Физики заглянули в «полную пустоту» и доказали, что в ней кое-что есть. Физики заглянули в «полную пустоту» и доказали, что в ней кое-что есть Квантовая физика новейшее
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.
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.
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.
МОСКВА, 20 мая — РИА Новости. Профессор физики Института Нильса Бора в Копенгагене, один из пионеров квантовой телепортации Юджин Ползик объяснил РИА Новости, где граница между "реальным" и "квантовым" миром, почему нельзя телепортировать человека и как ему удалось создать материю с "отрицательной массой".
Пять лет назад его команда впервые реализовала эксперимент по телепортации не одного атома или частицы света, а макроскопического объекта.
Недавно он возглавил международный консультативный совет Российского квантового центра (РКЦ), заменив Михаила Лукина, создателя одного из самых больших квантовых компьютеров мира и мирового лидера в области квантовых вычислений. По словам профессора Ползика, он сосредоточится на развитии и реализации интеллектуального потенциала молодых российских ученых и усилении международного участия в работе РКЦ.
— Юджин, сможет ли человечество когда-либо телепортировать нечто большее, чем одиночные частицы или некий набор атомов или других макроскопических объектов?
— Вы не представляете, как часто мне задают этот вопрос, — спасибо, что вы не спрашиваете меня, можно ли телепортировать человека. Если говорить в очень общих чертах, то дело обстоит следующим образом.
Вселенная — это гигантский объект, "запутанный" на квантовом уровне. Проблема в том, что мы не способны "видеть" все степени свободы этого объекта. Если мы возьмем крупный объект в такой системе и попытаемся рассмотреть его, то тогда взаимодействия этого объекта с другими частями мира породят то, что называют "смешанным состоянием", в котором запутанность отсутствует.
В квантовом мире действует так называемый принцип моногамности. Он выражается в том, что если у нас есть два идеально запутанных объекта, то они оба не могут иметь столь же сильные "незримые связи" с любыми другими объектами окружающего мира, как друг с другом.
Возвращаясь к вопросу о квантовой телепортации, это означает, что в принципе нам ничто не мешает запутать и телепортировать объект размером хоть со всю Вселенную, однако на практике помешает то, что мы не видим все эти связи одновременно. Поэтому нам приходится изолировать макрообъекты от всего остального мира, когда мы проводим подобные эксперименты, и позволять им взаимодействовать только с "нужными" объектами.
К примеру, в наших экспериментах удалось осуществить это для облака, содержавшего в себе триллион атомов, благодаря тому, что они находились в вакууме и удерживались в специальной ловушке, изолировавшей их от внешнего мира. Эти камеры, кстати, разработали в России — в лаборатории Михаила Балабаса в Санкт-Петербургском государственном университете.
Позже мы перешли к опытам на более крупных объектах, которые можно увидеть невооруженным глазом. А теперь мы проводим эксперимент по телепортации колебаний, возникающих в тонких мембранах из диэлектрических материалов размерами миллиметр на миллиметр.
Сейчас, с другой стороны, мне лично больше интересны другие области квантовой физики, в которых, как мне кажется, в ближайшее время произойдут настоящие прорывы. Они точно удивят всех.
— Где именно?
— Мы все хорошо знаем, что квантовая механика не позволяет нам узнать все, что происходит в окружающем мире. Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, мы не можем одновременно измерить все свойства объектов с максимально высокой точностью. И в данном случае телепортация превращается в инструмент, позволяющий нам обойти это ограничение, передавая не частичную информацию о состоянии объекта, а сам объект целиком.
Эти же законы квантового мира мешают нам точно измерять траекторию движения атомов, электронов и других частиц, так как можно узнать или точную скорость их движения, или положение. На практике это означает, что точность работы всевозможных датчиков давления, движения и ускорения жестко ограничивается квантовой механикой.
Недавно мы поняли, что это не всегда так: все зависит от того, что мы вкладываем в понятия "скорость" и "положение". К примеру, если мы используем во время таких замеров не классические системы координат, а их квантовые аналоги, то тогда эти проблемы исчезнут.
Иными словами, в классической системе мы пытаемся определить положение той или иной частицы относительно, грубо говоря, стола, стула или какой-то другой точки отсчета. В квантовой системе координат нулем будет служить другой квантовый объект, с которым взаимодействует интересующая нас система.
Оказалось, что квантовая механика позволяет измерить оба параметра — и скорость движения, и траекторию — с неограниченно высокой точностью при определенной комбинации свойств точки отсчета. В чем заключается эта комбинация? Облако атомов, служащее нулем системы квантовых координат, должно иметь эффективную отрицательную массу.
На самом деле, конечно же, эти атомы не имеют "проблем с весом", но они ведут себя так, как если бы они обладали отрицательной массой, благодаря тому, что особым образом расположены относительно друг друга и находились внутри особого магнитного поля. В нашем случае это приводит к тому, что ускорение частицы понижает, а не повышает ее энергию, что абсурдно с точки зрения классической ядерной физики.
Это помогает нам избавиться от случайных изменений в положении частиц или скорости их движения, которые возникают, когда мы измеряем их свойства при помощи лазеров или других источников фотонов. Если поместить облако атомов с "отрицательной массой" на пути этого луча, то он сначала провзаимодействует с ними, затем пролетит через изучаемый объект, эти случайные возмущения ликвидируют друг друга, и мы сможем измерить все параметры с неограниченно высокой точностью.
Все это далеко не теория — несколько месяцев назад мы уже проверили эти идеи экспериментальным путем и опубликовали результат в журнале Nature .
— Есть ли какие-то практические применения у этого?
— Год назад я уже рассказывал, выступая в Москве, что подобный принцип "удаления" квантовой неопределенности можно использовать для улучшения точности работы LIGO и других гравитационных обсерваторий.
Тогда это было просто идеей, а сейчас она начала обретать конкретные очертания. Мы работаем над ее воплощением вместе с одним из пионеров квантовых измерений и участником проекта LIGO, профессором Фаридом Халили из РКЦ и МГУ.
Конечно, речь об установке подобной системы на самом детекторе пока не идет — это очень сложный и длительный процесс, и у самого LIGO есть планы, в которые мы просто не сможем вклиниться. С другой стороны, они уже заинтересовались нашими идеями и готовы нас слушать и дальше.
В любом случае сначала нужно создать рабочий прототип подобной установки, который покажет, что мы действительно можем перешагнуть через ту границу по точности измерений, которую накладывают принцип неопределенности Гейзенберга и другие законы квантового мира.
Первые опыты такого рода мы проведем на десятиметровом интерферометре в Ганновере, уменьшенной копии LIGO. Сейчас мы собираем все необходимые компоненты для этой системы, в том числе стенд, источники света и облако атомов. Если у нас все получится, то я уверен, что наши американские коллеги прислушаются к нам, — других способов обойти квантовый предел пока не существует.
— Будут ли сторонники детерминистических квантовых теорий, полагающие, что случайностей в квантовом мире не существует, считать подобные опыты доказательством правоты своих идей?
— Если честно, я не знаю, что они об этом подумают. В следующем году мы организуем конференцию в Копенгагене, посвященную границам между классической и квантовой физикой и подобным философским вопросам, и они могут посетить ее, если хотят изложить свое видение этой проблемы.
Сам я придерживаюсь классической копенгагенской интерпретации квантовой механики и признаю, что волновые функции не ограничены в размерах. Пока мы не видим никаких признаков того, что ее положения где-то нарушаются или расходятся с практикой.
За последние годы физики выполнили бесчисленное множество проверок неравенств Белла и парадокса Эйнштена — Подольски — Розена, которые полностью исключают возможность того, что поведением объектов на квантовом уровне могут управлять какие-то скрытые переменные или другие вещи, выходящие за рамки классической квантовой теории.
К примеру, несколько месяцев назад был еще один эксперимент, который закрыл все возможные "дыры" в уравнениях Белла, используемые сторонниками теорий скрытых переменных. Нам остается только, если перефразировать Нильса Бора и Ричарда Фейнмана, "заткнуться и вести эксперименты": как мне кажется, мы должны задавать себе лишь те вопросы, на которые можно получить ответ через опыты.
— Если вернуться к квантовой телепортации — учитывая те проблемы, которые вы описали: найдет ли она применение в квантовых компьютерах, спутниках связи и других системах?
— Уверен, что квантовые технологии будут все больше проникать в системы связи, и они довольно быстро войдут в нашу повседневную жизнь. Как именно, пока непонятно — информацию, к примеру, можно передавать как посредством телепортации, так и через обычные оптоволоконные линии при помощи систем квантового распределения ключей.
Квантовая память, в свою очередь, полагаю, тоже станет реальностью через некоторое время. Как минимум она понадобится для создания повторителей квантовых сигналов и систем. С другой стороны, как и когда все это реализуют, пока сложно предсказать.
Рано или поздно квантовая телепортация станет не экзотикой, а обыденной вещью, которой сможет воспользоваться каждый человек. Конечно, мы вряд ли увидим этот процесс, но результаты его работы, в том числе безопасные сети передачи данных и спутниковые системы связи, будут играть огромную роль в нашей жизни.
— Насколько далеко квантовые технологии проникнут в другие сферы науки и жизни, которые не касаются IT или физики?
— Это хороший вопрос, на который ответить еще сложнее. Когда появились первые транзисторы, многие ученые считали, что они найдут применение разве что в слуховых аппаратах. Так и случилось, хотя сейчас лишь крайне малая доля полупроводниковых приборов используется подобным образом.
Все же мне кажется, что квантовый прорыв действительно произойдет, но далеко не везде. К примеру, любые гаджеты и приборы, взаимодействующие с окружающей средой и как-то замеряющие ее свойства, неизбежно дойдут до квантового предела, о котором мы уже говорили. И наши технологии помогут им обойти этот предел или хотя бы минимизировать помехи.
Более того, мы уже решили одну из подобных задач, используя тот же подход с "отрицательной массой", усовершенствовав квантовые датчики магнитных полей. Такие приборы могут найти вполне конкретное биомедицинское применение — их можно использовать для наблюдений за работой сердца и мозга, оценивая шансы заполучить инфаркт и другие проблемы.
Чем-то похожим занимаются мои коллеги из РКЦ. Сейчас мы вместе обсуждаем то, чего нам удалось достичь, пытаемся объединить наши подходы и получить что-то более интересное.
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.
