علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Top 10 Breakthroughs of the Year in physics for 2025 revealed
(Hamish Johnston, an online editor of Physics World – بقلم: هاميش جونستون، محرر إلكتروني في مجلة عالم الفيزياء)
اختارت مجلة “عالم الفيزياء” أن تعلن عن أهم عشرة اكتشافات علمية في الفيزياء لعام 2025، والتي تشمل أبحاثًا في علم الفلك، والمادة المضادة، والفيزياء الذرية والجزيئية، وغيرها. وتُعدّ هذه القائمة المختارة هي القائمة النهائية لجائزة “أهم اكتشاف علمي” من مجلة “عالم الفيزياء”، والتي سيتم الكشف عنها يوم الخميس 18 ديسمبر 2025.
وقام فريق تحرير مجلة “عالم الفيزياء” بمراجعة جميع الاكتشافات العلمية التي نشرتها المجلة منذ 1 يناير [2025]، واختار منها عشرة اكتشافات تعتبر الأهم. وبالإضافةً إلى نشرها في مجلة “عالم الفيزياء” عام 2025، يجب أن تستوفي هذه الاكتشافات المعايير التالية:
• تقدمٌ ملحوظ في المعرفة أو الفهم
• أهمية العمل للتقدم العلمي و/أو تطوير تطبيقات عملية
• ذات أهمية عامة لقراء مجلة “عالم الفيزياء”.
أفضل 10 اكتشافات علمية لعام 2025 بحسب مجلة “عالم الفيزياء”، مُدرجة دون ترتيب مُحدد. ويمكنكم الاستماع إلى مُحرري مجلة “عالم الفيزياء” وهم يُقدمون حججهم لكل مُرشح في بودكاست “عالم الفيزياء الأسبوعي” ( Physics World Weekly podcast ). وتابعونا الأسبوع القادم لمعرفة الفائز بجائزة “اكتشاف العام” لعام 2025.
العثور على مواد الحياة على كويكب
يعود الفضل إلى تيم مكوي، وداني جلافين، وجيسون دوركين، ويوشيهيرو فوروكاوا، وآن نغوين، وسكوت ساندفورد، وزاك غينسفورث، وفريق دولي من المتعاونين، لاكتشافهم الملح والأمونيا والسكر ومواد عضوية غنية بالنيتروجين والأكسجين، وآثار غبار غني بالمعادن أعظم استعارا، في عينات جُلبت من الكويكب القريب من الأرض المسمى “101955 بينو”.
هذا الثراء الكيميائي المذهل لهذا الكويكب، الذي زارته مركبة ناسا الفضائية “اوسيريس-ريكس” (OSIRIS-Rex) عام 2020، يعزز الفرضية الراسخة القائلة بأن اصطدامات الكويكبات ربما تكون قد “بذرت” الأرض في بداياتها بالمكونات الأساسية اللازمة لنشوء الحياة. كما تُثري هذه الاكتشافات فهمنا لكيفية تكوّن [الكويكب] “بينو” وأجرام أخرى في النظام الشمسي من قرص المادة الذي تجمّع حول الشمس الفتية.
أول جزيء فائق الميوعة
رصد كل من البروفيسور تاكاماسا موموس من جامعة كولومبيا البريطانية في كندا، والبروفيسور سوسومو كوما من مختبر “ريكين” للفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية في اليابان، ظاهرة الميوعة الفائقة في جزيء لأول مرة.
ويُعدّ الهيدروجين الجزيئي أبسط الجزيئات وأخفها وزنًا، وقد توقع المنظرون أنه سيدخل في حالة الميوعة الفائقة عند درجة حرارة تتراوح بين 1 و2 [درجة] كلفن (للتحويل من كلفن إلى مئوية، اطرح 273.15 من درجة حرارة الكلفن – في هذه الحالة 1 كلفن تساوي -272.3 درجة مئوية). لكن هذه الدرجة أقل بكثير من نقطة تجمد الجزيء البالغة 13.8 كلفن، لذا كان على موموس وكوما وزملائهما أولًا تطوير طريقة للحفاظ على الهيدروجين في الحالة السائلة.
وبعد ذلك، كان عليهم إيجاد طريقة لرصد بداية ظاهرة الميوعة الفائقة. واستغرق الأمر منهم ما يقرب من 20 عامًا، ولكن من خلال حصر تجمعات من جزيئات الهيدروجين داخل قطرات نانوية من الهيليوم، وتضمين جزيء ميثان داخل هذه التجمعات، ومراقبة دوران الميثان، وقد تمكنوا أخيرًا من تحقيق ذلك.
ويخطط الباحثون الآن لدراسة تجمعات أكبر من الهيدروجين، بهدف استكشاف الحدود الفاصلة بين السلوك الكلاسيكي والكمي في هذا النظام.
الألياف ذات النواة المجوفة تتجاوز حدًا زمنيًا دام 40 عامًا في نقل الضوء
طور باحثون في جامعة “ساوثهامبتون” و”مايكروسوفت أزور فايبر” في المملكة المتحدة نوعًا جديدًا من الألياف الضوئية يقلل من فقد الإشارة، ويعزز عرض النطاق الترددي، ويعد باتصالات أسرع وأكثر استدامة.
وقد حقق الفريق، بقيادة البروفيسور فرانشيسكو بوليتي، هذا الإنجاز باستبدال النواة الزجاجية للألياف التقليدية بالهواء، واستخدام أغشية زجاجية تعكس الضوء بترددات معينة إلى النواة لحصر الضوء والحفاظ على حركته عبر مركز الليف المجوف.
وتُبدي نتائجهم أن الألياف ذات النواة المجوفة تُظهر توهينًا أقل بنسبة 35% من الألياف الزجاجية القياسية – مما يعني الحاجة إلى عدد أقل من المضخمات في الكابلات الطويلة – وتزيد من سرعات النقل بنسبة 45%. وقد بدأت مايكروسوفت باختبار الألياف الجديدة في أنظمة حقيقية، حيث قامت بتركيب أجزاء منها في شبكتها وإرسال بيانات حية من خلالها.
وتفتح هذه التجارب الباب أمام التوسع التدريجي، ويشير البروفيسور بوليتي إلى أن الألياف ذات النواة المجوفة يمكن أن تحل يوماً ما محل الكابلات البحرية الحالية.
أولى جلسات العلاج باستخدام العلاج البروتوني القوسي
قدم الطبيب المعالج فرانشيسكو فراكيولا وزملائه في مركز ترينتو للعلاج البروتوني في إيطاليا أولى جلسات العلاج السريري باستخدام العلاج البروتوني القوسي (proton arc therapy – PAT). ويُعد العلاج البروتوني علاجًا دقيقًا للسرطان، ويُجرى عادةً باستخدام مسح شعاعي دقيق لتوجيه الجرعة بدقة متناهية إلى الورم. إلا أن هذا النهج قد يكون محدودًا بسبب قلة اتجاهات الشعاع المتاحة خلال فترة علاج مقبولة.
ويتغلب العلاج البروتوني القوسي على هذه المشكلة بالانتقال إلى مسار قوسي، حيث تُطلق البروتونات عبر عدد كبير من زوايا الشعاع، مع إمكانية تحسين كمية الطاقة المستخدمة لكل اتجاه شعاع.
وبالتعاون مع باحثين في مختبرات “راي سيرتش” (RaySearch) في السويد، أجرى الفريق مقارنات قياس الجرعات بنجاح مع خطط العلاج البروتوني السريرية. وبعد اختبار جدوى أكّد إمكانية تطبيق العلاج بالبروتونات سريريًا، استخدم الباحثون هذا العلاج لعلاج تسعة مرضى سرطان. والجدير بالذكر أن جميع العلاجات قد أُجريت باستخدام نظام العلاج بالبروتونات الحالي في المركز وسير العمل السريري المتبع.
كيوبت بروتيني للاستشعار الكمي الحيوي
صمم البروفيسور بيتر ماورر والبروفيسور ديفيد أوشالوم من كلية “بريتزكر” للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو وزملائهما بت كمومي بروتيني (كيوبت) يُمكن إنتاجه مباشرةً داخل الخلايا الحية واستخدامه كمستشعر للمجال المغناطيسي.
وفي حين أن العديد من المستشعرات الكمية الحالية تعتمد على مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) في الماس، إلا أنها كبيرة الحجم ويصعب وضعها داخل الخلايا الحية. ولذلك، استخدم الفريق بروتينات فلورية، يبلغ قطرها 3 نانومتر فقط، ويمكن للخلايا إنتاجها في الموقع المطلوب بدقة ذرية.
وتمتلك هذه البروتينات خصائص بصرية ودورانية مشابهة لتلك الخاصة بالكيوبتات القائمة على مراكز النيتروجين-الفراغ، وتحديدًا أنها تمتلك حالة ثلاثية شبه مستقرة.
وقد استخدم الباحثون نبضة ليزر قريبة من الأشعة تحت الحمراء لمعالجة بروتين فلوري أصفر ضوئيًا، وقراءة حالته الدورانية الثلاثية بتباين دوراني يصل إلى 20%. ثم قاموا بتعديل البروتين وراثيًا ليتم التعبير عنه في خلايا بكتيرية، وقاسوا الإشارات بتباين يصل إلى 8%. وأشاروا إلى أنه على الرغم من أن هذا الأداء لا يضاهي أداء مستشعرات النيتروجين-الفراغ الكمومية، إلا أنه قد يُمكّن من إجراء قياسات الرنين المغناطيسي مباشرة داخل الخلايا الحية، وهو ما لا تستطيع مراكز النيتروجين-الفراغ القيام به.
أولى الصفائح المعدنية ثنائية الأبعاد
أنتج الباحث الأكاديمي غوانغيو تشانغ والبروفيسور لوجون دو وزملاؤهما في معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم أولى الصفائح المعدنية ثنائية الأبعاد. فمنذ اكتشاف الغرافين – وهو عبارة عن صفيحة من الكربون بسماكة ذرة واحدة فقط – في عام 2004، تم تصنيع ودراسة مئات المواد ثنائية الأبعاد الأخرى.
وفي معظم هذه المواد، تفصل فجوات بين طبقات الذرات المرتبطة تساهميًا، حيث ترتبط الطبقات المتجاورة معًا فقط بتفاعلات “فان دير والس” (vdW) الضعيفة، مما يسهل نسبيًا إزالة طبقات مفردة لتكوين صفائح ثنائية الأبعاد. ومع ذلك، اعتقد الكثيرون أن تصنيع معادن رقيقة ذرية أمر مستحيل نظرًا لارتباط كل ذرة في المعدن بقوة بالذرات المحيطة بها في جميع الاتجاهات.
وتعتمد التقنية التي طورها تشانغ والبروفيسور دو وزملاؤهما على تسخين مساحيق المعادن النقية بين سندانين من طبقة أحادية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) / ياقوت “فان دير فالس”[1] (Sapphire vdW). وبمجرد انصهار مساحيق المعدن وتكوين قطرة، قام الباحثون بتطبيق ضغط مقداره 200 ميجا باسكال واستمروا في عملية الضغط هذه حتى بردت الجوانب المقابلة للسندانين إلى درجة حرارة الغرفة وتشكلت صفائح معدنية ثنائية الأبعاد.
وأنتج الفريق خمسة معادن ثنائية الأبعاد رقيقة ذرية – البزموت والقصدير والرصاص والإنديوم والغاليوم – وكان أرقها بسمك حوالي 6.3 أنغستروم[2]. ويقول الباحثون إن عملهم ليس سوى “غيض من فيض”، ويهدفون الآن إلى دراسة الفيزياء الأساسية باستخدام هذه المواد الجديدة.
التحكم الكمي في البروتونات المضادة الفردية
يعود الفضل الى تعاون الفريق التقني في تجربة تناظر الباريون المضاد للباريون (BASE) في سيرن (CERN) لكونه أول من أجرى قياسات طيفية متماسكة للدوران المغزلي على بروتون مضاد (antiproton) واحد – وهو النظير المضاد (antimatter counterpart) للبروتون. ويُعد هذا الإنجاز أدق قياس حتى الآن للخصائص المغناطيسية للبروتون المضاد، ويمكن استخدامه لاختبار النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
وتبدأ التجربة بإنتاج بروتونات مضادة عالية الطاقة في مسرع. ويجب تبريد هذه البروتونات (إبطاؤها) إلى درجات حرارة منخفضة للغاية دون أن تتلاشى. وبعد ذلك، يُحتجز بروتون مضاد واحد في مصيدة كهرومغناطيسية فائقة البرودة، حيث تعمل نبضات الميكروويف على التلاعب بحالة دورانه المغزلي.
وكانت ذروة الرنين الناتجة أضيق بـ 16 مرة من القياسات السابقة، مما أتاح قفزة نوعية في الدقة. ويفتح هذا المستوى من التحكم الكمي المجال أمام مقارنات بالغة الحساسية لخصائص المادة (البروتونات) والمادة المضادة (البروتونات المضادة). وقد تشير الاختلافات غير المتوقعة إلى فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي، وقد تكشف أيضًا عن سبب وجود كمية من المادة تفوق بكثير كمية المادة المضادة في الكون المرئي.
نظام إنذار مبكر للزلازل قائم على الهواتف الذكية
يعود الفضل الى البروفيسور ريتشارد ألين، مدير مختبر بيركلي لعلم الزلازل بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، ومهندس البرمجيات الرئيسي في غوغل مارك ستوغايتيس وزملائه من غوغل، لابتكارهم شبكة عالمية من هواتف أندرويد الذكية تعمل كنظام إنذار مبكر للزلازل. وتستخدم أنظمة الإنذار المبكر التقليدية شبكات من أجهزة الاستشعار الزلزالية التي ترصد الزلازل بسرعة في المناطق القريبة من مركز الزلزال وتصدر تحذيرات في جميع أنحاء المنطقة المتضررة. إلا أن بناء مثل هذه الشبكات الزلزالية مكلف، والعديد من المناطق المعرضة للزلازل تفتقر إليها.
وقد استخدم الباحثون مقياس التسارع في ملايين الهواتف في 98 دولة لإنشاء نظام تنبيه الزلازل من أندرويد (Android Earthquake Alert – AEA). وأدى اختبار التطبيق بين عامي 2021 و2024 إلى رصد ما معدله 312 زلزالًا شهريًا، تتراوح قوتها بين 1.9 و7.8 درجة.
وفي حالة الزلازل التي تبلغ قوتها 4.5 درجة أو أكثر، يرسل النظام تنبيهات “اتخذ إجراءً” للمستخدمين، بمعدل 60 مرة شهريًا، أي ما يعادل 18 مليون تنبيه شهريًا. كما يرسل النظام تنبيهات “كن على دراية” أقل حدة للمناطق المتوقع أن تشهد هزات أرضية بقوة 3 أو 4 درجات.
ويهدف الفريق الآن إلى إنتاج خرائط للاهتزازات الأرضية، والتي من شأنها مساعدة فرق الاستجابة للطوارئ في أعقاب وقوع الزلزال.
خريطة طقس لكوكب غازي عملاق خارج المجموعة الشمسية
ابتكرت عالمة الفيزياء الفلكية والباحثة ليزا نورتمان من جامعة غوتنغن الألمانية وزملاؤها أول خريطة جوية مفصلة لكوكب خارج المجموعة الشمسية. وتشير التوقعات إلى أن الكوكب “واسب-127بي” (WASP-127b) سيكون عاصفًا، حيث تصل سرعة الرياح فيه إلى 33,000 كم/ساعة، وهي سرعة تفوق بكثير سرعة الرياح في أي مكان آخر في المجموعة الشمسية.
ويُعدّ “واسب-127بي” كوكبًا غازيًا عملاقًا يقع على بُعد حوالي 520 سنة ضوئية من الأرض، وقد استخدم الفريق جهاز “كرايرز+” (CRIRES+) على التلسكوب الكبير جدًا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي لرصد هذا الكوكب الخارجي أثناء عبوره أمام نجمه في أقل من 7 ساعات.
وكشف التحليل الطيفي لضوء النجم الذي مرّ عبر غلاف “واسب-127بي” الجوي عن انزياحات “”دوبلر” ناتجة عن رياح استوائية تفوق سرعة الصوت. ومن خلال تحليل نطاق انزياحات “دوبلر”، أنشأ الفريق خريطة جوية تقريبية لـ “واسب-127بي”، على الرغم من عدم قدرتهم على تحديد الضوء القادم من مواقع محددة على سطح الكوكب.
وخلصت نورتمان وزملاؤها إلى أن قطبي الكوكب الخارجي أبرد من بقية أجزائه، حيث قد تتجاوز درجات الحرارة 1000 درجة مئوية. كما تم رصد بخار الماء في الغلاف الجوي، مما يُشير إلى احتمالية وجود أشكال غير مألوفة من الأمطار.
الصور الأعلى دقة التي تم التقاطها على الإطلاق لذرة واحدة
يعود الفضل إلى فريق بقيادة البروفيسور ييتشاو تشانغ من جامعة ميريلاند والبروفيسور بينشان هوانغ من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين، لنجاحهم في التقاط أعلى دقة صور على الإطلاق لذرات منفردة في مادة ما. وقد استخدم الفريق تقنية المجهر الإلكتروني المعروفة باسم التصوير البصري الإلكتروني (Electron ptychography) لتحقيق دقة تصل إلى 15 بيكومتر، أي أصغر بعشر مرات تقريبًا من حجم الذرة.
ودرسوا طبقة مزدوجة رقيقة للغاية من ثنائي سيلينيد التنجستن، تم تدويرها بالنسبة لبعضها البعض لتكوين شبكة فائقة مويريه. وتحظى هذه المواد ثنائية الأبعاد الملتوية باهتمام كبير من الفيزيائيين لأن خصائصها الإلكترونية تتغير بشكل كبير مع تغيرات طفيفة في زاوية الدوران.
وقد سمحت الدقة الاستثنائية لمجهرهم بتصوير الاهتزازات الجماعية في المادة، والتي تُسمى فازونات مويريه. وهي مشابهة للفونونات، ولكن لم يسبق رصدها مباشرة حتى الآن. وتتوافق ملاحظات الفريق مع التوقعات النظرية المتعلقة بموجات المويريه.
ومن شأن تقنية المجهر التي طوروها أن تعزز فهمنا لدور موجات المويريه وغيرها من اهتزازات الشبكة البلورية في فيزياء المواد الصلبة. وقد يُفضي ذلك إلى هندسة مواد جديدة ومفيدة.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://physicsworld.com/a/top-10-breakthroughs-of-the-year-in-physics-for-2025-revealed/
الهوامش:
[1] يشير مصطلح “ياقوت فان دير ولاس” (Sapphire vdW) إلى استخدام الياقوت (أكسيد الألومنيوم Al2O3) كركيزة لنمو طبقات “فان دير فالس” (vdW)، وهي طريقة لنمو المواد ثنائية الأبعاد مثل الغرافين أو ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية من خلال قوى ضعيفة وغير تساهمية (فان دير فالس)، مما يتيح نموًا متحكمًا فيه وموجهًا لأغشية ثنائية الأبعاد عالية الجودة للإلكترونيات. المصدر: https://www.google.com/search?q=sapphire+vdW
[2] وحدة قياس للطول تساوي 10-10 متر [عشرة من المليار من المتر]، وتُستخدم بشكل أساسي لقياس الأطوال الموجية للضوء والمسافات بين الذرات والجزيئات، نسبةً للفيزيائي السويدي أندرس جوناس أنغستروم، وتُعادل 0.1 نانومتر أو 100 بيكومتر).
