Год начался с обретения святого Грааля - физикам удалось водород в металл. Эксперимент подтвердил теоретические разработки первой половины прошлого века. Исследователи из Гарвардского университета охладили элемент до −267 градусов Цельсия и подвергли давлению в 495 гигапаскалей, что больше чем в центре Земли.
«На Западе прекратят пить алкоголь и перейдут на безвредный алкосинт»
Экспериментаторы сами сравнили получение первого на планете металлического водорода с обретением священной чаши - главной цели легендарных рыцарей. Но остался открытым вопрос, сохранит ли водород свои свойства, когда ослабнет давление. Физики надеются, что нет.
Путешествия во времени возможны
Пересмотреть концепцию времени теоретики из Университета Вены и Австрийской академии наук. По законам квантовой механики, чем точнее часы, тем скорее они подвергают поток времени эффекту квантовой неопределенности. И это ограничивает возможность наших измерительных приборов, независимо от того, насколько они хорошо сделаны.
Измерить время невозможно. Зато в нем можно путешествовать, используя искривления, ученый из Университета Британской Колумбии (Канада). Правда, пока это только теоретический допуск. Для создания реальной машины времени нет необходимых материалов.
Зато в прошлое способны квантовые частицы, точнее влиять на другие частицы во времени. Эту теорию в 2017 году подтвердили ученые из Чепменского университета (США) и Института теоретической физики Периметр (Канада). Их теоретические изыскания привели к любопытному выводу: либо физические явления способны распространяться в прошлое, либо наука столкнулась с нематериальным способом взаимодействия частиц.
Ровно два слоя графена смогут остановить пулю
Темной энергии не существует. Но это не точно
Споры о темной энергии - гипотетической константе, объясняющей расширение Вселенной - не прекращаются с начала тысячелетия. В этом году физики пришли к выводу, что темной энергии все-таки не существует.
Ученые из Будапештского университета и их коллеги из США , что ошибка кроется в понимании структуры Вселенной. Сторонники концепции темной энергии исходили из того, что материя однородна по плотности, а это не так. Компьютерная модель показала, что Вселенная состоит как бы из пузырей, и это снимает противоречия. Темная энергия больше не нужна для того, чтобы объяснить необъяснимые явления.
Впрочем, построенная на суперкомпьютере Даремского университета (Британия) привела астрофизиков к прямо противоположным выводам. И данные магнитного альфа-спектрометра с Международной космической станции , что темная энергия все-таки существуют. Это независимо друг от друга констатировали две группы исследователей: из Германии и из Китая.
А главное, XENON1T, самый чувствительный в мире детектор темной материи, дал первые . Правда, положительных результатов пока нет. Но ученые довольны, что система вообще работает и демонстрирует минимальные погрешности.
Ученые перестали понимать, как работает ИИ
Технологии
Гравитация - ключ к другим измерениям
Физики давно мечтают построить теорию всего - систему, которая исчерпывающе описывала бы реальность. Не позволяет одно из четырех фундаментальных взаимодействий - гравитация. Частицы, которые переносили бы гравитационное взаимодействие, не обнаружены. А значит, в соответствии с законами квантовой механики, нет и волн.
Остроумное решение проблемы ученые из института Макса Планка. По их мнению, гравитационное поле возникает именно в тот момент, когда квантовая волна становится частицей.
Еще одно препятствие к построению теории всего - отсутствие действия обратного силе притяжения, этот фактор тоже нарушает симметрию идеальных формул. Впрочем, ученые из Университета штата Вашингтон в апреле 2017 вещество, которое ведет себя так, будто у него отрицательная масса. Эффект достигался и ранее, но никогда результат не был таким точным и определенным.
Интерес к изучению гравитации увеличивает теория, согласно которой тяготение подвержено влиянию из других измерений. Физики из Института Макса Планка (Германия) , применив самые современные детекторы гравитационных волн, подтвердить или опровергнуть существование других измерений уже через год. В конце 2018-го или самое позднее - в начале 2019 года.
«Биткойн провалился как валюта»
Технологии
Квантовая механика обречена
Нетрудно заметить, что большинство открытий современной физики связано с изучением квантовой механики. Тем не менее, ученые , что квантовая теория в современном виде долго не продержится. И ключом к пониманию мира станет новая математика.
В свете таких высказываний непонятно как воспринимать новость о том, что экспериментаторам из Института Нильса Бора впервые в истории науки заставить кубиты вращаться в обратную сторону. Или о том, что второй закон термодинамики при определенных обстоятельствах в квантовом мире, как утверждают физики из МФТИ. Возможно, все это стоит воспринимать как подтверждение действующей теории. Возможно, - как шаг в сторону новой физики, которая еще точнее опишет реальность.
А пока ученые продолжают искать явления, которые примирят миры Эйнштейна и Ньютона. Возможно, в этом поможет - новая форма материи. Кстати, он оказался конденсатом, хотя до сих пор теоретики много спорили об его природе.
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.
Во время своих экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее, чем тяжелому.
Решение Галилея проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием гравитации.
Всемирное тяготение
Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и Луну действует единая сила гравитации.
Ньютон представил себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не додумывался.
Согласно этому закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.
Вода в той части океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так, как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода оказывается дальше привычных берегов.
Понимание Ньютоном того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.
Законы движения
Возьмем, например хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей ускорение.
Второй закон гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела.
А согласно третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.
Законы движения Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они стали основой классической физики.
Второй закон термодинамики
Наука о термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.
Тепловая энергия может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы, используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.
Среди тех, кто занимался этим вопросом, был немецкий ученый . В 1865 году он сформулировал Второй закон термодинамики . Согласно этому закону, при любом энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле, часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия , объясняя с его помощью ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется во время преобразования в механическую.
Это утверждение изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о том, насколько расточительны такие механизмы.
Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.
Электромагнетизм
Ученые научились создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток, возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.
Электрогенератор в своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита. Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.
Фарадей вел записи о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству оценены физикомДжеймсом Клерком Максвеллом , который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма . Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.
Если вы хотите знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе, что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.
Совершая открытия, Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим юношей был Альберт Эйнштейн.
Теория относительности
Эйнштейн однажды сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.
В юношестве, вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в размышления понятие света, времени и пространства.
В мире, который описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.
Время – это река, которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и вообще о Вселенной!
Эйнштейн демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов. Самый известный из них – это «парадокс близнецов» . Итак, у нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется. После возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет время.
Этот эксперимент в какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например, спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч, поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать, ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем собьется и система GPS не будет работать.
E=mc 2
Вероятно, это самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом: время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость, тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее. Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции, равной c 2 . Все просто.
Эта формула показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.
Теперь что касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил, что даже в состоянии покоя тело обладает энергией. Посчитав это значение по формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.
Открытие Эйнштейна было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь повергло всех в шок.
Квантовая теория
Квантовый скачок – самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим прорывом научной мысли.
Субатомные частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне атома – это закон.
Квантовая теория появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике. Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри , например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах .
Если представить себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в определенном количестве, это называется квантовым эффектом и означает, что энергия волнообразна.
Тогда думали, что Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то, напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?
В 1925 году австрийский физик , наконец, составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными.
Можно ли вычислить возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка. Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у электронов это случается постоянно.
Все современные «чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь играет во Вселенной в кости.
Несмотря на всю странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим представлением о субатомном мире.
Природа света
Древние задавались вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли, воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный, но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели свет, но не знали, что это такое.
Физики пытались ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.
Ньютон показал, что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая теория – корпускулярная.
Представьте себе морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место пересечения было отчетливо видно.
Итак, тогда было все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга . И тогда за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл. Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем, например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма света , т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.
Чтобы увидеть свет таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в раннем Средневековье.
Нейтрон
Атом так мал, что его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов. Открытие атома привело к другому открытию.
О существовании атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом», потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм внутри пудинга.
В начале 20 века провел эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет, когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и не изменяя направление.
Однако, результат был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество вещества ядром .
Чедвик провел эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц, которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.
Сверхпроводники
Лаборатория Ферми обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как появились сверхпроводники .
Сверхпроводники были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени стал первым, кто понял, как превратить гелий из газа в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление металла зависит от температуры – растет она или падает.
Он использовал для опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без всяких потерь и нарушений потока. Это и называетсясверхпроводимостью .
Сверхпроводники позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном кольце. Их скорость почти равняется скорости света.
Ускоритель частиц в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то, чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион долларов.
Теперь главная задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких температурах и требовали бы меньше затрат.
В начале 80-х группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на 100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее. С разработкой ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы. Физики стали называть все это «зоопарком частиц».
Американский физик Мюррей Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц «зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из которых состоят сами протоны и нейтроны.
Открытые Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».
Хотя Гелл-Маном был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок протона. Оказалось, что в нем было три кварка .
Ядерные силы
Наше стремление найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих людей на протяжении столетий.
После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы, объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил стало четыре.
Каждая сила действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио, телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации, которая переходи в тепло.
Как обнаружить пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера . Частицы, которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.
Как же измерить ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые пианино издает, ударяясь о ступеньки. (weak force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно, это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез – физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.
Неизвестно, сможем ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и открывать.
Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее. Иногда мир ведет себя очень странно, и возможно, вы должны быть настоящим энтузиастом, чтобы разделить с нами радость по поводу этого списка. Перед вами десять самых удивительных открытий в новейшей физике, которые заставили многих и многих ученых ломать головы не годами — десятилетиями.
На скорости света время останавливается
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). Квантовая запутанность — 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 лучше не знать .
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 повторили эксперимент 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.
1 февраля 2020Антиферромагнитный топологический изолятор
1 февраля 2020Неустойчивость в квантовом газе, вызванная диссипацией
1 февраля 2020Вращение сверхтекучей жидкости
1 февраля 2020Вращение квантовых сверхтекучих жидкостей исследовалось во множестве работ как теоретически, так и экспериментально (см., например, и ). Интересен случай, когда частота вращения приближается к удерживающей частоте потенциала атомной ловушки или превышает её. В этом случае, согласно расчётам, должны возникать кольцевые структуры, которые можно представить как объединение множества квантовых вихрей в один гигантский вихрь. Такие структуры действительно наблюдались, однако они быстро распадались, либо плотность жидкости в центре была не мала. Исследователи из Университета Париж-север XIII и Национального центра научных исследований Франции впервые получили в своём эксперименте кольцевую структуру, которая была устойчива в течение более одной минуты. Путём вращения несферического потенциала ловушки бозе-эйнштейновскому конденсату атомов 87 Rb сообщался угловой момент, который в процессе селективного испарения повышался до 350×h/2π на атом. При этом в структуре конденсата возникало кольцо радиусом ≈ 30 мкм с отверстием в центре, вращающееся со свехзвуковой линейной скоростью, достигающей 18 чисел Маха. В кольце возбуждалась квадрупольная мода деформаций, для описания которой существующих гидродинамических моделей оказалось недостаточно, и требуется разработка более детальной теории.
