الملخص:
الإعلان عن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2026! يحمل فرانسيس هالزن، عالم الفيزياء النظرية البلجيكي المولد والأستاذ بجامعة ويسكونسن ماديسون، جائزة نوبل بأكملها بمفرده. وكان سبب منح الجائزة تقديرًا "لمساهمته الحاسمة في مرصد آيس كيوب للنيوترينو واكتشاف النيوترينوات عالية الطاقة من مصادر فيزيائية فلكية". جائزة الـ 12 مليون كرونة سويدية كلها ملك له!
فشل الفيزيائيان الصينيان شيويه كيكون ويي جون، اللذان فازا باثنين من الفائزين بجائزة نوبل قبل المباراة، في الفوز هذه المرة.
تُمنح هذه الجائزة بالكامل لعالم فيزياء نظرية كان يعتبره الجميع "مجنونًا".
آخر مرة مُنحت فيها جائزة الفيزياء لشخص واحد فقط كانت في عام 1992. وكانت هناك فجوة مدتها 34 عامًا.
لأنه منذ 38 عامًا، اقترح فكرة مجنونة ورائعة:
اذهب إلى القطب الجنوبي، أبرد وأشد مكان على وجه الأرض، واحفر كيلومترًا مكعبًا كاملاً من نهر جليدي عمره عشرة آلاف عام، وحوّله إلى تلسكوب فائق يلتقط الجزيئات الغامضة في أعماق الكون!
تذكر لاحقًا هذه الحادثة الماضية وقال بصراحة شديدة: "أعتقد أن الآخرين فكروا في نفس الفكرة ثم استسلموا. إذا لم أكن أعرف شيئًا عن الخصائص البصرية للجليد الطبيعي في ذلك الوقت، فمن المحتمل أن أستسلم أيضًا."
اليوم، لم تغير هذه الفكرة بعد مراقبة الإنسان للكون فحسب، بل وصلت أخيرًا إلى أعلى مجد الفيزياء.
ومع دفن هذا "المكعب الجليدي" عميقًا تحت الجليد، أكدت البشرية لأول مرة:
هناك نيوترينوات عالية الطاقة تطير من أماكن بعيدة خارج النظام الشمسي!
والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه قبل عامين، مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لهوبفيلد وهينتون، اللذين وضعا الأساس للتعلم الآلي.
ومن أكثر الاكتشافات الملفتة للنظر لهذا التلسكوب الموجود تحت الجليد، صورة النيوترينو لمجرتنا درب التبانة، والتي تم استخراجها من بيانات ضخمة باستخدام التعلم الآلي.
"الشبح" الموجود في الكون: النيوترينوات
بادئ ذي بدء، يجب علينا أولاً أن نتعرف على بطل الرواية اليوم، وهو النيوترينو.
رسم توضيحي لجائزة نوبل: النيوترينوات تحلق في خط مستقيم وتخترق جليد القطب الجنوبي
لا تحتوي على شحنة كهربائية، وكتلتها صفر تقريبًا، ولا تتفاعل تقريبًا مع أي مادة. المعروف باسم "الشبح الكوني". في هذه اللحظة، يمر حوالي 65 مليار نيوترينو من الشمس عبر أظافرك.
لماذا يتعين على العلماء البحث عنه؟ لأن النيوترينوات هي "الرسل" الأكثر مثالية في الكون.
على عكس الضوء والأشعة الكونية، فهو لا يتأثر بالمجالات المغناطيسية وينتقل في خط مستقيم تمامًا؛ وفي الوقت نفسه، يتمتع بقوة اختراق قوية للغاية ولن يتم حجبه بواسطة أي سحب غبار أو إشعاع.
حتى على حافة ثقب أسود هائل في أعماق الكون، فطالما يتم إنتاج النيوترينوات عالية الطاقة، فإنها يمكن أن تطير في خط مستقيم عبر مئات الملايين من السنين الضوئية، "معبرة" عن المعلومات الأصلية حول الأحداث المتطرفة في الكون إلى الأرض.
إذا تمكن البشر من التقاط هذه النيوترينوات عالية الطاقة، فسيكون ذلك معادلاً لامتلاك زوج من "العيون الشفافة" التي يمكنها الرؤية عبر الكون، مما يسمح للبشر بإجراء "مسح مقطعي" للكون.
ينحرف المجال المغناطيسي عن الأشعة الكونية، ويحجب الغبار أشعة غاما، وتطير النيوترينوات إلى الأرض في خط مستقيم
فكرة مجنونة للغاية - اذهب إلى القارة القطبية الجنوبية لقطع الجليد!
المشكلة هي أنه من الصعب جدًا الإمساك بها.
تمر الغالبية العظمى من النيوترينوات مباشرة عبر الكاشف. إذا كان عدد النيوترينوات كبيرًا بدرجة كافية، وكان الهدف (وسيط الكشف) الذي نحضره سميكًا بدرجة كافية ومتعددًا بدرجة كافية، فسيكون هناك دائمًا عدد قليل من النيوترينوات التي "تضرب" النواة المستهدفة.
لكي يكون هناك ما يكفي من الاصطدامات مثل هذه، يجب أن يكون الكاشف كبيرًا بشكل يبعث على السخرية.
عندما تصطدم النيوترينوات عالية الطاقة بعنف في وسط ما، يتم إنتاج جسيمات مشحونة (مثل الميونات).
إن سرعة هذه الجسيمات المشحونة التي تنتقل عبر الوسط ستتجاوز سرعة انتشار الضوء في الوسط، وبالتالي تنتج ظاهرة بصرية تشبه "الانفجار الصوتي" - إشعاع شيرينكوف، الذي ينبعث منه ضوء أزرق خافت.
طالما أننا نضع أجهزة استشعار بصرية كافية وحساسة في بيئة مظلمة للغاية لالتقاط هذه الأضواء الزرقاء، فيمكننا استنتاج الاتجاه الذي تطير فيه النيوترينوات.
في البداية، أراد العلماء استخدام مياه البحر كوسيط. لكن الإضاءة الحيوية في أعماق البحار (مثل قناديل البحر) والمواد المشعة الطبيعية يمكن أن تنتج الكثير من الضوضاء.
في هذا الوقت، ظهر فرانسيس هالزن.
فرانسيس هالزن، 82 عامًا هذا العام
في الثمانينيات، أثناء دراسته للأشعة الكونية، سمع أخبارًا تفيد بأن العلماء السوفييت كانوا يخططون لاستخدام أجهزة الاستقبال الراديوية لالتقاط إشارات النيوترينو في القارة القطبية الجنوبية.
ومض فجأة إلهام رائع في ذهن هالزن: لماذا نذهب إلى البحر؟ لماذا لا نستخدم فقط الجليد في القطب الجنوبي؟
تتمتع الطبقة الجليدية في القطب الجنوبي بمزايا فريدة:
كبير بما فيه الكفاية
: هناك طبقات جليدية طبيعية لا نهاية لها، والتي تلبي بشكل كامل احتياجات بناء أجهزة الكشف الفائقة.مظلمة بما فيه الكفاية ونقية بما فيه الكفاية
: هناك ظلام دامس في أعماق الجليد، مع عدم وجود كائنات مضيئة ولا تدخل من تيارات المحيط المعقدة.الاستقرار المطلق للحالة الصلبة
: قم بتجميد أجهزة الاستشعار في الجليد وستظل ثابتة تمامًا إلى الأبد، وهو أمر بالغ الأهمية لحساب مسارات الجسيمات بدقة.في عام 1988، اقترح هالزن وزميله جون جي. ليرند رسميًا فكرة بناء مرصد للنيوترينو تحت جليد القطب الجنوبي.
في البداية، بدت الفكرة وكأنها خيال علمي. لكن هارزن مارس ضغوطًا في كل مكان وأخيرًا قام بتشكيل فريق وبدأ أكثر سنوات "المقاول القطبي" تشددًا في تاريخ البشرية.
كيلومتر مكعب من "مكعب الثلج" ومصباح كهربائي خلفي
إن بناء مرصد في القارة القطبية الجنوبية ليس بسيطًا بأي حال من الأحوال مثل نصب خيمة.
في عام 1993، بدأ فريق هالزن محاولة أولية في القارة القطبية الجنوبية (مشروع أماندا).
في البداية واجهوا انتكاسات كبيرة: كان الجليد الضحل مملوءًا بالفقاعات، ولم يكن الضوء قادرًا على الانتقال على الإطلاق. لكنهم لم يستسلموا، وأشار علماء الجليد إلى أنه كلما حفروا أعمق، فإن الضغط الشديد سيضغط على الفقاعات في الشبكة البلورية للجليد.
من المؤكد أنه عندما قاموا بالحفر على عمق أقل من 1400 متر، حدثت معجزة - كان الجليد هنا نقيًا وشفافًا للغاية. الوميض الأزرق الناتج عن اصطدام النيوترينوات يستطيع اختراق مئات الأمتار من الجليد دون أي عائق!
بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF)، تم إطلاق بناء IceCube رسميًا في عام 2004. إنها أعجوبة هندسية.
استخدم المهندسون مثقاب الماء الساخن عالي الضغط لإذابة آبار عمودية يزيد عمقها عن كيلومترين في الطبقة الجليدية شديدة البرودة في القطب الجنوبي.
في كل مرة يتم فيها حفر بئر، يتعين عليهم السباق مع الزمن لتوصيل كابل طويل للغاية مملوء بأجهزة استشعار بصرية متقدمة إلى قاع البئر قبل أن يتجمد الماء مرة أخرى.
وقد وضعوا ما مجموعه 86 من هذه الكابلات؛ كان هناك ما يصل إلى 5160 جهاز استشعار كروي معلق على الكابلات.
وصف هارزن هذه المستشعرات ذات مرة بطريقة فكاهية بأنها "مصابيح كهربائية تعمل في الاتجاه المعاكس" - حيث تلتقط هذه المستشعرات الفوتونات الضعيفة، وتحولها إلى إشارات كهربائية، ثم تنقلها مرة أخرى إلى السطح.
يتم ترتيب الكابلات في مجموعة سداسية ضخمة، تغطي الجليد على عمق يتراوح بين 1450 إلى 2450 مترًا. وبهذه الطريقة، قام العلماء بتطويق قطعة كاملة من الجليد النقي حجمها كيلومتر مكعب واحد ووزنها مليار طن داخل الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي. هذا هو "مكعب الثلج".
في عام 2011، ومع تركيب آخر كابل، تم رسميًا الانتهاء من بناء أكبر "تلسكوب" على وجه الأرض.
في مختبر آيس كيوب في القطب الجنوبي، يتم جمع الإشارات من تحت الجليد هنا ثم إرسالها عبر الأقمار الصناعية
لا ينظر إلى السماء المرصعة بالنجوم، بل مدفون في أعماق الأرض؛ فهو لا يجمع الضوء المرئي، بل يستمع إلى خطى الأشباح الكونية ليلًا ونهارًا.
مخطط مكعبات الثلج: تصطدم النيوترينوات بالنوى الذرية في الجليد، ويتم تسجيل وميض الضوء بواسطة سلسلة من أجهزة الاستشعار
من بين 100 مليون إشارة خاطئة كل يوم، هناك 100 إشارة صحيحة
إن بناء التلسكوب هو مجرد البداية. تكمن الصعوبة الحقيقية في تحديد النيوترينوات الكونية من البيانات.
تخترق الأشعة الكونية الغلاف الجوي فوق القطب الجنوبي، ويخترق الجليد يوميًا أكثر من 100 مليون جسيم ويتم تسجيلها بواسطة أجهزة الاستشعار.
يتم إنشاء النيوترينوات أيضًا في الغلاف الجوي. ويسجل آيس كيوب حوالي 100 ألف نيوترينو كل عام، ويتم إنتاج معظمها في الغلاف الجوي للأرض.
وفقًا للتوقعات النظرية، هناك حوالي 100 فقط تأتي من أعماق الكون سنويًا.
في عام 2013، حدث إنجاز تاريخي!
في عام 2013، بحث الفريق عن نوع طاقة أعلى من النيوترينوات خلال عامين من البيانات، وواجه حدثين بطاقة تتجاوز 1 PeV، وهي 1.04 PeV و1.14 PeV. وهذا هو أول اكتشاف مؤكد للنيوترينوات الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة من خارج النظام الشمسي.
هذه المطاردة بين النجوم التي استمرت لعقود من الزمن قد أتت أخيرًا بثمارها.
من خلال تعديل طريقة التحليل على هذين الحدثين، وجد الفريق 28 نيوترينوًا كونيًا عالي الطاقة في نفس مجموعة البيانات. في عام 2014، وصلت الأهمية الإحصائية إلى 5.7σ، وتم استبعاد تفسيرات المصادر الجوية البحتة.
في 22 سبتمبر 2017، التقط آيس كيوب نيوترينو بقوة 290 تيرا إلكترون فولت. وفي غضون دقيقة واحدة، تم إرسال تنبيه إلى العالم.
ركزت التلسكوبات حول العالم على الفور على هذا الإحداثي، وكانت النتيجة مذهلة: كان هناك انفجار هائل (TXS 0506+056) كان ينفجر بشكل جنوني - مجرة نشطة بها ثقب أسود هائل في مركزها!
هذه هي المرة الأولى التي يربط فيها البشر النيوترينوات عالية الطاقة بمصدر كوني محدد.
في عام 2022، عثر آيس كيوب على 79 نيوترينوًا من اتجاه المجرة النشطة NGC 1068. الثقب الأسود الهائل هناك مغلف بغاز سميك وغبار، وأشعة جاما المقاسة ضعيفة جدًا، لكن النيوترينوات تخرج.
في عام 2023، رأى آيس كيوب مجرتنا درب التبانة في النيوترينوات لأول مرة.
ما أحدث الفارق هذه المرة هو التعلم الآلي. طور المتعاونون مع IceCube في جامعة دورتموند التقنية في ألمانيا طريقة للتعلم الآلي لتمييز "سلسلة" الأحداث الناتجة عن تأثيرات النيوترينو أثناء إعادة بناء اتجاهها وطاقتها.
بعد استخدام الطريقة الجديدة، تم الاحتفاظ بأكثر من ترتيب من حيث الحجم لأحداث النيوترينو، وتمت زيادة حساسية البحث إلى ثلاثة أضعاف الحساسية الأصلية. استخدم الفريق حوالي 60 ألف نيوترينو من بيانات 10 سنوات لتجميع الشكل الذي تبدو عليه مجرة درب التبانة.
قال هالزن حينها:
ومن المثير للاهتمام، أنه على عكس أي طول موجي للضوء، يكون الكون البعيد في النيوترينوات أكثر سطوعًا من المصادر القريبة في مجرتنا.
في وقت سابق من هذا العام، استخدم آيس كيوب 12 عامًا من البيانات لدفع إشارة درب التبانة إلى 5.7σ. وبذلك أصبحت مجرة درب التبانة أول مصدر للنيوترينو عالي الطاقة يتجاوز عتبة الاكتشاف 5σ.
قبل الإعلان عن جائزة نوبل في عام 2026، أصدر فريق IceCube نتيجة مذهلة: لقد رأوا أخيرًا بوضوح توهج النيوترينو عالي الطاقة المنبعث من مجرة درب التبانة نفسها! وهذا يعني أننا أخيرًا نستخدم النيوترينوات كفرشاة رسم لرسم نظرة جديدة على درب التبانة.
افتح بمفردك حقبة جديدة من "المراسلة المتعددة"
الآن، هذا الرجل العجوز العنيد الذي كان مهووسًا بصيد الأشباح بالجليد منذ الثمانينيات، قد وصل أخيرًا إلى لحظة تتويجه.
وعلق مارك بيرس، رئيس لجنة جائزة نوبل في الفيزياء ——
لقد قدم لنا الفريق الدولي بقيادة فرانسيس هالزن أداة رائعة. مهدت مثابرته ورؤيته العلمية الطريق لنوع جديد تمامًا من علم الفلك.
نعم، هذا هو فجر عصر "علم الفلك متعدد الرسل".
بالنظر إلى السماء المرصعة بالنجوم اليوم، لا يمكننا فقط "الرؤية" بالضوء و"السماع" بواسطة موجات الجاذبية، ولكن يمكننا أيضًا استخدام النيوترينوات عالية الطاقة التي تم التقاطها بواسطة IceCube "لرؤية" مباشرة من خلال النواة المظلمة الأكثر عنفًا في الكون.
في الوقت الحالي، يجري التخطيط حاليًا لـ "Ice Cube-Gen2"، الذي تم توسيع حجمه ثماني مرات.
تبدأ شبكة عالمية لالتقاط النيوترينو في الانفتاح ببطء في البحر الأبيض المتوسط، والمحيط الهادئ، ومشروع "ترايدنت" الصيني في بحر الصين الجنوبي.
في هذه اللحظة، فإن الـ 65 مليار نيوترينو التي تمر عبر أظافرك قد سافرت عبر الفراغ الذي لا نهاية له، ومرت بتقلبات الحياة، واندفعت مباشرة إلى الأرض.
في أقصى نقطة جنوب الأرض، هناك مجموعة من أبناء الأرض الرومانسيين والمجانين، في كيلومتر مكعب من الجليد النقي الداكن، وأعينهم مفتوحة على مصراعيها، ينتظرون هذه اللمحة المذهلة التي تمتد لمئات الملايين من السنين.
قد تكون هذه هي الرومانسية الأكثر تطرفًا في استكشاف الإنسان للكون.
دعونا نشيد بالفائز بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2026، فرانسيس هارتزن!
التعليقات