Швейцарские физики впервые продемонстрировали парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР-парадокс) на квантовой системе, состоящей из 600 атомов рубидия. Ученым удалось нарушить локальный реализм, осуществив запутывание между двумя частями облака сверхохлажденного газа и доказав возможность управления (англ. steering), когда состояние одной части квантовой системы можно предсказать по состоянию второй. Статья ученых опубликована в журнале Science, сообщает Science Alert.
Согласно ЭПР-парадоксу, предложенному в 1935 году, две частицы могут взаимодействовать между собой таким образом, что можно измерить их положение и импульс с точностью, превышающей ту, что разрешена принципом неопределенности Гейзенберга. Например, суммарный импульс двух частиц (А и В), которые образовались в результате распада третьей, должен быть равен исходному импульсу последней, поэтому измерение импульса частицы А позволяет узнать импульс частицы B, при этом в движение второй частицы не вносится никаких возмущений. Тогда можно точно определить координаты частицы В, нарушая таким образом принцип неопределенности Гейзенберга.
Поскольку принцип неопределенности в любом случае сохраняется, измерение импульса частицы А неизбежно вносит возмущения в координаты частицы В, делая их неопределенными, как бы далеко первая частица ни находилась от последней. Эйнштейн полагал, что тем самым нарушается реализм мира и физические объекты в рамках квантовой механики перестают объективно существовать. Он считал, что подобная интерпретация неверна и вероятностный характер поведения частиц на самом деле объясняется существованием неких скрытых параметров. Однако на настоящий момент теория скрытых параметров не получила экспериментального подтверждения.
Ученые создали конденсат Бозе - Эйнштейна из около 600 атомов рубидия-87. Конденсат представляет собой охлажденный до сверхнизких температур газ, в котором все атомы занимают минимально возможные квантовые состояния, то есть становятся почти неотличимыми друг от друга. С помощью лазера атомы привели в сжатое состояние, при котором флуктуации одной переменной (в данном случае одна из составляющих спина, то есть «оси вращения») становятся очень малы, а другой - велики. Таким образом, между атомами создавалась квантовая связь.
Исследователям удалось разделить облако на два различных региона - А и В. С помощью лазеров были измерены коллективный спин атомов в конденсате и составляющие «оси вращения». При этом на основе неравенств, учитывающих данные параметры, была доказана запутанность между атомами для сжатого состояния и данного коллективного спина. Корреляция оказалась настолько сильной, что возникал ЭПР-парадокс и можно было предсказать квантовое состояние атомов в регионе В, измеряя спин в регионе А (предсказание возможно только в одном направлении).
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.
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.
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.
«Мы можем анализировать квантовые состояния без их изменения при первом же наблюдении», — комментирует Ляйтенсторфер.
Как правило, когда вы хотите проследить за воздействием квантовых флуктуаций на конкретно взятые частицы света, вам сперва необходимо обнаружить и выделить эти частицы. Это, в свою очередь, удалит «квантовую подпись» этих фотонов. Аналогичный эксперимент проводила команда ученых и в 2015 году.
В рамках же нового эксперимента вместо наблюдения за изменениями в квантовых флуктуациях путем абсорбирования или усиления фотонов света исследователи вели наблюдение за самим светом с точки зрения времени. Может прозвучать странным, но в вакууме пространство и время действуют таким образом, что наблюдение за одним сразу же позволяет побольше узнать и о другом. Ведя такое наблюдение, ученые обнаружили, что при «сжатии» вакуума это «сжатие» происходило ровным счетом так же, как это происходит при сжатии воздушного шарика, только в сопровождении квантовых флуктуаций.
В какой-то момент эти флуктуации стали сильней, чем фоновой шум несжатого вакуума, а в некоторых местах, наоборот, слабее. Ляйтенсторфер приводит в качестве аналогии автомобильную пробку, двигающуюся через узкое пространство дороги: со временем автомобили, стоящие в своих полосах, занимают одну и ту же полосу, чтобы протиснуться сквозь узкое место, а затем снова разъезжаются по своим полосам. Тоже самое в определенной степени, согласно наблюдениям ученых, происходит и в вакууме: сжатие вакуума в одном месте приводит к распределению изменений квантовых флуктуаций в других местах. И эти изменения могут либо ускоряться, либо замедляться.
Этот эффект может быть измерен в пространственно-временном разрезе, как это показано на графике ниже. Парабола в центре изображения отображает точку «сжатия» в вакууме:
Результатом этого сжатия, как можно видеть на том же изображении, являются некоторые «проседания» во флуктуациях. Не менее удивительным для ученых оказалось и наблюдение того, что уровень мощности флуктуации в некоторых местах оказался ниже уровня фонового шума, который, в свою очередь, ниже, чем у основного состояния пустого пространства.
«Поскольку новый метод измерения не подразумевает захват или усиление фотонов, существует вероятность прямого определения и наблюдения за электромагнитным фоновым шумом в вакууме, а также контролируемых девиаций состояний, созданных исследователями», — говорится в исследовании.
В настоящий момент исследователи проверяют точность своего метода измерений, а также пытаются разобраться в том, на что он реально способен. Несмотря на уже более чем впечатляющие результаты этой работы, по-прежнему существует вероятность того, что ученые пришли к называемому «неубедительному методу измерения», который, возможно, и способен не нарушать квантовые состояния объектов, но в то же время не способен рассказать ученым больше о той или иной квантовой системе.
Если метод действительно окажется рабочим, то ученые хотят использовать его для измерения «квантового состояния света» — невидимого поведения света на квантовом уровне, которое мы только-только начинаем понимать. Однако для дальнейшей работы необходима дополнительная проверка – репликация результатов открытия команды исследователей из Констанцского университета и тем самым демонстрация пригодности предложенного метода измерений.