Home » 2024
Yearly Archives: 2024
Ρότζερ Πένροουζ: Μια ζωή πρωτοποριακής φυσικής και μαθηματικών
Γεννημένος το 1931 στο Κόλτσεστερ της Αγγλίας, ο Ρότζερ Πένροουζ (Roger Penrose) μεγάλωσε σε ένα πλούσιο πνευματικά περιβάλλον. Αφού απέκτησε το διδακτορικό του. στα μαθηματικά στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, ο Ρότζερ Πένροουζ ξεκίνησε μια καριέρα που συνδύαζε τα μαθηματικά, τη φυσική και την κοσμολογία.
Βασικές συνεισφορές
Το επιστημονικό έργο του Ρότζερ Πένροουζ καλύπτει ένα ευρύ φάσμα πεδίων, από τη γενική σχετικότητα και την κοσμολογία έως την κβαντική μηχανική και τα μαθηματικά. Οι καινοτόμες ιδέες του έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε το σύμπαν, ιδιαίτερα σε σχέση με τις μαύρες τρύπες, τον χωροχρόνο και τη φύση της πραγματικότητας. Παρακάτω είναι μερικές από τις πιο αξιόλογες συνεισφορές που έχει κάνει στην επιστημονική κοινότητα.
- Μαύρες τρύπες και ιδιομορφίες: Το πιο διάσημο έργο του Πένροουζ περιελάμβανε την απόδειξη του αναπόφευκτου σχηματισμού μαύρης τρύπας σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Τα θεωρήματά του για τη μοναδικότητα Penrose-Hawking έδειξαν ότι οι ιδιομορφίες – περιοχές όπου η βαρύτητα γίνεται απείρως ισχυρή – είναι μια θεμελιώδης πτυχή του σύμπαντος.
- Διαγράμματα Penrose και Θεωρία Twistor: Ο Πένροουζ ανέπτυξε τα ομώνυμα διαγράμματα για να αναπαραστήσει τη γεωμετρία του χωροχρόνου και εισήγαγε τη Θεωρία Twistor, μια νέα προσέγγιση που στοχεύει να γεφυρώσει την κβαντική μηχανική και τη γενική σχετικότητα.
- Πλακάκια Penrose: Στα μαθηματικά, ο Ρότζερ Πένροουζ ανακάλυψε μια μορφή μη περιοδικών πλακιδίων, η οποία έθεσε τα θεμέλια για τη μελέτη των οιονεί κρυστάλλων στην επιστήμη των υλικών.
- Συνείδηση και Κβαντομηχανική: Περνώντας στη νευροεπιστήμη, ο Ρότζερ Πένροουζ ανέπτυξε από κοινού την αμφιλεγόμενη θεωρία Orch-OR, προτείνοντας ότι η κβαντική μηχανική παίζει ρόλο στην ανθρώπινη συνείδηση.
Βραβεία και κληρονομιά
Το πρωτοποριακό έργο του Πένροουζ του χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 2020 για τη συμβολή του στη θεωρία της μαύρης τρύπας. Η κληρονομιά του περιλαμβάνει επίσης βιβλία, που συνδυάζουν βαθιές επιστημονικές γνώσεις με προσβάσιμη γραφή για το κοινό. O Ρότζερ Πένροουζ είναι σίγουρα μια σπουδαία φιγούρα στη θεωρητική φυσική και τα μαθηματικά.
Ο πιο μικροσκοπικός «χάρακας» μετράει αποστάσεις τόσο μικρές όσο το πλάτος ενός ατόμου
Ο πιο μικροσκοπικός «χάρακας» είναι τόσο ακριβής που μπορεί να μετρήσει το πλάτος ενός μόνο ατόμου μέσα σε μια πρωτεΐνη.
«Οι πρωτεΐνες και άλλα μεγάλα μόρια, ή μακρομόρια, μερικές φορές διπλώνουν σε λάθος σχήμα και αυτό μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο λειτουργίας τους. Ορισμένες δομικές αλλαγές παίζουν ακόμη και ρόλο σε καταστάσεις όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ. Για να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία, είναι σημαντικό να προσδιορίσουμε την ακριβή απόσταση μεταξύ των ατόμων – και των συστάδων ατόμων – μέσα σε αυτά τα μακρομόρια», είπε ο Steffen Sahl στο Ινστιτούτο Max Planck για Πολυεπιστημονικές Επιστήμες στη Γερμανία.
«Θέλαμε να πάμε από ένα μικροσκόπιο που χαρτογραφεί τις θέσεις των μακρομορίων σε σχέση μεταξύ τους, στο να κάνουμε αυτό το τολμηρό βήμα της μετάβασης μέσα στο μακρομόριο», τόνισε αμέσως μετά.
Για να κατασκευάσουν τον ενδομοριακό «κυβερνήτη» τους, ο Sahl και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν φθορισμό ή το γεγονός ότι ορισμένα μόρια λάμπουν όταν φωτίζονται. Συνέδεσαν λοιπόν 2 φθορίζοντα μόρια σε 2 διαφορετικά σημεία σε ένα μεγαλύτερο μόριο πρωτεΐνης και στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν 1 δέσμη λέιζερ για να τα φωτίσουν. Με βάση το φως που απελευθέρωσαν τα λαμπερά μόρια, οι ερευνητές μπορούσαν να μετρήσουν την απόσταση μεταξύ τους.
Χρησιμοποίησαν αυτή τη μέθοδο για να μπορέσπυν να μετρήσουν τις αποστάσεις μεταξύ των μορίων πολλών καλά κατανοητών πρωτεϊνών. Η μικρότερη από αυτές τις αποστάσεις ήταν μόλις 0,1 νανόμετρα – το πλάτος ενός τυπικού ατόμου. Ο φθορίζων χάρακας έδωσε επίσης ακριβείς μετρήσεις έως περίπου 12 νανόμετρα, που σημαίνει ότι είχε ευρύτερο εύρος μέτρησης από αυτό που μπορεί να επιτευχθεί με πολλές παραδοσιακές μεθόδους.
Σε ένα παράδειγμα, οι ερευνητές εξέτασαν 2 διαφορετικές μορφές της ίδιας πρωτεΐνης και διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να διακρίνουν μεταξύ τους επειδή τα ίδια 2 σημεία απείχαν 1 νανόμετρο μεταξύ τους για το ένα σχήμα και 4 νανόμετρα για το άλλο. Σε ένα άλλο πείραμα, μέτρησαν μικροσκοπικές αποστάσεις σε ένα ανθρώπινο καρκινικό κύτταρο των οστών.
Ο Sahl ανέφερε ότι η ομάδα πέτυχε αυτή την ακρίβεια εκμεταλλευόμενη αρκετές πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις, όπως καλύτερα μικροσκόπια και φθορίζοντα μόρια που δεν τρεμοπαίζουν και δεν παράγουν λάμψη που θα μπορούσε να συγχέεται με κάποιο άλλο αποτέλεσμα.
«Δεν ξέρω πώς έκαναν τα μικροσκόπια τους τόσο σταθερά. Η νέα τεχνική είναι σίγουρα μια τεχνική πρόοδος», τόνισε ο Jonas Ries στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία. «Αλλά μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να καθορίσουν για ποια ακριβώς μόρια θα αποδειχθεί πιο χρήσιμο ως πηγή πληροφοριών για τους βιολόγους», επεσήμανε στη συνέχεια.
«Αν και διαθέτει εντυπωσιακή ακρίβεια, η νέα μέθοδος μπορεί να μην επιτύχει απαραίτητα το ίδιο επίπεδο λεπτομέρειας ή ανάλυσης, όταν εφαρμόζεται σε πιο σύνθετα βιολογικά συστήματα», είπε ο Kirti Prakash στο The Royal Marsden NHS Foundation Trust and Institute of Cancer Research στο Ηνωμένο Βασίλειο. Επιπλέον, είπε «ότι αρκετές άλλες νέες τεχνικές γίνονται ήδη ανταγωνιστικές όσον αφορά τη μέτρηση ολοένα και μικρότερων αποστάσεων».
Τέλος, ο Sahl ανέφερε ότι η ομάδα του θα εργαστεί τώρα σε 2 άξονες: να βελτιώσει περαιτέρω τη μέθοδο και να επεκτείνει τις ιδέες της σχετικά με τα μακρομόρια που μπορούν τώρα να δουν μέσα.
Λίζα Ράνταλ: Η Φυσικός που επεκτείνει τα όρια του σύμπαντος
Η Λίζα Ράνταλ (Lisa Randall) είναι μια από τις πιο επιφανείς και επιδραστικές θεωρητικές φυσικούς του 21ου αιώνα. Οι καινοτόμες θεωρίες της στην κοσμολογία, τη σωματιδιακή φυσική και την έννοια των επιπλέον διαστάσεων έχουν αναδείξει νέους τρόπους κατανόησης του σύμπαντος και της θεμελιώδους φύσης της πραγματικότητας. Η ζωή και το έργο της Ράνταλ δεν αποτελούν μόνο επιστημονικά ορόσημα, αλλά και μια πηγή έμπνευσης για γυναίκες και άνδρες σε ολόκληρο τον κόσμο της επιστήμης.
Πρώτα βήματα και εκπαίδευση
Η Λίζα Ράνταλ γεννήθηκε το 1962 στη Νέα Υόρκη, σε μια οικογένεια με μεγάλη αγάπη για τις τέχνες και την εκπαίδευση. Από νεαρή ηλικία, έδειξε έντονο ενδιαφέρον για τα μαθηματικά και τις επιστήμες. Μετά την ολοκλήρωση της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσής της, εισήχθη στο Πανεπιστήμιο Harvard, όπου σπούδασε φυσική. Οι ακαδημαϊκές της επιδόσεις και η έμφυτη περιέργεια για το πώς λειτουργεί το σύμπαν την οδήγησαν σε περαιτέρω μεταπτυχιακές σπουδές, επίσης στο Harvard, όπου και ολοκλήρωσε το διδακτορικό της το 1987.
Καριέρα και επιστημονικό έργο
Η Ράνταλ ξεκίνησε την ακαδημαϊκή της καριέρα ως καθηγήτρια στο MIT και στη συνέχεια στο Πανεπιστήμιο Princeton. Το 2001, επέστρεψε στο Harvard, όπου και κατέχει τη θέση της Καθηγήτριας Θεωρητικής Φυσικής. Το έργο της επικεντρώνεται στη σωματιδιακή φυσική και την κοσμολογία, με έμφαση στις επιπλέον διαστάσεις και τον τρόπο με τον οποίο αυτές μπορεί να εξηγούν τις δυνάμεις και τα σωματίδια που συνθέτουν το σύμπαν.
Μια από τις πιο γνωστές θεωρίες της είναι η λεγόμενη «Θεωρία των επιπλέον διαστάσεων». Σύμφωνα με αυτή, το σύμπαν μας μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από τις τρεις γνωστές διαστάσεις του χώρου και τη μία του χρόνου. Η Λίζα Ράνταλ, σε συνεργασία με τον φυσικό Ραμάν Σάντρουμ (Raman Sundrum), ανέπτυξε το μοντέλο Randall-Sundrum το 1999. Το μοντέλο αυτό προτείνει την ύπαρξη μιας επιπλέον διάστασης που μπορεί να εξηγήσει τη σχετική αδυναμία της βαρύτητας σε σύγκριση με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.
Εκλαΐκευση της επιστήμης
Η Λίζα Ράνταλ δεν είναι μόνο μια κορυφαία φυσικός, αλλά και μια εξαιρετικά επικοινωνιακή επιστήμονας. Έχει γράψει πολλά βιβλία που προσπαθούν να κάνουν τις σύνθετες ιδέες της προσιτές στο ευρύ κοινό. Το πιο γνωστό από αυτά είναι το “Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions”, όπου εξηγεί τις θεωρίες της για τις επιπλέον διαστάσεις. Το βιβλίο της αυτό βρέθηκε στη λίστα με τα best-sellers των New York Times και απέσπασε ευρεία αναγνώριση.
Κληρονομιά και επιρροή
Η δουλειά της Ράνταλ έχει επηρεάσει βαθιά τη σύγχρονη φυσική, οδηγώντας την επιστημονική κοινότητα σε νέες κατευθύνσεις και προκαλώντας νέες έρευνες σε αχαρτογράφητα εδάφη. Οι θεωρίες της συνεχίζουν να δοκιμάζονται σε μεγάλα ερευνητικά προγράμματα, όπως αυτά που διεξάγονται στο CERN, με στόχο να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων και να εμβαθύνουν την κατανόηση μας για τις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος.
Η Λίζα Ράνταλ δεν είναι μόνο μια πρωτοπόρος στην επιστήμη, αλλά και ένα πρότυπο που εμπνέει τις νέες γενιές να ακολουθήσουν τα όνειρά τους και να εξερευνήσουν το άγνωστο. Η συνεισφορά της στην κατανόηση του κόσμου μας είναι αδιαμφισβήτητη και η επιρροή της θα συνεχίσει να διαμορφώνει τη φυσική για τα επόμενα χρόνια.
Τα κβαντικά ολογράμματα μπορούν να στείλουν μηνύματα που εξαφανίζονται
Μια κβαντική πράξη εξαφάνισης θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την ενσωμάτωση ασφαλών μηνυμάτων σε ολογράμματα και την επιλεκτική διαγραφή τμημάτων τους ακόμη και μετά την αποστολή τους.
Τα κβαντικά φωτεινά σήματα είναι εγγενώς ασφαλείς φορείς πληροφοριών, καθώς η υποκλοπή των μηνυμάτων τους καταστρέφει τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις που τα κωδικοποιούν. Για να επωφεληθούν από αυτό το πλεονέκτημα χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιούν ογκώδεις συσκευές, ο Jensen Li από το Πανεπιστήμιο του Exeter στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν μια μεταεπιφάνεια, ένα υλικό 2D που έχει κατασκευαστεί ώστε να έχει ειδικές ιδιότητες, για να δημιουργήσουν κβαντικά ολογράμματα.
Τα ολογράμματα κωδικοποιούν σύνθετες πληροφορίες που μπορούν να ανακτηθούν όταν φωτίζονται – για παράδειγμα, μια 2D ολογραφική χάρτινη κάρτα αποκαλύπτει 3D εικόνες όταν το φως πέφτει πάνω της υπό τη σωστή γωνία. Για να φτιάξουν ένα κβαντικό ολόγραμμα, οι ερευνητές κωδικοποίησαν πληροφορίες σε μια κβαντική κατάσταση ενός σωματιδίου φωτός, ή φωτονίου.
Αρχικά, χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να κάνουν έναν ειδικό κρύσταλλο να εκπέμψει δύο φωτόνια που ήταν άρρηκτα συνδεδεμένα μέσω κβαντικής διεμπλοκής. Τα φωτόνια ταξίδεψαν σε ξεχωριστές διαδρομές, με μόνο το ένα να συναντά τη μεταεπιφάνεια κατά τη διάρκεια της διαδρομής. Χιλιάδες μικροσκοπικά στοιχεία στη μεταεπιφάνεια, όπως νανομεγέθεις κορυφογραμμές, άλλαζαν την κβαντική κατάσταση του φωτονίου με προσχεδιασμένο τρόπο, κωδικοποιώντας σε αυτό μια ολογραφική εικόνα.
Το φωτόνιο-σύντροφος συναντούσε ένα πολωμένο φίλτρο, το οποίο έλεγχε ποια μέρη του ολογράμματος αποκαλύπτονταν – και ποια εξαφανίζονταν. Η κατάσταση του πρώτου φωτονίου ήταν μια υπέρθεση ολογραμμάτων, οπότε περιείχε ταυτόχρονα πολλές πιθανές παραλλαγές του μηνύματος. Επειδή τα φωτόνια ήταν περιπλεγμένα, η πόλωση του δεύτερου επηρέαζε την εικόνα που δημιουργούσε το άλλο όταν προσέκρουε σε μια κάμερα. Για παράδειγμα, το δοκιμαστικό ολόγραμμα περιείχε τα γράμματα H, D, V και A, αλλά η προσθήκη ενός φίλτρου για οριζόντια πολωμένο φως διέγραψε το γράμμα H από την τελική εικόνα.
Ο Jensen Li, παρουσιάζοντας την εργασία του στο συνέδριο SPIE Optics + Photonics στο Σαν Ντιέγκο της Καλιφόρνια, τόνισε ότι «η μεταεπιφάνεια θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κωδικοποίηση πιο περίπλοκων πληροφοριών στα φωτόνια, για παράδειγμα ως μέρος ενός πρωτοκόλλου κβαντικής κρυπτογραφίας».
«Το όνειρο όλων είναι να δούμε όλη αυτή την κβαντική τεχνολογία που απλώνεται σε πολλά τετραγωνικά μέτρα σε ένα τραπέζι να είναι αρκετά συμπαγής ώστε να χωράει στο smartphone σας. Οι μεταεπιφάνειες φαίνεται να είναι ένας καλός τρόπος για να προχωρήσουμε [σε αυτό]», λέει ο Andrew Forbes από το Πανεπιστήμιο του Witwatersrand στη Νότια Αφρική. Κβαντικά ολογράμματα όπως αυτά του νέου πειράματος θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την απεικόνιση μικροσκοπικών βιολογικών δομών στην ιατρική, που είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος τομέας, καταλήγει ο ίδιος.
Juan Maldacena: Ένας πρωτοπόρος θεωρητικός φυσικός
Ο Juan Maldacena είναι ένας διάσημος Αργεντινοαμερικανός θεωρητικός φυσικός, το έργο του οποίου έχει επηρεάσει βαθιά τη σύγχρονη φυσική. Είναι γνωστός για τη διατύπωση της αντιστοιχίας AdS/CFT, μιας πρωτοποριακής ιδέας που «γεφυρώνει» την κβαντική βαρύτητα και την κβαντική θεωρία πεδίου. Επιπλέον, οι συνεισφορές του Maldacena έχουν αναδιαμορφώσει την κατανόησή μας για τη θεμελιώδη φύση του σύμπαντος. Η έρευνά του στη διασταύρωση της θεωρίας χορδών, της κβαντομηχανικής και της κοσμολογίας του έχει αποφέρει πολυάριθμα βραβεία κύρους, εδραιώνοντας την κληρονομιά του ως έναν από τους φυσικούς με τη μεγαλύτερη επιρροή του 21ου αιώνα. Ας δούμε περισσότερα για τη ζωή, το έργο και τη συμβολή του στην επιστημονική κοινότητα μέχρι σήμερα.
Πρώιμη ζωή και εκπαίδευση
Ο Juan Martín Maldacena γεννήθηκε στις 10 Σεπτεμβρίου 1968 στο Μπουένος Άιρες της Αργεντινής. Από νεαρή ηλικία έδειξε βαθύ ενδιαφέρον για την επιστήμη, ιδιαίτερα για τις θεμελιώδεις πτυχές του σύμπαντος. Ακολούθησε αυτό το πάθος ακαδημαϊκά, παίρνοντας το πτυχίο του από το Instituto Balseiro στο Bariloche της Αργεντινής το 1991. Αναγνωρισμένος για το εξαιρετικό ταλέντο του, ο Juan Maldacena συνέχισε τις σπουδές του στο Πανεπιστήμιο του Princeton, όπου ολοκλήρωσε το διδακτορικό του το 1996 υπό την επίβλεψη του Curtis Callan, διακεκριμένου φυσικού στον τομέα της κβαντικής θεωρίας πεδίου.
Ακαδημαϊκή καριέρα
Μετά την απόκτηση του διδακτορικού του, ο ίδιος κατείχε μεταδιδακτορική θέση στο Πανεπιστήμιο Rutgers πριν ενταχθεί στο Πανεπιστήμιο Harvard ως μέλος ΔΕΠ. Η φήμη του ως κορυφαίου θεωρητικού φυσικού αυξήθηκε γρήγορα και το 2001 μεταφέρθηκε στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών (ΙΑΣ) στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. Στο IAS, ο Maldacena συνέχισε να εργάζεται πάνω σε μερικά από τα πιο απαιτητικά προβλήματα της θεωρητικής φυσικής, επηρεάζοντας ένα ευρύ φάσμα τομέων, όπως η θεωρία των χορδών, η κβαντική βαρύτητα και η θεωρία μετρητών.
Επιστημονικές συνεισφορές
Η πιο διάσημη συνεισφορά του Juan Maldacena στη φυσική, όπως προαναφέρθηκε, είναι η διατύπωση της αντιστοιχίας AdS/CFT, γνωστή και ως εικασία Maldacena. Αυτή η πρωτοποριακή ιδέα, που προτάθηκε το 1997, θέτει μια δυαδικότητα μεταξύ ενός τύπου θεωρίας χορδών που ορίζεται σε έναν χώρο υψηλότερων διαστάσεων (χώρος Anti-de Sitter ή AdS) και μιας σύμμορφης θεωρίας πεδίου (CFT) στα όρια αυτού του χώρου. Αυτή η δυαδικότητα υποδηλώνει ότι ορισμένες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας μπορούν να περιγραφούν από πιο συμβατικές κβαντικές θεωρίες πεδίου, γεφυρώνοντας δύο τομείς της φυσικής που προηγουμένως θεωρούνταν διακριτοί.
Αντιστοιχία AdS/CFT
Η αντιστοιχία AdS/CFT είχε βαθιές επιπτώσεις στην κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας. Παρέχει ένα πλαίσιο για τη μελέτη των μαύρων οπών και της φύσης του χωροχρόνου σε κβαντικό πλαίσιο, προσφέροντας πιθανές γνώσεις για την ασύλληπτη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Το έργο αυτό έχει επηρεάσει όχι μόνο τη θεωρία χορδών, αλλά και τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, την κβαντική θεωρία πληροφορίας, ακόμη και τη μελέτη των ισχυρά συζευγμένων πλασμάτων, όπως αυτά που δημιουργούνται στους επιταχυντές σωματιδίων.
Ίσως τελικά ανακαλύψουμε τι προκάλεσε τη μεγαλύτερη κοσμική έκρηξη που έχει παρατηρηθεί ποτέ
Η ισχυρότερη έκρηξη που έχουν δει ποτέ οι αστρονόμοι περιέχει ένα μυστηριώδες σήμα που θεωρούνταν αδύνατο να υπάρχει. Το σήμα αυτό όμως δίνει την πρώτη λεπτομερή ματιά στο εσωτερικό μιας έκρηξης ακτίνων γάμμα και υποδηλώνει ότι περιλαμβάνει την εξαΰλωση ύλης και αντιύλης.
Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα (GRB) είναι οι ισχυρότερες εκρήξεις ακτινοβολίας στο σύμπαν και παράγονται σε κοσμικές εκρήξεις και συγκρούσεις. Οι φυσικοί υποψιάζονται ότι οι GRB με την υψηλότερη ενέργεια προέρχονται από αστέρια που καταρρέουν και σχηματίζουν μια μαύρη τρύπα. Στη συνέχεια, η μαύρη τρύπα παράγει έναν πίδακα υλικού, που κινείται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ο οποίος διαπερνά το αστέρι που καταρρέει και εκπέμπει εκρήξεις ακτινοβολίας που μπορούμε να παρατηρήσουμε στη Γη. Αλλά το πώς ακριβώς παράγεται αυτή η ακτινοβολία ή τι μπορεί να περιέχει ο πίδακας παραμένει άγνωστο.
Μεγάλο μέρος αυτού του μυστηρίου προέρχεται από το φάσμα του φωτός που είναι αντιληπτό. Σε αντίθεση με το φως που παρατηρούμε από άλλα αντικείμενα στο σύμπαν, το οποίο περιέχει χαρακτηριστικές αιχμές που μπορούν να μας πουν για τα συγκεκριμένα άτομα ή άλλη ύλη που παρήγαγε αυτή την έκρηξη ενέργειας, το φάσμα του φωτός από τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα εμφανίζεται πάντα ομαλό και χωρίς χαρακτηριστικά.
Στη δεκαετία του 1990, οι ερευνητές ενθουσιάστηκαν με την προοπτική ότι ορισμένες GRB έδειχναν να εμφανίζουν διακριτές γραμμές, ωστόσο μετά από προσεκτικές αναλύσεις διαπίστωσαν ότι επρόκειτο για στατιστικά σφάλματα και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα φάσματα των GRB δεν μπορεί να είναι ακανθώδη.
Τώρα, η Maria Ravasio του Πανεπιστημίου Radboud στην Ολλανδία και οι συνάδελφοί της ανακάλυψαν ότι το GRB221009A, που ανακαλύφθηκε το 2022 και είναι η λαμπρότερη έκρηξη που έχει παρατηρηθεί ποτέ, στην πραγματικότητα περιέχει μια ενεργητική κορυφή στα περίπου 10 megaelectronvolts.
«Την πρώτη φορά που είδα τη γραμμή, σκέφτηκα ότι έκανα κάτι λάθος», λέει η Ravasio. Αλλά αφού έκαναν λεπτομερή στατιστική ανάλυση και απέκλεισαν προβλήματα με το όργανο παρατήρησης – το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi – η Ravasio και οι συνάδελφοί της κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η αιχμή στο φάσμα ήταν γνήσια. «Όταν συνειδητοποίησα ότι δεν επρόκειτο για σφάλμα, ανατρίχιασα γιατί συνειδητοποίησα ότι επρόκειτο για κάτι τεράστιο».
Επειδή σχεδόν όλα τα GRB παρουσιάζουν παρόμοια κατανομή ενεργειών, οι αστρονόμοι αναλύουν τις νέες ανιχνεύσεις GRB χρησιμοποιώντας μεθόδους ανάλυσης δεδομένων που λειτουργούν καλύτερα με αυτό το μοτίβο. Όμως η Ravasio και η ομάδα της χρησιμοποίησαν αντ’ αυτού μια μέθοδο που επιτρέπει τις αιχμές, και διαπίστωσαν ότι αυτή ταίριαζε καλύτερα στα δεδομένα. «Αυτό το τμήμα του φάσματος των GRB ήταν το ίδιο για χρόνια και κανείς δεν το εξέταζε», αναφέρει η Maria Ravasio. Και συμπληρώνει: «Η ενέργεια του [GRB221009A] μας επέτρεψε να δούμε αυτό το μέρος του φάσματος πολύ καλύτερα». Αυτή η αιχμή υποδεικνύει μια συγκεκριμένη φυσική διαδικασία πίσω από τις GRB που λείπει από τα καλύτερα μοντέλα που έχουμε για αυτές.
Για να εστιάσουν στο τι μπορεί να είναι αυτό, η Ravasio και η ομάδα της εργάστηκαν με την υπόθεση ότι δεν υπήρχαν πλήρη άτομα στον πίδακα, λόγω του πόσο ενεργητικός πρέπει να ήταν. Αυτό άφηνε μια πιθανή εξήγηση: την εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων με τα αντίστοιχα της αντιύλης τους, τα ποζιτρόνια. Ένας τέτοιος εκμηδενισμός θα παρήγαγε ακτίνες γάμμα με μια ευδιάκριτη κορυφή 511 kiloelectronvolts. «Αυτό σας λέει ήδη τη σύνθεση του πίδακα, κάτι που δεν έχουμε καταλάβει από τα πρώτα GRB», λέει η Maria Ravasio.
Η υψηλότερη κορυφή των 10 MeV που παρατήρησαν οι ερευνητές οφείλεται στο γεγονός ότι το ενεργειακό φάσμα μετατοπίστηκε από το γρήγορα κινούμενο τζετ που παρήγαγε την ακτινοβολία, παρόμοια με το πώς η σειρήνα ενός ασθενοφόρου που κινείται προς το μέρος μας ακούγεται πιο ψηλά. Αυτή η διαφορά σήμαινε ότι μπορούσαν να υπολογίσουν την ταχύτητα του πίδακα που παρήγαγε την έκρηξη, ο οποίος ταξίδευε με το 99,99% της ταχύτητας του φωτός.
Η εύρεση μιας GRB με μια χαρακτηριστική γραμμή είναι «μια από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις στον τομέα μας εδώ και περισσότερο από μια δεκαετία», λέει ο Eric Burns από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα. Ο Burns, ο οποίος είχε βοηθήσει στην ανάλυση των αρχικών δεδομένων που οδήγησαν στην ανακάλυψη του GRB221009A, παρουσίαζε τα αποτελέσματα σε ένα συνέδριο με συναδέλφους του όταν άκουσε για την ανακάλυψη της Maria Ravasio. «Κανείς μας δεν πίστευε ότι η δημοσίευση θα μπορούσε να είναι σωστή», λέει ο Burns. Και προσθέτει: «Διαβάσαμε τον τίτλο και όλοι μας είπαμε: “Αυτό είναι λάθος, δεν υπάρχει περίπτωση να είναι σωστό”».
Η ανάλυση όμως που πραγματοποίησαν η Maria Ravasio και οι συνάδελφοί της φαίνεται να είναι σωστή, λέει. «Είναι μάλλον εκπληκτικό. Μας διέφυγε εντελώς αυτό, επειδή δεν το ψάξαμε καν, επειδή ήμασταν απολύτως πεπεισμένοι ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα δεν έχουν γραμμές», αναφέρει ο Burns. Είναι πιθανό ότι και άλλες GRBs έχουν επίσης φασματικές αιχμές όπως αυτή, οι οποίες θα άξιζε να αναζητηθούν, αλλά είναι πιθανό να μπορέσαμε να δούμε μόνο αυτή, επειδή προήλθε από την πιο φωτεινή GRB όλων των εποχών, καταλήγει ο Eric Burns.
Μίλντρεντ Ντρέσελχαους: Η Βασίλισσα της Επιστήμης του Άνθρακα
Η Μίλντρεντ Ντρέσελχαους (Mildred Dresselhaus), γνωστή και ως η «Βασίλισσα της Επιστήμης του Άνθρακα», υπήρξε μία από τις πιο επιδραστικές φυσικούς του 20ού και 21ου αιώνα. Η συνεισφορά της στην κατανόηση των ιδιοτήτων του άνθρακα και των νανοδομών έχουν αφήσει ανεξίτηλο αποτύπωμα στον κόσμο της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Πρώτα Χρόνια και Εκπαίδευση
Η Μίλντρεντ Σπίβεκ γεννήθηκε στις 11 Νοεμβρίου 1930 στο Μπρούκλιν της Νέας Υόρκης. Μεγαλώνοντας σε μία οικογένεια μεταναστών, οι οποίοι ήρθαν στην Αμερική από την Πολωνία, η Μίλντρεντ ανακάλυψε το ενδιαφέρον της για τις επιστήμες σε νεαρή ηλικία. Σπούδασε στο Πανεπιστήμιο του Χάντερ, όπου έλαβε το πτυχίο της στη Φυσική το 1951. Στη συνέχεια, συνέχισε τις σπουδές της στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, όπου απέκτησε το διδακτορικό της το 1958 υπό την καθοδήγηση του διάσημου φυσικού Ενρίκο Φέρμι.
Επαγγελματική Καριέρα
Μετά την ολοκλήρωση του διδακτορικού της, η Ντρέσελχαους άρχισε την ακαδημαϊκή της καριέρα ως ερευνήτρια στο Lincoln Laboratory του MIT. Το 1967 έγινε μέλος του Διδακτικού Προσωπικού του MIT και αργότερα κατέλαβε τη θέση καθηγήτριας στην Ηλεκτρολογική Μηχανική και τη Φυσική. Η Ντρέσελχαους ήταν η πρώτη γυναίκα που κατέλαβε μόνιμη έδρα στο τμήμα Ηλεκτρολογικής Μηχανικής και Φυσικής του MIT, γεγονός που ανοίγει τον δρόμο για πολλές γυναίκες στην επιστήμη.
Επιστημονική Συνεισφορά
Η Μίλντρεντ Ντρέσελχαους είναι κυρίως γνωστή για τις έρευνές της στον τομέα των ιδιοτήτων του άνθρακα. Οι εργασίες της στις νανοδομές άνθρακα, όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα γραφένια, ήταν πρωτοποριακές. Ερεύνησε επίσης τα θερμοηλεκτρικά υλικά και τους τρόπους βελτίωσης της απόδοσής τους.
Οι έρευνές της στις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα άνοιξαν νέους δρόμους για την ανάπτυξη υλικών με εξαιρετική μηχανική αντοχή και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα γραφένια, τα οποία έχουν πάχος ενός ατόμου, έχουν βρει εφαρμογές σε πολλές τεχνολογίες, από τα ηλεκτρονικά μέχρι τα υλικά αεροσκαφών, λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων.
Βραβεύσεις και Διακρίσεις
Η Ντρέσελχαους τιμήθηκε με πολυάριθμα βραβεία και διακρίσεις για το έργο της. Ανάμεσά τους ξεχωρίζουν το Εθνικό Μετάλλιο της Επιστήμης των ΗΠΑ, το Βραβείο Kavli στην Νανοτεχνολογία, και το Βραβείο του Προέδρου του ΜΙΤ. Υπήρξε μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ, καθώς και άλλων σημαντικών ακαδημαϊκών ιδρυμάτων.
Προσωπική Ζωή και Κληρονομιά
Η Μίλντρεντ Ντρέσελχαους ήταν παντρεμένη με τον επίσης φυσικό Γιουτζίν Ντρέσελχαους, με τον οποίο απέκτησε τέσσερα παιδιά. Εκτός από την εξαιρετική επιστημονική της καριέρα, υπήρξε υποστηρίκτρια της συμμετοχής των γυναικών στις θετικές επιστήμες, προσφέροντας συμβουλές και καθοδήγηση σε πολλές νέες επιστήμονες.
Η Ντρέσελχαους πέθανε στις 20 Φεβρουαρίου 2017, αφήνοντας πίσω της μια κληρονομιά που συνεχίζει να εμπνέει και να επηρεάζει τον κόσμο της επιστήμης. Η δουλειά της στις νανοδομές άνθρακα και τα θερμοηλεκτρικά υλικά συνεχίζει να αποτελεί βάση για έρευνα και καινοτομία, και η επιρροή της παραμένει ζωντανή μέσω των έργων των επιστημόνων που την ακολούθησαν.
Η ζωή και το έργο της Μίλντρεντ Ντρέσελχαους αποτελούν παράδειγμα για το πώς η αφοσίωση, η επιμονή και η καινοτομία μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλες επιστημονικές ανακαλύψεις και να εμπνεύσουν τις επόμενες γενιές. Ως μια από τις κορυφαίες φυσικούς του κόσμου, η κληρονομιά της Ντρέσελχαους θα συνεχίσει να φωτίζει το δρόμο προς το μέλλον της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Το λέιζερ βοηθά στη μετατροπή ενός ηλεκτρονίου σε πηνίο μάζας και φορτίου
Ένα ηλεκτρόνιο έχει μετατραπεί σε ένα σπειροειδές κύμα μάζας και φορτίου, με τη βοήθεια ενός λέιζερ.
«Η χοϊκότητα, ή αλλιώς ο χειρισμός, είναι ένα ενδιαφέρον και εν μέρει ακόμη αινιγματικό χαρακτηριστικό του σύμπαντός μας», λέει ο Πέτερ Μπάουμ από το Πανεπιστήμιο της Κωνστάνζ στη Γερμανία. Τα χειρόμορφα αντικείμενα, όπως οι σπείρες ή τα μπλοκ σε σχήμα L, έχουν αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη μορφή- τα μη χειρόμορφα, όπως οι κύκλοι ή οι ευθείες γραμμές, δεν έχουν. Πολλά μόρια και υλικά είναι εκ φύσεως χειρόμορφα και το αν είναι δεξιόχειρα ή αριστερόχειρα αλλάζει τον τρόπο λειτουργίας τους. Όμως ο Μπάουμ και οι συνεργάτες του επινόησαν έναν τρόπο να προσθέσουν χειρικότητα σε κάτι πολύ μικρό και στοιχειώδες – ένα μόνο ηλεκτρόνιο.
Τα ηλεκτρόνια είναι κβαντικά αντικείμενα, οπότε παρουσιάζουν τόσο σωματιδιακή όσο και κυματική συμπεριφορά, ανάλογα με το πείραμα. Σε αυτό, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν την κυματιστότητα του ηλεκτρονίου. Πρώτα δημιούργησαν έναν εξαιρετικά γρήγορο παλμό ηλεκτρονίων και στη συνέχεια τον πέρασαν μέσα από λεπτές κεραμικές μεμβράνες, όπου τα σωματίδια συνάντησαν μια ειδική δέσμη λέιζερ. Η δέσμη είχε σχήμα σαν στροβιλώδης δίνη φωτός και, ως αποτέλεσμα, μετέφερε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με παρόμοιο σχήμα. Το πεδίο αυτό επηρέαζε την κυματοσυνάρτηση, ή αλλιώς τις κυματικές ιδιότητες, κάθε ηλεκτρονίου που περνούσε μέσα από αυτό.
Τέλος, οι ερευνητές εντόπισαν αυτά τα πειραγμένα ηλεκτρόνια και υπολόγισαν τις «αναμενόμενες τιμές» για τη μάζα και το φορτίο του καθενός – πού στο διάστημα θα ήταν πιο πιθανό να μετρηθούν μη μηδενικές ποσότητες και των δύο χαρακτηριστικών. Αυτές οι περιοχές του χώρου σχημάτισαν σχήματα: τρισδιάστατες σπείρες που ήταν σαφώς αριστερόχειρες ή δεξιόχειρες.
Ο Μπεν ΜακΜόραν στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, ο οποίος έχει εργαστεί σε προηγούμενα πειράματα με την κατασκευή χειρόμορφων ηλεκτρονικών σπειρών, λέει ότι η νέα εργασία είναι «μια πολύ εξελιγμένη εξέλιξη της τελευταίας τεχνολογίας στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων». Η ομάδα επέδειξε ακριβή έλεγχο των σπειροειδών ηλεκτρονίων της, ο οποίος θα είναι ζωτικής σημασίας για τη χρήση των σωματιδίων σε εφαρμογές όπως η απεικόνιση ή ο έλεγχος των υπαρχόντων υλικών, λέει.
Ο Μπάουμ και οι συνεργάτες του έχουν ήδη επιβεβαιώσει ότι η πυροδότηση ενός αριστερόχειρα πηνίου ηλεκτρονίων σε μια δεξιόστροφη νανοδομή χρυσού παράγει ένα διαφορετικό μοτίβο εξοστρακισμού από ό,τι όταν πυροδοτείται σε μια αριστερόχειρα δομή. Αυτό ανοίγει την πόρτα για τη χρήση τέτοιων πηνίων ώστε να επηρεάζονται επιλεκτικά τα χειρόμορφα μέρη χημικών ενώσεων ή ηλεκτρονικών συσκευών.
Έχοντας φτιάξει αυτά τα περίεργα ηλεκτρόνια στο εργαστήριο, ο Baum λέει ότι είναι τώρα περίεργος αν θα μπορούσαν να προκύψουν ανεξάρτητα στη φύση. «Αρχίζουμε να εξερευνούμε αυτές τις δυνατότητες», καταλήγει.
Μαξ Μπορν: Ο πρωτοπόρος της κβαντομηχανικής
Ο Μαξ Μπορν (Max Born) ήταν Γερμανός φυσικός, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1954 με τον Βάλτερ Μπότε για την πιθανολογική ερμηνεία της κβαντομηχανικής.
Ο Μπορν προερχόταν από μια εβραϊκή οικογένεια της ανώτερης μεσαίας τάξης. Αρχικά θεωρήθηκε πολύ αδύναμος για να φοιτήσει σε δημόσιο σχολείο, οπότε διδάχθηκε στο σπίτι πριν του επιτραπεί να φοιτήσει στο Γυμνάσιο König Wilhelm στο Μπρέσλαου. Στη συνέχεια, συνέχισε τις σπουδές του στη Φυσική και τα Μαθηματικά στα πανεπιστήμια του Μπρέσλαου, της Χαϊδελβέργης, της Ζυρίχης και του Γκέτινγκεν. Στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν έγραψε τη διατριβή του (1906), με θέμα την ευστάθεια των ελαστικών συρμάτων και ταινιών, για την οποία ανακηρύχθηκε διδάκτωρ έναν χρόνο αργότερα (1907).
Μετά από μια σύντομη θητεία στο στρατό αλλά και την παραμονή του στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, ο Μαξ Μπορν επέστρεψε στο Μπρέσλαου για το ακαδημαϊκό έτος 1908-09 και άρχισε μια εκτεταμένη μελέτη της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Με βάση τις εργασίες του στον τομέα αυτό, ο Μπορν προσκλήθηκε πίσω στο Γκέτινγκεν ως βοηθός του μαθηματικού φυσικού Χέρμαν Μινκόφσκι. Το 1915 ο Μπορν δέχτηκε μια θέση καθηγητή για να βοηθήσει τον φυσικό Μαξ Πλανκ στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου. Ωστόσο μεσολάβησε ο Ά ΠΠ και επιστρατεύτηκε στον γερμανικό στρατό. Παρ’ όλα αυτά, ενώ ήταν αξιωματικός του στρατού, βρήκε χρόνο να δημοσιεύσει το πρώτο του βιβλίο, Dynamik der Kristallgitter.
Το 1919 ο Μπορν διορίστηκε τακτικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Φρανκφούρτης και το 1921 δέχτηκε τη θέση του καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν. Ο Τζέιμς Φρανκ είχε διοριστεί καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Γκέτινγκεν το προηγούμενο έτος. Οι δυο τους έκαναν το Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν ένα από τα σημαντικότερα κέντρα μελέτης των ατομικών και μοριακών φαινομένων. Ένα μέτρο της επιρροής του Μπορν μπορεί να μετρηθεί από τους μαθητές και τους βοηθούς που ήρθαν να εργαστούν μαζί του -μεταξύ αυτών, ο Βόλφγκανγκ Πάουλι, ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο Πασκουάλ Τζόρνταν, ο Ενρίκο Φέρμι, ο Φριτς Λόντον, ο Π.Α.Μ. Ντιράκ, ο Βίκτορ Βάισκοπφ, ο Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ, ο Βάλτερ Χάιτλερ και η Μαρία Γκέπερτ-Μάγιερ.
Tα χρόνια στο Γκέτινγκεν ήταν τα πιο δημιουργικά και σημαδιακά για τον Μπορν. Το 1912 ο ίδιος και ο Ούγγρος μηχανικός Θίοντορ φον Κάρμαν διατύπωσαν τη δυναμική ενός κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία ενσωμάτωσε τις ιδιότητες συμμετρίας του πλέγματος, επέτρεψε την επιβολή κβαντικών κανόνων και τον υπολογισμό των θερμικών ιδιοτήτων του κρυστάλλου. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε όταν ο Μπορν βρισκόταν στο Γκέτινγκεν και αποτέλεσε τη βάση της σύγχρονης θεωρίας της δυναμικής του πλέγματος.
Το 1925 ο Χάιζενμπεργκ έδωσε στον Μπορν ένα αντίγραφο του χειρόγραφου της πρώτης του εργασίας για την κβαντομηχανική και ο Μπορν αναγνώρισε αμέσως ότι οι μαθηματικές οντότητες με τις οποίες ο Χάιζενμπεργκ είχε αναπαραστήσει τα παρατηρήσιμα φυσικά μεγέθη ενός σωματιδίου – όπως η θέση, η ορμή και η ενέργειά του- ήταν πίνακες. Μαζί με τον Χάιζενμπεργκ και τον Τζόρνταν, ο Μπορν διατύπωσε όλες τις ουσιώδεις πτυχές της κβαντομηχανικής στην εκδοχή των πινάκων της. Λίγο αργότερα, ο Έρβιν Σρέντινγκερ διατύπωσε μια εκδοχή της κβαντομηχανικής βασισμένη στην κυματική εξίσωση. Σύντομα αποδείχθηκε ότι οι δύο διατυπώσεις ήταν μαθηματικά ισοδύναμες. Αυτό που παρέμενε ασαφές ήταν η σημασία της κυματοσυνάρτησης που εμφανιζόταν στην εξίσωση του Σρέντινγκερ. Το 1926 ο Μπορν υπέβαλε δύο εργασίες στις οποίες διατύπωσε την κβαντομηχανική περιγραφή των διαδικασιών σύγκρουσης και διαπίστωσε ότι στην περίπτωση της σκέδασης ενός σωματιδίου από ένα δυναμικό, η κυματοσυνάρτηση σε μια συγκεκριμένη χωροχρονική θέση θα πρέπει να ερμηνεύεται ως το πλάτος πιθανότητας να βρεθεί το σωματίδιο στο συγκεκριμένο χωροχρονικό σημείο. Το 1954 του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ για την εργασία αυτή.
Ο Μπορν παρέμεινε στο Γκέτινγκεν μέχρι τον Απρίλιο του 1933, όταν όλοι οι Εβραίοι απολύθηκαν από τις ακαδημαϊκές τους θέσεις στη Γερμανία. Ο Μπορν και η οικογένειά του πήγαν στην Αγγλία, όπου δέχτηκε μια προσωρινή θέση λέκτορα στο Κέιμπριτζ. Το 1936 διορίστηκε καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Έγινε Βρετανός πολίτης το 1939 και παρέμεινε στο Εδιμβούργο μέχρι τη συνταξιοδότησή του το 1953. Την επόμενη χρονιά μετακόμισε με τη σύζυγό του στο Μπαντ Πύρμοντ, μια μικρή λουτρόπολη κοντά στο Γκέτινγκεν.
Επιστήμονες αναπτύσσουν 3D τυπωμένο σύστημα κενού που στοχεύει στην παγίδευση της σκοτεινής ύλης
Χρησιμοποιώντας ένα ειδικά σχεδιασμένο τρισδιάστατο (3D) εκτυπωμένο σύστημα κενού, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν τρόπο για να «παγιδεύσουν» τη σκοτεινή ύλη με στόχο την ανίχνευση τοιχωμάτων. Αυτό θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προόδου για τη διαλεύκανση ορισμένων από τα μυστήρια του σύμπαντος.
Ειδικότερα, επιστήμονες από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ δημιούργησαν ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο σύστημα κενού το οποίο θα χρησιμοποιήσουν σε ένα νέο πείραμα για να μειώσουν την πυκνότητα του αερίου και στη συνέχεια να προσθέσουν υπερ-κρύα άτομα λιθίου για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν σκοτεινά τοιχώματα.
Η καθηγήτρια Clare Burrage από τη Σχολή Φυσικής είναι μία από τις επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης και εξηγεί: «Η συνηθισμένη ύλη από την οποία είναι φτιαγμένος ο κόσμος είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του περιεχομένου του σύμπαντος, περίπου 5%, το υπόλοιπο είναι είτε σκοτεινή ύλη είτε σκοτεινή ενέργεια – μπορούμε να δούμε τις επιδράσεις τους στο πως συμπεριφέρεται το σύμπαν, αλλά δεν ξέρουμε ποιες είναι. Ένας τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι προσπαθούν να μετρήσουν τη σκοτεινή ύλη είναι να εισάγουν ένα σωματίδιο που λέγεται “σκαλικό πεδίο”».
Οι ερευνητές βασίστηκαν για την κατασκευή των τρισδιάστατων δοχείων στη θεωρία, ότι τα ελαφριά πεδία σκαλάρ, με δυναμικό διπλού πηγαδιού και άμεσες συνδέσεις ύλης, υφίστανται μεταβάσεις φάσης που οδηγούνται από την πυκνότητα, οδηγώντας στο σχηματισμό τοιχωμάτων περιοχής.
«Καθώς η πυκνότητα μειώνεται, σχηματίζονται ατέλειες – αυτό είναι παρόμοιο με το όταν το νερό παγώνει σε πάγο, τα μόρια του νερού είναι τυχαία και όταν παγώνουν αποκτάς μια κρυσταλλική δομή με μόρια που παρατάσσονται τυχαία, με κάποια να παρατάσσονται με έναν τρόπο και κάποια με άλλον και αυτό δημιουργεί γραμμές διακλάδωσης. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και στα πεδία σπινθηρισμών καθώς η πυκνότητα μειώνεται. Δεν μπορείτε να δείτε αυτές τις γραμμές ρήγματος με το μάτι, αλλά αν τα σωματίδια περάσουν από πάνω τους μπορεί να αλλάξει η τροχιά τους Αυτά τα ελαττώματα είναι σκοτεινά τοιχώματα και μπορούν να αποδείξουν τη θεωρία των σκαλικών πεδίων – είτε ότι αυτά τα πεδία υπάρχουν είτε όχι», προσθέτει ο Burrage.
Για την ανίχνευση αυτών των ελαττωμάτων ή σκοτεινών τοίχων η ομάδα δημιούργησε ένα ειδικά σχεδιασμένο κενό το οποίο θα χρησιμοποιήσει σε ένα νέο πείραμα που θα μιμηθεί τη μετακίνηση από ένα πυκνό περιβάλλον σε ένα λιγότερο πυκνό περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας τη νέα διάταξη θα ψύξουν άτομα λιθίου με φωτόνια λέιζερ στους -273 °C, δηλαδή κοντά στο απόλυτο μηδέν. Σε αυτή τη θερμοκρασία, αποκτούν κβαντικές ιδιότητες, γεγονός που καθιστά την ανάλυση πιο ακριβή και προβλέψιμη.
Η Lucia Hackermueller, αναπληρώτρια καθηγήτρια στη Σχολή Φυσικής, που ηγήθηκε του σχεδιασμού του εργαστηριακού πειράματος, αναφέρει: «Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα δοχεία που χρησιμοποιούμε ως θάλαμο κενού έχουν κατασκευαστεί με βάση θεωρητικούς υπολογισμούς των σκοτεινών τοιχωμάτων. Έτσι δημιουργήθηκε αυτό που πιστεύαμε ότι είναι το ιδανικό σχήμα, η δομή και η υφή για την παγίδευση της σκοτεινής ύλης. Για να αποδείξουμε με επιτυχία ότι τα σκοτεινά τοιχώματα έχουν παγιδευτεί, θα αφήσουμε ένα ψυχρό ατομικό νέφος να περάσει μέσα από αυτά τα τοιχώματα. Το νέφος στη συνέχεια εκτρέπεται. Για να ψύξουμε αυτά τα άτομα εκτοξεύουμε φωτόνια λέιζερ στα άτομα, τα οποία μειώνουν την ενέργεια στο άτομο – αυτό είναι σαν να επιβραδύνουμε έναν ελέφαντα χρησιμοποιώντας χιονόμπαλες».
Η ομάδα χρειάστηκε τρία χρόνια για να κατασκευάσει το σύστημα και αναμένει να έχει αποτελέσματα μέσα σε ένα χρόνο.
«Είτε αποδείξουμε ότι υπάρχουν σκοτεινά τοιχώματα είτε όχι, θα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης και ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς ένα καλά ελεγχόμενο εργαστηριακό πείραμα μπορεί να σχεδιαστεί για να μετρήσει άμεσα φαινόμενα που είναι σημαντικά για το σύμπαν και διαφορετικά δεν μπορούν να παρατηρηθούν», καταλήγει ο Hackermueller.
