرده‌، فضایی خلا را در آن‌ها تعبیه و سپس با استفاده از پالس‌های فروسرخ، الکترون‌ها را به درون آن سوق داده‌اند (سیلیکون پرتوهای مادون‌قرمز را به خود جذب نمی‌کند).

دانشمندان برای طراحی این شتاب‌دهنده ذرات، از روشی به نام مهندسی معکوس استفاده کرده‌اند. آن‌ها ابتدا میزان انرژی آزادشده را تعیین کرده و سپس با مهندسی معکوس، ساختارهای نانو را که توان حمل این انرژی را دارند، ایجاد می‌کنند.

درحالی‌که شتاب‌دهی لیزری پیش‌تر نیز مورد آزمایش قرار گرفته، این اولین باری است که دانشمندان توانسته‌اند که کل یک سیستم شتاب‌دهی را در چنین فضای کوچکی جای دهند. این پیشرفت تا حدی به دلیل کمک الگوریتم‌های رایانه‌ای جهت طراحی این ساختار صورت گرفته است.

فیزیکدان رابرت بایر (Robert Byer)، از دانشگاه استنفورد به مجله Scientific American گفت: “شما نه‌تنها مجبور هستید که توانایی پرتوهای لیزری در رابطه با الکترون‌ها را در این ساختار بسیار کوچک نشان دهید، بلکه باید الکترون‌ها را نیز تولید کرده و سپس آن‌ها را از طریق همان کانال، منتقل کنید.”

خبر خوب این است که این کار باعث می‌شود تا محققان آسان‌تر و ارزان‌تر به این فناوری دسترسی داشته باشند. دانشمندان می‌توانند این فناوری را در زمینه‌های شیمی، زیست‌شناسی و علوم مواد به‌کار گیرند. کسانی که این فناوری را توسعه داده‌اند، آن را به رایانه‌های خانگی تشبیه می‌کنند که جایگزین رایانه‌های غول‌پیکر شده‌اند؛ کامپیوترهای بزرگی که تمامی فضای اتاق را اشغال می‌کردند.

این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.

نوشته دانشمندان موفق به ساخت شتاب‌دهنده ذره سیلیکونی شدند اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

جامعه علمی جهان در پی از دست دادن یکی از نوابغ بزرگ و شخصیت‌های مشهور خود در سوگ نشسته است. استیون هاوکینگ که امروزه نامش مترادف با فیزیک نظری مدرن است، دیروز در سن ۷۶ سالگی درگذشت. هیچ‌کس انتظار نداشت که او بیش از ۳۷ سال عمر کند ولی او تا چند دهه دیگر به حیات پربارش ادامه داد.

همانند بسیاری از افراد که به این سطح از شهرت می‌رسند، نام او نیز تنها در بین جوامع علمی و محققان و دانشمندان شناخته شده نبود، بلکه او در دنیای رسانه‌ها نیز بسیار محبوب و مشهور بود؛ طوری که استیون هاوکینگ در محافل علمی به یک سلبریتی دانشمند تبدیل شده بود. او در دنیای علم بیشتر به خاطر مطالعات و نظریاتش در رشته‌های کیهان‌شناسی و فیزیک و مباحث جذابی چون سیاه‌چاله‌ها و نسبیت شناخته شده بود. وی اواخر عمرش سمت ریاست بخش مطالعات کمبریج در مرکز کیهان‌شناسی نظری را بر عهده داشت.

شهرت استیون هاوکینگ تنها به دانشگاه محدود نمی‌شد. وی بخشی از شهرتش را مدیون داستان زندگی سخت و بخشی را وام‌دار شخصیتش بود که او را در میان محبو‌ب‌ترین افراد فرهنگی تاریخ معاصر قرار داد. هاوکینگ مبتلا به یک بیماری سیستم عصبی حرکتی شده بود اما خود او تا پیش از ۴۰ سالگی به این شهرت نرسیده بود! فلج شدن او و استفاده از تکنولوژی برای غلبه بر این ناتوانی‌ به عنوان یک منبع الهام‌بخش برای درک و خردش تبدیل شد.

فیلم زندگینامه شخصی استیون هاوکینگ با نام نظریه همه‌چیز (The Theory of Everything) نیز ساخته شد و شخصیت و مطالعاتش دست‌مایه ساخت مستند‌های زیادی قرار گرفت. استیون با ظاهر بسیار منحصر‌ به فردش روی یک صندلی چرخ‌دار قرار گرفته بود و تنها راه برقراری ارتباط وی با دنیای بیرون از طریق صدایی سنگین و خسته بود که یک کامپیوتر برایش تولید می‌کرد. این چیزی بود که نمونه آن را شاید تنها در فیلم‌ها و کارتون‌ها دیده بودیم. حتی در سریال کمدی و مشهور نظریه انفجار بزرگ نیز از شخصیت او استفاده شد.

زمانی که او در ماه اکتبر سال گذشته، متن پایان‌‌نامه دکترای خود را با عنوان ویژگی‌های گسترش جهان‌ها (Properties of expanding universes) به صورت رایگان در دسترس قرار داد، استقبال از آن به حدی بود که سرور‌های سایت کمبریج از کار افتاد. او امید داشت که دسترسی رایگان به پایان‌نامه تحقیقاتی او موجب ادامه راه توسط محققان جوان و الهام‌بخش فیزیک‌دانان نسل‌های بعد برای اثرگذاری‌شان در دنیای علم و خدمت به بشر باشد؛ همانطور که خود او چنین کرد.

نوشته استیون هاوکینگ در سن ۷۶ سالگی از دنیا رفت اولین بار در پدیدار شد.