دستاوردهای فیزیکی که موفق به کسب جایزه نوبل نشدند

از بیش از صد سال پیش، جایزه نوبل فیزیک به اکتشافات و نظریه‌هایی اعطا می‌شود که به طرز چشمگیری زاویه دید ما نسبت به جهان را تغییر داده‌اند؛ از الکترون و مکانیک کوانتومی گرفته تا امواج گرانشی و مدل‌های اقلیمی. با این حال، تمامی مفاهیم قابل توجه در علم فیزیک موفق به کسب این جایزه نشده‌اند. بسیاری از ایده‌هایی که امروزه پایه‌گذار فیزیک مدرن محسوب می‌شوند، هیچ‌گاه به‌طور مستقیم نامزد دریافت این جایزه نبودند.

به‌علاوه، عدم حصول این ایده‌ها به نوبل به معنای کم‌اهمیتی آن‌ها نیست. تعیین برنده جایزه همواره کار ساده‌ای نبوده است؛ گاهی اوقات دانشمند مسئول قبل از آنکه تأثیر کارش به‌طور کامل درک شود، از دنیا رفت و در موارد دیگر، وضعیت علمی و سیاسی وقت بر انتخاب کمیته نوبل تأثیر گذاشت.

مایکل نورمن، فیزیک‌دان ماده چگال در آزمایشگاه ملی آرگون، معتقد است که تعداد این موارد بیشتر از چند نمونه شناخته شده است: «مسلماً می‌توان صدها مورد مشابه را نام برد.»

فهرست زیر که به نقل از مجله ساینس ارائه شده، به پنج دستاورد مهم اشاره می‌کند که امروزه بستری برای فیزیک مدرن به‌شمار می‌روند و هرگز به‌طور مستقیم جایزه نوبل دریافت نکرده‌اند.

در سال ۲۰۰۹، در آزمایشگاه شتاب‌دهنده SLAC واقع در ایالات متحده، یک منبع جدید پرتو ایکس راه‌اندازی شد که درخشش آن تقریباً یک میلیارد برابر درخشان‌تر از نمونه‌های قبلی بود. این دستگاه‌ها به پژوهشگران اجازه می‌دهند که تغییرات سریع در ساختارهای اتمی و مولکولی را به‌دقت بررسی کنند.

تکنولوژی بنیادین این تجهیزات، لیزر الکترون آزاد یا Free-Electron Laser است؛ مفهومی که جان مدی، فیزیک‌دان دانشگاه استنفورد، در دهه ۱۹۷۰ آن را توسعه داده است.

در لیزرهای استاندارد، یک ماده خاص بین دو آینه قرار داده می‌شود و با تحریک آن، فوتون‌های بیشتری تولید می‌گردد. بازتاب مکرر نور میان آینه‌ها منجر به تقویت آن و تولید پرتوی لیزر می‌شود.

لیزر الکترون آزاد دارای مکانیسم متفاوتی است. در این روش، گروهی از الکترون‌های پرانرژی از میان الگویی از آهنرباها عبور می‌کنند. میدان مغناطیسی آن‌ها را وادار به نوسان کرده و باعث گسیل نور می‌شود. در ادامه، تعامل بین نور و الکترون‌ها باعث هم‌راستایی تابش آن‌ها و ایجاد پرتوی بسیار قوی می‌شود.

نسخه اولیه مدی در محدوده فرکانس‌های مایکروویو عمل می‌کرد، در حالی که نسل‌های جدید این فناوری می‌توانند پالس‌های قدرتمند پرتو ایکس تولید کنند که طول برخی از آن‌ها کمتر از یک فمتوثانیه است. یک فمتوثانیه معادل یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه است.

این پالس‌های کوتاه به محققان اجازه می‌دهند فرآیندهایی را مورد بررسی قرار دهند که در سطح حرکت اتم‌ها و مولکول‌ها در حال وقوع هستند. لیندا یانگ، فیزیک‌دان اتمی در دانشگاه شیکاگو، بیان می‌کند که این ابزارها در عمل امکان «فیلم‌برداری» از حرکت مولکولی را فراهم کرده‌اند.

به گفته ویلیام فاولی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، کمیته نوبل در دهه ۲۰۱۰ به این فناوری توجه کرد. او معتقد است که اگر قرار بود جایزه‌ای به لیزر الکترون آزاد اهدا شود، جان مدی بی‌تردید یکی از گزینه‌های شایسته محسوب می‌شد.

مشکل این بود که توسعه این فناوری به همکاری چندین دانشمند وابسته بود. برای نمونه، کلودیو پلگرینی و گروهی دیگر در گسترش این فناوری به طول موج پرتو ایکس سهم قابل توجهی داشتند. از آنجا که جایزه نوبل در نهایت فقط به سه نفر تعلق می‌گیرد، انتخاب برندگان دشوار می‌شد.

مدی در سال ۲۰۱۶ درگذشت و از آنجا که نوبل به افراد درگذشته تعلق نمی‌گیرد، فرصتی برای او جهت دریافت این جایزه وجود ندارد.

جایزه نوبل بارها به کشفیات ذرات بنیادی تعلق گرفته است، اما یکی از مهم‌ترین آن‌ها، یعنی گلوئون، هیچ‌گاه به‌طور مستقل نامزدی برای نوبل نداشته است.

گلوئون به‌عنوان حامل «نیروی هسته‌ای قوی» شناخته می‌شود که کوارک‌ها را کنار هم نگه می‌دارد. پروتون و نوترون هرکدام از سه کوارک تشکیل یافته و نبود گلوئون‌ها می‌تواند این ساختار را ناپایدار کند.

برخلاف برخی دیگر ذرات، نمی‌توان گلوئون را به‌طور آزاد و مستقل از سایر ذرات مشاهده کرد. کوارک‌ها و گلوئون‌ها چنان به‌شدت با یکدیگر تعامل دارند که همواره در درون ذرات مرکب باقی می‌مانند. لذا، فیزیک‌دانان ناچار شدند وجود گلوئون را از طریق آثار غیرمستقیم آن شناسایی کنند.

این رویداد در شتاب‌دهنده PETRA در مرکز تحقیقاتی DESY آلمان اتفاق افتاد. پژوهشگران الکترون‌ها و پوزیترون‌ها، که پادذره الکترون هستند، را به هم برخورد می‌دادند. این نوع برخوردها معمولاً منجر به تولید یک کوارک و یک پادکوارک می‌شود که هر یک جت‌هایی از ذرات را ایجاد می‌کنند.

در برخی از این برخوردها، یکی از کوارک‌ها یک گلوئون تابش می‌کند و نتیجه آن دیدن سه جت به‌جای دو جت در آشکارساز است. این الگوی سه‌جتی به‌عنوان یکی از شواهد معتبر وجود گلوئون شناخته شده است.

این نشانه از سال ۱۹۷۹ در چندین آشکارساز PETRA مشاهده شده است. ساو لان وو، فیزیک‌دان ذرات، ازجمله پژوهشگرانی بود که اهمیت این نتیجه را به‌سرعت دریافت کرد. جان الیس، نظریه‌پرداز بریتانیایی، نیز قبلاً پیش‌بینی کرده بود که گلوئون باید چنین الگوهایی تولید کند.

مایکل ریوردان، فیزیک‌دان و مورخ علم، بر این باور است که کشف گلوئون به‌طور کامل در سطح جوایز نوبل بوده است. مشکل این بار هم به همان مسئله مرسوم برمی‌گردد: تعداد زیادی از دانشمندان در این کشف سهم داشتند و انتخاب سه برنده از گروه‌های مختلف کار ساده‌ای نبوده است.

بر اساس اظهارات ریوردان، اکنون امکان اعطای نوبل برای این کشف چندان بالا نیست، زیرا بیش از چهار دهه از اولین مشاهده تجربی گلوئون سپری شده است.

فیزیک ماده چگال، شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی رفتار مواد جامد و مایع می‌پردازد. بیشتر تکنولوژی‌های مدرن، از ترانزیستور و تراشه گرفته تا ابررساناها، به‌طور مستقیم به این علم وابسته‌اند. با این حال، دو مفهوم اساسی این حوزه، یعنی «فونون» و «الکترون بلوخ»، هرگز به‌طور مستقیم نوبل نگرفته‌اند.

در یک بلور، اتم‌ها یا یون‌ها در ساختار منظمی و تکراری کنار هم چیده شده‌اند. این ساختار ثابت و ساکن نیست و ذرات به‌صورت مداوم نوسان می‌کنند. در جنبه مکانیک کوانتومی، می‌توان این نوسان‌های جمعی را به‌عنوان واحدهای انرژی که «فونون» نامیده می‌شوند، توصیف کرد. فونون به‌عنوان ذره واقعی مانند الکترون وجود ندارد بلکه می‌توان آن را به‌عنوان روشی برای توصیف کوانتومی ارتعاشات شبکه بلوری در نظر گرفت.

ایگور تام، فیزیک‌دان روس، نظریه این ارتعاشات کوانتیده را در سال ۱۹۳۰ تشریح کرد. یک سال قبل، فلیکس بلوخ، فیزیک‌دان سوئیسی، رفتار الکترون‌ها در بلور را توضیح داده بود. به‌واسطه ساختار منظم بلور، رفتار کوانتومی الکترون‌ها شکل خاصی به خود می‌گیرد که امروز به‌عنوان «حالت‌ها یا امواج بلوخ» شناخته می‌شود.

این دو مفهوم برای تبیین بسیاری از ویژگی‌های مواد ضروری هستند. به‌عنوان مثال، اگر شبکه بلوری یک فلز کاملاً بدون نقص و بدون لرزش بود، الکترون‌ها قادر بودند بدون هیچ مانعی در آن حرکت کنند. اما ارتعاشات شبکه یا همان فونون‌ها، حرکت الکترون‌ها را مختل می‌کنند و یکی از عوامل ایجاد مقاومت الکتریکی به‌شمار می‌روند.

در دماهای پایین، فونون‌ها می‌توانند به‌طور غیرمستقیم دو الکترون را به یکدیگر متصل کنند. تشکیل این جفت‌ها کلیدی برای توضیح پدیده ابررسانایی در بسیاری از فلزات ساده است.

بلوخ و تام هر دو بعدها برای کارهای دیگر خود برنده نوبل شدند. بلوخ در سال ۱۹۵۲ برای پژوهش‌هایش در زمینه تشدید مغناطیسی هسته‌ای جایزه‌اش را دریافت کرد و تام نیز در سال ۱۹۵۸ برای کارش در ارتباط با تابش چرنکوف به این افتخار نائل شد.

از جمله دلایل ممکن برای نادیده‌گرفتن این مفاهیم می‌توان به این موضوع اشاره کرد که هر دو دانشمند در حوزه‌های مختلفی فعالیت داشته و کارهای متعدد آن‌ها موجب تقسیم توجه بین موضوعات گوناگون شده است. دلیل دیگری که ممکن است مؤثر باشد، شیوه تاریخی نگریستن به علم فیزیک است. فیزیک حالت جامد برای مدتی نسبت به فیزیک ذرات یا نظریه‌های بنیادی، به‌عنوان شاخه‌ای کم‌اهمیت‌تر تلقی می‌شد؛ هرچند که بعداً اساس بسیاری از فناوری‌های قرن بیستم گشت.

مکانیک کوانتومی اظهار می‌دارد برخی از اندازه‌گیری‌ها پیش از انجام آزمایش الزاماً مقدار مشخصی نخواهند داشت. برای مثال، یک الکترون می‌تواند در عین حال ترکیبی از چند حالت اسپینی باشد، اما زمانی که اسپین آن را اندازه‌گیری می‌کنیم، تنها یکی از حالت‌های ممکن ثبت می‌شود.

اینشتین با این دیدگاه مشکل داشت. او و برخی فیزیک‌دانان معتقد بودند شاید اطلاعات پنهانی درون ذرات وجود دارد که می‌تواند نتایج اندازه‌گیری را از پیش تعیین کند و ما فقط به این اطلاعات دسترسی نداریم. این نظریه به «متغیرهای پنهان» شناخته می‌شود.

جان بل در ۱۹۶۴ راهی برای آزمودن این مسأله پیدا کرد. او از پدیده «درهم‌تنیدگی کوانتومی» استفاده کرد. در این موقعیت، وضعیت دو ذره به‌طور متصل به یکدیگر می‌شود به‌‌گونه‌ای که رفتار هر یک به‌طور مستقل قابل توصیف نیست.

بل نشان داد اگر نتایج اندازه‌گیری‌ها واقعاً به وسیله متغیرهای پنهان محلی از قبل تعیین شده باشند، هم‌بستگی میان نتایج دو ذره نمی‌تواند از حد مشخصی فراتر رود. این محدودیت امروزه به‌عنوان «نامساوی بل» شناخته می‌شود.

با این حال، مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کرد که در شرایط خاص، این حد ممکن است نقض شود. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، جان کلاوزر و آلن اسپکت آزمایش‌هایی انجام دادند که هم‌بستگی‌های پیش‌بینی شده توسط مکانیک کوانتومی را تأیید کردند. آزمایش‌های بعدی نیز این نتایج را با دقت بالاتری مورد تأکید قرار دادند.

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

کریستوفر فوکس، فیزیک‌دان نظری، اهمیت قضیه بل را فراتر از سطح معمول یک نوبل می‌داند. با این وجود، در زمان حیات بل برای دهه‌ها این حوزه به شدت تخصصی بود و فقط تعداد کمی از فیزیک‌دانان به آن پرداخته بودند.

امروز آزمایشات مبتنی بر قضیه بل حتی برای کاوش عملکرد واقعی سیستم‌های کوانتومی و برخی فناوری‌های ارتباطی و محاسباتی کوانتومی کاربرد دارند.

شاید غیبت عجیب‌ترین مفهوم در تاریخ نوبل فیزیک مربوط به خود نظریه نسبیت باشد. نسبیت به‌عنوان یکی از دو ستون اصلی فیزیک مدرن در کنار مکانیک کوانتومی، هرگز به‌طور مستقیم نوبل نگرفته است.

تا آغاز قرن بیستم، فضا و زمان معمولاً به‌عنوان دو واقعیت مستقل در نظر گرفته می‌شدند. فضا به‌عنوان صحنه‌ای ثابت در نظر گرفته می‌شد که اجسام درون آن حرکت می‌کردند و زمان نیز به‌صورت یکسان برای همه ناظران طی می‌شد.

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

یکی از نتایج این اصل این بود که فاصله و زمان برای همه افراد یکسان نیست. دو ناظری که با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کنند ممکن است در مورد فاصله‌های بین دو رویداد یا زمان گذشت آن‌ها به پاسخ‌های متفاوتی دست یابند. در این راستا، فضا و زمان دو پدیده مستقل نیستند، بلکه جزئی از یک ساختار واحد به نام «فضازمان» به شمار می‌آیند.

اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام را مطرح کرد و توضیح داد که گرانش می‌تواند به‌عنوان نتیجة انحراف فضازمان ناشی از جرم و انرژی در نظر گرفته شود. به‌عنوان مثال، خورشید فضازمان اطراف خود را منحنی کرده و حرکت زمین در این هندسه خمیده، حرکتی است که ما به صورت چرخش زمین به دور خورشید مشاهده می‌کنیم.

امروزه، نظریه نسبیت عام به‌عنوان یکی از دقیق‌ترین نظریه‌های علمی شناخته می‌شود و پیش‌بینی‌های آن از انحراف نور در میدان گرانشی تا وجود امواج گرانشی به طور مکرر آزمایش شده است. اما در سال‌های ابتدایی، اعضای کمیته نوبل در مورد شواهد تجربی این نظریه تردید داشتند. برخی از آن‌ها حتی نسبیت را بیشتر به‌عنوان یک «باور» نظری می‌دیدند تا یک نظریه که به اندازه کافی در آزمایش‌ها ثابت شده باشد.

اینشتین سرانجام در سال ۱۹۲۱ برنده جایزه نوبل شد، اما نه به خاطر نظریه نسبیت. جایزه وی به دلیل توضیحاتش درباره اثر فوتوالکتریک تعلق گرفت؛ پدیده‌ای که در آن نور می‌تواند ذرات الکترون را از ماده خارج کند. متن دیپلم نوبل نیز نشان می‌داد که کمیته هنوز تردیدهایی در مورد نسبیت دارد و تأکید می‌کرد که جایزه بدون در نظر گرفتن ارزیابی آینده نظریه نسبیت و گرانش اهدا می‌شود.

همچنین، افراد دیگری که در شکل‌گیری نظریه نسبیت نقش کلیدی داشتند نیز هرگز نوبل را دریافت نکردند. یکی از مهم‌ترین آن‌ها هرمان مینکوفسکی، ریاضیدان آلمانی است که نشان داد که می‌توان نظریه نسبیت خاص را به‌صورت هندسی و در قالب فضازمان چهاربعدی توصیف کرد. اینشتین در ابتدا چندان به این ایده توجه نکرد، اما همین چارچوب در نهایت برای ایجاد نظریه نسبیت عام ضروری شد. مینکوفسکی در سال ۱۹۰۹، در سن ۴۴ سالگی و سال‌ها قبل از اینکه اهمیت نهایی مفهوم فضازمان روشن شود، درگذشت.