الاختيار الصعب لجائزة نوبل في الفيزياء: اكتشاف كواكب خارج المجموعة الشمسية أم وجود بوزون هيغز؟

وإلى جانبهم، يتم أيضًا قياس من اكتشفوا الموصلات الفائقة المعتمدة على عنصر الحديد، أو ربما لا أحد منهم؟ الاسبوع القادم سنعرف

المرشحون لجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013
1. الكواكب خارج المجموعة الشمسية
جيفري مارسي، أستاذ علم الفلك، جامعة كاليفورنيا، بيركلي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية، ميشيل موير، أستاذ فخري، جامعة جنيف، جنيف، سويسرا وديديا كلوز، كيلوز، أستاذ، جامعة كامبريدج، كامبريدج، إنجلترا، المملكة المتحدة وأستاذ في جامعة جنيف، جنيف، سويسرا. الباحثون الثلاثة مرشحون لجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 عن: "اكتشافات الكواكب خارج المجموعة الشمسية".
لمئات السنين، تصارع المفكرون مع السؤال الفلسفي حول إمكانية وجود عوالم تستحق السكن البشري خارج النظام الشمسي. لقد جعل كوبرنيكوس وجاليليو تعدد العوالم فكرة مقبولة، الأمر الذي وجد أتباعًا متحمسين له مثل الفيلسوف جون لوك، وعالم الفلك ويليام هيرشل، والعالم المعروف بنيامين فرانكلين وغيرهم من المفكرين العظماء. وفي الوقت نفسه، فإن الكواكب خارج المجموعة الشمسية، أو كما يطلق عليها "الكواكب الخارجية"، صغيرة جدًا وباهتة جدًا في ضوءها المنبعث مقارنة بنجومها الأم، لدرجة أن وجودها لم يكن أكثر من مجرد فرضية مسلية.

في عام 1995، أعلن العالمان ميشيل مايور وديدييه كيلوز من جامعة جنيف عن اكتشاف كوكب خارجي ضخم يدور حول النجم 51 بيجاسي، ويمكن رؤيته بالعين المجردة تحت ظروف السماء المظلمة للغاية. ومن أجل اكتشاف الكوكب، استخدم الباحثون طريقة السرعة الشعاعية: الكوكب الذي يتحرك في مداره يتسبب في قيام نجمه الأم بإزاحة صغيرة حول مركز كتلة النظام، عندما يمكن اكتشاف هذا الدوران من خلال مخرجات دوبلر. بالنسبة للنجم 51 بيجاسي، تبلغ قيمة الانحراف حوالي مائة متر في الثانية. الكوكب المسبب لهذا الاضطراب يكمل مداره في 4.2 يوم فقط. وجاء التحقق من الاكتشاف من جيفري مارسي، الذي تمكن من الحصول على أطياف النظام في مرصد ليك في كاليفورنيا.

اكتشف مارسي وزملاؤه أكبر عدد من الكواكب الخارجية مقارنة بأي فريق بحث آخر. وتشمل النتائج البارزة التي توصلت إليها مجموعته البحثية أول نظام متعدد الكواكب وهو النجم المزدوج (الثنائي) "إبسيلون" في كوكبة "المرأة المسلسلة" وأول كواكب قريبة من حجم كوكبي زحل والمشتري. مارسي هي باحثة مشاركة في مهمة كيبلر الفضائية التابعة لناسا والتي تمكنت من اكتشاف عدة آلاف من النجوم التي تحتوي على كواكب خارجية. وتشمل النتائج التي تم التحقق منها الكواكب الشبيهة بالأرض الموجودة في المنطقة المضيفة لنجومها الأم. تشير اكتشافات مارسي إلى أن مجرة ​​درب التبانة تحتوي على ما لا يقل عن 100 مليار كوكب خارجي.

2. الموصلات الفائقة المعتمدة على عنصر الحديد
هيديو هوسونو، أستاذ في مختبر المواد والهياكل ومدير مركز أبحاث المواد لاستراتيجية الأساس، معهد طوكيو للتكنولوجيا، يوكوهاما، اليابان. تم ترشيح الباحث لجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 عن: "اكتشافات الموصلات الفائقة القائمة على الحديد".

في الموصلات الفائقة، تنخفض المقاومة الكهربائية فجأة إلى الصفر عندما تنخفض درجة حرارة المادة إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة (Tc). تم اكتشاف هذه الظاهرة في عام 1911 من قبل الفيزيائي الهولندي هيكي كامرلينج أونيس، عندما قام بقياس موصلية سلك زئبقي صلب مغمور في الهيليوم السائل. وبعد عدة عقود، لا يزال الفيزيائيون يعتقدون أن أعلى درجة حرارة للموصلية الفائقة ستكون حوالي 30 درجة كلفن (ناقص 243.15 درجة مئوية) فقط.

تغير كل شيء في عام 1986 مع اكتشاف الموصلات الفائقة المكونة من مواد خزفية ذات أساس نحاسي (النحاس). تحتوي هذه المواد على بنية معقدة حيث المكون الرئيسي هو طبقة فائقة التوصيل من أكسيد النحاس. وأشهر الموصلات الفائقة بين هذه العائلة من المواد هي مادة أكسيد النحاس والإيتريوم والباريوم [YBa2Cu3O7] التي لها درجة حرارة حرجة أعلى من درجة حرارة 77 درجة كلفن (حوالي 196 درجة مئوية تحت الصفر)، وهي نقطة غليان النيتروجين السائل. وقد مهد اكتشاف هذه المادة الطريق لتطبيقات واسعة النطاق، مثل الكابلات الكهربائية الموصلة للتيار العالي المستخدمة في معجل الجسيمات الموجود في مركز أبحاث CERN على الحدود السويسرية الفرنسية.
أدى اكتشاف أكاسيد النحاس ذات درجة الحرارة الحرجة العالية إلى تسريع الجهود البحثية النشطة في الأنظمة ذات الطبقات التي تحتوي على أيونات المعادن الانتقالية غير النحاسية. وقد أدى هذا الجهد بالفعل إلى اكتشاف عدد من الموصلات الفائقة، ولكن درجة الحرارة الحرجة لكل منها كانت أقل بكثير من تلك الموجودة في أكاسيد النحاس.
في عام 2008، عثر هيديو هوسونو وزملاؤه على اكتشاف عرضي لنوع جديد تمامًا من عائلة المواد فائقة التوصيل أطلقوا عليها اسم أوكسيبنيكتيد: مركب متعدد الطبقات من أكسيد الحديد واللانثانوم والزرنيخ [LaAsFeO] المشوب بالفلور وله درجة حرارة حرجة تبلغ 26 درجة كلفن. (حوالي -247.15 درجة مئوية). وقد تم هذا الاكتشاف خلال أبحاثهم حول تحسينات في أشباه الموصلات الشفافة المعتمدة على أكاسيد المعادن التي كانت مطلوبة في مجال الأجهزة الكهروضوئية، لكنها أدت إلى تحقيق اختراق في اكتشاف أول طبقة موصل فائق الجودة تعتمد على معدن الحديد. رفض علماء المواد إمكانية الموصلية الفائقة القائمة على الحديد، بحجة أن العزم المغناطيسي الكبير للحديد سيكون مدمرًا لأزواج الإلكترونات النحاسية المسؤولة عن الموصلية الفائقة. أدى هذا الاكتشاف إلى موجة من النشاط في مجال الموصلات الفائقة القائمة على الحديد، وفي غضون بضعة أشهر كانت أعلى درجة حرارة حرجة تم قياسها هي 50 درجة كلفن (حوالي 223.15 درجة مئوية تحت الصفر).

3. بوزون براوت-إنجلرت-هيجز
فرانسوا إنجلرت، أستاذ فخري، جامعة بروكسل الحرة (ULB)، بروكسل، بلجيكا، وأستاذ زائر في معهد الدراسات الكمية، جامعة تشابمان، أورانج، كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية وبيتر هيجز، أستاذ فخري، جامعة إدنبرة، اسكتلندا، المملكة المتحدة ثانياً: تم ترشيح الباحثين لجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 عن: "توقعاتهم بشأن إمكانية وجود بوزون براوت-إنجلرت-هيجز".

في عام 1964، اقترح الفيزيائيان النظريان فرانسوا إنجلرت وروبرت براوت من جامعة بروكسل الحرة وبيتر هيجز من جامعة إدنبرة، بشكل منفصل، حلًا للسؤال الكبير: ما الذي يمنح المادة كتلتها؟ يكمن هذا اللغز الكبير في قلب النموذج القياسي في فيزياء الجسيمات، نظرًا لحقيقة أنه كلما زادت كتلة الجسيم، قل نطاق تفاعله مع الجسيمات والقوى الأخرى.

تنص النسخة الأساسية من نظرية فيزياء الجسيمات على أن الجسيمات التي تسمى البوزونات، المسؤولة عن تفاعلات القوة الضعيفة، يجب أن تكون عديمة الكتلة. ومع ذلك، يبدو أن الأمر ليس كذلك: فالبوزونات W وZ المكتشفة لها كتلة أكبر بمئة مرة من البروتون، وكتلة أكبر حتى من كتلة ذرة الحديد.

ليس من غير المعتاد أن يتم دحض قانون فيزيائي لأن الفرضية القائمة فيما يتعلق بتماثله أو شروط العتبة لم تعد قائمة، أو من نقطة معينة. على سبيل المثال، تتوقف قوانين نيوتن عن الصمود عند السرعات التي تصبح فيها التأثيرات النسبية مهمة. وقد أدى هذا الوضع إلى إدراك الفيزيائيين أنه في ظل ظروف معينة يمكن أن توجد آلية تلغي تأثيرات قوانين التناظر في مجال فيزياء الجسيمات.

اتخذ الباحثان براوت وإنجليرت الخطوة الأولى في أغسطس من عام 1964 عندما أظهرا أن البوزونات يمكن أن تكون لها كتلة إذا ظهر نوع غير عادي من مجال القوة في الفضاء الذي توجد فيه، مما تسبب في كسر التناظر الذي يحكم القوة النووية الضعيفة. أظهرت مقالتهم القصيرة أنه في حالة التناظر، فإن كسر المجال الناتج لن يؤدي بالضرورة إلى جسيمات عديمة الكتلة.

وفي أكتوبر من ذلك العام (1964) توصل الباحث هيجز إلى نفس النتيجة، على حدة، باستخدام النظرية الكلاسيكية.
آلية هيغز هي نموذج نظري يصف العملية التي تكتسب بها الجسيمات الأولية كتلة. يفعلون ذلك من خلال تفاعلهم مع مجال هيغز الموجود في جميع أنحاء الفضاء. وفي ملاحظة جانبية، ذكر هيغز أن استنتاجاته المتعلقة بآلية اكتساب الجسيمات للكتلة هي مجرد فرضيات. وفي الوقت نفسه، تنبأ بوجود بوزون ذو كتلة صفرية ودوران صفري.

إن اكتشاف بوزون براوت-إنجليرت-هيجز سيثبت أن النموذج القياسي صحيح بالفعل. إلا أن الأمر استغرق أربعة عقود كاملة من لحظة التنبؤ حتى اكتشافه العملي، على ما يبدو، في معجل الجسيمات الكبير في سويسرا.
ملاحظة - العالم براوت توفي العام الماضي، لذا فهو ليس مرشحاً لجائزة نوبل.

مصدر الخبر