Cele două întâmplări din domeniul fizicii care au ocupat prima pagină a ştirilor ştiinţifice în anul 2011 au reprezentat mai degrabă întrebări decât răspunsuri concrete, şi anume: „Sunt neutrinii mai rapizi decât lumina?” şi „A fost descoperit bosonul Higgs?”.
Cu toate acestea, pe parcursul ultimelor 12 luni, au fost realizate şi câteva realizări ştiinţifice extraordinare, ceea ce a condus la dificultatea luării unei decizii în privinţa acordări titlului de "Descoperirea Anului 2011", de către revista „Physics World".
După lungi dezbateri între membrii echipei editoriale a revistei, titlul pentru anul 2011 îl primesc Aephraim Steinberg şi colegii săi de la Universitatea din Toronto, Canada, pentru experimentele desfăşurate în domeniul fundamentelor mecanicii cuantice. Folosind o tehnologie emergentă, denumită „măsurătoare slabă”, echipa este primul grup din lume care a reuşit să urmărească media traiectoriilor fotonilor singulari ce erau supuşi „experimentului cu două fante” al lui Young. Despre această realizare Steinberg afirmă că fizicienii au fost practic "condiţionaţi" să creadă că aşa ceva este imposibil.
De asemenea, revista a mai acordat alte nouă distincţii, detaliate în continuare. Departajarea dintre câştigătorii locurilor 1 şi 2 a fost destul de greu de făcut în acest an, deoarece descoperirea plasată pe locul al doilea implică utilizarea „măsurătorilor slabe”, însă de această dată cu scopul de a reprezenta funcţia de undă a unui grup de fotoni. Grupul editorilor a considerat că experimentul lui Steinberg a fost mai important. Alte descoperiri cuprinse în listă includ primul dispozitiv de camuflare în spaţiu-timp, un laser creat dintr-o celulă vie şi o nouă metodă pentru măsurarea distanţelor cosmice.
Locul I: Schimbarea perspectivei asupra măsurătorilor cuantice
Munca depusă de Steinberg s-a evidenţiat deoarece a testat bine cunoscuta noţiune că mecanica cuantică nu ne permite să cunoaştem traiectoriile urmate de fiecare foton în parte, pe măsură ce aceştia călătoresc prin două fante amplasate la o distanţă mică, cu scopul creării unui tipar de interferenţă.
Această interferenţă este exact ce ne-am fi aşteptat dacă percepem lumina ca o undă electromagnetică. Însă mecanica cuantică ne permite şi să percepem lumina ca o succesiune de fotoni, deşi, în cazul în care am determina care fantă este aleasă de fotonii individuali, consecinţa directă ar fi dispariţia tiparului de interferenţă. Prin folosirea măsurătorilor slabe, Steinberg şi echipa sa au fost capabili să dobândească unele informaţii referitoare la traiectoriile avute de fotoni, fără a distruge tiparul.
În cadrul experimentului, fanta dublă este înlocuită cu un separator de fascicule şi o pereche de fibre optice. Un singur foton loveşte separatorul şi călătoreşte de-a lungul fibrei din dreapta sau din stânga. După ce emerge de la capetele apropiate ale fibrelor optice paralele, acesta creează un tipar de interferenţă pe ecranul detectorului.
Măsurătoarea slabă este efectuată prin trecerea fotonilor emergenţi printr-o bucată de calcit, care impregnează o mică rotaţie în polarizarea fotonului. Suma rotaţiilor depinde de direcţia de deplasare a fotonului, cu alte cuvinte, a impulsului acestuia. Fotonii sunt apoi „post-selectaţi” în funcţie de locaţia unde ating ecranul, ceea ce le permite cercetătorilor să determine media traiectoriilor fotonilor care ajung acolo.
Acest experiment relevă, de exemplu, că un foton detectat în partea dreptă a tiparului de difracţie este mai probabil emergent din fibra optică amplasată în dreapta, decât din cea din stânga. Cât timp aceste informaţii nu ne sunt restricţionate de fizica cuantică, Steinberg spune că fizicienii au considerat că „este oarecum imoral să te întrebi unde este un foton înainte de a fi detectat”.
„Puţin câte puţin, oamenii încep să pună întrebări interzise”, spune Steinberg, adăugând că experimentul echipei sale va „împinge fizicienii către o modificare a modului în care gândesc anumite lucruri”.
Locul II: Măsurarea funcţiei de undă
Locul al doilea a fost acordat unui alt grup care a pus o „întrebare interzisă”. Condusă de Jeff Lundeen (fost coleg cu Steinberg) de la Consiliul Naţional de Cercetare al Canadei, din Ottawa, o echipă a folosit măsurătorile slabe pentru a mapa funcţia de undă a unui ansamblu de fotoni identici, fără a distruge niciunul dintre aceştia. Spre deosebire de această metodă, tomografia cuantică mapează funcţia de undă cu preţul distrugerii stării fotonilor. În plus faţă de îmbogăţirea cunoştinţelor despre fundamentele mecanicii cuantice, tehnica s-ar putea dovedi utilă în cazul în care tomografia nu poate fi utilizată.
Locul III: Camuflarea în spaţiu şi timp
Pe locul al III-lea s-au clasat două echipe, prima de la Universitatea Cornell din S.U.A., condusă de Alexander Gaeta, iar a doua de la Colegiul Imperial din Londra, condusă de Martin McCall. La începutul anului 2011, echipa lui McCall a publicat o analiză teoretică despre cum poate fi mascat un eveniment în spaţiu şi timp, metodă descrisă ulterior într-o rubrică specială a publicaţiei „Physics World”. Câteva luni mai târziu, Gaeta şi colegii săi au realizat un dispozitiv care foloseşte două „lentile de divizare a timpului” pentru a face tocmai acest lucru. La fel ca modificarea ideilor despre ce poate şi ce nu poate fi ascuns, camuflarea în spaţiu şi timp poate fi de asemenea folosită în jaful bancar perfect, cel puţin în teorie.
Locul IV: "Măsurarea" Universului folosind găurile negre
A patra poziţie din listă este repartizată lui Darach Watson şi colegilor săi de la Universitatea din Copenhaga, Danemarca, şi de la Universitatea din Queensland, Australia, care au descoperit o metodă de folosire a găurilor negre supermasive (care alimentează nuclee galactice active – AGN) ca şi „puncte etalon” pentru a face măsurători exacte ale distanţelor cosmice. Munca depusă este importantă deoarece AGN-urile pot fi găsite aproape pretutindeni în univers şi, spre deosebire de supernove, care sunt folosite în prezent ca puncte etalon, lumina AGN-urilor rezistă perioade mai lungi de timp.
Locul V: Transformarea întunericului în lumină
Christopher Wilson şi colegii săi de la Universitatea Tehnologică din Chalmers, Suedia, împreună cu fizicieni din Japonia, Australia şi S.U.A., au ocupat locul V deoarece au fost primele persoane care au reuşit să observe efectul Casimir în laborator. Efectul apare în momentul în care o oglindă se mişcă atât de rapid în vid, încât perechi de fotoni virtuali (care apar mereu, anihilându-se ulterior) sunt "extraşi" pentru a crea fotoni reali, care pot fi detectaţi. Pe lângă faptul că au descoperit noţiuni noi referitoare la efectul Casimir, utilizarea unui dispozitiv cuantic supraconductor de interferenţă (SQUID – Superconducting Quantum Interference Device) ca şi oglindă, face acest experiment să fie unul foarte ingenios.
Locul VI: Măsurarea temperaturii universului timpuriu
La scurt timp după Big Bang, universul era un amestec complicat de quarcuri şi gluoni liberi, care, în cele din urmă, s-au condensat pentru a forma protonii şi neutronii de astăzi. Locul VI în acest top 10 îl ocupă o echipă de fizicieni din S.U.A., India şi China, care au efectuat cele mai bune calcule de până acum privind această temperatură de condensare: două trilioane de grade Kelvin. Pe lângă furnizarea unor detalii importante despre universul timpuriu, munca echipei ne ajută şi la lărgirea orizontului de cunoştinţe despre cromodinamica cuantică, care descrie proprietăţile neutronilor, protonilor şi altor hadroni.
Locul VII: Detectarea oscilaţiei neutrinilor
Locul VII este acordat echipei internaţionale de fizicieni care lucrează la experimentul Tokai-to-Kamioka (T2K) din Japonia. Cercetătorii au lansat un fascicul de neutrini miuonici, la 300 km în subteran, către un detector, descoperind că 6 neutrini s-au modificat, altfel spus au „oscilat”, în neutrini electroni. Cu toate că măsurătorile nu sunt suficient de bune pentru a valida descoperirea oscilaţiei de transformare din neutrini miuonici în neutrini electroni, acest experiment este cea mai plauzibilă dovadă de până acum că un anumit tip de neutrino se poate transforma în alt tip.
Locul VIII: Laserul "biologic"
Într-un domeniu interesat al biofizicii, Malte Gather şi Seok Hyun Yun, de la şcoala Medicală Harvard, S.U.A., se plasează pe locul VIII pentru că au reuşit să creeze un laser dintr-o celulă biologică vie. Prin emiterea unei lumini albastre intense peste molecule proteice verzi, fluorescente, din interiorul unei celule embrionare a unui rinichi, moleculele au generat o lumină intensă, monocromatică şi direcţională. Celulele au rezistat încercărilor, iar acest fenomen surprinzător poate fi folosit pentru distingerea celulelor canceroase de cele sănătoase.
Locul IX: Calculator cuantic complet realizat într-un singur cip
Locul IX este atribuit lui Matteo Mariantoni şi colegilor săi de la Universitatea Statului California, din Santa Barbara, pentru o premieră în ceea ce priveşte reuşita de a implementa o versiune cuantică a arhitecturii „Von Neumann” regăsită în calculatoarele personale. Bazat pe circuite supraconductoare şi integrat pe un singur cip, noul dispozitiv a fost folosit pentru executarea a doi importanţi algoritmi cuantici de calcul. Dezvoltarea acestui dispozitiv ne aduce mai aproape de crearea calculatoarelor cuantice practice care să rezolve probleme din viaţa reală.
Locul X: Observarea unor relicve "curate" din perioada Big Bang-ului
Michele Fumagalli şi Xavier Prochaska, de la Universitatea Statului California din Santa Cruz şi John O’Meara de la Colegiul Saint Michael din Vermont, ocupă locul X, deoarece sunt primii care au observat nori de gaz care sunt relicve pure din perioada Big Bang-ului. Spre deosebire de alţi nori din universul îndepărtat (care par să conţină elemente create de stele), aceşti nori conţin doar hidrogenul, heliul şi litiul rezultate în urma Big Bang-ului. Pe lângă confirmarea predicţiilor despre teoria Big Bang-ului, norii furnizează detalii unice despre materialele din care au apărut primele stele şi galaxii.
