В квантовом мире царит неопределённость, которая в момент нарушается фактом наблюдения (измерения). Достигается это на сложных установках. Можно ожидать, что в нашем обычном мире больших и тяжёлых объектов тоже есть место для квантовой неопределённости, но доказать это прямым наблюдением очень и очень сложно. Однако учёные не сдаются.

Одно из зеркал детектора LIGO. Источник изображения: Caltech/MIT/LIGO Lab

Принцип квантовой неопределённости часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), когда до открытия коробки с животным оно ни живо, ни мертво. Это позволяет понять контринтуитивные законы квантовой механики, но это не приближает нас к детектированию квантовых явлений на макроуровне.

Свой вариант натурного эксперимента по фиксации квантовой неопределённости в больших объектах предложили учёные из Университетского колледжа Лондона (UCL), Университета Саутгемптона в Великобритании и Института Бозе в Индии. Для исследования учёные предложили использовать систему гравиметрической обсерватории LIGO в США. Это два тоннеля по 4 км, соединённых под прямым углом (буквой Г). По тоннелям многократно с отражением курсирует луч лазера, который способен фиксировать искажения пространства-времени при прохождении через детектор гравитационной волны. Эту же систему можно использовать для выявления квантовой неопределённости с макрообъектами без строгих ограничений по массе и энергии, считают учёные.

В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников (или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика) и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом. Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории.

С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости.

С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой (но отнюдь не нулевой) вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий.

Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv.org.

Предсказанный в 1931 году Полем Дираком магнитный монополь — гипотетическая частица с одним единственным магнитным полем — до сих пор не получил наблюдательного подтверждения. Столетие поиска магнитного монополя не дали никакого результата. В то же время подтверждение его существования открыло бы дорогу к проработке «теории всего» — единой физико-математической теории функционирования нашей Вселенной.

Источник изображения: Anthony Tan / Michael Hoegen

«Если бы монополи действительно существовали, и мы смогли бы их изолировать, это было бы похоже на поиск недостающего фрагмента головоломки, который считался утерянным», — пояснил физик Мете Ататюр (Mete Atatüre) из Кембриджского университета, один из авторов новой работы по поискам признаков магнитного монополя.

В этой работе, опубликованной в журнале Nature Materials, международная группа исследователей во главе с учёными из Кембриджского университета в Великобритании наблюдала монопольное поведение магнитных полей при прохождении через гематит, материал, похожий на обычную ржавчину.

Сразу уточним, что это не наблюдение за поведением гипотетической частицы. Это попытка оценить закономерности, которые можно было бы выявить в процессе наблюдения настоящего магнитного монополя. На практике учёные обнаружили и изучили связь между спиновыми паттернами в антиферромагнитных материалах под воздействием точечного приложения магнитного поля, которое имитировало магнитный заряд монополя.

«Проблемой всегда было прямое отображение этих структур в антиферромагнетиках из-за их более слабого магнитного притяжения, но теперь мы можем сделать это с помощью забавного сочетания алмазов и ржавчины», — сказал физик Энтони Тан (Anthony Tan) из Кембриджского университета.

Источник изображения: Nature Materials, 2023

Использовать слово ржавчина в сочетании с алмазами учёные считают забавным. Но это лишь гематит — широко распространённый минерал железа Fe₂O₃, обычная железная руда. Это антиферромагнетик с нейтральным магнитным полем в обычном состоянии. Упорядоченная и нейтральная структура магнитных доменов в этом материале легко локализуется на очень и очень маленьких масштабах. Для вывода её из равновесия использовалась тончайшая алмазная игла, точнее — алмазная квантовая магнитометрия. С помощью детектирования ориентации спина электронов в игле можно измерять слабые магнитные поля в образце не нарушая их.

По сути, учёные создали имитацию воздействия гипотетической частицы на магнитную решётку образца и смогли увидеть это воздействие прибором. Это открывает путь к новым методам поиска неуловимой частицы, обнаружение которой невозможно переоценить для современной физики.

В дальнейшем результаты этого исследования могут быть использованы для разработки компьютерных технологий, которые будут быстрее, чем те, что мы имеем сегодня, и более бережны к окружающей среде (за счет более низкого энергопотребления), за что нужно будет благодарить особые свойства антиферромагнитных материалов.

«Мы показали, как алмазная квантовая магнитометрия может быть использована для разгадки таинственного проявления магнетизма в двумерных квантовых материалах, что может открыть новые области исследований в этой сфере», — пояснил Тан.

Один из постулатов квантовой физики говорит, что материя может возникать с помощью одного только света (фотонов). На практике проверка этого требует колоссальных энергий и ещё ни разу не проверялось в лаборатории. Группа учёных из США и Японии нашла условия, при которых такой эксперимент становится возможным с использованием современных лазеров.

Источник изображения: SciTechDaily.com

Следует сказать, что косвенно синтез материи из энергии света был реализован в лаборатории и не один раз за последние два–три года. Учёные разгоняли ионы золота и других тяжёлых металлов до релятивистских скоростей. На такой скорости ионы были окружены облаками фотонов, что вело к столкновениям между фотонами при сближении ионов металлов. В этих столкновениях рождались частицы и античастицы (обычно электроны и позитроны). Иначе говоря, фотон-фотонные взаимодействия порождали материю, что прекрасно регистрировалось научными приборами.

Повторить подобный эксперимент с одними только лазерными лучами — воспроизвести чистый эксперимент перехода энергии в материю — это подняться на другой уровень науки. Как это сделать, рассказала группа исследователей из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они использовали моделирование, чтобы продемонстрировать, как можно экспериментально производить материю исключительно из света, что в будущем может помочь проверить давние теории об эволюции Вселенной.

«Наше моделирование демонстрирует, что при взаимодействии с интенсивными электромагнитными полями лазера плотная плазма может самоорганизовываться, образуя фотон-фотонный коллайдер, — объяснил доктор Сугимото (Sugimoto), ведущий автор исследования, ранее опубликованного в журнале Physical Review Letters. — Этот коллайдер содержит плотную популяцию гамма-лучей, в десять раз более плотных, чем плотность электронов в плазме, и энергия которых в миллион раз превышает энергию фотонов в лазере».

При столкновениях фотона с фотоном в коллайдере образуются электрон–позитронные пары, а позитроны ускоряются электрическим полем плазмы, создаваемым лазером. В результате получается позитронный пучок.

«Это первое моделирование ускорения позитронов в рамках линейного процесса Брейта–Уилера в релятивистских условиях, — сказал профессор Арефьев, соавтор исследования. — Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем реализации в реальном мире». Доктор Вячеслав Лукин, директор программ Национального научного фонда США, который поддержал работу, добавил: «Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны Вселенной в лабораторных условиях. Будущие возможности сегодняшних и будущих мощных лазерных установок стали еще более интригующими».

Физика процесса. Источник изображения: Yasuhiko Sentoku

Суть процесса в том, что облучаемая доступными сегодня лазерами плазма в состоянии близком к критическому, способна самоорганизоваться и не только произвести позитроны (и электроны), но также ускорить их до ультрарелятивистских энергий. Лазерный импульс накапливает электроны на своем переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы. Поле создает движущийся гамма-коллайдер (своеобразный фронт волны, где происходят столкновения гамма-квантов), который генерирует позитроны с помощью линейного процесса Брейта-Уилера — аннигиляции двух гамма-квантов в электрон-позитронную пару. В то же время ускорителем для позитронов служит плазменное поле, а не лазер, как показано на иллюстрации выше.

Именно открытие позитронного ускорения обещает возможность создать установку для первого в истории преобразования чистой энергии в материю. Для этого будет достаточно использовать доступные лазеры с интенсивностью 10²² Вт/см². Моделирование показало, что позитронный пучок приобретёт энергию уровня гигаэлектрон-вольт с углом расхождения около 10 ° с зарядом 0,1 pC (10⁶ электронов в импульсе). Ранее считавшееся фантастикой станет реальностью, но совсем не так, как в кино. Репликаторы из этого вряд ли получатся. Но подтверждение Стандартной модели и, не исключено, новая физика — это достойная награда за открытие.

Космический телескоп «Хаббл» представил снимок далёкой галактики MCG-01-24-014, расположенной на удалении 275 млн световых лет от Земли. Эта галактика относится к редким сейфертовским галактикам с «мини»-квазаром в её центре. Одна её крошечная центральная область пылает как весь Млечный Путь. А за такими процессами всегда полезно следить, ведь там происходят явления, которые невозможно воссоздать в земных лабораториях.

Источник изображения: NASA

В своё время академик Яков Борисович Зельдович сказал, что Вселенная — это ускоритель для бедных. Но это верно лишь отчасти. В безднах космоса создаются такие условия, которые на Земле нельзя создать ни за какие деньги. Частицы разгоняются до колоссальных энергий, и это открывает нам глаза на новые грани классической и квантовой физики.

Наблюдаемая «Хабблом» галактика MCG-01-24-014 относится ко второму типу сейфертовских галактик. Особенность этого типа в том, что ширина разрешённых и запрещённых линий в спектре её излучения примерно равна и равна разрешённым линиям в спектре сейфертовских галактик первого типа. В то же время у сейфертовских галактик первого типа ширина запрещённых зон относительно мала и это соответствует тому опыту, который частично воспроизводим на Земле. В остальном это на вид обычная спиральная галактика. По крайней мере, в оптическом диапазоне.

Согласно выведенным учёными законам квантовой физики, вероятность появления запрещённых линий в спектре не имеет абсолютного запрета, но крайне мала. Это подтверждено на опытах с доступной нам энергией. Но в космосе и, конкретно, на примере спектров галактик типа MCG-01-24-014 повсеместно происходит нечто маловероятное — запрещённые линии в спектрах имеют ту же ширину, что и разрешённые.

Ядра галактик типа MCG-01-24-014 имеют в центре активное галактическое ядро. В общем случае — это активная чёрная дыра, которая постоянно поглощает множество вещества и в результате этого падающее на неё вещество излучает энергию в широком электромагнитном спектре. И этот спектр отлично улавливается нашими приборами. Более того, он показывает возможность процессов и явлений, осуществимость которых едва можно себе представить, включая «запрещённый» свет, который можно изучить и сделать из его наблюдения фундаментальные выводы о природе нашего мира.

Группа японских и китайских учёных провела серию экспериментов, которые говорят о перспективе переноса квантовых явлений на аккумуляторы. Такие батареи будут работать вне привычной причинно-следственной логики, и обещают превзойти классические химические элементы при накоплении электрической энергии и даже тепла.

Источник изображений: Chen et al. CC-BY-ND

Многим наверняка известно, что при покупке некоторых недорогих аккумуляторов китайского производства логику тоже можно смело отключать. Но учёные из Токийского университета и Пекинского исследовательского центра вычислительных наук по-настоящему заинтересовались возможностью квантовых явлений в аккумуляторах. Интересно, что проблемой занялись специалисты в сфере информационных технологий, а не материаловеды. И немудрено, затронутая проблематика тесно связана с квантовой природой информации или, по крайней мере, в значительной степени её касается.

По мнению учёных, квантовые аккумуляторы могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможностей для подзарядки недостаточно. На это были нацелены первые опыты, и они увенчались успехом.

Одно из открытых преимуществ квантовых батарей заключается в том, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки.

«Современные батареи для маломощных устройств, таких как смартфоны или сенсоры, обычно для накопления заряда используют химические вещества, такие как литий, тогда как квантовая батарея использует микроскопические частицы, такие как массив атомов, — поясняют исследователи. — В то время как химические батареи подчиняются классическим законам физики, микроскопические частицы имеют квантовую природу, поэтому у нас есть шанс изучить способы их использования, которые искажают или даже ломают наши интуитивные представления о том, что происходит в малых масштабах. Нас особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из наших самых фундаментальных ощущений — восприятие времени».

Учёные провели серию экспериментов со способами зарядки квантовой батареи с использованием оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала. Представленная выше схема лабораторной установки была далека от чего-либо, напоминающего привычный аккумулятор. В конечном итоге удалось добиться зарядки батареи способом, который потребовал проявления квантового эффекта вне повседневной логики. Заряд проходил в состоянии квантовой суперпозиции, когда условно два зарядных устройства одновременно заряжали один аккумулятор. В обычной жизни нужно было заряжать аккумулятор сначала одним, затем подключать другое зарядное устройство, а первое отключать. Опыт показал, что с учётом квантовых явлений обе зарядки могут работать одновременно.

Более того, эксперимент подтвердил явную абсурдность процесса. Оказалось, что маломощное зарядное устройство быстрее и эффективнее заряжает аккумулятор, чем более мощное.

Феномен неопределенного причинно-следственного порядка или ICO, который исследовала команда, может найти применение не только для зарядки нового поколения маломощных устройств. Лежащие в их основе принципы, включая раскрытый здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, которые включают передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, где тепловые эффекты могут снизить их эффективность, но вместо этого можно использовать ICO, чтобы смягчить этот негативный эффект и привести к повышению эффективности.

Комитет P5 в пятницу опубликовал программные предложения для властей США по развитию физики элементарных частиц в стране в течение следующего десятилетия. На создание предложений ушло свыше трёх лет, в течение которых собирались и анализировались предложения американских физиков. От выбора руководства США будет зависеть, вернёт ли американская наука себе место лидера или продолжит отставать.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Комитет «пяти П» (Particle Physics Project Prioritization Panel) или группа планирования приоритетов в физике элементарных частиц выполняла задание Министерства энергетики США и Национального научного фонда по разработке планов развития на следующие 10 лет. Предыдущий план был представлен в 2014 году и срок его исполнения истекает.

Не секрет, что после запуска Большого адронного коллайдера на территории Швейцарии и Франции центр изучения физики элементарных частиц сместился в Европу. В США собирались строить свой коллайдер, но в 1993 году Конгресс не дал на это денег. США снова вернёт себе мировое лидерство в этой сфере, если создаст на своей территории «коллайдер мечты» — ускоритель на мюонах. Мюоны в современном представлении физиков — это неделимые частицы (в отличие от протонов, которые сталкивают на БАК), поэтому при столкновении мюонов будет выделяться больше энергии и, как следствие, можно будет изучать более тяжёлые частицы и искать следы тёмной материи.

В то же время следует понимать, что в течение следующих десяти лет такой проект физически неосуществим. Если по нему будет принято решение, то эти годы уйдут на проектирование и доказательство осуществимости проекта. Впрочем, рабочий проект такого масштаба — это рывок вперёд как по науке, так и по технологиям. Чтобы он приблизился к реальности, комитет P5 рекомендует увеличивать бюджет Министерства энергетики (включая средства на физику элементарных частиц) на 3 % в год. Фактически это будет следование за инфляцией, но угрозы смелым проектам такое финансирование нести не будет, что позволит физикам в США оставаться впереди учёных в других странах.

Эти средства помогут продолжить уже реализуемые проекты, например, такие как обсерватория им. Веры Рубин, или установка DUNE для изучения осциляции нейтрино, а также множество других. Но если министерство выберет альтернативный план развития физики в США, согласно которому бюджет будет расти на 2 % в год, то про эти и другие проекты, включая мюонный коллайдер, можно будет забыть. Тем самым урон может быть нанесён даже мировой фундаментальной физике, которая включает работы американских учёных. БАК близок к исчерпыванию своих возможностей. После открытия бозона Хиггса там не осталось пространства для резкого движения вперёд. Для прорывных открытий нужно что-то новое и определённый объём старого, а именно денег.

«Фундаментальные исследования трудно продать, — сказал доктор Мураяма. — Это не приносит немедленной пользы обществу». Но результат того стоит, добавил он: «Физика элементарных частиц привела к революциям в медицинских приложениях, материаловедении и даже к созданию iPhone и Всемирной паутины».

Загадочная физика так называемых странных металлов 40 лет ставит учёных в тупик. Проблески в понимании вопроса уже есть, но исследования продолжаются и открывают всё новые и новые необъяснимые свойства вещества. Свежее исследование показало, что электрический ток в странных металлах течёт с нарушением известной нам физики и учёные пока не понимают, почему это происходит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

Странные металлы условно занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. У них уже есть свободные электроны, способные переносить электрический заряд (обеспечить течение тока), но они пока ещё не становятся проводниками в полном смысле этого слова. Начать понимать природу странных металлов помог синтез квантовой и классической физики. В то же время он показал, что тот же эффект электрического тока, например, мы понимали, скорее всего, неправильно.

В основе современной теории электрического тока лежит перенос заряда квазичастицами, представленными коллективными действиями электронов. Дискретная природа электрического тока проявляется в случае так называемого дробного шума, когда ток в сети проявляется всплесками, а не в виде равномерного переноса заряда постоянной величины. Чтобы узнать, как ток течёт в странных металлах, учёные создали такие условия, чтобы можно было следить едва ли не за каждым электроном.

В основе измерительного стенда лежали нанопроводники из соединения иттербия, родия и кремния (YbRh₂Si₂) шириной 200 нм и длиной 600 нм. Это соединение относится к странным металлам и, как и прочие странные металлы, обладает нетипичными свойствами вблизи абсолютного нуля. Если бы электрический ток тёк через этот материал так, как мы представляем — дискретно группами коррелированных электронов в виде квазичастиц, то ничего странного не произошло бы. Однако в ходе эксперимента учёные убедились, что ток продолжал течь плавно без свойственных дробному шуму флуктуаций как вода по широкому жёлобу.

Говоря иначе, заряд отчасти передавался как будто без участия электронов, что представляется невероятным. Возможно, в металлах происходит всё то же самое, и носителем заряда служит нечто другое помимо электронов. Несомненно в этом проявляются квантовые эффекты, но каким образом, физикам ещё предстоит объяснить.

Ответ на этот вопрос поможет приблизить открытие сверхпроводимости при обычной температуре, ведь одним из коренных свойств странных металлов является совершенно отличное от металлов поведение удельного сопротивления вблизи абсолютного нуля. У металлов оно меняется скачком от нуля до высокого, а у странных металлов вместо скачка оно растёт постепенно и линейно. Дотянуть бы его небольшим до высоких температур, и будет всем счастье в энергетике.

Учёные из коллаборации Telescope Array сообщили о регистрации «божественной» частицы, прилетевшей к нам из космоса. Поскольку частица прилетела из войда — из пустой области Вселенной — её источником может оказаться неизвестная нам физика, что делает открытие невообразимо ценным для учёных.

Ливень из вторичных частиц на массив датчиков телескопа TA в представлении художника. Источник изображения: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Зарегистрированная энергия космической частицы достигла 244 эксаэлектронвольта (10¹⁸ электронвольт). Она стала одной из мощнейших по величине заряда из всех зарегистрированных нашей наукой. Первая подобная частица была детектирована в 1991 году, и её энергия составила 320 эксаэлектронвольт, за что она получила прозвище «Oh-My-God». В 1993 и 2001 годах были зарегистрированы ещё две частицы с энергиями, соответственно, 213 и 280 эксаэлектронвольт. Происхождение всех их остаётся невыясненным.

Последняя частица была детектирована на установке Telescope Array утром 27 мая 2021 года, за что её потом назвали в честь японской богини Солнца Аматэрасу (в коллективе присутствовал японец). Телескоп TA представляет собой массив датчиков со сторонами около 700 км с шагом в 1,2 км. Считается, что космические частицы максимальных энергий прибывают на Землю с частотой менее одной в сто лет на 1 км². И чем больше массив датчиков, тем выше вероятность засечь такую частицу.

Саму частицу Аматэрасу массив датчиков увидеть не может. Она разрушается в атмосфере при столкновении с атомами в воздухе и создаёт ливень обломков — частиц с меньшими энергиями, которые, собственно, обнаруживают детекторы. Данные с датчиков позволяют восстановить параметры исходной частицы и дают информацию для расчёта её траектории. Узнать откуда она прилетела — это главная задача в таких исследованиях.

Считается, что частицы с высочайшими уровнями энергии рождаются вне нашей галактики. Их источниками могут быть релятивистские процессы в чёрных дырах или невообразимые по мощности гравитационные возмущения. Наконец, причиной появления таких частиц может оказаться неизвестная нам физика вне рамок Стандартной модели. Частица Аматэрасу может оказаться одной из таких, поскольку она пришла из области Вселенной, где нет никаких видимых источников. Для учёных это редкая возможность буквально пощупать нечто неизвестное науке, и они обещают в полной мере воспользоваться этим.

Международный коллектив физиков впервые наблюдал объёмные спиновые вихри в обычных материалах, что поможет вывести электронику на новый уровень. Речь идёт о таких структурах, как солитоны Хопфа или хопфионы (hopfions). Это устойчивая вихреподобная структура поля, которая может считаться квазичастицей, с которой можно работать — создавать на её основе память, кубиты и элементы логики нейроморфных процессоров.

Компьютерное представление хопфиона с указанием направлений спинов в кольце. Источник изображений: Филипп Рыбаков

Хопфитоны можно считать трёхмерным аналогом скирмионов. Скирмионы, как топологические структуры в плоском 2D-исполнении, открыты достаточно давно. Хопфионы оставались известными науке лишь в виде решений сложных уравнений, тогда как на практике они в простейшем случае напоминали бы бублик поля в объёме материала. Впрочем, в специально синтезированных материалах хопфионы можно было наблюдать, но в более привычных ещё нет.

Совместный коллектив учёных из Швеции, США и Китая смог добиться устойчивого образования хопфионов в толще пластинки из железа и германия. «Наши результаты важны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, поскольку появился новый мост между экспериментальной физикой и абстрактной математической теорией, что может привести к тому, что хопфионы найдут применение в спинтронике», — заявил ведущий автор исследования Филипп Рыбаков, научный сотрудник факультета физики и астрономии Уппсальского университета (Швеция).

Более глубокое понимание того, как функционируют различные компоненты материалов, важно для разработки инновационных материалов и технологий будущего. Например, область спинтроники, изучающая спин электронов, открыла многообещающие возможности объединения электрических и магнитных свойств электронов для таких приложений, как новая электроника, включая логику и память. Яркий пример из этого — разработка трековой памяти, предложенная компанией IBM около десяти лет назад.

Наблюдение хопфиона через просвечивающий электронный микроскоп в 180-нм образце. Источник изображения: Fengshan Zheng/Forschungszentrum Jülich

«Поскольку объект новый и многие его интересные свойства еще не открыты, трудно делать прогнозы относительно его конкретных приложений в спинтронике. Однако можно предположить, что наибольший интерес хопфионы могут представлять при переходе в третье измерение практически всех технологий, разрабатываемых на основе магнитных скирмионов: трековой памяти, нейроморфных вычислений, кубитов (основной единицы квантовой информации). По сравнению со скирмионами хопфионы обладают дополнительной степенью свободы за счет трёхмерности и, следовательно, могут двигаться не в двух, а в трёх измерениях», — пояснил Рыбаков.

Впервые в космосе учёные создали квантовый газ, содержащий два типа атомов. Это произошло в Лаборатории холодного атома NASA (Cold Atom Lab) на борту Международной космической станции и стало ещё одним шагом на пути внедрения в космосе квантовых технологий, доступных в настоящее время только на Земле.

Принцип охлаждения атомов с помощью лазеров. Источник изображения: NASA

Лаборатория NASA Cold Atom Lab размером с небольшой холодильник. И холодит она от всей души, создавая внутри температуру вблизи абсолютного нуля (-273 °C). На МКС лаборатория попала в 2018 году и с тех пор учёные на Земле — прибор управляется дистанционно — провели с её помощью множество экспериментов. В частности, установка помогла создавать квантовый газ — конденсат Бозе-Эйнштейна, который в условиях микрогравитации вёл себя достаточно интересно.

Помещённые между магнитами атомы вещества в установке охлаждались с помощью лазеров, которые гасили энергию частиц и, тем самым, заставляли их остывать едва ли не до самой низкой из возможных во Вселенной температуры. Но недавно учёные NASA заявили, что им удалось создать в камере лаборатории конденсат Бозе-Эйнштейна из смеси двух атомов: калия и рубидия. А где есть смесь различных химических веществ, там появляются реакции. Фактически учёные создали основу для проведения в космосе экспериментов по квантовой химии, что раньше было возможно только в земных условиях на очень сложных и громоздких установках.

Кроме того, перенос квантовой химии в космос — в условия микрогравитации — позволяют изучать квантовые явления с недоступной на Земле точностью для целого ряда экспериментов. Наконец, это путь к появлению в космосе приборов, опирающихся на квантовые явления. От этого выиграет связь, навигация и многое другое, что ещё предстоит открыть.

Редакция журнала Nature сообщила об отзыве статьи об открытии группой американских учёных низкотемпературного сверхпроводника. Статья вышла в марте этого года и сообщала об открытии сверхпроводимости при 21 °C, но при очень высоком давлении. Хотя статья прошла рецензию, учёное сообщество нашло в ней множество изъянов. В сентябре соавторы исследования попросили журнал отозвать статью, и их просьба была удовлетворена.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Разбор работы американских авторов несколько поутих на фоне эпопеи с открытием южнокорейскими учёными материала LK-99, который, по их словам, обладал сверхпроводимостью при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении. На время это «открытие» приковало к себе внимание всего мира, ведь это было почти чудо. Увы, попытки независимых коллективов воспроизвести материал и получить сверхпроводимость успехом не увенчались. Хотя перспективы у материала ещё остаются.

Представленный группой из университета Рочестера в Нью-Йорке сверхпроводник на основе редкоземельного металла лютеция, сжатого в азото-водородной среде, якобы приобретал сверхпроводимость при температуре 21 °C и давлении 10,9 т/см². Давление представляется запредельным, но оно на два порядка меньше, чем во всех предыдущих открытиях. Иными словами, группа показала обнадёживающий результат, который задавал направление для дальнейших открытий.

В момент публикации в марте за плечами группы уже была одна отозванная статья в Nature. Это не помешало подготовить и довести до печати новую работу. Учёное сообщество вскоре начало находить грубые ошибки, и даже подлоги в статье и в сентябре соавторы работы начали открещиваться от коллеги — физика из Рочестерского университета Ранга Диаса (Ranga Dias), который готовил материалы для Nature.

Журнал провёл расследование и проанализировал многочисленные жалобы читателей и соавторов скандальной статьи. По результатам расследования статья снята с публикации. Редакция сообщила, что высказанные научным сообществом и соавторами работы опасения — о недобросовестности и неполноте работы — «заслуживают доверия, являются существенными и остаются нерешёнными».

В то время как космические телескопы заглядывают в эпоху зарождения Вселенной, а в лабораториях воспроизводят явления квантового мира, оказалось, что мы пропустили кое-что важное у себя под носом. Неожиданный эксперимент показал, что свет оказался способен испарять воду без передачи тепла и делает это с большей эффективностью, чем нагрев. Это может привести к появлению лучших опреснителей воды и даже способно изменить климатические модели Земли.

Источник изображения: Pixabay

Как всем известно ещё со школы, испарение воды происходит, когда молекулы у поверхности жидкости поглощают достаточно энергии, чтобы улетучиться в воздух в газообразной форме — в виде водяного пара. Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, что тепло вовсе необязательно использовать для испарения. Испарять воду можно с помощью света, причём даже более эффективно, чем с помощью тепла.

К исследованию этого вопроса подтолкнули многочисленные наблюдения последних лет, когда эксперименты с гидрогелями показали несоответствие скорости испарения и используемого для этого тепла. На практике испарение происходило заметно интенсивнее, чем допускал нагрев. С физикой процесса что-то явно шло не так, и учёные заинтересовались скрытыми механизмами этого, казалось бы, досконально изученного за сотни лет явления.

Базовые эксперименты показали, что причиной интенсивного испарения воды может быть свет, а не переносимое им тепло (энергия). При этом вода прозрачна для видимого света, что противоречит наблюдаемому результату. Для проверки гипотезы учёные поместили образец гидрогеля в контейнер на весах и последовательно облучали его светом с разными длинами волн, в процессе чего измеряли количество массы, которую он терял со временем в результате испарения. Образец был тщательно изолирован от оборудования и ламп для предотвращения передачи тепловой энергии воде.

Измерения показали, что вода действительно испарялась со скоростью, значительно превышающей допустимую по тепловому пределу. Степень испарения также зависела от длины волны света, достигая максимума при длине волны, соответствующей зелёному свету. Эта зависимость от цвета дополнительно подтверждает, что скорость испарения не связана с передачей тепла.

Этот же эксперимент был повторен в темноте с подогревом образца гидрогеля электричеством. Сила тока и мощность в итоге была такой же, как при облучении образца светом. В этот раз известная нам физика не подвела — объём испарённой воды остался в пределах известной нам со школы термодинамики и он был заметно ниже того, который испарился при облучении одним лишь светом.

Авторы исследования назвали новое явление «фотомолекулярным эффектом» и предположили, что фотоны света могут как бы отщеплять кластеры молекул воды у поверхности жидкости. Вероятно, нечто подобное происходит в природе, хотя физики никогда не подозревали о таком процессе. Тем самым наши климатические модели могут неправильно оценивать воздействие солнечных лучей на океаны и облачный покров. Интенсивность испарения может оказаться выше, и это будет иметь свои последствия.

Доказавшие эффект учёные получили грант на дальнейшие исследования явления. У него есть также практические перспективы. Например, таким образом можно создать более энергоэффективные опреснители, чем уже имеющиеся на основе теплового испарения.

Немецкие учёные из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (FAU) создали и испытали самый крошечный в мире ускоритель элементарных частиц. Длина вакуумной трубы, в которой происходит ускорение электронов, всего 0,5 мм, что в 54 млн раз меньше размеров другого ускорителя — Большого адронного коллайдера, который расположен на другом конце шкалы этих научных приборов. Но малютка нужна не для науки. Она необходима для медицины и не только.

Источник изображения: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel

Учёные хотели бы увидеть свой прибор в качестве инструмента для борьбы с опухолями внутри тела человека. Это была бы намного более щадящая терапия, чем традиционная радиационная. Крошечный ускоритель мог бы располагаться на конце эндоскопа и стать своеобразным оружием в борьбе с этим смертельным заболеванием непосредственно на месте.

Идея миниатюрного ускорителя электронов или нанофотонного ускорителя электронов (NEA), как назвали его учёные, была предложена в 2015 году. Кроме учёных из Германии свой нанофотонный ускоритель электронов создали исследователи из Стэнфордского университета. Однако учёные из Университета им. Фридриха-Александра первыми прошли этап рецензирования статьи и сообщили об успехе в журнале Nature.

«Впервые мы действительно можем говорить об ускорителе частиц на [микро]чипе», — поделился достижением соавтор исследования физик из FAU Рой Шилох (Roy Shiloh).

В микроскопической вакуумной трубке ускорителя диаметром всего 225 нм, что многократно тоньше человеческого волоса, содержатся тысячи отдельных «столбиков», на которые направляются лазерные импульсы соизмеримой мощности. Импульсы возбуждают в гребёнке электромагнитное поле, которое и ускоряет электроны.

Представленный экземпляр ускорителя разгоняет электроны всего на 43 %, придавая им энергию 40,7 кэВ с изначальных 28,4 кэВ (килоэлектронвольт). Для практических целей этого мало, но учёные находятся только в начале пути и рассчитывают создать ускорители с более высокими энергиями, хотя до БАКа, конечно же, они не дотянутся. Но будет любопытно наблюдать, как приборы из фундаментальной физики начнут проникать в повседневную жизнь. Это ли не фантастика?

В 2023 году Нобелевская премия по физике присуждена Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференцу Краусу (Ferenc Krausz) и Пьеру Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи».

Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юилье (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Шведская королевская академия наук подчеркнула заслуги этих учёных в генерации коротких световых импульсов, которые помогут в изучении электронов — в этом масштабе события происходят за несколько десятых долей аттосекунды, или 10^-18 с. В одной секунде столько же аттосекунд, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной. Лауреатам удалось создать аттосекундные импульсы, которые помогут фиксировать изображения процессов внутри атомов и молекул — «открыть дверь в мир электронов», как выразилась глава нобелевского комитета по физике Ева Олссон (Eva Olsson). На практике эти импульсы окажутся полезными в электронике и медицине.

Анн Л'Юилье служит профессором физики в Лундском университете (Швеция). В 1987 году она открыла образование обертонов света при прохождении инфракрасного лазерного излучения через инертный газ — лазер сообщает электронам дополнительную энергию, которая излучается в виде света. В 2003 году это открытие помогло профессору сгенерировать рекордно короткий импульс продолжительностью 170 аттосекунд.

Пьер Агостини из университета штата Огайо (США) в 2001 году запустил серию импульсов продолжительностью по 250 аттосекунд. Ференц Краус, работающий в Мюнхенском университете имени Людвига и Максимилиана (ФРГ) сгенерировал и измерил первый в истории искусственный аттосекундный импульс, положивший начало аттофизике — его продолжительность составила 650 аттосекунд.

Эксперимент на установке ALPHA-g в ЦЕРН позволил ответить на вопрос, как гравитация воздействует на антиматерию. Более ста лет назад на этот вопрос теоретически ответил Эйнштейн, но экспериментально подтвердить его слова учёные смогли только сейчас.

Источник изображения: Pixabay

К сожалению или к счастью, чуда не случилось. Эйнштейн оказался прав. Гравитация примерно одинаково воздействует как на материю, так и на её физически зеркального двойника с противоположным зарядом — антиматерию. Почему примерно? Поставленный эксперимент не дал достаточно точных измерений. Следующая модернизация установки ALPHA-g позволит на два порядка повысить точность измерений, и тогда можно будет говорить о значимых для расчётов значениях.

Точное знание о том, как гравитация воздействует на антиматерию, может стать толчком к развитию тех или иных гипотез об эволюции вещества во Вселенной. Пока в этом есть великая тайна. Примерно 13,4 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в ходе которого в пространстве-времени возникло поровну материи и антиматерии. В теории вещество и антивещество должно было аннигилировать при столкновении друг с другом и это привело бы к исчезновению зародыша Вселенной вскоре после его рождения. Но всё, что мы видим вокруг опровергает такой сценарий, иначе нас не было бы тоже.

Из сказанного выше следует, что вещество и антивещество могут в чём-то неуловимо для нас отличаться по ряду физических свойств, а не только по знаку заряда. Например, это могло бы быть в отношениях с гравитацией. Если бы она по-разному воздействовала на материю и антиматерию, то это могло бы объяснить, почему после рождения вещества и антивещества не произошло их взаимного уничтожения — гравитация просто развела бы их по разным углам ринга.

Воздействие гравитации на вещество на уровне системных экспериментов провёл Галилей, роняя предметы с вершины Пизанской башни. С антивеществом такое провернуть нельзя. Его можно получать на ускорителях, но на уровне сотен атомов. И всё же, даже такого мизерного количества антиматерии оказалось достаточно для оценки воздействия на него земной гравитации.

В эксперименте на установке ALPHA-g учёные собирали в вертикально расположенной ловушке атомы антиводорода. Система магнитов компенсировала электромагнитные поля, на фоне которых воздействие гравитации вообще не было бы заметно. После накопления в ловушке около сотни атомов антиводорода ловушка открывалась, и атомы покидали её вверх и вниз. Подсчёт упавших вниз атомов и оценка их характеристик, включая скорость падения (всё это — по косвенным измерениям в процессе аннигиляции материи и антиматерии), позволили определить постоянную свободного падения антиводорода. Она оказалась равна 9,8 м/с² — как и у обычного вещества.

Чтобы окончательно убедиться в одинаковом воздействии гравитации на вещество и антивещество точность измерения будет постепенно увеличиваться, что позволит отбросить массу альтернативных теорий взаимодействия гравитации и антиматерии.