Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд

Столкновение нейтронных звёзд. Иллюстрация: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Завершённый туннель ускорителя. Фото: European XFEL / Heiner Muller-Elsner.

Компактный нейтринный детектор, который сжимает в руках физик Бьёрн Шольц, по форме и размеру напоминает обычную бутылку. Фото: Juan Collar/uchicago.edu.

Планеты системы TRAPPIST-1 в сравнении с планетами Солнечной системы. Иллюстрация: NASA/JPL-Caltech.

Снимок колец Сатурна, полученный с помощью аппарата «Кассини». Фото: Space Science Institute/JPL-Caltech/NASA.

Самым значимым открытием 2017 года стала первая в истории регистрация гравитационных волн от слияния двух нейтронных звёзд. Астрономам впервые удалось одновременно зафиксировать возникшие при слиянии гамма-вспышки, а затем найти и исследовать место, где произошла космическая катастрофа, - в 100 миллионах световых лет от Земли.

Обнаружили гравитационные волны 17 августа гравитационно-волновые детекторы LIGO (США) и Virgo (Франция, Италия), а спустя пару секунд космические обсерватории «Интеграл» (ЕКА) и «Ферми» (НАСА) зафиксировали короткие гамма-вспышки. К поиску источника сигнала подключились наземные и космические обсерватории, которые затем в течение нескольких десятков дней следили за постепенно гаснущим остатком «взрыва». В работе приняли участие и российские исследователи из ИКИ РАН, ГАИШ МГУ и ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

Это открытие имеет отношение сразу к нескольким проблемам астрофизики. В первую очередь - к вопросу о происхождении мощных гамма-лучевых всплесков, которые испускают за доли секунды энергии больше, чем Солнце за миллиарды лет.

Астрофизики давно предполагали, что источником всплесков может быть слияние двух нейтронных звёзд, но теперь они получили экспериментальное доказательство справедливости разработанной теории. В результате столкновения звёзд одновременно с гамма-всплеском часть звёздного вещества с большой скоростью выбрасывается в окружающий космос. Это явление, открытое в 2013 году, получило название килоновой. Затем радиоактивные элементы из образовавшегося облака распадаются на стабильные, порождая его излучение. Астрономы обнаружили в облаке большое количество тяжёлых элементов, таких как золото и платина, что позволяет считать слияния звёзд настоящими галактическими фабриками тяжёлых элементов, отсутствовавших в молодой Вселенной.

Квантовый компьютер в 53 кубита

Квантовые компьютеры, с которыми связаны большие ожидания, пока не созданы, но в 2017 году сделаны важные шаги на пути к воплощению этой идеи в жизнь. Квантовые вычислительные устройства работают с кубитами - объектами, хранящими наименьший элемент информации, аналогами бита в обычном компьютере. Количество кубитов определяет возможности квантового компьютера.

В ноябре в журнале «Nature» опубликованы статьи, посвящённые моделированию квантовых систем с помощью квантовых компьютеров из 51 и 53 кубитов. До этого подобные универсальные устройства были ограничены 20 кубитами. Увеличение количества кубитов в 2,5 раза многократно повысило возможности вычислителей. 51-кубитный квантовый компьютер создан под руководством Михаила Лукина, работающего в Российском квантовом центре и Гарвардском университете. 28 июля года такое устройство было представлено на Международной конференции по квантовым технологиям в Москве.

Стабильный металлический водород

В январе физики из Гарварда сообщили, что они впервые в истории получили небольшое количество стабильного металлического водорода. Образец имел размеры 1,5 х 10 мкм. Теоретически существование металлического водорода при больших давлениях было предсказано в 1935 году. В природе такие условия реализуются в недрах звёзд и планет-гигантов. С 1996 года его несколько раз получали ударным сжатием, но существовал водород в таком состоянии очень короткое время.

Для получения стабильного металлического водорода команда из Гарварда использовала установку, где алмазные наковальни развивали давление 495 гигапаскалей, что примерно в пять миллионов раз больше нормального атмосферного давления.

Помимо чисто научной ценности у этого экзотического материала может найтись и практическое применение - он обладает высокотемпературной сверхпроводимостью (в данном случае она наступала при -58 о С).

Рентгеновский лазер на свободных электронах начал работу

1 сентября состоялась официальная церемония открытия самого крупного в мире Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (x-ray free electron laser), в создании которого принимала участие и Россия. На самом деле лазером, то есть источником оптического излучения определённого вида, эта установка не является. В ней рентгеновское излучение, аналогичное по свойствам лазерному, создаёт пучок электронов, разогнанный до скоростей, близких к скорости света. В XFEL для этого используется самый большой в мире сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. Ускоренные электроны попадают в ондулятор - устройство, создающее в пространстве периодически изменяющееся магнитное поле. Двигаясь в нём по зигзагообразной траектории, электроны излучают в рентгеновском диапазоне. Новая уникальная установка будет генерировать ультракороткие рентгеновские вспышки с рекордной частотой - 27 000 раз в секунду, а её пиковая яркость ожидается в миллиард раз выше существующих источников рентгеновского излучения.

Более 60 научных коллективов уже подали заявки на проведение экспериментов. С помощью рекордно ярких и очень коротких рентгеновских импульсов исследователи смогут увидеть не только расположение атомов в молекулах, но и происходящие там процессы. Это позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицины. Например, при создании новых лекарств специалисты, зная точное расположение атомов в молекулах белков, смогут подобрать вещества, которые будут блокировать или, наоборот, стимулировать их работу. Знание же структуры кристаллов позволит разрабатывать материалы с заданными свойствами.

Регистрация нейтрино по упругому отскоку

В сентябре 2017 года большой международный коллектив физиков, в том числе и из России, сообщил об открытии упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах вещества. Это явление предсказал в 1974 году теоретик из Массачусетского технологического института Даниэль Фридман. Нейтрино - неуловимая частица, и для её поимки исследователи строят огромные установки, содержащие десятки тысяч тонн воды. Фридман выяснил, что из-за волновых свойств нейтрино будет согласованно взаимодействовать со всеми протонами и нейтронами ядра, что значительно повысит число рассматриваемых взаимодействий - отскоков нейтрино от ядра. За 461 день исследователи наблюдали 134 таких события.

Это открытие не заставит переписывать учебники. Его значение заключается в создании экспериментаторами детектора небольшого размера, в котором находится всего лишь 14,6 кг кристаллов иодида цезия. Малые переносные нейтринные детекторы найдут разнообразные применения, например для мониторинга ядерных реакторов. К сожалению, они не смогут заменить детекторы-гиганты во всех экспериментах, поскольку детектор, основанный на когерентном рассеянии, не способен различать типы нейтрино.

Темпоральный кристалл - два варианта

В марте две команды исследователей из США сообщили об обнаружении нового состояния материи, получившего название кристалла времени - темпорального кристалла (см. «Наука и жизнь» № 6, 2017 г., ). Это новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Подобные кристаллы представляют собой вечно движущиеся структуры частиц, сами по себе повторяющиеся во времени. Одна группа использовала цепочку атомов иттербия, в которой под действием лазеров колебалась проекция магнитного момента системы. Другая рассматривала кристалл, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения. Работы вызвали дискуссию: можно ли считать подобные системы темпоральными кристаллами. Ведь теоретически системы должны колебаться без внешнего воздействия. Но в любом случае такие темпоральные кристаллы найдут применение в роли суперточных сенсоров, например для измерения малейших изменений температуры и магнитных полей.

Экзопланеты, похожие на землю

В последние годы астрономы обнаружили много экзопланет - планет, обращающихся вокруг других звёзд. Однако находки землеподобных планет в зоне, где может существовать жидкая вода, а значит, и жизнь (зона обитаемости), не так уж и часты. В феврале астрономы НАСА объявили об открытии в системе красного карлика TRAPPIST-1 семи экзопланет (три планеты найдены ещё в 2016 году), из которых пять близки по размеру к Земле, а две несколько меньше Земли, но крупнее Марса. Это больше, чем в какой-либо другой системе. По крайней мере три планеты, а возможно и все, находятся в зоне обитаемости.

TRAPPIST-1 - ультрахолодная, с температурой около 2500 К, карликовая звезда массой всего лишь 8% массы Солнца (то есть чуть больше планеты Юпитер), расположенная примерно в 40 световых годах от Земли. Планеты находятся очень близко к звезде, а орбита самой дальней из них намного меньше орбиты Меркурия. В августе астрономы, использующие космический телескоп Хаббл, сообщили о первых намёках на содержание воды в системе TRAPPIST-1, что делает возможным существование там жизни.

В апреле астрономы сообщили об открытии каменистой планеты по размеру в 1,4 раза больше Земли в зоне обитаемости другого красного карлика - LHS 1140. Света она получает в два раза меньше, чем Земля. Авторы открытия считают её хорошим кандидатом для поиска внеземной жизни.

В декабре американские астрономы сообщили об открытии восьмой планеты в системе звезды Кеплер-90, расположенной на расстоянии около 2500 световых лет от Земли. Эта система по числу планет наиболее близка к Солнечной системе. Правда, найденная планета располагается слишком близко к звезде, и температура на её поверхности более 400оС. Интересно, что планета была найдена при обработке данных телескопа Кеплер с помощью нейронной сети.

Завершение миссии «Кассини»

15 сентября падением на поверхность Сатурна завершилась 13-летняя миссия космического зонда «Кассини». Запущенный в 1997 году, он с 2004 года исследовал седьмую планету, передав на Землю огромное число данных и уникальных фотографий. Последний этап его жизни - «Большой финал» начался 26 апреля 2017 года. «Кассини» совершил 22 пролёта между планетой и внутренним кольцом. Такие глубокие «нырки» дали много новой информации, в частности об электрической и химической связи ионосферы Сатурна с кольцами.

На основании данных зонда в 2017 году астрономы пришли к выводу, что кольца Сатурна значительно моложе планеты, которой около 4,5 млрд лет. Возраст колец оценили в 100 млн лет, так что они современники динозавров.

Исследователи решили «уронить» зонд на планету, чтобы он случайно не занёс земные бактерии на спутники Сатурна Титан и Энцелад, где, возможно, имеются местные микроорганизмы.

Кварковый термояд

В ноябре в журнале «Nature» появилась статья, в которой два физика, из США и Израиля, теоретически предположили возможность протекания на кварковом уровне реакции, аналогичной термоядерной, но со значительно большим выделением энергии. Как известно, при термоядерной реакции лёгкие элементы сливаются с выделением энергии. Подобная реакция может происходить и при столкновении элементарных частиц, которые, по современным представлениям, состоят из кварков. В этом случае кварки столкнувшихся частиц будут взаимодействовать и перегруппировываться. В результате появится новая частица с другой энергией связи кварков и выделится энергия.

Исследователи указали две возможные реакции. В первой из них при слиянии двух очарованных кварков будет выделяться энергия 12 МэВ. При слиянии же двух нижних кварков должно выделяться 138 МэВ, что почти в восемь раз больше, чем в отдельном слиянии дейтерия и трития в термоядерной реакции (18 МэВ). Практическое применение этих предположений пока не рассматривается в силу малости жизни кварков.

Экситоны удалось сконденсировать

В декабре команда физиков из США, Великобритании и Нидерландов объявила об открытии новой формы материи, которую они назвали экситоний. Квазичастица экситон - особое возбуждённое состояние кристалла, которое можно представить как соединение электрона и дырки, похожее на атом водорода, - была предсказана в 1931 году советским физиком Яковом Ильичём Френкелем.

Экситон относится к бозонам, частицам с целым спином, а при достаточно низкой температуре система бозонов переходит в особое состояние, называемое конденсатом, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии и ведут себя как одна большая квантовая волна. Благодаря этому бозе-жидкость становится сверхтекучей или сверхпроводящей. Исследователям удалось обнаружить бозе-конденсат экситонов в кристаллах 1T-TiSe 2 .

Открытие важно для дальнейшего развития квантовой механики, а на практике, возможно, найдёт применение сверхпроводимость и сверхтекучесть экситония.

Читайте самые свежие новости России и мира в рубрике Все новости на Newsland, участвуйте в дискуссиях, получайте актуальную и достоверную информацию по теме Все новости на Newsland.

23:30 27.06.2019

Лагранжев формализм. Обобщённые координаты. Часть 1

Здравствуйте, дорогие товарищи! Перед вами 5-й выпуск из цикла диамат, истмат и физмат. Сегодня, пожалуй, будет преобладать третья составляющая. И пожалуй, мне следует заранее извиниться перед лириками, что физики, быть может, будет многовато, а перед физиками что изложена она будет чресчур вольно. И всё же В современные т. н. популярные издания из теоретической физики просачиваются, как правило, исключительно вульгарные интерпретации её положений, не приближающие читателя или зрителя к их пониманию, а создающие у него лишь некую иллюзию

14:35 30.05.2019

«Открытие года» сделали ученые из Питера: это физическое явление изменит всё

В конце прошлого года группа профессоров Санкт-Петербургского горного университета и Физико-Энергетического института (Обнинск) сделала невероятное открытие, которое не смогли не оценить в мире. Их работа длилась с 2010 года, а результаты вполне заслуженно получили статус открытия года. Новое физическое явление позволит повысить эффективность управления межконтинентальными баллистическими ракетами, создать новые автономные ядерные установки и даже создать космические корабли, способные летать в экстремальных условиях далекого космоса.

18:08 25.02.2019

Сохранение и превращения

Как положено в точных науках, вначале будет немного сухой теории. А затем мы увидим, как эта теория проявляется на практике и как эта самая практика привела замечательных людей к замечательной теории. Также мы поговорим о том, как в головах некоторых других учёных людей от научных открытий то материя исчезает, оставляя лишь одни уравнения, то причинность рушится, расчищая дорогу божественному чуду. А ещё мы поговорим о переходе количества в качество, о потенциальных барьерах и разветвлённых цепных реакциях и одну такую реакцию даже увидим (то

20:59 31.10.2018

Астрономы показали, как выглядит черная дыра в центре Млечного Пути

С помощью сверхчувствительного приемника ESO GRAVITY сотрудники Очень большого телескопа (VLT) смогли впервые наблюдать очень близко к точке невозврата вещество, обращающееся вокруг черной дыры. Она расположена в самом сердце нашей галактики Млечный Путь, обладает массой в четыре миллиона солнечных масс, а скопление газа вокруг нее вращается на скорости 30% световой. Европейские ученые наблюдали вспышки инфракрасного излучения на границах массивного объекта Стрелец А*. Это наблюдение стало подтверждением того, что объект в центре галактики

04:13 01.06.2018

Огненная вода. Новая форма бутылки для минералки может вызвать пожар

К Чемпионату мира по футболу (ЧМ-2018) выпустили бутылку воды в форме футбольного мяча. Но в красивый маркетинговый ход вмешались законы физики: оказалось, это почти идеальная линза, и в одном из офисов Санкт-Петербурга такая бутылка едва не стала причиной пожара. Мало кто знает, что пожароопасна вообще любая прозрачная тара - и стеклянная и даже пластиковая. Иногда причинами лесных пожаров становились даже не брошенные окурки или незатушенные костры, а именно забытые в лесу бутылки или их осколки - проходящий солнечный свет фокусировался

12:39 26.04.2018

Что такое "бинарная механика"?

Речь о механике, которая обходится двумя размерностями: килограмм и метр. Причем в этой механике нет секунд. Постулаты бинарной механики. Во-первых, все тела во Вселенной пребывают в постоянном изменении Во-вторых, изменению одного тела соответствует изменение других тел. В-третьих, количество изменений данного тела может быть соотнесено с количеством изменений других тел (эталонных тел). Под эталонным телом понимается тело, изменения которого носят цикличный характер. Причем речь идет, как об изменении характеристик тел, так и расположении

15:26 21.03.2018

Последняя теория Стивена Хокинга позволит доказать существование параллельных вселенных

Перед смертью великий ученый в группе с коллегами несколько лет разрабатывал свою финальную теорию. Сейчас она проходит рассмотрение в одном из научных журналов, и будет опубликована после проверки. Эта теория должна показать, какими характеристиками должен обладать наш мир, если он является частью мультивселенной. Коллеги Хокинга говорят, что эта работа принесла бы ему Нобелевскую премию, которую он так и не получил при жизни. Теория называется A Smooth Exit from Eternal Inflation (Плавный выход из вечной инфляции). Ученые, помогавшие

15:54 22.02.2018

Россия запустит на орбиту стеклянные спутники

4 мая 1976 года NASA отправило на орбиту очень необычный спутник под названием LAGEOS (LAser GEOdynamics Satellite, на фото). У него на борту не было никакой электроники, двигателей и источников питания. Фактически, это просто латунный шар диаметром 60 см и массой 407 кг с алюминиевым покрытием. На шаре равномерно расположены 426 уголковых отражателей, из которых 422 заполнены плавленым кварцем, а 4 выполнены из германия (для инфракрасного излучения). Спутник вышел на орбиту 5860 км, где и будет вращаться ближайшие 8,4 миллиона лет, храня

13:49 19.12.2017

Позор, что похуже допинга: Россию подозревают в махинациях на Олимпиаде по физике

Если подозрения подтвердятся, российских школьников лишат первого места Организация IPhO, которая проводит международные олимпиады по физике, объявила о сомнениях в результате российской сборной, в 2017 году занявшей первое по числу наград место в личном и командном зачётах, - сообщает ИА Панорама. Иными словами, речь идет о том, что вместо школьников в олимпиаде приняли участие студенты вузов. Представитель IPhO заявил, что у организации появился ценный информатор из Москвы, который готов предоставить информацию о махинациях российской

18:33 14.12.2017

Физик Брайан Кокс о космических колониях и будущем человеческой расы

Профессор полагает, что в ближайшие 10 20 лет мы станем космической цивилизацией и тем самым гарантируем своё будущее, если не сделаем ничего глупого, например, не начнём войну в Тихом океане Профессор Брайан Кокс возлагает большие надежды на будущее человечества. По мнению британского учёного, решение многие наших земных проблем лежит в космосе, где есть неиспользованные ресурсы, способные удовлетворить всё возрастающие потребности человеческого рода. Это, конечно, пока мы сможем удерживать нашу тенденцию к глупости. Если мы сможем избежать

12:02 11.12.2017

Физики впервые получили состояние вещества, предсказанное почти 50 лет назад

Неуловимый экситоний, существование которого не удавалось экспериментально доказать почти полвека, наконец показал себя исследователям. Об этом сообщается в статье, которую научная группа во главе с Питером Аббамонте (Peter Abbamonte) опубликовала в журнале Science. Ранее описывалось что такое квазичастицы вообще и так называемые дырки в частности. Напомним об этом в двух словах. Движение электронов в полупроводнике удобно описывать, используя понятие дырки места, в котором не хватает электрона. Дырка, разумеется, не является частицей, такой

19:08 19.10.2017

Зарегистрированы гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд

Европейская Южная Обсерватория (ESO) сообщает о том, что впервые в истории астрономы наблюдали гравитационные волны и свет (электромагнитное излучение), порождённые одним и тем же космическим событием. Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности, а также другими теориями гравитации. Это изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Сообщается, что 17 августа 2017 года впервые наблюдались гравитационно-волновой и электромагнитный сигналы, рождённые во время слияния двух нейтронных звёзд. Эту

13:38 03.10.2017

Объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике

Американские учёные Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш получили Нобелевскую премию по физике за 2017 год. Учёные основали лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию LIGO, что сделало возможным экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Ранее стали известны лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине. Награда была вручена американским учёным Джеффри Холлу, Майклу Розбашу и Майклу Янгу за изучение клеточных часов.

08:11 12.09.2017

В Китае создали двигатель, нарушающий законы физики

Китайские специалисты разработали рабочий образец EmDrive, действие которого невозможно объяснить в рамках законов сохранения, сообщает Daily Mail со ссылкой на телеканал CCTV-2. Технические подробности изобретения не приводятся. Однако в ролике об изобретении говорится, что двигатель в ближайшее время будет испытан в космосе. EmDrive представляет собой устройство из магнетрона, генерирующего микроволны, и резонатора, накапливающего энергию их колебаний. При этом создается тяга, которую невозможно объяснить законом сохранения энергии. Как

12:55 07.06.2017

Разработан углеродный спиновый транзистор

Физик Джозеф Фридман вместе с коллегами из Техасского университета в Далласе разработал принципиально новую вычислительную систему, созданную исключительно из углерода, которая сможет заменить современные кремниевые транзисторы и созданные на их основе компьютеры. Современная электроника работает на кремниевых транзисторах, в которых отрицательно заряженные электроны формируют электрический ток. Помимо переноса заряда электроны обладают другим свойством спином, который в последнее время привлекает внимание ученых и может стать основой нового

14:24 13.05.2017

Астрономы открыли целый "выводок" черных дыр, нарушающих законы физики

Астрономы открыли три сверхмассивных черных дыры в ранней Вселенной, ставших в миллиард раз тяжелее Солнца всего за сто тысяч лет, что является невозможным с точки зрения современных астрономических теорий, говорится в статье, опубликованной в Astrophysical Journal. Квазар 3C 273 в представлении художника ESO/M. Kornmesser Ни одна текущая теоретическая модель не может объяснить существование этих объектов. Их обнаружение в ранней Вселенной ставит под сомнение текущие теории формирования черных дыр, и теперь нам придется создать новые

Когда разговор заходит о космических тросовых системах, обычно вспоминают космические лифты и другие циклопические конструкции, которые, если и будут построены, то в очень отдаленном будущем. Но мало кто знает, что эксперименты с развертыванием тросов в космосе проводились неоднократно, с разными целями, и последний по времени закончился неудачей в начале февраля этого года. Джемини 11 , соединенный тросом с мишенью Аджена, фото NASA. Как на HTV-KITE трос в трюме отрубили Эксперимент HTV-KITE в представлении художника, фото JAXA 27 января от

19:26 27.01.2017

Человечеству удалось "создать" абсолютно новый материал

Американские ученые представили общественности отчет о работе по получению металлического водорода. Создать, пусть и столь малое количество вещества, удалось с помощью имитации условий высокого давления в разы большего, чем в Земном ядре. Помимо этого условия, также выдерживались сверхнизкие температуры. Водород оказался зажатым между двух алмазов. Ученым ещё предстоит ослабить уровень давления, чтобы понять, сможет ли водород сохранить свое состояние. В настоящей момент, все варианты сохранить установленное фазовое состояние водорода в

22:43 19.01.2017

Последний великий проект советской науки: коллайдер в Протвино

В ста километрах от Москвы, рядом с наукоградом Протвино, в лесах Подмосковья закопан клад в десятки миллиардов рублей. Выкопать и украсть его нельзя навечно упрятанный в землю, он несет ценность только для истории науки. Речь идет об ускорительно-накопительном комплексе (УНК) Института физики высоких энергий Протвино законсервированном подземном объекте размером почти с Большой адронный коллайдер. Длина подземного кольца ускорителя 21 км. Основной тоннель диаметром 5 метров проложен на глубине от 20 до 60 метров (в зависимости от рельефа

Конец года - самое время подводить итоги и рассуждать о будущих направлениях развития. Мы предлагаем вам окинуть беглым взглядом, что принес 2017 год в физике элементарных частиц, какие результаты были на слуху и какие намечаются тенденции. Эта подборка, безусловно, будет субъективной, но она осветит современное состояние фундаментальной физики микромира с одного широко популярного угла зрения - через поиск Новой физики.

Дела коллайдерные

Главным источником новостей из мира элементарных частиц по-прежнему остается Большой адронный коллайдер . Собственно, он и был создан для того, чтобы расширять наше знание о фундаментальных свойствах микромира и вгрызаться в неизведанное. Сейчас на коллайдере продолжается многолетний сеанс работы Run 2 . Одобренное ЦЕРНом расписание работы коллайдера простирается до середины 2030-х годов, и прямых конкурентов у него не будет как минимум еще десятилетие. Его научная программа включает в себя задачи из самых разных областей физики частиц, так что, даже если задерживаются результаты в каком-то одном направлении, это компенсируется новостями из других.

Здесь остается широчайший простор для громких открытий. Дело в том, что все эти данные LHCb были получены на основе статистики Run 1, набранной в 2010–2012 годах. Тщательный анализ данных и сравнение с моделированием занимает очень много времени, и обработка данных 2016, а тем более - 2017 года еще не завершена. В отличие от ATLAS и CMS, статистика LHCb не демонстрирует такой огромный скачок при переходе от Run 1 к Run 2, но все равно физики ожидают существенное обновление ситуации с загадками B-мезонов. А ведь впереди еще Run 3, а затем - LHC на повышенной светимости , и кто знает, что еще принесет ближайшее десятилетие.

К тому же, в следующем году вступит в строй модернизированная B-фабрика SuperKEKB с детектором Belle II. Уже в ближайшие годы она станет полноправным охотником за отклонениями, а к 2024 году накопит совершенно запредельную светимость 50 ab −1 (то есть 50 000 fb −1), см. рис. 5. В результате, если, скажем, нарушение лептонной универсальности , обнаруженное в распадах B-мезонов на D-мезоны и лептоны, реально, то детектор Belle II сможет его подтвердить на уровне статистической значимости аж 14σ (сейчас оно достигает лишь 4σ).

Редкие распады B-мезонов - это горячая тема и для теоретиков . Громкие заявления о том, что эксперимент существенно расходится с предсказаниями Стандартной моделью, возможны, только если мы эти самые предсказания надежно вычислены. Но их невозможно просто взять и рассчитать. Все упирается во внутреннюю динамику адронов, головную боль теоретиков, которую приходится оценивать на основе предположений. В результате несколько теоретических групп дают существенно различающиеся оценки того, насколько серьезным является расхождение между экспериментом и Стандартной моделью: кто-то заявляет , что больше 5σ, другие - что не превышает 3σ. Это состояние неопределенности, увы, характерно для нынешних интерпретаций аномалий в B-мезонах.

Низкие энергии

Впрочем, кроме поиска намеков на Новую физику при высоких энергиях, в физике частиц есть немало и других задач. Пусть они реже попадают в заголовки СМИ, но для самих физиков они тоже очень важны.

Одно активное направление исследований касается адронной спектроскопии и, в особенности, многокварковых адронов. Ряд открытий был сделан на LHC в прошлые годы (самое заметное - это обнаружение пентакварка со скрытым очарованием), но и 2017 год принес несколько новых частиц. Мы рассказывали про сразу пять новых частиц из семейства Ω c -барионов, открытых единым махом, и про первый дважды очарованный барион . Косвенной демонстрацией того, насколько эта тема захватила физиков, может служить в Nature про энерговыделение в адронных слияниях ; публикация в этом журнале, да еще и теоретической статьи - совершенно экстраординарная ситуация для физики частиц.

Чтобы разобраться с ним, в Фермилабе в этом году запускается новый эксперимент Muon g-2 по измерению злополучного магнитного момента мюона с точностью, в несколько раз превышающей результат 2001 года (см. недавний доклад коллаборации). Первые серьезные результаты следует ожидать уже в 2018 году, окончательные - после 2019 года. Если отклонение останется на прежнем уровне, это станет серьезнейшей заявкой на сенсацию. А тем временем, в ожидании вердикта из Фермилаба, уточняются и теоретические расчеты. Тут загвоздка в том, что адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона нельзя вычислить «на кончике пера». Этот расчет тоже неизбежно опирается на эксперименты, но совсем другого рода - например, на рождение адронов в низкоэнергетических электрон-позитронных столкновениях. И тут буквально две недели назад появилось новое измерение от детектора CLEO-c в ускорителе CESR в Корнельском университете. Оно уточняет теоретический расчет и, как выяснилось, усугубляет расхождение: теория и эксперимент 2001 года отличаются теперь на все 4σ. Что ж, тем интереснее будет узнать результаты эксперимента Muon g-2.

Проблемы в физике частиц бывают и чисто инструментальные, скажем, когда разные измерения одной и той же величины сильно расходятся друг с другом. Мы не будем заострять внимание на измерениях гравитационной константы , - эта вопиюще неудовлетворительная ситуация выходит за пределы физики частиц. А вот проблему со временем жизни нейтрона - она во всех подробностях описана в нашей новости 2013 года - упомянуть стоит. Если до середины 2000-х все измерения времени жизни нейтрона давали примерно одинаковые результаты, то новый эксперимент 2005 года, выполненный группой А. П. Сереброва, резко контрастировал с ними . Постановка экспериментов принципиально различалась: в одном измерялась радиоактивность пролетающего пучка нейтронов, а в другом - выживаемость ультрахолодных нейтронов в гравитационной ловушке. Источники систематических погрешностей в этих двух типах экспериментов совершенно разные, и каждая группа критиковала «конкурента», напирая на то, что она-то свои погрешности учла должным образом. И вот, похоже, научный спор близится к своему разрешению. В этом году появилось два новых измерения (первое , второе), проведенные по различающимся методикам. Оба они дают близкие значения и поддерживают результат 2005 года (рис. 7). Окончательную точку сможет поставить новый японский пучковый эксперимент, описанный в недавнем докладе .

По всей видимости, близка к разрешению и другая загадка, мучавшая физиков семь лет - проблема радиуса протона. Эта фундаментальная характеристика ключевого кирпичика материи была, конечно, измерена в многочисленных экспериментах, и все они также давали примерно одинаковые результаты. Однако в 2010 году, изучая спектроскопию не обычного, а мюонного водорода, коллаборация CREMA обнаружила, что, по этим данным, радиус протона на 4% меньше общепринятого значения. Расхождение было очень серьезным - на 7σ. Вдобавок, в прошлом году проблема усугубилась аналогичными измерениями с мюонным дейтерием. В общем, стало совершенно непонятно, в чем вообще подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда - в каких), в обработке данных, или же в самой природе (да-да, некоторые теоретики и здесь пытались увидеть проявления Новой физики). Подробное популярное описание этой проблемы см. в больших материалах Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона и Щель в доспехах ; краткий обзор текущей ситуации по состоянию на август этого года приведен в публикации The proton radius puzzle .

И вот в октябре этого года в журнале Science вышла с результатами новых экспериментов, в которых радиус протона был перемерен в обычном водороде. И - сюрприз: новый результат сильно расходился в предыдущими, всеми уважаемыми водородными данными, зато согласовывался с новыми мюонными (рис. 8). Похоже, что причина расхождения скрывалась в тонкостях измерения частот атомных переходов, а не в свойствах самого протона. Если другие группы подтвердят это измерение, то проблему с радиусом протона можно будет считать закрытой.

А вот другая низкоэнергетическая загадка - аномалия в ядерных переходах метастабильного бериллия-8 - так пока и не получила объяснения (рис. 9). Возникшая из ниоткуда два года назад , она привлекла внимание многих теоретиков, ищущих проявления Новой физики, поскольку она напоминала процесс рождения и распада новой легкой частицы с массой 17 МэВ. На эту тему вышло уже несколько десятков статей, но никакого общепринятого объяснения пока не найдено (см. обзор ситуации по состоянию на июль этого года в недавнем докладе). Сейчас проверка этой аномалии включается в виде отдельного пункта научной программы в будущие эксперименты по поиску новых легких частиц, и нам остается только ждать их результатов.

Сигналы из космоса

Элементарные частицы можно искать и изучать не только на коллайдерах, но и в космосе. Самый прямой способ - это ловить частицы космических лучей и по их спектру, составу, и угловому распределению выяснять, откуда эти частицы взялись. Конечно, подавляющее большинство космических пришельцев были разогнаны до больших энергий разными астрофизическими объектами. Но может статься, что некоторые из них возникли в результате аннигиляции или распада частиц темной материи. Если такая связь подтвердится, это станет долгожданным указанием на конкретные частицы темной материи, столь необходимые для космологии, но такие неуловимые в прямых экспериментах .

За последнее десятилетие было обнаружено несколько неожиданных особенностей в спектрах космических частиц разного сорта; две самые любопытные касаются доли космических позитронов и антипротонов большой энергии. Однако в обоих случаях есть и чисто астрофизические варианты объяснения, откуда в космических лучах столько антиматерии.

И вот совсем недавно новую сенсацию подбросили физикам первые результаты спутниковой обсерватории DAMPE : в ее спектре космических электронов «нарисовался» высокий узкий всплеск при энергии 1,4 ТэВ (см. подробное описание в новости , «Элементы», 13.12.2017). Конечно же, многие восприняли его как прямой сигнал от аннигиляции или распада частиц темной материи (рис. 10) - в первые же дни после обнародования результатов DAMPE вышло свыше десятка статей на эту тему (см. материал Изломы и всплески далекого космоса). Сейчас поток ослаб; ясно, что следующий шаг - за новыми наблюдательными данными, и они, к счастью, поступят через год-два.

А вот другой недавний результат относится совсем к иным масштабам, космологическим, и к иным частицам - нейтрино. В появившейся в ноябре статье arXiv:1711.05210 сообщается о том, что, на основе пространственного распределения скоплений галактик, впервые удалось измерить сумму масс всех типов нейтрино: 0,11 ± 0,03 эВ. Нейтрино - это самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они обескураживающе легкие, настолько легкие, что большинство физиков уверено, что за их массу отвечает не хиггсовский механизм, а какая-то Новая физика. Кроме того, они осциллируют, спонтанно превращаются друг в друга на лету - и за доказательство этого факта была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год . Благодаря осцилляциям мы знаем, что у трех сортов нейтрино массы разные, но мы не знаем их общего масштаба. Будь у нас это одно-единственное число, сумма масс всех нейтрино, мы бы смогли резко ограничить фантазии теоретиков относительно того, откуда вообще у нейтрино берутся массы.

Общий масштаб масс нейтрино можно, в принципе, измерять и в лаборатории (эксперименты ведутся, но пока дают лишь ограничение сверху), а можно извлекать из космических наблюдений. Дело в том, что нейтрино в космосе всегда было очень много, и в ранней Вселенной они влияли на формирование крупномасштабной структуры - зародышей будущих галактик и их скоплений (рис. 11). В зависимости от того, какова их масса, это влияние различается. Поэтому изучив статистическое распределение галактик и их скоплений, можно извлечь и суммарную массу всех типов нейтрино.

Конечно, такие попытки делались и раньше, но все они давали лишь ограничение сверху. Самое консервативное из них - это результат коллаборации Planck 2013 года: сумма масс меньше 0,25 эВ. Отдельные группы исследователей потом объединяли данные Planck с другими и получали более сильные, но и более модельно-зависимые ограничения сверху, вплоть до 0,14 эВ. Но это по-прежнему оставались именно ограничения! А новая статья, проанализировав опубликованный недавно каталог скоплений галактик, впервые смогла увидеть эффект от ненулевой массы и извлечь число 0,11 ± 0,03 эВ. Эта работа продолжается и дальше, так что можно ожидать, что в ближайшие годы ситуация полностью определится. А пока что заметим, что астрофизическое сообщество к этой работе отнеслось довольно настороженно: видимо, столь опосредованное статистическое измерение требует тщательно перепроверки.

И немного о теории

Теоретическая физика частиц в 2017 году, в целом, продолжила тенденцию прошлых лет. Есть отдельные четко очерченные направления работы, - и внутри них теоретики планомерно решают свои достаточно технические задачи. А есть очень широкое коммьюнити физиков-феноменологов, которые разными методами пытаются нащупать Новую физику. В этом пестром коллективе даже и близко нет намека на скоординированное движение в одном направлении. Скорее, в отсутствие четких экспериментальных указаний, здесь наблюдается броуновское движение частиц-теоретиков в многомерном и запутанном пространстве математических возможностей. Какая-никакая польза от этого есть: сообщество проверяет все возможные варианты гипотетического устройства нашего мира, либо отбрасывая их из-за несогласия с экспериментом, либо, наоборот, разрабатывая вглубь. Но сами теоретики признают, что подавляющее большинство конкретных моделей, которые они сейчас предлагают и изучают, будет рано или поздно выброшено за ненадобностью на свалку истории.

Из всего безбрежного моря разработок выделим, пожалуй, только одну тенденцию, которая стала усиливаться в последние год-два. Физики постепенно перестают цепляться за те идеи, которые им казались естественными - будь то эстетические соображения или естественность в вычислительном смысле , см. по этому поводу недавний доклад , в явных выражениях подчеркивающий эту мысль. К чему это в конце концов приведет - предсказать сейчас, из 2017 года, невозможно. Может быть, теоретики обнаружат-таки элегантную теорию, предсказания которой будут подтверждаться. А может быть, сначала придут долгожданные экспериментальные результаты, указывающие на физику за пределами Стандартной модели, и теоретики методом проб и ошибок подберут к ним ключи. Может, конечно, оказаться и так, что ничего существенно нового так и не обнаружится в ближайшие десятилетия - и тогда придется пересматривать весь подход к дальнейшему изучению микромира. Одним словом, мы сейчас на перепутье и в состоянии неопределенности. Но видеть в этом следует не поводы для уныния, а признак того, что нас ждут перемены.

Заканчивается очередной год, и пришло время в очередной раз присесть, сложить руки, глубоко вздохнуть и посмотреть на некоторые из заголовков научных статей, на которые мы, возможно, ранее не обращали внимания. Ученые постоянно создают какие-то новые разработки в различных областях, таких как нанотехнологии, генная терапия или квантовая физика, и это всегда открывает новые горизонты.

Заголовки научных статей все больше напоминают названия рассказов из научно-фантастических журналов. Учитывая то, что нам принес 2017 год, остается только с нетерпением дожидаться, что принесет новый, 2018-й.

Спонсор поста: http://www.esmedia.ru/plazma.php : Аренда плазменных панелей. Недорого.
Источник: muz4in.net

Ученые создали темпоральные кристаллы, для которых не действуют законы симметрии времени

Согласно первому закону термодинамики, создание вечного двигателя, который будет работать без дополнительного источника энергии, невозможно. Однако в начале этого года физикам удалось создать конструкции, называемые темпоральными кристаллами, которые ставят этот тезис под сомнение.

Темпоральные кристаллы выступают в качестве первых реальных примеров нового состояния материи, называемого «неравновесным», в котором атомы имеют переменную температуру и никогда не находятся в тепловом равновесии друг с другом. Темпоральные кристаллы имеют атомную структуру, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянные колебания без получения энергии. Это происходит даже в стационарном состоянии, которое является самым низшим энергетическим состоянием, когда движение теоретически невозможно, поскольку оно требует затрат энергии.

Так что же, кристаллы времени нарушают законы физики? Строго говоря, нет. Закон сохранения энергии работает только в системах с симметрией во времени, которая подразумевает, что законы физики одинаковы везде и всегда. Однако темпоральные кристаллы нарушают законы симметрии времени и пространства. И не только они. Магниты тоже иногда считаются природными асимметричными объектами, потому что у них есть северный и южный полюса.

Еще одна причина, по которой темпоральные кристаллы не нарушают законов термодинамики, заключается в том, что они не полностью изолированы. Иногда их нужно «подталкивать» - то есть давать внешний импульс, после получения которого они уже начнут менять свои состояния снова и снова. Возможно, что в будущем эти кристаллы найдут широкое применение в области передачи и хранения информации в квантовых системах. Они могут сыграть решающую роль в квантовых вычислениях.

«Живые» крылья стрекозы

В энциклопедии Merriam-Webster говорится, что крыло - это подвижный придаток из перьев или мембраны, используемый птицами, насекомыми и летучими мышами для полета. Оно не должно быть живым, но энтомологи из Кильского университета в Германии сделали несколько потрясающих открытий, которые говорят об обратном - по крайней мере относительно некоторых стрекоз.

Насекомые дышат с помощью трахейной системы. Воздух проникает в организм через отверстия, называемые дыхальцами. Затем он проходит через сложную сеть трахей, которые доставляют воздух ко всем клеткам тела. Однако сами крылья состоят почти полностью из мертвой ткани, которая высыхает и становится полупрозрачной либо покрывается цветными узорами. Области мертвой ткани пронизывают прожилки, и это единственные компоненты крыла, являющиеся частью дыхательной системы.

Однако когда энтомолог Рейнер Гильермо Феррейра посмотрел на крыло самца стрекозы Zenithoptera через электронный микроскоп, он увидел крошечные ветвистые трахейные трубки. Это был первый случай, когда нечто подобное было замечено в крыле насекомого. Для определения того, является ли эта физиологическая особенность свойственной только этому виду или, возможно, встречается и у других стрекоз или даже у других насекомых, потребуется много исследований. Возможно даже, что это единичная мутация. Наличие обильных запасов кислорода может объяснить яркие сложные синие узоры, свойственные крыльям стрекозы Zenithoptera, которые не содержат синего пигмента.

Древний клещ с кровью динозавра внутри

Конечно, это заставило людей сразу подумать о сценарии из «Парка юрского периода» и о возможности использования крови, чтобы воссоздать динозавров. К сожалению, в ближайшее время этого не случится, потому что извлечь образцы ДНК из найденных кусочков янтаря невозможно. Дискуссии о том, как долго может продержаться молекула ДНК, все еще не окончены, но даже по самым оптимистичным оценкам и в самых оптимальных условиях срок их жизни не более нескольких миллионов лет.

Но, хотя клещ, названный Deinocrotondraculi («Ужасный Дракула»), и не помог восстановить динозавров, он все равно остается крайне необычной находкой. Теперь мы знаем не только то, что у пернатых динозавров водились древние клещи, но и то, что они заражали даже гнезда динозавров.

Модификация генов взрослого человека

На сегодняшний день вершиной генной терапии являются «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», или CRISPR (от английского clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Семейство последовательностей ДНК, которые в настоящее время составляют основу технологии CRISPR-Cas9, теоретически может навсегда изменить ДНК человека.

В 2017 году генная инженерия сделала решительный рывок вперед - после того как команда из Протеомического исследовательского центра в Пекине объявила, что успешно использовала CRISPR-Cas9 для устранения болезнетворных мутаций жизнеспособных человеческих эмбрионов. Другая команда, из лондонского Института Фрэнсиса Крика, прошла противоположный путь и впервые использовала эту технологию для преднамеренного создания мутаций в человеческих эмбрионах. В частности, они «отключили» ген, способствующий развитию эмбрионов в бластоцисты.

Исследования показали, что технология CRISPR-Cas9 работает - и довольно успешно. Однако это вызвало активные этические дебаты о том, насколько далеко можно заходить в использовании этой технологии. Теоретически это может привести к «дизайнерским детям», которые могут обладать интеллектуальными, спортивными и физическими характеристиками в соответствии с характеристиками, заданными родителями.

Отбросив этику в сторону, в ноябре этого года исследования зашли еще дальше, когда CRISPR-Cas9 впервые испытали на взрослом человеке. 44-летний Брэд Мадду из Калифорнии страдает синдромом Хантера, неизлечимой болезнью, которая в конечном итоге может привести его к инвалидному креслу. Ему вводили миллиарды копий корректирующего гена. Пройдет несколько месяцев, прежде чем можно будет определить, оказалась ли процедура успешной.

Что было раньше - губка или гребневики?

Новый научный отчет, который был опубликован в 2017 году, должен раз и навсегда положить конец давней дискуссии о происхождении животных. Согласно исследованию, губки являются «сестрами» всех животных в мире. Это связано с тем, что губки были первой группой, которая отделилась в процессе эволюции от примитивного общего предка всех животных. Это произошло примерно 750 миллионов лет назад.

Ранее велись горячие дебаты, которые сводились к двум основным кандидатам: вышеупомянутым губкам и морским беспозвоночным под названием гребневики. В то время как губки - простейшие существа, которые сидят на дне океана и питаются, пропуская и отфильтровывая воду через свой организм, гребневики более сложные. Они напоминают медузу, способны двигаться в воде, могут создавать световые узоры и имеют простейшую нервную систему. Вопрос о том, кто из них был первым, - это вопрос о том, как выглядел наш общий предок. Это считается важнейшим моментом в отслеживании истории нашей эволюции.

Хотя результаты исследования смело провозглашают, что вопрос урегулирован, всего за несколько месяцев до этого было опубликовано другое исследование, в котором говорилось, что нашими эволюционными «сестрами» являются гребневики. Следовательно, еще слишком рано говорить о том, что последние результаты можно считать достаточно надежными, чтобы подавить любые сомнения.

Еноты прошли древний тест на интеллект

В шестом веке до нашей эры древнегреческий писатель Эзоп написал или же насобирал множество басен, которые в наше время известны как «Басни Эзопа». Среди них была басня под названием «Ворона и кувшин», в которой описывается, как хотевшая пить ворона бросала в кувшин камешки, чтобы поднять уровень воды и наконец напиться.

Несколько тысяч лет спустя ученые поняли, что эта басня описывает хороший способ тестирования интеллекта животных. Эксперименты показали, что подопытные животные понимали причину и следствие. Вороны, как и их сородичи, грачи и сойки, подтвердили истинность басни. Обезьяны также прошли этот тест, кроме того, в этом году к списку добавились и еноты.

Во время теста по басне Эзопа восемь енотов получили емкости с водой, на поверхности которой плавал зефир. Уровень воды был слишком низким, чтобы его достать. Двое из испытуемых успешно набросали в емкость камней, чтобы поднять уровень воды и получить желаемое.

Другие подопытные нашли свои собственные креативные решения, которых исследователи никак не ожидали. Один из енотов, вместо того, чтобы бросать в емкость камни, взобрался на емкость и начал раскачиваться на ней из стороны в сторону, пока не опрокинул. В другом тесте, с использованием вместо камней плавающих и тонущих шариков, эксперты надеялись, что еноты будут использовать тонущие шарики и отбрасывать плавающие. Вместо этого некоторые животные стали многократно окунать в воду плавающий шарик, пока поднявшаяся волна не прибила кусочки зефира к борту, что облегчило их извлечение.

Физики создали первый топологический лазер

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что создали новый тип лазера - «топологический», луч которого может принимать любую сложную форму без рассеивания света. Устройство работает на основе концепции топологических изоляторов (материалов, которые внутри своего объема являются диэлектриками, но проводят ток по поверхности), которая получила Нобелевскую премию по физике в 2016 году.

Обычно в лазерах для усиления света используются кольцевые резонаторы. Они более эффективны, чем резонаторы с острыми углами. Однако на этот раз исследовательская группа создала топологическую полость с использованием фотонного кристалла в качестве зеркала. В частности, были использованы два фотонных кристалла с различными топологиями, один из которых являлся звездообразной ячейкой в квадратной решетке, а другой - треугольной решеткой с цилиндрическими воздушными отверстиями. Член команды Бубакар Канте сравнил их с бубликом и кренделем: хотя они оба - хлеб с отверстиями, различное количество отверстий делает их различными.

Как только кристаллы попадают в нужное место, луч принимает желаемую форму. Управляется эта система с помощью магнитного поля. Оно позволяет менять направление, в котором излучается свет, тем самым создавая световой поток. Непосредственное практическое применение этого способно увеличить скорость оптической связи. Однако в перспективе это рассматривается как шаг вперед в создании оптических компьютеров.

Ученые открыли экситониум

Физики всего мира с большим энтузиазмом отнеслись к открытию новой формы материи, названной экситониум. Эта форма представляет собой конденсат из квазичастиц, экситонов, которые являются связанным состоянием свободного электрона и электронной дырки, которая образовывается в результате того, что молекула потеряла электрон. Более того, физик-теоретик из Гарварда Берт Гальперин предсказал существование экситониума еще в 1960-х годах, и с тех пор ученые пытались доказать его правоту (или ошибку).

Подобно многим крупным научным открытиям, и в этом открытии была изрядная доля случайности. Команда исследователей из Университета штата Иллинойс, которая обнаружила экситониум, на самом деле осваивала новую технологию, называемую спектроскопией потерь энергии в электронном потоке (M-EELS), - созданную специально для идентификации экситонов. Однако открытие состоялось, когда исследователи проводили всего лишь калибровочные тесты. Один член команды вошел в комнату, пока все остальные смотрели на экраны. Они сказали, что зафиксировали «легкий плазмон», предшественник экситонной конденсации.

Руководитель исследования профессор Питер Аббамонт сравнил это открытие с бозоном Хиггса - оно не будет иметь непосредственного использования в реальной жизни, но показывает, что наше нынешнее понимание квантовой механики находится на правильном пути.

Ученые создали нанороботов, которые убивают рак

Исследователи из Университета Дарема утверждают, что создали нанороботов, которые способны выявить раковые клетки и убить их всего за 60 секунд. В ходе увенчавшегося успехом испытания, проведенного в университете, крошечным роботам потребовалось от одной до трех минут, чтобы проникнуть через наружную мембрану в раковую клетку простаты и немедленно уничтожить ее.

Нанороботы в 50 000 раз меньше диаметра человеческого волоса. Они активируются светом и вращаются со скоростью от двух до трех миллионов оборотов в секунду, чтобы получить возможность проникнуть через оболочку клетки. Когда они достигают своей цели, то могут либо уничтожить ее, либо внедрить в нее полезный терапевтический агент.

До сих пор нанороботы испытывались только на отдельных клетках, но обнадеживающие результаты побудили ученых перейти к опытам на микроорганизмах и мелких рыбешках. Дальнейшая цель - перейти к грызунам, а затем и к людям.

Межзвездный астероид может быть инопланетным космическим аппаратом

Прошла всего пара месяцев с тех пор, как астрономы радостно объявили об открытии первого межзвездного объекта, пролетающего через Солнечную систему, астероида под названием Оумуамуа. С тех пор они наблюдали много странных вещей, происходивших с этим небесным телом. Иногда оно вело себя так необычно, что ученые считают - объект может оказаться космическим кораблем инопланетян.

Прежде всего настораживает его форма. Оумуамуа имеет форму сигары с отношением длины к диаметру как десять к одному, чего ни разу не видели ни в одном из наблюдаемых астероидов. Сначала ученые подумали, что это комета, но затем поняли, что это не так, потому что объект не оставлял за собой хвоста по мере приближения к Солнцу. Более того, некоторые эксперты утверждают, что скорость вращения объекта должна была развалить любой нормальный астероид. Складывается впечатление, что он был специально создан для межзвездных путешествий.

Но если он создан искусственно, то что это может быть? Одни говорят, что это инопланетный зонд, другие считают, что это может быть космический корабль, двигатели которого пришли в неисправность, и теперь он плывет через космос. В любом случае участники таких программ, как SETI и BreakthroughListen, считают, что Оумуамуа требует дальнейшего исследования, поэтому нацеливают на него свои телескопы и прослушивают любые радиосигналы.

Пока гипотеза об инопланетянах никак не подтвердилась, первоначальные наблюдения SETI ни к чему не привели. Многие исследователи по-прежнему пессимистично оценивают шансы, что объект может быть создан инопланетянами, но в любом случае исследования будут продолжены.

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна - и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.

Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.

Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики - в квантовой механике.

Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.

Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). - это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них - скажем, измените спин - второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее - вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.

Гравитация влияет на свет

Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света - путь света не всегда может быть прямым.

Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть - вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.

Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать - но вот незадача, два этих числа не совпадают.

На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю - таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.

Наша Вселенная быстро расширяется

Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.

Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это - темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам .

Любая материя - это энергия

Материя и энергия - это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу E = mc 2 . E - это энергия, а m - масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.

Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые - твердые куски материи, вторые - пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием - они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.

Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет - это волна, и свет - это частица. Свет - это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.

Все объекты падают с одинаковой скоростью

Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие - это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации - единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.

Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.

Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное - на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.

Эксперимент с двойной щелью

Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.

Эксперимент с двумя щелями - это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет - это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.

Но частицы должны реагировать иначе - пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет - это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение - но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу - измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.

Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.