از ذرات بنیادی تا نسبیت؛ پنج دستاورد فیزیک که سزاوار نوبل بودند، اما نادیده گرفته شدند

بیش از یک قرن است که جایزه نوبل فیزیک به کشف‌ها و ایده‌هایی تعلق می‌گیرد که درک ما از جهان را تغییر داده‌اند؛ از الکترون و مکانیک کوانتومی تا امواج گرانشی و مدل‌های اقلیمی. اما همه‌ی ایده‌های مهم فیزیک راهشان به نوبل باز نشده است. بعضی از مفاهیمی که امروز جزو پایه‌های فیزیک مدرن به‌شمار می‌روند، هرگز مستقیماً موضوع این جایزه نبوده‌اند.

البته جا ماندن این ایده‌ها از نوبل همیشه به معنای کم‌اهمیت‌بودنشان نبود. گاهی تعیین اینکه جایزه باید به چه کسی برسد آسان نبود، گاهی دانشمند اصلی پیش از آنکه اهمیت کارش کاملاً شناخته شود از دنیا رفت و در مواردی هم فضای علمی و سیاسی زمان بر تصمیم‌های کمیته نوبل اثر گذاشت.

مایکل نورمن، فیزیک‌دان ماده چگال در آزمایشگاه ملی آرگون، می‌گوید تعداد چنین نمونه‌هایی بسیار بیشتر از چند مورد معروف است: «احتمالاً می‌توانید صد مورد از این‌ها پیدا کنید.»

فهرست زیر به نقل از ساینس به زیر پنج دستاورد مهم اشاره می‌کند که امروز بخشی از بنیان فیزیک مدرن محسوب می‌شوند، اما خود هیچ‌گاه مستقیماً جایزه‌ی نوبل دریافت نکردند.

در سال ۲۰۰۹، آزمایشگاه شتاب‌دهنده SLAC در آمریکا منبعی از پرتو ایکس راه‌اندازی کرد که حدود یک میلیارد برابر درخشان‌تر از نمونه‌های پیشین بود. چنین دستگاه‌هایی امروز به دانشمندان اجازه می‌دهند تغییرات بسیار سریع اتم‌ها و مولکول‌ها را بررسی کنند.

فناوری اصلی پشت این دستگاه‌ها لیزر الکترون آزاد یا Free-Electron Laser است؛ ایده‌ای که جان مدی، فیزیک‌دان دانشگاه استنفورد، در دهه ۱۹۷۰ توسعه داد.

در لیزرهای معمولی، ماده‌ای خاص بین دو آینه قرار می‌گیرد و با تحریک‌شدن، فوتون‌های بیشتری تولید می‌کند. بازتاب مکرر نور میان آینه‌ها باعث تقویت آن و تشکیل پرتوی لیزر می‌شود.

لیزر الکترون آزاد سازوکار متفاوتی دارد. در این روش، دسته‌ای از الکترون‌های پرانرژی از میان مجموعه‌ای از آهنرباها عبور می‌کنند. میدان مغناطیسی باعث می‌شود الکترون‌ها در مسیر خود نوسان کنند و نور گسیل کنند. در ادامه، تعامل میان نور و الکترون‌ها باعث هماهنگ‌شدن تابش آن‌ها می‌شود و پرتوی بسیار شدیدی تولید می‌کند.

مدل اولیه مدی در محدوده امواج مایکروویو کار می‌کرد، اما نسل جدید این دستگاه‌ها می‌تواند پالس‌های بسیار قدرتمند پرتو ایکس تولید کند که طول برخی از آن‌ها کمتر از یک فمتوثانیه است. یک فمتوثانیه برابر با یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه است.

چنین پالس‌های کوتاهی به پژوهشگران امکان می‌دهد فرایندهایی را بررسی کنند که در مقیاس حرکت اتم‌ها و مولکول‌ها رخ می‌دهند. لیندا یانگ، فیزیک‌دان اتمی دانشگاه شیکاگو، می‌گوید این ابزارها در عمل امکان «فیلم‌برداری» از حرکت مولکولی را فراهم کرده‌اند.

براساس گفته ویلیام فاولی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، کمیته نوبل در دهه ۲۰۱۰ به این فناوری توجه کرده بود. او می‌گوید اگر قرار بود جایزه‌ای برای لیزر الکترون آزاد اهدا شود، جان مدی قطعاً یکی از شایسته‌ترین گزینه‌ها بود.

مشکل این بود که توسعه این فناوری به کار دانشمندان متعددی وابسته بود. برای مثال، کلودیو پلگرینی و چند پژوهشگر دیگر در رساندن این فناوری به طول موج پرتو ایکس نقش مهمی داشتند. از آنجا که نوبل را حداکثر می‌توان میان سه نفر تقسیم کرد، انتخاب برندگان ساده نبود.

مدی در سال ۲۰۱۶ درگذشت و از آنجا که جایزه نوبل به افراد درگذشته تعلق نمی‌گیرد، دیگر امکان دریافت جایزه را ندارد.

جایزه نوبل بارها به کشف ذرات بنیادی تعلق گرفته است، اما یکی از مهم‌ترین آن‌ها، یعنی گلوئون، هرگز موضوع یک نوبل مستقل نبوده است.

گلوئون حامل «نیروی هسته‌ای قوی» است که کوارک‌ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. پروتون و نوترون هرکدام از سه کوارک تشکیل شده‌اند و بدون گلوئون‌ها این ساختار نمی‌توانست پایدار بماند.

برخلاف برخی ذرات، نمی‌توان گلوئون را به‌صورت آزاد و جدا از دیگر ذرات مشاهده کرد. کوارک‌ها و گلوئون‌ها چنان شدید با یکدیگر برهم‌کنش دارند که همیشه درون ذرات مرکب باقی می‌مانند. بنابراین فیزیک‌دانان مجبور شدند وجود گلوئون را از روی آثار غیرمستقیم آن شناسایی کنند.

این اتفاق در شتاب‌دهنده PETRA در مرکز پژوهشی DESY آلمان رخ داد. پژوهشگران الکترون‌ها و پوزیترون‌ها، یعنی پادذره الکترون، را با یکدیگر برخورد می‌دادند. چنین برخوردهایی معمولاً یک کوارک و یک پادکوارک تولید می‌کرد که هرکدام مجموعه‌ای از ذرات را به شکل یک «جت» ایجاد می‌کردند.

در بعضی برخوردها، یکی از کوارک‌ها یک گلوئون تابش می‌کرد و در نتیجه به جای دو جت، سه جت در آشکارساز دیده می‌شد. این الگوی سه‌جتی یکی از مهم‌ترین شواهد تجربی وجود گلوئون بود.

این نشانه از سال ۱۹۷۹ در چند آشکارساز PETRA دیده شد. ساو لان وو، فیزیک‌دان ذرات، از جمله پژوهشگرانی بود که خیلی زود اهمیت این نتیجه را تشخیص داد. جان الیس، نظریه‌پرداز بریتانیایی، نیز پیش‌تر پیش‌بینی کرده بود که گلوئون باید چنین الگویی ایجاد کند.

مایکل ریوردان، فیزیک‌دان و مورخ علم، معتقد است کشف گلوئون کاملاً در سطح جوایز نوبل بوده است. مشکل دوباره همان مسئله همیشگی بود: افراد زیادی در کشف آن نقش داشتند و انتخاب سه برنده از میان گروه‌های مختلف آسان نبود.

به گفته ریوردان، اکنون احتمال اهداشدن نوبل برای این کشف چندان زیاد نیست، چون بیش از چهار دهه از مشاهده تجربی گلوئون گذشته است.

فیزیک ماده چگال شاخه‌ای از فیزیک است که رفتار مواد جامد و مایع را مطالعه می‌کند. بخش بزرگی از فناوری مدرن، از ترانزیستور و تراشه گرفته تا ابررساناها، مستقیماً به این حوزه وابسته است. بااین‌حال، دو مفهوم بنیادی این شاخه هیچ‌گاه مستقیماً نوبل نگرفتند: «فونون» و «الکترون بلوخ».

در یک بلور، اتم‌ها یا یون‌ها در ساختاری منظم و تکرارشونده کنار یکدیگر قرار دارند. این ساختار ثابت و بی‌حرکت نیست و ذرات آن دائماً نوسان می‌کنند. در مکانیک کوانتومی، این نوسان‌های جمعی را می‌توان به شکل واحدهایی از انرژی توصیف کرد که «فونون» نام دارند. فونون ذره‌ای واقعی مانند الکترون نیست؛ بلکه روشی برای توصیف کوانتومی ارتعاشات شبکه بلوری است.

ایگور تام، فیزیک‌دان روس، در سال ۱۹۳۰ نظریه این ارتعاش‌های کوانتیده را تشریح کرد. یک سال پیش از آن، فلیکس بلوخ، فیزیک‌دان سوئیسی، نشان داده بود الکترون‌ها درون بلور چگونه رفتار می‌کنند. به دلیل ساختار منظم بلور، رفتار کوانتومی الکترون‌ها شکل خاصی پیدا می‌کند که امروز با عنوان «حالت‌ها یا امواج بلوخ» شناخته می‌شود.

این دو مفهوم برای توضیح بسیاری از ویژگی‌های مواد ضروری‌اند. برای مثال، اگر شبکه بلوری یک فلز کاملاً بی‌نقص و بدون لرزش بود، الکترون‌ها می‌توانستند تقریباً بدون مانع در آن حرکت کنند. اما ارتعاشات شبکه، یعنی همان فونون‌ها، حرکت الکترون‌ها را مختل می‌کنند و یکی از عوامل ایجاد مقاومت الکتریکی هستند.

در دماهای پایین نیز فونون‌ها می‌توانند به شکل غیرمستقیم دو الکترون را به یکدیگر متصل کنند. تشکیل چنین جفت‌هایی اساس توضیح ابررسانایی در بسیاری از فلزات ساده است.

بلوخ و تام هر دو بعدها برای کارهای دیگری برنده نوبل شدند. بلوخ در سال ۱۹۵۲ برای پژوهش‌های مرتبط با تشدید مغناطیسی هسته‌ای جایزه گرفت و تام در سال ۱۹۵۸ برای کار روی تابش چرنکوف در نوبل شریک شد.

یکی از دلایل احتمالی نادیده‌ماندن این مفاهیم آن است که هر دو دانشمند در زمینه‌های مختلفی فعالیت داشتند و کارهای متعددشان توجه را میان موضوعات مختلف تقسیم می‌کرد. دلیل دیگری نیز ممکن است نگاه تاریخی جامعه فیزیک باشد. فیزیک حالت جامد برای مدتی در مقایسه با فیزیک ذرات یا نظریه‌های بنیادی، شاخه‌ای کم‌اعتبارتر تلقی می‌شد؛ حتی با وجود آنکه بعدها پایه بسیاری از فناوری‌های قرن بیستم شد.

مکانیک کوانتومی می‌گوید نتیجه‌ی بعضی اندازه‌گیری‌ها پیش از انجام آزمایش، الزاماً مقدار مشخصی ندارد. برای مثال، الکترون می‌تواند هم‌زمان ترکیبی از چند حالت اسپینی باشد، اما وقتی اسپین آن را اندازه می‌گیریم، فقط یکی از حالت‌های ممکن ثبت می‌شود.

اینشتین با چنین برداشتی مشکل داشت. او و برخی فیزیک‌دانان تصور می‌کردند شاید اطلاعاتی پنهان درون ذرات وجود داشته باشد که نتیجه اندازه‌گیری را از قبل تعیین می‌کند و ما صرفاً به آن اطلاعات دسترسی نداریم. این ایده با عنوان «متغیرهای پنهان» شناخته می‌شود.

جان بل در سال ۱۹۶۴ راهی برای آزمودن این مسئله پیدا کرد. او از پدیده «درهم‌تنیدگی کوانتومی» استفاده کرد. در درهم‌تنیدگی، وضعیت دو ذره به شکلی با یکدیگر مرتبط می‌شود که نمی‌توان رفتار هرکدام را مستقل از دیگری توصیف کرد.

بل نشان داد اگر نتیجه اندازه‌گیری‌ها واقعاً توسط متغیرهای پنهان محلی از پیش تعیین شده باشد، میزان هم‌بستگی میان نتایج دو ذره نمی‌تواند از حد مشخصی بیشتر شود. این محدودیت امروز با عنوان «نامساوی بل» شناخته می‌شود.

اما مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کرد این حد در شرایط خاص نقض خواهد شد. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، جان کلاوزر و آلن اسپکت آزمایش‌هایی انجام دادند که هم‌بستگی‌های پیش‌بینی‌شده مکانیک کوانتومی را نشان داد. آزمایش‌های بعدی نیز این نتایج را با دقت بیشتری تأیید کردند.

کلاوزر و اسپکت در سال ۲۰۲۲ همراه با آنتون زایلینگر برنده نوبل فیزیک شدند، اما خود جان بل در سال ۱۹۹۰ درگذشته بود و نتوانست در این جایزه شریک شود.

کریستوفر فوکس، فیزیک‌دان نظری، اهمیت قضیه بل را حتی فراتر از سطح معمول یک نوبل می‌داند. بااین‌حال، این موضوع در زمان حیات بل برای دهه‌ها حوزه‌ای بسیار تخصصی بود و تنها شمار کمی از فیزیک‌دانان روی آن کار می‌کردند.

امروز آزمایش‌های مبتنی بر قضیه بل حتی برای بررسی عملکرد واقعی سامانه‌های کوانتومی و برخی فناوری‌های ارتباط و محاسبات کوانتومی استفاده می‌شوند.

شاید عجیب‌ترین غیبت در تاریخ نوبل فیزیک مربوط به خود نظریه نسبیت باشد. نسبیت در کنار مکانیک کوانتومی یکی از دو ستون اصلی فیزیک مدرن است، اما هیچ‌کس مستقیماً برای ارائه نسبیت خاص یا نسبیت عام نوبل نگرفته است.

تا آغاز قرن بیستم، فضا و زمان معمولاً دو چیز جداگانه تصور می‌شدند. فضا مانند صحنه‌ای ثابت بود که اجسام در آن حرکت می‌کردند و زمان نیز برای همه ناظران با آهنگی یکسان می‌گذشت.

اینشتین در سال ۱۹۰۵ با نظریه نسبیت خاص این تصویر را تغییر داد. او فرض کرد سرعت نور برای همه ناظران یکسان است، حتی اگر خود ناظران نسبت به یکدیگر در حرکت باشند.

یکی از نتایج این اصل آن بود که فاصله و مدت‌زمان دیگر برای همه یکسان نیست. دو ناظر که با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کنند ممکن است درباره فاصله میان دو رویداد یا فاصله زمانی آن‌ها به پاسخ‌های متفاوتی برسند. در این چارچوب، فضا و زمان دو پدیده مستقل نیستند، بلکه بخشی از ساختاری واحد به نام «فضازمان» محسوب می‌شوند.

اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام را ارائه کرد و توضیح داد که گرانش را می‌توان نتیجه خمیده‌شدن فضازمان بر اثر جرم و انرژی دانست. برای مثال، خورشید فضازمان اطراف خود را خم می‌کند و حرکت زمین در این هندسه خمیده چیزی است که ما به شکل گردش زمین به دور خورشید مشاهده می‌کنیم.

امروزه نسبیت عام یکی از دقیق‌ترین نظریه‌های فیزیک است و پیش‌بینی‌های آن از خم‌شدن نور در میدان گرانشی گرفته تا وجود امواج گرانشی بارها آزمایش شده‌اند. اما در سال‌های نخست، اعضای کمیته نوبل درباره شواهد تجربی نظریه تردید داشتند. بعضی از آن‌ها حتی نسبیت را بیشتر شبیه یک «باور» نظری می‌دیدند تا نظریه‌ای که به اندازه کافی در آزمایش اثبات شده باشد.

اینشتین سرانجام جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ را دریافت کرد، اما نه برای نسبیت. جایزه به توضیح او درباره اثر فوتوالکتریک تعلق گرفت؛ پدیده‌ای که در آن نور می‌تواند باعث خروج الکترون از یک ماده شود. متن دیپلم نوبل نیز نشان می‌داد کمیته هنوز درباره نسبیت محتاط است و تأکید می‌کرد جایزه بدون درنظرگرفتن ارزشی که ممکن است در آینده برای نظریه نسبیت و گرانش تأیید شود، اهدا شده است.

افراد دیگری که در شکل‌گیری نسبیت نقش اساسی داشتند نیز نوبل نگرفتند. یکی از مهم‌ترین آن‌ها هرمان مینکوفسکی، ریاضی‌دان آلمانی، بود. مینکوفسکی نشان داد که نسبیت خاص را می‌توان به شکل هندسی و در قالب فضازمان چهاربعدی توصیف کرد. اینشتین در ابتدا چندان از این روش استقبال نکرد، اما همین چارچوب بعدها برای ساخت نظریه نسبیت عام ضروری شد. مینکوفسکی در سال ۱۹۰۹، در ۴۴ سالگی و سال‌ها پیش از آنکه اهمیت کامل مفهوم فضازمان روشن شود، چشم از جهان فروبست.