Οι 10 καλύτερες ειδήσεις από τον χώρο της φυσικής σύμφωνα με το Physics World

Aπό Physics4u

Οι δύο ιστορίες της φυσικής που κυριάρχησαν στις ειδήσεις το 2011 ήταν ερωτήματα και όχι στέρεα επιστημονικά αποτελέσματα, δηλαδή “Μήπως τα νετρίνα ταξιδεύουν ταχύτερα από το φως;" και "Έχει βρεθεί το μποζόνιο Higgs;". Ωστόσο, υπήρξαν μερικές φανταστικά καλόπιστους ευρήματα κατά τη διάρκεια των τελευταίων 12 μηνών, πράγμα που ήταν δύσκολο για το PhysicsWorld να αποφασίσει σχετικά με τις πρωτοπόρες ειδήσεις κατά το 2011.

Αυτό το τρισδιάστατο σχήμα δείχνει πού είναι θεωρητικά πιο πιθανό να βρεθεί ένα κβαντικό σωματίδιο καθώς περνά μέσα από τις δύο ίνες. Οι γραμμές πάνω στις οποίες συσσωρεύονται πάνω από την 3D επιφάνεια είναι ο μέσος όρος από τις τροχιές που τα σωματίδια διέρχονται

Όμως, μετά από πολλές συζητήσεις το ετήσιο βραβείο πηγαίνει στον Aephraim Steinberg και τους συνεργάτες του από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο για την πειραματική εργασία τους για τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Χρησιμοποιώντας μια αναδυόμενη τεχνική που ονομάζεται «ασθενής μέτρηση», η ομάδα αυτή ήταν η πρώτη που παρακολούθησε την μέση τροχιά ενός μεμονωμένου φωτονίου, που διέρχεται από την διπλή σχισμή του πειράματος Young – κάτι για το οποίο όπως λέει ο Steinberg, οι φυσικοί είχαν δεχθεί μια "πλύση εγκεφάλου" ότι ήταν αδύνατον να συμβεί.

Άλλες σημαντικές ανακαλύψεις στη λίστα του PhysicsWorld συμπεριλαμβάνεται και ο πρώτος "χωροχρονικός” μανδύας, ένα λέιζερ που κατασκευάστηκε από ένα ζωντανό κύτταρο και ένας νέος τρόπος για τη μέτρηση των κοσμικών αποστάσεων.

1η θέση: Μετατόπιση των τρόπων συμπεριφοράς της κβαντικής μέτρησης

Η εργασία του Στάινμπεργκ ξεχώρισε επειδή αμφισβητεί την ευρέως διαδεδομένη αντίληψη ότι η κβαντική μηχανική μας απαγορεύει οποιαδήποτε γνώση των διαδρομών που κάνουν μεμονωμένα φωτόνια τα οποία ταξιδεύουν μέσα από δύο πολύ κοντινές μεταξύ τους σχισμές για να δημιουργήσουν ένα σχήμα συμβολής.

Αυτή η συμβολή είναι ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς αν σκεφτούμε το φως ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αλλά η κβαντομηχανική μας επιτρέπει να σκεφτούμε το φως σαν σωματίδια, σαν φωτόνια – αν και με την παράξενη συνέπεια ότι αν καθορίσουμε από ποια σχισμή διέρχονται τα μεμονωμένα φωτόνια, τότε το σχέδιο συμβολής εξαφανίζεται. Με τη χρήση ασθενών μετρήσεων ο Steinberg και η ομάδα του ήταν σε θέση να αποκτήσουν κάποιες πληροφορίες σχετικά με την πορεία των μεμονωμένων φωτονίων χωρίς να καταστρέψουν το σχήμα της συμβολής.

Στο πείραμα, η διπλή σχισμή αντικαθίσταται από ένα διαχωριστή ακτίνας και ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Ένα μόνο φωτόνιο χτυπά τον διαχωριστή ακτίνας και ταξιδεύει κατά μήκος είτε της δεξιάς είτε της αριστερής ίνας. Μετά την ανάδυση από το στενό άκρο των παράλληλων ινών, δημιουργείται ένα σχέδιο συμβολής στην οθόνη ενός ανιχνευτή.

Το πείραμα αποκάλυψε ότι ένα φωτόνιο που ανιχνεύεται στη δεξιά πλευρά του μοτίβου περίθλασης είναι πιο πιθανό να έχει προκύψει από την δεξιά οπτική ίνα παρά από την αριστερή. Αν και αυτή η γνώση δεν είναι απαγορευμένη από την κβαντομηχανική, ο Steinberg λέει ότι οι φυσικοί έχουν διδαχθεί ότι αν ζητάμε να μάθουμε πού θα βρίσκεται το φωτόνιο  προτού αυτό ανιχνευθεί είναι κατά κάποιο τρόπο ανήθικο.

"Σιγά-σιγά, οι άνθρωποι θέτουν απαγορευμένα ερωτήματα”, λέει ο Steinberg, ο οποίος προσθέτει ότι το πείραμα της ομάδας του θα αναγκάσει τους φυσικούς να αλλάξουν τον τρόπο που σκέφτονται για τα πράγματα.

2η θέση: Μέτρηση της κυματοσυνάρτησης

Το δεύτερο βραβείο πηγαίνει σε μια άλλη ομάδα που ζήτησε να κάνει άλλη μια "απαγορευμένη ερώτηση". Με επικεφαλής τον Jeff Lundeen (πάλι από το Τορόντο) μια ομάδα έχει χρησιμοποιήσει ασθενή μέτρηση για να καταγράψει την κυματοσυνάρτηση ενός συνόλου πανομοιότυπων φωτονίων χωρίς να καταστρέφει καμία από αυτές.

3η θέση: Εξαφάνιση στο χώρο και το χρόνο

Δύο ομάδες – μία στο Πανεπιστήμιο Cornell με επικεφαλής τον Alexander Gaeta, και η άλλη στο Imperial College του Λονδίνου με επικεφαλής τον Martin McCall περιέγραψαν τον θεωρητικό τρόπο για το πώς ένα γεγονός στο χώρο και στο χρόνο θα μπορούσε να κρυφτεί.

4η θέση: Μετρώντας το σύμπαν χρησιμοποιώντας τις μαύρες τρύπες

Ο Darach Watson και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης έχουν βρει έναν τρόπο για να χρησιμοποιούν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες – στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες AGN – ως "πρότυπα κεριά" για τη μέτρηση με ακρίβεια των κοσμικών αποστάσεων. Το έργο είναι σημαντικό, διότι οι AGN μπορεί να βρεθούν σχεδόν παντού στο σύμπαν, σε αντίθεση με τις σουπερνόβα που χρησιμοποιούνται σήμερα ως πρότυπο κεριά. Οι δε AGN διαρκούν για μεγάλο χρονικό διάστημα.

5η θέση: Τρέποντας το σκοτάδι σε φως

Ο Christopher Wilson και οι συνεργάτες του στη Σουηδία μαζί με φυσικούς στην Ιαπωνία, την Αυστραλία και τις ΗΠΑ ήταν οι πρώτοι που είδαν το δυναμικό φαινόμενο Casimir στο εργαστήριο. Το φαινόμενο προκύπτει όταν ένας καθρέφτης κινείται πολύ γρήγορα μέσα από ένα κενό, όπου ζεύγη εικονικών φωτονίων – που πάντα εμφανίζονται και, στη συνέχεια, εξαφανίζονται – απομακρύνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν πραγματικά φωτόνια, που μπορούν στη συνέχεια να ανιχνευθούν.

6η θέση: Η λήψη της θερμοκρασίας του πρώιμου σύμπαντος

Αμέσως μετά το Big Bang, το σύμπαν ήταν μια περίπλοκη σούπα ελεύθερων κουάρκ και γκλουονίων που τελικά συμπυκνώθηκαν για να σχηματίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια που βλέπουμε σήμερα. Μια ομάδα φυσικών στις ΗΠΑ, την Ινδία και την Κίνα έχουν καταγράψει με ακρίβεια αυτή την θερμοκρασία συμπύκνωσης: δύο τρισεκατομμύρια βαθμούς Kelvin. Εκτός από το να πετύχουμε μια σημαντική εμβάθυνση για τον πρώιμο σύμπαν, η εργασία τους μας βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση της κβαντικής χρωμοδυναμικής, η οποία περιγράφει τις ιδιότητες των νετρονίων, τα πρωτόνια και άλλα αδρόνια.

7η θέση: Η σύλληψη της γεύσης μιας ταλάντωσης των νετρίνων

Μια διεθνής ομάδα φυσικών, που εργάζονται στο πείραμα Kamioka (T2K) στην Ιαπωνία, πυροδότησε μια ακτίνα νετρίνων μιονίου που έφτασε 300 χιλιόμετρα μακριά προς  έναν υπόγειο ανιχνευτή. Εκεί βρήκαν ότι έξι νετρίνα είχαν αλλάξει, ή "ταλαντώθηκαν" όπως λένε οι φυσικοί, σε νετρίνα ηλεκτρονίων. Αν και η μέτρηση δεν είναι αρκετά καλή για να διεκδικήσει την ανακάλυψη της ταλάντωσης των νετρίνων μιονίου σε ηλεκτρονίου, είναι η καλύτερη απόδειξη που είχαμε ποτέ ότι μία "γεύση" του νετρίνο μπορεί να ταλαντώνονται σε μία άλλο. 
8η θέση: ‘Ζωντανό’ λέιζερ  
Σε ένα συναρπαστικό τμήμα της βιοφυσικής, οι Malte Gather και Seok Hyun Yun στο Harvard ήταν οι πρώτοι που έφτιαξαν ένα λέιζερ από ένα ζωντανό βιολογικό κύτταρο. Φωτίζοντας με ένα έντονο μπλε φως τα μόρια μιας πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης μέσα σε ένα εμβρυϊκό κύτταρο νεφρού, τα μόρια γέννησαν φως που είναι έντονο, μονοχρωματικό και κατευθυντικό. Τα κύτταρα επιβίωσαν της δοκιμασίας και αυτό το εκπληκτικό φαινόμενο θα μπορούσε δυνητικά να χρησιμοποιηθεί για να διακρίνει τα καρκινικά κύτταρα από τα υγιή.

9η θέση: Πλήρης κβαντικός υπολογιστής σε ένα μόνο τσιπ

Ο Matteo Mariantoni και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Σάντα Μπάρμπαρα είναι οι πρώτοι που υλοποίησαν μία κβαντική έκδοση της αρχιτεκτονικής Von Neumann  που βρίσκεται στους υπολογιστές. Με βάση υπεραγώγιμα κυκλώματα και ενσωματωμένα σε ένα μόνο τσιπ, η νέα συσκευή έχει χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει δύο σημαντικούς αλγόριθμους της κβαντικής υπολογιστικής. Η ανάπτυξή του θα μας φέρει πιο κοντά στη δημιουργία πρακτικών κβαντικών υπολογιστών που λύνουν πραγματικά προβλήματα της ζωής.

10η θέση: Βλέποντας καθαρά κειμήλια από το Big Bang

Οι Michele Fumagalli και Xavier Prochaska του Πανεπιστημίου στη Santa Cruz και ο John O’Meara του Κολλεγίου του Αγίου Μιχαήλ στο Βερμόντ ήταν οι πρώτοι που συνέλαβαν νέφη αερίου που είναι καθαρά λείψανα του Big Bang. Σε αντίθεση με άλλα νέφη στο μακρινό σύμπαν – το οποίο φαίνεται να περιέχουν στοιχεία που δημιουργούνται μέσα στα αστέρια – αυτά τα νέφη περιέχουν μόνο υδρογόνο, ήλιο και λίθιο που δημιουργήθηκαν από το Big Bang. Εκτός από την επιβεβαίωση των προβλέψεων της θεωρίας του Big Bang, τα νέφη μας προσφέρουν μια μοναδική εικόνα για τα υλικά από τα οποία γεννήθηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες.