برندگان نوبل فیزیک 2018 چه دستاوردهایی داشتند؟

سه دانشمند متخصص لیزر به خاطر کارشان در استفاده از باریکه های پُر قدرت نور برای به دام انداختن فرآیندهای فوق سریع و دستکاری اشیای بسیار کوچک به عنوان برندگان جایزه نوبل فیزیک 2018 معرفی شدند.

یکی از برندگان امسال دانا استریکلند (Donna Strickland) است؛ نخستین خانمی که در 55 سال اخیر جایزه نوبل فیزیک را برده است. نیمی از جایزه یک میلیون دلاری امسال مشترکاً به استریکلند و ژرارد مورو (Gérard Mourou) استاد راهنمای سابقش، تعلق گرفت. نیم دیگر جایزه نیز به آرتور اشکین (Arthur Ashkin) اعطا شد.

استریکلند و مورو در واقع پیشگام توسعه روشی برای تولید کوتاه ترین و قوی ترین تکانه های نوری هستند که تاکنون ساخته شده است. این تکنیک اکنون در تمام عرصه های علم به عنوان روشی برای فاش کردن آن دسته از فرآیندهای پُر سرعتی بکار می رود که پیش از این کاملاً آنی به نظر می رسیدند؛ فرآیندهایی مانند حرکت الکترون ها در اتم و جراحی چشم با لیزر. سهم نیم میلیون دلاری اشکین از جایزه امسال نیز به خاطر کارهای پیشگامانه در توسعه ابزاری موسوم به انبرک نوری است. این ابزار در واقع باریکه هایی از نور لیزر است که می توانند اشیای میکروسکوپی مانند ویروس ها و سلول ها را درست مثل یک انبردستی بگیرند و کنترل کنند.

بر اساس بیانیه رسمی آکادمی سلطنتی علوم سوئد که متولی اعطای این جایزه است، کاربردهای کار برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال هنور بطور کامل کشف و معلوم نشده است. در ادامه این بیانیه آمده است: «با این حال، حتی همین حالا هم این اختراعات مشهور به ما امکان داده اند در دنیای میکروسکوپی کندوکاو کنیم که با روح خواسته آلفرد نوبل برای اعطای جایزه به کاری که بیشترین منفعت را برای بشریت داشته باشد، کاملاً سازگاری دارد.»

در این مقاله شما می توانید با این دستاورد بیشتر آشنا شوید.

جایزه ای که باید زودتر داده می شد.

اشکین که ماه گذشته 96 ساله شد، پیرترین برنده جایزه نوبل است. کارهای او که به دریافت این جایزه منجر شد، به اولین روزهای اختراع لیزر در دهه 1960 بر می گردد. در آن زمان معلوم شده بود که لیزر بر اشیای کوچک فشار بسیار ظریفی اعمال می کند؛ ویژگی جذابی که اشکین دریافت می تواند برای دستکاری آنها بکار رود، بی آنکه به آنها آسیبی وارد کند.

آزمایش های او با کره هایی در ابعاد میکرومتر در دهه 1960 نشان داد که این ذرات به ناحیه ای از باریکه نور کشیده می شوند که بیشترین شدت را دارد. این یافته به ابداع روشی برای استفاده از باریکه های لیزر برای به دام انداختن، بلند کردن و جابجا کردن اشیای کوچک منجر شد. با این روش که اکنون به انبرک های نوری شهرت دارد، اشکین کشف کرد که با این انگشت های لیزری به شدت متمرکز می توان باکتری، ویروس و سلول های زنده منفرد را گرفت.

اشکین دست کم دو دهه پیش از این می توانست برنده جایزه نوبل فیزیک شود. استیون چو (S. Chu) که در آزمایشگاه های بل با اشکین کار می کرد، به خاطر استفاده از انبرک های نوری در سال 1997 جایزه نوبل فیزیک را گرفت. از قلم افتادن اشکین در آن زمان اعتراض بسیاری از فیزیکدانان؛ به ویژه آنهایی که از نوآوری اشکین در حوزه های پژوهشی گوناگون استفاده می کردند را برانگیخت. اشکین بعدها گفت از اینکه در آن جایزه سهمی نداشت، دلخور شده است. به گفته دیوید گرایر، فیزیکدان دانشگاه نیویورک و همکار سابق اشکین در آزمایشگاه های بل: «انبرک های نور صرفاً نه یک نوآوری که یک شگفتی تمام عیار بود که تفکری نو در علم به حساب می آمد؛ اینکه نور می تواند فشار ایجاد کند. این یک ایده انقلابی است.»

اشکین در تمام این سال ها با انبرک های نوری اش به پژوهش درباره سازوکار درونی سلول ها و موتورهای مولکولی که این ارگانیسم های کوچک را به حرکت در می آورد، ادامه داد. او پیوسته این تکنیک را بهبود داد و دستگاه های ساده تر و کاربردی تری ساخت. او هنوز مشغول کار است و پس از اعلام جوایز امسال، آکادمی سلطنتی علوم سوئد اعلام کرد که دکتر اشکین درباره این خبر اظهارنظری نکرد؛ چون در حال نگارش مقاله علمی بعدی اش بود. اختراع اشکین در مقیاس جهانی اثرگذار بوده است؛ به ویژه در حوزه زیست فیزیک، مثل جدا کردن سلول های خونی سالم از آلوده و مهندسی مواد در مقیاس نانو.

نوبل با اولین مقاله

تکانه های کوتاه لیزر (آنهایی که عمر کوتاهی دارند) قابلیت های ویژه ای دارند و به دانشمندان اجازه می دهند جزئیات فرآیندهایی را ببینند که در یک چشم برهم زدن رخ می دهند. ویژگی های جذاب این تکانه ها در گرو شدت آنها است، به همین علت تکانه های کوتاه و شَدید بسیار جذاب هستند، اما پیش از تکنیک انقلابی استریکلند و مورو، شدت این تکانه های لیزر بسیار محدود بود. نور لیزر اساساً از طریق یک واکنش زنجیره ای به وجود می آید که در آن ذرات نور یا همان فوتون ها، دائماً فوتون های بیشتری تولید می کنند. از زمان اختراع لیزر که به حدود 60 سال پیش بر می گردد تاکنون، پژوهشگران پیوسته تلاش کرده اند تکانه های شدیدتری به وجود آورند. به مدت دو دهه اوضاع خوب پیش رفت تا اینکه در اواسط دهه 1980 به پایان این جاده افزایش شدت تکانه های لیزر رسیدیم. پژوهشگران به جایی رسیده بودند که هر اقدامی برای افزایش شدت تکانه کوتاه عملاً به آسیب دیدن یا از بین رفتن مواد تقویت کننده تکانه منجر می شد.

در نهایت گره کار به دست استریکلند و مورو باز شد. تکنیک جدید آنها موسوم به تقویت تکانه تیز شده (Chirped Pulse Amplification) در عین سادگی بسیار باشکوه بود. ایده اصلی از این قرار است؛ یک تکانه لیزر ابتدا با استفاده از یک جفت توری (Grating) کشیده می شود (تکانه کوتاه به یک تکانه بلند تبدیل می شود)، سپس تقویت می شود و در نهایت با استفاده از یک جفت توری دوباره فشرده می شود. وقتی یک تکانه کشیده می شود، قله توان آن بسیار کمتر خواهد بود و بنابراین بدون هیچ آسیبی به ماده تقویت کننده می توان شدت آن را تقویت کرد. سپس این تکانه دوباره فشرده می شود که معنی آن تجمع نور بیشتر در یک سطح بسیار کوچک است. به این ترتیب شدت تکانه به شکل چشمگیری افزایش می یابد.

البته چند سال طول کشید تا استریکلند و مورو بتوانند همه چیز را به صورت موفقیت آمیزی با هم ترکیب کنند. آنها سرانجام تمام مشکلات را برطرف کردند و با انتشار مقاله ای در سال 1985 نشان دادند که طرح باشکوه شان عملاً کار می کند. استریکلند زمانی این مقاله را نوشت که هنوز دانشجوی دکتری بود و شاید باورش دشوار باشد، اما همین نخستین مقاله علمی او بود که جایزه نوبل فیزیک را برایش به ارمغان آورد. تکنیک ابداعی استریکلند و مورو به معنی حقیقی کلمه دنیای فیزیک لیزر را متحول کرد. این تکنیک به مبنای استاندارد تمام لیزرهای پُر شدتی تبدیل شد که از آن زمان تاکنون تولید شده اند و دروازه ورود پژوهشگران به حوزه ها و کاربردهای کاملاً جدیدی را در فیزیک، شیمی و پزشکی گشود. اکنون پژوهشگران می توانند در آزمایشگاه تکانه های لیزر بسیار شدیدی تولید کنند که حدود سه دهه پیش باورکردنی نبود.

دانشمندان با بهبود این تکنیک اکنون می توانند تکانه های لیزری در مقیاس اتوثانیه (یک میلیاردم میلیاردم ثانیه) تولید کنند. درست مثل یک دوربین فیلمبرداری که در هر ثانیه فریم های بسیار زیادی می گیرد، از این تکانه ها می توان برای بررسی فرآیندهایی مانند تحولات شیمیایی فتوسنتز استفاده کرد که روند بسیار سریعی دارند. علاوه بر این، با توجه به اینکه تکانه های کوتاه در مقایسه با تکانه های بلند آسیب به مراتب کمتری ایجاد می کنند، تکانه های نوری بسیار کوتاه در حوزه های حساسی مانند جراحی چشم نیز کاربرد پیدا کرده اند. با استفاده از همین لیزرها دانشمندان می توانند حفره های بی نهایت ظریفی در مواد ذخیره داده های دیجیتال ایجاد کنند که به ظهور حافظه های کامپیوتری با کارآیی بیشتر منجر شده است. برخی فیزیکدانان معتقدند که تکنیک تقویت تکانه تیز شده در نهایت می تواند برای شتاب دادن به ذرات زیراتمی نیز بکار رود. رویایی که می تواند به ظهور تجهیزات آزمایشگاهی کوچکی منجر شود که کار ماشین های غول پیکری مانند برخورد دهنده هادرونی بزرگ را انجام می دهند. به گفته رابرت دایگراف مدیر موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون «در فیزیک آینده، بزرگتر لزوماً به معنی بهتر نخواهد بود.»

منابع

مقاله علمی و آموزشی «برندگان نوبل فیزیک 2018 چه دستاوردهایی داشتند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش کیوان فیض الهی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.