Сегодня фиксируется приблизительно 200−300 научных открытий в год. Из них 2−3 являются действительно мощными прорывами, сравнимыми с обнаружением новой планеты Солнечной системы или человеческого гена. Не разочаровал ли нас прошедший 2016-й?
Журнал «Physics World» («Мир физики»), издаваемый Институтом физики в Бристоле (Великобритания), опубликовал свой выбор научных открытий года. В списке прорывов — десять событий из мира физики, в 2016 году поставивших на уши научное сообщество и широкую общественность.
Рейтинг составлен по следующим критериям: 1) фундаментальное значение открытия; 2) весомый прорыв в знаниях; 3) сильная связь между теорией и экспериментом; 4) значимость для физики в целом.
1. Стальные колонны падают — гравитационные волны рождаются
Первое место в рейтинге занимает открытие гравитационных волн в эксперименте коллаборации LIGO. Этот детектор физически находится в США, но команда физиков, которая на нем работает, международная.
Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. Эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света. При прохождении гравитационной волны между двумя телами, которые находятся в свободном падении, расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны.
Вообще практически любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, выдает «на-гора» гравитационные волны. Однако гравитация — очень слабенькое взаимодействие, поэтому амплитуда этих волн чрезвычайно мала. Чтобы вы понимали: стальная колонна массой 10000 тонн, вращающаяся на пределе прочности стали (10 оборотов в секунду), будет излучать в гравитационных волнах примерно 10−24.
Первое косвенное свидетельство существования гравитационных волн было получено в 1974 году. Тогда некие Рассел Халс и Джозеф Тейлор наблюдали за тесной системой двух нейтронных звёзд. За свои труды они даже получили в 1993 году Нобелевскую премию по физике.
В 2014 году было объявлено об открытии реликтовых гравитационных волн, оставшихся после Большого взрыва. Правда, после дотошного анализа данных открытие было опровергнуто.
Двойные системы массивных объектов (те системы, внутри которых возможен обмен компонентами), например, нейтронных звезд или чёрных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты. А как результат приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по Вселенной.
2. «Пациент скорее жив, чем мертв» (из фильма про Буратино)
Знаменитый в кругах физиков кот Шредингера, который «поломал» достаточно умов, может быть не только жив и мертв одновременно (умы именно от этого факта и пострадали), но также может находится в двух местах одновременно. Это выяснили ученые из Йельского университета в Нью-Хейвене (США) вместе с Французским институтом компьютерных исследований.
Кот Шредингера — это умовывод, мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком, одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем (проще говоря, микромира) к макроскопическим.
Итак, представляем себе. Некий кот заперт в стальной камере. Вместе с ним внутри расположена и «адская машина»: внутри счётчика Гейгера находится радиоактивное вещество в таком малюсеньком количестве, что в течение часа может распасться только один атом. Если распад случится, срабатывает реле, опускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. То есть первый же распад атома отравляет кота.
Есть тонкая грань между тем моментом, когда ядро еще не распалось, но начинает распадаться, и уже распавшимся ядром — на этом моменте ядро еще не распавшееся, но уже не целое. Получается, это двойственное состояние? Логически да, если мы не заглядываем в коробку и не видим, что там с котом. Но, заглянув, мы видим, что оно не двойственное — кот или жив, или мертв. Где же правда?
Эксперимент достиг цели: показать, что квантовая механика не полна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях наступает железобетонно только одно состояние, и этот гадский кот либо жив, либо мертв без каких-либо экивоков (не существует состояния «жизнь и смерть одновременно»). Что значит, что ядро либо цело, либо распалось. Но, тем не менее, оно находится в «двойственном состоянии»! Итак, кот Шредингера одновременно жив и мертв, когда мы не заглядываем в коробку, а воспринимаем состояние кота, только думая об том, распался или не распался атом.
Аналогичным образом в квантовой физике элементарные частицы могут находиться в том или ином состоянии, хотя по умовыводам они должны быть в каком-то одном состоянии. Более того! Их состояние может быть «связано» в пространстве — если говорить по простому, то все это означало бы, что какой-то конкретный кот находился и в живом, и в мертвом состоянии, да еще в разных местах пространства.
Итак, в ходе работы ученые взяли две полости и поместили в них две световые волны. Через полости проходил электрический ток. Далее ученые подвергли фотоны в одной из полостей упорядоченному закручиванию. Выяснилось, что в соседней полости проходил аналогичный процесс. Электрический ток, проходя через полости, означал единство волн (то есть это одна волна, но в разных полостях). То же, что если бы кот Шрёдингера, будучи организмом в количестве одной штуки, тем не менее, находился в двух местах. Да еще при этом и жил, и был мертвым одновременно. Это в очередной раз подтверждает, что есть-таки недосказанность при переходе от микромира в макро-.
3. Ядерный «тик-так»
Ученые из Германии зафиксировали переход низкоэнергетического ядерного лазера в оптическом диапазоне 6,3-18,3 eV из тория-229. Это первое экспериментальное подтверждение гипотезы, что мир рано или поздно увидит ядерные часы.
Самые точные из существующих часов дают погрешность в 1 секунду в 300 миллионов лет. Но если будут изобретены ядерные часы, это значит, что способ отмерять секунды будет еще более точным.
Самый точный на сегодняшний день принцип измерения времени (он позволяет выполнять стратегически важные действия — запускать ракеты, отслеживать положение кораблей в море и самолетов в воздухе) — это принцип, используемый в атомных часах, где секунды отмериваются за счет фиксации переходов электронов в состояние с более и менее высокой энергией. Частота таких переходов зависит от конкретных свойств ядра атома. Проще говоря, эта частота более или менее стабильна.
Но! В атомном ядре тоже происходят колебания энергии. Для некоторых элементов зафиксированы ядерные изомеры, в которых ядро обладает большей энергией, чем в основном состоянии. Срок жизни ядерных изомеров обычно исчисляется тысячными секунды, а энергии, необходимые для перевода ядра в возбужденное состояние, очень высоки.
И опять но! Для изотопа тория с атомной массой 229 доказано существование изомера, который живет почти минуту, а энергия перехода в более высокое энергетическое состояние ядра настолько низка. Все эти свойства делают 229mTh и его ион 229mTh2+ потенциальным материалом для ядерных часов. Осталось только определить частоту, с которой 229mTh «перепрыгивает» из одного состояния в другое. Но это уже другая история и другое потенциальное открытие.
4. Зачем вам гравиметр на кухне?
Ученые из университета Глазго (Великобритания) построили маленький и недорогой высокочувствительный гравиметр. Этим прибором можно измерить гравитационное поле Земли без применения архисложных аппаратов.
Гравиметры обычно используют в сфере нефтедобычи и геодезии и редко — для частного пользования, потому что они громоздкие и дорогие. В Университете Глазго создали такой гравиметр, который можно задействовать в любых условиях и в любое время.
Устройство получило название Wee-g. В сочетании с двенадцатимиллиметровым квадратным датчиком, усиливающим чувствительность прибора, гравиметр засекает даже самые слабые изменения в гравитационном поле Земли.
Чтобы проверить эффективность устройства, его разместили в подвальном помещении университета. Нужно было измерить небольшие расширения и сжатия земной коры, вызванные притяжением Солнца и Луны. Показания, полученные через 7 дней от Wee-g, совпали с математическими моделями приливов и отливов.
Новое устройство позволяет измерить силу притяжения при проведении гравиметрических съемок для геофизических исследований, контролировать активность вулканов и предупреждать опасность при угрозе их извержения.
5. Графен и его отрицательное преломление
Международная группа ученых измерила негативное отражение электронов в графене, чего до этого не мог добиться никто. Негативное отражение — это свойство некоторых искусственных материалов, которое может быть использовано для создания новых оптических устройств.
Физики из США и Японии впервые напрямую «увидели» преломление электронов под отрицательными углами — явление, аналогичное поведению света в средах с отрицательным коэффициентом преломления. Необычный физический эффект наблюдался в графене (это такой слой графита толщиной в один атом). По словам ученых, с его помощью можно добиться создания «электронных линз» на чипе, которые помогут сделать миниатюрными электронные микроскопы.
Когда волны (например, света) пересекают границу двух сред, происходит их преломление. Явление связано с тем, что скорость распространения волн в разных средах отличается — это изменяет направление луча света.
Оптические среды с отрицательным показателем преломления интересны разрешающей способностью получаемых линз. Для классических оптических приборов разрешение ограничено длиной волны света — из-за этого микроскопы не позволяют наблюдать детали объектов размером менее 100 нанометров. С помощью линз на основе преломления под отрицательным углом можно обойти этот барьер.
6. Красный холодный карлик с потенциальной жизнью
Ученые из проекта «Pale Red Dot» определили, что у звезды Проксима Центавра (ближайшей к нам после Солнца) на орбите есть экзопланета — красный холодный карлик Проксима b, который делает оборот вокруг своей звезды за 11 дней. Расстояние до Проксимы Центавра от Солнца — около 4,25 светового года.
Период обращения новой планеты составляет 11 дней. Ее масса немного больше, чем у Земли. Астрономы считают, что обнаруженная планета вращается в так называемой обитаемой зоне, то есть там может быть вода — один из самых важных компонентов для жизни как явления.
До обнаружения планеты у Проксимы Центавра ближайшей пригодной для развития жизни планетой считалась Wolf 1061c в созвездии Змееносца. До нее примерно 13,7 светового года.
По оценке астрономов, в галактике Млечный Путь «блуждает» около 40 миллиардов планет размером с Землю, которые находятся в обитаемой зоне своих звезд. Однако большинство из них находятся так далеко, что пока изучать их либо сложно, либо вообще невозможно. А вот Альфа Центавра находится сравнительно близко. В апреле 2016 года российский миллиардер Юрий Мильнер и британский физик Стивен Хокинг объявили, что собираются разработать микроскопический космический аппарат массой 1 грамм, который отправят к этой звездной системе. Предполагается, что аппарат сможет достичь Альфа Центавра за 24 года.
7. Запутали бедолаг
Ученые из Великобритании и США измерили квантовую запутанность между ионами. Квантовая запутанность — это важное явление в квантовом мире, которое показывает взаимосвязанность объектов. Физики одновременно запутали рекордные 219 ионов бериллия. Авторы отмечают, что максимальное количество ионов, которые удавалось запутать между собой в ранних экспериментах, не превышало 20 штук.
Ученые управляли ионами с помощью специальным образом сконфигурированного электромагнитного поля. Главной сложностью, мешающей ввести в квантовое запутанное состояние неограниченное количество частиц, является декогеренция — ухудшение признаков частиц.
Собрать в запутанном состоянии от 21 до 219 ионов бериллия удалось с помощью источников стабильных магнитных полей и лазеров для контроля за квантовым состоянием ионов. Чтобы зафиксировать запутанность такого большого количества частиц, физики облучали ионы лазером.
Создание подобных квантовых симуляторов необходимо для того, чтобы изучать поведение крупных систем взаимодействующих частиц.
8. Линзы помогут исследовать... время
Шотландские ученые из Университета Стратклайда создали новый тип линзы для микроскопов, которые назвали мезолинзами. Новые революционные линзы для конфокального микроскопа дают очень широкий обзор при высоком разрешении. Это уникальное свойство, которое позволит улучшить работу ученых с биологическими образцами.
Конфокальный микроскоп — оптический микроскоп, у которого более выраженный контраст в сравнении с обычным микроскопом. Это достигается использованием апертуры (отверстия), размещенной в плоскости изображения и ограничивающей поток фонового рассеянного света.
Эта методика завоевала популярность в научных исследованиях в биологии, физике полупроводников и спинтронике (в частности, в изучении свойств NV-центров, коими являются дефекты решетки алмаза).
Показатель преломления биологических объектов почти такой же, как у стекла. А посему наблюдение этих объектов, находящихся на поверхности предметного стекла, в обычном микроскопе весьма затруднено. Конфокальный микроскоп, имеющий высокий контраст, характеризуется двумя неоценимыми возможностями: он позволяет исследовать ткани на клеточном уровне в состоянии физиологической жизнедеятельности, а также оценивать результаты исследования (то есть клеточной активности) в четырёх измерениях — таких, как высота, ширина, глубина и время.
9. Квантовые компьютеры «докопаются» до рака
Райнер Блатт и Петер Золлер из Института квантовой оптики и квантовой информации в Инсбруке впервые смоделировали взаимодействия элементарных частиц, используя квантовый компьютер. Авторы использовали модель из четырех ионов. Если взять 30 ионов, то для обычного компьютера рассчитать создание электрон-позитронных пар невозможно, вот здесь и пригодится квантовый компьютер.
Ученым из института Maryland удалось преодолеть главную проблему квантовых компьютеров, а именно добиться масштабируемости (увеличения масштаба обзора). Они создали квантовый модуль, который может быть объединен с еще одним таким же модулем в систему, позволяющую производить вычисления квантовых алгоритмов.
Квантовые компьютеры сегодня считаются более высоким уровнем развития вычислительной техники, чем та, которой мы сейчас пользуемся. Потенциально они могут быть применены в абсолютно разных областях — от космической техники до медицинских исследований рака.
Их преимущество в том, что они не используют традиционную систему «один, ноль», взамен применяется система квантовых бит или кубит. Кубиты — это единицы, которые являются одновременно и нулем, и единицей, что позволяет преодолеть проблемы обычных компьютеров, а также помочь в создании искусственного интеллекта.
10. Мотор(чик?) из одного атома
Физики Килиан Сингер и Йоннас Роснагель с коллегами из Университета Майнц в Германии создали тепловой двигатель, состоящий из единственного иона или атома.
Тепловые двигатели обычного типа насчитывают около 1024 степени частиц (атомов). В последние годы данные устройства были уменьшены до микроскопических размеров, что тоже считалось прорывом.
Для создания такого устройства специалисты «захлопнули» ион кальция в специальной электрической ловушке. При нахождении там он превратил тепловую энергию в гармонические колебания. КПД созданной машины достиг отметки в 0,28 процента. Ион заработал как двигатель, несмотря на то, что для эффективной работы машины нужны еще холодильник и нагреватель. В качестве холодильника ученые использовали метод лазерного охлаждения. При таких условиях роль нагревающего элемента исполняли колебания электрического поля.
Флуктуации электрического поля могли включаться и выключаться. В течение цикла ион первым делом «нагревался», при этом происходило увеличение его потенциальной энергии. После выключения колебаний ион возвращался в своё исходное состояние. При повторении циклов происходили гармонические колебания иона и совершение им работы. По оценкам физиков, мощность данного двигателя составила 4 на 10-22 джоуля, а КПД равнялся 0,28 процента.
