Фізики встановили рекорд за порушення реальності. Фізики заглянули в «повну порожнечу» і довели, що в ній щось є Квантова фізика новітнє

Закінчується черговий рік, і прийшов час в черговий раз сісти, скласти руки, глибоко зітхнути і подивитися на деякі з заголовків наукових статей, на які ми, можливо, раніше не звертали уваги. Вчені постійно створюють якісь нові розробки в різних областях, таких як нанотехнології, генна терапія або квантова фізика, і це завжди відкриває нові горизонти.

Заголовки наукових статей все більше нагадують назви оповідань з науково-фантастичних журналів. З огляду на те, що нам приніс 2017 рік, залишається тільки з нетерпінням чекати, що принесе новий, 2018 й.

Спонсор поста: http://www.esmedia.ru/plazma.php: Оренда плазмових панелей. Недорого.
Джерело: muz4in.net

Вчені створили темпоральні кристали, для яких не діють закони симетрії часу

Відповідно до першого закону термодинаміки, створення вічного двигуна, який буде працювати без додаткового джерела енергії, неможливо. Однак на початку цього року фізикам вдалося створити конструкції, звані темпоральними кристалами, які ставлять цю тезу під сумнів.

Темпоральні кристали виступають в якості перших реальних прикладів нового стану матерії, званого «нерівновагим», в якому атоми мають змінну температуру і ніколи не перебувають у тепловій рівновазі один з одним. Темпоральні кристали мають атомну структуру, яка повторюється не тільки в просторі, але і в часі, що дозволяє їм підтримувати постійні коливання без отримання енергії. Це відбувається навіть у стаціонарному стані, яке є найнижчим енергетичним станом, коли рух теоретично неможливо, оскільки воно вимагає витрат енергії.

Так що ж, кристали часу порушують закони фізики? Строго кажучи, немає. Закон збереження енергії працює тільки в системах з симетрією в часі, яка має на увазі, що закони фізики однакові всюди і завжди. Однак темпоральні кристали порушують закони симетрії часу і простору. І не тільки вони. Магніти теж іноді вважаються природними асиметричними об'єктами, тому що у них є північний і південний полюси.

Ще одна причина, по якій темпоральні кристали не порушують законів термодинаміки, полягає в тому, що вони не повністю ізольовані. Іноді їх потрібно «підштовхувати» - тобто давати зовнішній імпульс, після отримання якого вони вже почнуть міняти свої статки знову і знову. Можливо, що в майбутньому ці кристали знайдуть широке застосування в області передачі і зберігання інформації в квантових системах. Вони можуть зіграти вирішальну роль в квантових обчисленнях.

«Живі» крила бабки

В енциклопедії Merriam-Webster йдеться, що крило - це рухливий придаток з пір'я або мембрани, який використовується птахами, комахами і кажанами для польоту. Воно не повинно бути живим, але ентомологи з Кільського університету в Німеччині зробили кілька приголомшливих відкриттів, які свідчать про протилежне - принаймні щодо деяких бабок.

Комахи дихають за допомогою трахейной системи. Повітря проникає в організм через отвори, звані дихальцями. Потім він проходить через складну мережу трахей, які доставляють повітря до всіх клітин тіла. Однак самі крила складаються майже повністю з мертвої тканини, яка висихає і стає напівпрозорою або покривається кольоровими візерунками. Області мертвої тканини пронизують прожилки, і це єдині компоненти крила, які є частиною дихальної системи.

Однак коли ентомолог Рейнер Гільєрмо Феррейра подивився на крило самця бабки Zenithoptera через електронний мікроскоп, він побачив крихітні гіллясті трахейні трубки. Це був перший випадок, коли щось подібне було помічено в крилі комахи. Для визначення того, чи є ця фізіологічна особливість властивої тільки цьому виду або, можливо, зустрічається і у інших бабок або навіть у інших комах, потрібно багато досліджень. Можливо навіть, що це одинична мутація. Наявність рясних запасів кисню може пояснити яскраві складні сині візерунки, властиві крил бабки Zenithoptera, які не містять синього пігменту.

Древній кліщ з кров'ю динозавра усередині

Звичайно, це змусило людей відразу подумати про сценарії з «Парку юрського періоду» і про можливість використання крові, щоб відтворити динозаврів. На жаль, найближчим часом цього не станеться, тому що витягти зразки ДНК зі знайдених шматочків бурштину неможливо. Дискусії про те, як довго може протриматися молекула ДНК, все ще не закінчені, але навіть за найоптимістичнішими оцінками і в найоптимальніших умовах термін їх життя не більше декількох мільйонів років.

Але, хоча кліщ, названий Deinocrotondraculi ( «Жахливий Дракула»), і не допоміг відновити динозаврів, він все одно залишається вкрай незвичайної знахідкою. Тепер ми знаємо не тільки те, що у пернатих динозаврів водилися стародавні кліщі, а й те, що вони заражали навіть гнізда динозаврів.

Модифікація генів дорослої людини

На сьогоднішній день вершиною генної терапії є «короткі паліндромний повтори, регулярно розташовані групами», або CRISPR (від англійського clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Сімейство послідовностей ДНК, які в даний час складають основу технології CRISPR-Cas9, теоретично може назавжди змінити ДНК людини.

У 2017 році генна інженерія зробила рішучий ривок вперед - після того як команда з Протеоміческого дослідного центру в Пекіні оголосила, що успішно використовувала CRISPR-Cas9 для усунення хвороботворних мутацій життєздатних людських ембріонів. Інша команда, з лондонського Інституту Френсіса Кріка, пройшла протилежний шлях і вперше використовувала цю технологію для навмисного створення мутацій в людських ембріонах. Зокрема, вони «відключили» ген, який сприяє розвиткові ембріонів в бластоцисти.

Дослідження показали, що технологія CRISPR-Cas9 працює - і досить успішно. Однак це викликало активні етичні дебати про те, наскільки далеко можна заходити у використанні цієї технології. Теоретично це може призвести до «дизайнерським дітям», які можуть володіти інтелектуальними, спортивними і фізичними характеристиками відповідно до характеристиками, заданими батьками.

Відкинувши етику в сторону, в листопаді цього року дослідження зайшли ще далі, коли CRISPR-Cas9 вперше випробували на дорослу людину. 44-річний Бред Мадді з Каліфорнії страждає синдромом Хантера, невиліковною хворобою, яка в кінцевому підсумку може призвести його до інвалідного крісла. Йому вводили мільярди копій коригувального гена. Пройде кілька місяців, перш ніж можна буде визначити, виявилася чи процедура успішною.

Що було раніше - губка або гребневики?

Новий науковий звіт, який був опублікований в 2017 році, повинен раз і назавжди покласти край давньої дискусії про походження тварин. Згідно з дослідженням, губки є «сестрами» всіх тварин в світі. Це пов'язано з тим, що губки були першою групою, яка відокремилася в процесі еволюції від примітивного загального предка всіх тварин. Це сталося приблизно 750 мільйонів років тому.

Раніше велися гарячі дебати, які зводилися до двох основних кандидатів: вищезазначеним губкам і морських безхребетних під назвою гребневики. У той час як губки - найпростіші істоти, які сидять на дні океану і харчуються, пропускаючи і фільтруючи воду через свій організм, гребневики складніші. Вони нагадують медузу, здатні рухатися у воді, можуть створювати світлові візерунки і мають найпростішу нервову систему. Питання про те, хто з них був першим, - це питання про те, як виглядав наш спільний предок. Це вважається найважливішим моментом у відстеженні історії нашої еволюції.

Хоча результати дослідження сміливо проголошують, що питання врегульовано, всього за кілька місяців до цього було опубліковано інше дослідження, в якому говорилося, що нашими еволюційними «сестрами» є гребневики. Отже, ще занадто рано говорити про те, що останні результати можна вважати достатньо надійними, щоб придушити будь-які сумніви.

Єноти пройшли древній тест на інтелект

У шостому столітті до нашої ери давньогрецький письменник Езоп написав або ж назбирав безліч байок, які в наш час відомі як «Байки Езопа». Серед них була байка під назвою «Ворона і глек», в якій описується, як хотіли пити ворона кидала в глечик камінчики, щоб підняти рівень води і нарешті напитися.

Кілька тисяч років тому вчені зрозуміли, що ця байка описує хороший спосіб тестування інтелекту тварин. Експерименти показали, що піддослідні тварини розуміли причину і наслідок. Ворони, як і їх родичі, граки і сойки, підтвердили істинність байки. Мавпи також пройшли цей тест, крім того, в цьому році до списку додалися і єноти.

Під час тесту по байці Езопа вісім єнотів отримали ємності з водою, на поверхні якої плавав зефір. Рівень води був занадто низьким, щоб його дістати. Двоє з випробовуваних успішно накидали в ємність каменів, щоб підняти рівень води і отримати бажане.

Інші піддослідні знайшли свої власні креативні рішення, яких дослідники ніяк не очікували. Один з єнотів, замість того, щоб кидати в ємність камені, виліз на ємність і почав розгойдуватися на ній з одного боку в інший, поки не перекинув. В іншому тесті, з використанням замість каменів плаваючих і потопаючих кульок, експерти сподівалися, що єноти використовуватимуть тонуть кульки і відкидати плаваючі. Замість цього деякі тварини стали багаторазово занурювати в воду плаваючий кулька, поки що піднялася хвиля не прибило шматочки зефіру до борту, що полегшило їх вилучення.

Фізики створили перший топологічний лазер

Фізики з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго стверджують, що створили новий тип лазера - «топологічний», промінь якого може приймати будь-яку складну форму без розсіювання світла. Пристрій працює на основі концепції топологічних ізоляторів (матеріалів, які всередині свого об'єму є діелектриками, але проводять струм по поверхні), яка отримала Нобелівську премію з фізики в 2016 році.

Зазвичай в лазерах для посилення світла використовуються кільцеві резонатори. Вони більш ефективні, ніж резонатори з гострими кутами. Однак на цей раз дослідницька група створила топологічну порожнину з використанням фотонного кристала як дзеркало. Зокрема, були використані два фотонних кристала з різними топологиями, один з яких був зіркоподібній осередком в квадратної решітці, а інший - трикутної гратами з циліндричними повітряними отворами. Член команди Бубакар Канті порівняв їх з бубликом і кренделі: хоча вони обидва - хліб з отворами, різну кількість отворів робить їх різними.

Як тільки кристали потрапляють в потрібне місце, промінь приймає бажану форму. Управляється ця система за допомогою магнітного поля. Воно дозволяє змінювати напрямок, в якому випромінюється світло, тим самим створюючи світловий потік. Безпосереднє практичне застосування цього здатне збільшити швидкість оптичного зв'язку. Однак в перспективі це розглядається як крок вперед у створенні оптичних комп'ютерів.

Вчені відкрили ексітоніум

Фізики всього світу з великим ентузіазмом поставилися до відкриття нової форми матерії, названої ексітоніум. Ця форма являє собою конденсат з квазичастиц, екситонів, які є пов'язаними станом вільного електрона і електронної дірки, яка утворюється в результаті того, що молекула втратила електрон. Більш того, фізик-теоретик з Гарварда Берт Гальперін передбачив існування ексітоніума ще в 1960-х роках, і з тих пір вчені намагалися довести його правоту (або помилку).

Подібно багатьом великим науковим відкриттям, і в цьому відкритті була неабияка частка випадковості. Команда дослідників з Університету штату Іллінойс, яка виявила ексітоніум, насправді освоювала нову технологію, звану спектроскопией втрат енергії в електронному потоці (M-EELS), - створену спеціально для ідентифікації екситонів. Однак відкриття відбулося, коли дослідники проводили лише калібрувальні тести. Один член команди увійшов до кімнати, поки всі інші дивилися на екрани. Вони сказали, що зафіксували «легкий квант», попередник екситонної конденсації.

Керівник дослідження професор Пітер Аббамонт порівняв це відкриття з бозоном Хіггса - воно не матиме безпосереднього використання в реальному житті, але показує, що наше нинішнє розуміння квантової механіки знаходиться на правильному шляху.

Вчені створили нанороботів, які вбивають рак

Дослідники з Університету Дарема стверджують, що створили нанороботів, які здатні виявити ракові клітини і вбити їх всього за 60 секунд. В ході увінчалася успіхом випробування, проведеного в університеті, крихітним роботам потрібно від однієї до трьох хвилин, щоб проникнути через зовнішню мембрану в ракову клітину простати і негайно знищити її.

Нанороботи в 50 000 разів менше діаметра людського волосся. Вони активуються світлом і обертаються зі швидкістю від двох до трьох мільйонів оборотів в секунду, щоб отримати можливість проникнути через оболонку клітини. Коли вони досягають своєї мети, то можуть або знищити її, або впровадити в неї корисний терапевтичний агент.

До сих пір нанороботи випробовувалися тільки на окремих клітинах, але обнадійливі результати спонукали вчених перейти до дослідів на мікроорганізмах і дрібною рибкою. Подальша мета - перейти до гризунів, а потім і до людей.

Міжзоряний астероїд може бути інопланетним космічним апаратом

Пройшла всього пара місяців з тих пір, як астрономи радісно оголосили про відкриття першого міжзоряного об'єкта, що пролітає через Сонячну систему, астероїда під назвою Оумуамуа. З тих пір вони спостерігали багато дивних речей, що відбувалися з цим небесним тілом. Іноді воно поводилося так незвично, що вчені вважають - об'єкт може виявитися космічним кораблем інопланетян.

Перш за все насторожує його форма. Оумуамуа має форму сигари з відношенням довжини до діаметра як десять до одного, чого жодного разу не бачили ні в одному з спостережуваних астероїдів. Спочатку вчені подумали, що це комета, але потім зрозуміли, що це не так, тому що об'єкт не залишав за собою хвоста в міру наближення до Сонця. Більш того, деякі експерти стверджують, що швидкість обертання об'єкта повинна була розвалити будь-яка нормальна астероїд. Складається враження, що він був спеціально створений для міжзоряних подорожей.

Але якщо він створений штучно, то що це може бути? Одні кажуть, що це інопланетний зонд, інші вважають, що це може бути космічний корабель, двигуни якого прийшли в несправність, і тепер він пливе через космос. У будь-якому випадку учасники таких програм, як SETI і BreakthroughListen, вважають, що Оумуамуа вимагає подальшого дослідження, тому націлюють на нього свої телескопи і прослуховують будь радіосигнали.

Поки гіпотеза про інопланетян ніяк не підтвердилася, початкові спостереження SETI ні до чого не привели. Багато дослідників і раніше песимістично оцінюють шанси, що об'єкт може бути створений інопланетянами, але в будь-якому випадку дослідження будуть продовжені.

Згідно спеціальної теорії відносності Ейнштейна, швидкість світла незмінна - і дорівнює приблизно 300 000 000 метрів в секунду, незалежно від спостерігача. Це само по собі неймовірно, враховуючи що ніщо не може рухатися швидше за світло, але все ще суто теоретично. У спеціальній теорії відносності є цікава частина, яка називається «уповільнення часу» і яка говорить, що чим швидше ви рухаєтеся, тим повільніше для вас рухається час, на відміну від оточення. Якщо ви будете їхати на автомобілі годину, ви постарієте трохи менше, ніж якби просто сиділи у себе вдома за комп'ютером. Додаткові наносекунди навряд чи істотно змінять ваше життя, але все ж факт залишається фактом.

Виходить, якщо рухатися зі швидкістю світла, час взагалі застигне на місці? Це так. Але перш ніж ви спробуєте стати безсмертним, врахуйте, що рухатися зі швидкістю світла неможливо, якщо вам не пощастило народитися світлом. З технічної точки зору рух зі швидкістю світла зажадає нескінченного кількості енергії.

Тільки що ми прийшли до висновку, що ніщо не може рухатися швидше, ніж зі швидкістю світла. Що ж ... і так, і ні. Хоча технічно це залишається вірним, в теорії існує лазівка, яку знайшли в найнеймовірнішої гілки фізики - в квантовій механіці.

Квантова механіка, по суті, це вивчення фізики на мікроскопічних масштабах, таких як поведінка субатомних частинок. Ці типи частинок неймовірно малі, але вкрай важливі, оскільки саме вони утворюють будівельні блоки всього у Всесвіті. Можете уявити їх як крихітні обертаються електрично заряджені кульки. Без зайвих складнощів.

Отже, у нас є два електрона (субатомних частинок з негативним зарядом). - це особливий процес, який пов'язує ці частинки таким чином, що вони стають ідентичними (мають однаковий спіном і зарядом). Коли це відбувається, з цього моменту електрони стають ідентичними. Це означає, що якщо ви зміните один з них - скажімо, змініть спин - другий відреагує негайно. Незалежно від того, де він знаходиться. Навіть якщо ви його не будете чіпати. Вплив цього процесу приголомшливе - ви розумієте, що в теорії цю інформацію (в даному випадку, напрямок спина) можна телепортувати куди завгодно у всесвіті.

Гравітація впливає на світло

Повернемося до світла і поговоримо про загальну теорію відносності (теж за авторством Ейнштейна). У цю теорію входить поняття, відоме як відхилення світла - шлях світла не завжди може бути прямим.

Як би це дивно не звучало, це було доведено неодноразово. Хоча у світла немає ніякої маси, його шлях залежить від речей, у яких ця маса є - начебто сонця. Тому якщо світло від далекої зірки світового масштабу відбудеться досить близько до іншої зірки, він обігне її. Як це стосується нас? Так просто: можливо, ті зірки, які ми бачимо, знаходяться зовсім в інших місцях. Пам'ятайте, коли наступного разу будете дивитися на зірки: все це може бути просто гра світла.

Завдяки деяким теоріям, які ми вже обговорили, у фізиків є досить точні способи вимірювання загальної маси, яка присутня у Всесвіті. Також у них є досить точні способи вимірювання загальної маси, яку ми можемо спостерігати - але от біда, два цих числа не збігаються.

Насправді, обсяг загальної маси у Всесвіті значно більше, ніж загальна маса, яку ми можемо порахувати. Фізикам довелося шукати пояснення цьому, і в результаті з'явилася теорія, що включає темну матерію - таємниче речовина, яка не випускає світла і бере на себе приблизно 95% маси у Всесвіті. Хоча існування темної матерії формально не доведено (бо ми не можемо її спостерігати), на користь темної матерії говорить безліч свідчень, і вона повинна існувати в тій чи іншій формі.

Наш Всесвіт швидко розширюється

Поняття ускладнюються, і щоб зрозуміти чому, нам потрібно повернутися до теорії Великого Вибуху. До того як стати популярним телешоу, теорія Великого Вибуху була важливим поясненням походження нашого Всесвіту. Якщо простіше: наш всесвіт почалася з вибуху. Уламки (планети, зірки та інше) поширилися в усіх напрямках, рухомі величезною енергією вибуху. Оскільки уламки досить важкі, ми очікували, що це вибуховий поширення повинно сповільнитися з часом.

Але цього не сталося. Насправді, розширення нашого Всесвіту відбувається все швидше і швидше з плином часу. І це дивно. Це означає, що космос стає дедалі більше. Єдиний можливий спосіб пояснити це - темна матерія, а точніше темна енергія, яка і викликає це постійне прискорення. А що таке темна енергія? Вам.

Будь-яка матерія - це енергія

Матерія і енергія - це просто дві сторони однієї медалі. Насправді, ви завжди це знали, якщо коли-небудь бачили формулу E \u003d mc 2. E - це енергія, а m - маса. Кількість енергії, що міститься в конкретному кількості маси, визначається множенням маси на квадрат швидкості світла.

Пояснення цього явища досить захоплює і пов'язане з тим, що маса об'єкта зростає в міру наближення до швидкості світла (навіть якщо час сповільниться). Доказ досить складне, тому можете просто повірити на слово. Подивіться на атомні бомби, які перетворять досить невеликі обсяги матерії в потужні викиди енергії.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Деякі речі не такі однозначні, якими здаються. На перший погляд, частки (наприклад, електрон) і хвилі (наприклад, світло) здаються абсолютно різними. Перші - тверді шматки матерії, другі - пучки випромінюваної енергії, або щось типу того. Як яблука та апельсини. Виявляється, речі на зразок світла і електронів не обмежуються лише одним станом - вони можуть бути і частинками, і хвилями одночасно, в залежності від того, хто на них дивиться.

Серйозно. Звучить смішно, але існують конкретні докази того, що світло - це хвиля, і світло - це частинка. Світло - це і те, і інше. Одночасно. Не якийсь посередник між двома станами, а саме і те й інше. Ми повернулися в область квантової механіки, а в квантовій механіці Всесвіт любить саме так, а не інакше.

Всі об'єкти падають з однаковою швидкістю

Багатьом може здатися, що важкі об'єкти падають швидше, ніж легкі - це звучить здраво. Напевно, куля для боулінгу падає швидше, ніж пір'їнка. Це дійсно так, але не з вини гравітації - єдина причина, по якій виходить так, в тому, що земна атмосфера забезпечує опір. Ще 400 років тому Галілей вперше зрозумів, що гравітація працює однаково на всіх об'єктах, незалежно від їх мас. Якби ви з кулею для боулінгу і пером на Місяці (на якій немає атмосфери), вони впали б одночасно.

Ну все. На цьому пункті можна рушити розумом.

Ви думаєте, що простір саме по собі порожнє. Це припущення досить розумне - на те воно і простір, космос. Але Всесвіт не терпить порожнечі, тому в космосі, в просторі, в порожнечі постійно народжуються і гинуть частки. Вони називаються віртуальними, але насправді вони реальні, і це доведено. Вони існують частки секунди, але це досить довго, щоб зламати деякі фундаментальні закони фізики. Вчені називають це явище «квантової піною», оскільки воно жахливо нагадує газові бульбашки в безалкогольному газованому напої.

Експеримент з подвійною щілиною

Вище ми відзначали, що все може бути і часткою, і хвилею одночасно. Але ось у чому заковика: якщо в руці лежить яблуко, ми точно знаємо, якою вона форми. Це яблуко, а не якась там яблучна хвиля. Що ж визначає стан частинки? Відповідь: ми.

Експеримент з двома щілинами - це просто неймовірно простий і загадковий експеримент. Ось у чому він полягає. Вчені розміщують екран з двома щілинами напроти стіни і вистрілюють пучком світла через щілину, щоб ми могли бачити, де він буде падати на стіну. Оскільки світло - це хвиля, він створить певну дифракційну картину, і ви побачите смужки світла, розсипані по всій стіні. Хоча щілини було дві.

Але частинки повинні реагувати інакше - пролітаючи через дві щілини, вони повинні залишати дві смужки на стіні строго навпроти щілин. І якщо світло - це частинка, чому ж він не демонструє таку поведінку? Відповідь полягає в тому, що світло буде демонструвати таку поведінку - але тільки якщо ми захочемо. Будучи хвилею, світло пролітає через обидві щілини одночасно, але будучи часткою, він буде пролітати тільки через одну. Все, що нам потрібно, щоб перетворити світ в частку - вимірювати кожну частинку світла (фотон), пролітають крізь щілину. Уявіть собі камеру, яка фотографує кожен фотон, що пролітає через щілину. Цей же фотон не може пролітати через іншу щілину, не будучи хвилею. Інтерференційна картина на стіні буде простий: дві смужки світла. Ми фізично міняємо результати події, просто вимірюючи їх, спостерігаючи за ними.

Це називається «ефект спостерігача». І хоча це хороший спосіб закінчити цю статтю, вона навіть поверхнево НЕ копнула в абсолютно неймовірні речі, які знаходять фізики. Є купа варіацій експерименту з подвійною щілиною, ще більш божевільні і цікаві. Можете пошукати їх, тільки якщо не боїтеся, що квантова механіка засмокче вас з головою.

Кінець року - саме час підбивати підсумки і міркувати про майбутні напрямки розвитку. Ми пропонуємо вам окинути швидким поглядом, що приніс 2017 рік у фізиці елементарних частинок, які результати були на слуху і які намічаються тенденції. Ця добірка, безумовно, буде суб'єктивною, але вона освітить сучасний стан фундаментальної фізики мікросвіту з одного широко популярного кута зору - через пошук Нової фізики.

справи коллайдерние

Головним джерелом новин зі світу елементарних частинок і раніше залишається Великий адронний коллайдер. Власне, він і був створений для того, щоб розширювати наше знання про фундаментальні властивості мікросвіту і вгризатися в незвідане. Зараз на колайдері триває багаторічний сеанс роботи Run 2. Схвалена Церном розклад роботи колайдера простягається до середини 2030 х років, і прямих конкурентів у нього не буде як мінімум ще десятиліття. Його наукова програма включає в себе завдання з самих різних областей фізики частинок, так що, навіть якщо затримуються результати в якомусь одному напрямку, це компенсується новинами з інших.

Тут залишається широкий простір для гучних відкриттів. Справа в тому, що всі ці дані LHCb були отримані на основі статистики Run 1, набраної в 2010-2012 роках. Ретельний аналіз даних і порівняння з моделюванням займає дуже багато часу, і обробка даних 2016, а тим більше - 2017 року ще не завершена. На відміну від ATLAS і CMS, статистика LHCb не демонструє такий величезний стрибок при переході від Run 1 до Run 2, але все одно фізики очікують суттєве оновлення ситуації з загадками B-мезонів. А адже попереду ще Run 3, а потім - LHC на підвищеної світності, і хто знає, що ще принесе найближче десятиліття.

До того ж, в наступному році стане до ладу модернізована B-фабрика SuperKEKB з детектором Belle II. Уже в найближчі роки вона стане повноправним мисливцем за відхиленнями, а до 2024 року накопичить абсолютно позамежну світність 50 ab -1 (тобто 50 000 fb -1), див. Рис. 5. В результаті, якщо, скажімо, порушення лептонний універсальності, виявлене в розпаді B-мезонів на D-мезони і лептони, реально, то детектор Belle II зможе його підтвердити на рівні статистичної значущості аж 14σ (зараз воно досягає лише 4σ).

Рідкісні розпади B-мезонів - це гаряча тема і для теоретиків. Гучні заяви про те, що експеримент суттєво розходиться з прогнозами Стандартної моделлю, можливі, тільки якщо ми ці самі передбачення надійно обчислені. Але їх неможливо просто взяти і розрахувати. Все впирається у внутрішню динаміку адронів, головний біль теоретиків, яку доводиться оцінювати на основі припущень. В результаті кілька теоретичних груп дають істотно розрізняються оцінки того, наскільки серйозним є розбіжність між експериментом і Стандартною моделлю: хтось заявляє, що більше 5σ, інші - що не перевищує 3σ. Це стан невизначеності, на жаль, характерно для нинішніх інтерпретацій аномалій в B-мезона.

низькі енергії

Втім, крім пошуку натяків на Нову фізику при високих енергіях, у фізиці частинок є чимало й інших завдань. Нехай вони рідше потрапляють в заголовки ЗМІ, але для самих фізиків вони теж дуже важливі.

Одне активний напрямок досліджень стосується адронной спектроскопії і, особливо, многокваркових адронів. Ряд відкриттів було зроблено на LHC в минулі роки (найпомітніше - це виявлення пентакварка з прихованим зачаруванням), але та 2017 років рік приніс кілька нових частинок. Ми розповідали про одразу п'ять нових частинок з сімейства Ω c -баріонов, відкритих єдиним махом, і про перший двічі зачарований баріон. Непрямої демонстрацією того, наскільки ця тема захопила фізиків, може служити в Nature про енерговиділення в адронних злиття; публікація в цьому журналі, та ще й теоретичної статті - абсолютно екстраординарна ситуація для фізики частинок.

Щоб розібратися з ним, в Фермилабе в цьому році запускається новий експеримент Muon g-2 по вимірюванню нещасливого магнітного моменту мюона з точністю, в кілька разів перевищує результат 2001 року (див. Недавня доповідь колаборації). Перші серйозні результати слід очікувати вже в 2018 році, остаточні - після 2019 року. Якщо відхилення залишиться на колишньому рівні, це стане серйозною заявкою на сенсацію. А тим часом, в очікуванні вердикту з Фермилабе, уточнюються і теоретичні розрахунки. Тут проблема в тому, що адронний внесок в аномальний магнітний момент мюона можна обчислити «на кінчику пера». Цей розрахунок теж неминуче спирається на експерименти, але зовсім іншого роду - наприклад, на народження адронів в низькоенергетичних електрон-позитронного зіткненнях. І тут буквально два тижні тому з'явилося новий вимір від детектора CLEO-c в прискорювачі CESR в Корнельському університеті. Воно уточнює теоретичний розрахунок і, як з'ясувалося, посилює розбіжність: теорія та експеримент 2001 року відрізняються тепер на все 4σ. Що ж, тим цікавіше буде дізнатися результати експерименту Muon g-2.

Проблеми у фізиці частинок бувають і чисто інструментальні, скажімо, коли різні виміри однієї і тієї ж величини сильно розходяться один з одним. Ми не будемо загострювати увагу на вимірах гравітаційної константи, - ця кричуще незадовільна ситуація виходить за межі фізики частинок. А ось проблему з часом життя нейтрона - вона у всіх подробицях описана в нашій новині 2013 року - згадати варто. Якщо до середини 2000-х все виміру часу життя нейтрона давали приблизно однакові результати, то новий експеримент 2005 року, виконаний групою А. П. Сереброва, різко контрастував з ними. Постановка експериментів принципово відрізнялася: в одному вимірювалася радіоактивність пролітає пучка нейтронів, а в іншому - виживаність ультрахолодних нейтронів в гравітаційної пастці. Джерела систематичних похибок в цих двох типах експериментів абсолютно різні, і кожна група критикувала «конкурента», наголошуючи на те, що вона-то свої похибки врахувала належним чином. І ось, схоже, науковий спір наближається до свого вирішення. Цього року з'явилося два нових виміру (перше, друге), проведені по различающимся методикам. Обидва вони дають близькі значення і підтримують результат 2005 року (рис. 7). Остаточну крапку зможе поставити новий японський пучковий експеримент, описаний в нещодавній доповіді.

По всій видимості, близька до вирішення і інша загадка, мучиться фізиків сім років - проблема радіуса протона. Ця фундаментальна характеристика ключового цеглинки матерії була, звичайно, виміряна в численних експериментах, і всі вони також давали приблизно однакові результати. Однак в 2010 році, вивчаючи спектроскопію не звичайного, а мюонного водню, колаборація CREMA виявила, що, за цими даними, радіус протона на 4% менше загальноприйнятого значення. Розбіжність було дуже серйозним - на 7σ. До того ж, в минулому році проблема ускладнилася аналогічними вимірами з мюонним дейтерієм. Загалом, стало абсолютно незрозуміло, в чому взагалі підступ: в розрахунках, в експериментах (і тоді - в яких), в обробці даних, або ж в самій природі (так-так, деякі теоретики і тут намагалися побачити прояви Нової фізики). Детальний популярне опис цієї проблеми див. В великих матеріалах Спектроскопія мюонного дейтерію загострила проблему з радіусом протона і Щілина в обладунках; короткий огляд поточної ситуації за станом на серпень цього року наведено в публікації The proton radius puzzle.

І ось в жовтні цього року в журналі Science вийшла з результатами нових експериментів, в яких радіус протона був переміряти в звичайному водні. І - сюрприз: новий результат сильно розходився в попередніми, усіма поважними водневими даними, зате узгоджувався з новими мюонів (рис. 8). Схоже, що причина розбіжності ховалася в тонкощах вимірювання частот атомних переходів, а не у властивостях самого протона. Якщо інші групи підтвердять це вимір, то проблему з радіусом протона можна буде вважати закритою.

А ось інша низькоенергетичному загадка - аномалія в ядерних переходах метастабильного берилію-8 - так поки і не отримала пояснення (рис. 9). Виникла з нізвідки два роки тому, вона привернула увагу багатьох теоретиків, які шукають прояви Нової фізики, оскільки вона нагадувала процес народження і розпаду нової легкої частинки з масою 17 МеВ. На цю тему вийшло вже кілька десятків статей, але ніякого загальноприйнятого пояснення поки не знайдено (див. Огляд ситуації за станом на липень цього року в нещодавній доповіді). Зараз перевірка цієї аномалії включається у вигляді окремого пункту наукової програми в майбутні експерименти з пошуку нових легких частинок, і нам залишається тільки чекати їх результатів.

Сигнали з космосу

Елементарні частинки можна шукати і вивчати не тільки на коллайдерах, але і в космосі. Найпряміший спосіб - це ловити частки космічних променів і по їх спектру, складу, і кутовому розподілу з'ясовувати, звідки ці частинки взялися. Звичайно, переважна більшість космічних прибульців були розігнані до високих енергій різними астрофізичними об'єктами. Але може статися, що деякі з них виникли в результаті анігіляції або розпаду частинок темної матерії. Якщо такий зв'язок підтвердиться, це стане довгоочікуваним зазначенням на конкретні частинки темної матерії, такі необхідні для космології, але такі невловимі в прямих експериментах.

За останнє десятиліття було виявлено кілька несподіваних особливостей в спектрах космічних частинок різного сорту; дві найцікавіші стосуються частки космічних позитронів і антипротонів великої енергії. Однак в обох випадках є і чисто астрофізичні варіанти пояснення, звідки в космічних променях стільки антиматерії.

І ось зовсім недавно нову сенсацію підкинули фізикам перші результати супутникової обсерваторії DAMPE: в її спектрі космічних електронів «намалювався» високий вузький сплеск при енергії 1,4 тераелектронвольт (див. Докладний опис в новині, «Елементи», 13.12.2017). Звичайно ж, багато хто сприйняв його як прямий сигнал від анігіляції або розпаду частинок темної матерії (рис. 10) - в перші ж дні після оприлюднення результатів DAMPE вийшло понад десятка статей на цю тему (див. Матеріал Злами і сплески далекого космосу). Зараз потік ослаб; ясно, що наступний крок - за новими даними спостережень, і вони, на щастя, надійдуть через рік-два.

А ось інший недавній результат відноситься зовсім до інших масштабами, космологічним, і до інших частинок - нейтрино. У що з'явилася в листопаді статті arXiv: 1711.05210 повідомляється про те, що, на основі просторового розподілу скупчень галактик, вперше вдалося виміряти суму мас всіх типів нейтрино: 0,11 ± 0,03 еВ. Нейтрино - це найзагадковіші з відомих фундаментальних частинок. Вони обескураживающе легкі, настільки легкі, що більшість фізиків впевнене, що за їх масу відповідає не хіггсовський механізм, а якась Нова фізика. Крім того, вони осцилюють, спонтанно перетворюються один в одного на льоту - і за доказ цього факту було присуджено Нобелівську премію з фізики за 2015 рік. Завдяки осциляціям ми знаємо, що у трьох сортів нейтрино маси різні, але ми не знаємо їх загального масштабу. Якби ми мали це одне-єдине число, сума мас усіх нейтрино, ми б змогли різко обмежити фантазії теоретиків щодо того, звідки взагалі у нейтрино беруться маси.

Загальний масштаб мас нейтрино можна, в принципі, вимірювати і в лабораторії (експерименти ведуться, але поки дають лише обмеження зверху), а можна отримувати з космічних спостережень. Справа в тому, що нейтрино в космосі завжди було дуже багато, і в ранньому Всесвіті вони впливали на формування великомасштабної структури - зародків майбутніх галактик і їх скупчень (рис. 11). Залежно від того, яка їхня маса, це вплив різниться. Тому вивчивши статистичний розподіл галактик і їх скупчень, можна витягти і сумарну масу всіх типів нейтрино.

Звичайно, такі спроби робилися і раніше, але всі вони давали лише обмеження зверху. Саме консервативне з них - це результат колаборації Planck 2013 року: сума мас менше 0,25 еВ. Окремі групи дослідників потім об'єднували дані Planck з іншими і отримували більш сильні, але і більш модельно-залежні обмеження зверху, аж до 0,14 еВ. Але це як і раніше залишалися саме обмеження! А нова стаття, проаналізувавши опублікований нещодавно каталог скупчень галактик, вперше змогла побачити ефект від ненульовий маси і витягти число 0,11 ± 0,03 еВ. Ця робота триває і далі, так що можна очікувати, що в найближчі роки ситуація повністю визначиться. А поки що зауважимо, що астрофізичної співтовариство до цієї роботи поставилося досить насторожено: мабуть, настільки опосередковане статистичне вимір вимагає ретельно повторного огляду.

І трохи про теорію

Теоретична фізика частинок в 2017 році, в цілому, продовжила тенденцію минулих років. Є окремі чітко окреслені напрямки роботи, - і всередині них теоретики планомірно вирішують свої досить технічні завдання. А є дуже широке ком'юніті фізиків-феноменологов, які різними методами намагаються намацати Нову фізику. У цьому строкатому колективі навіть і близько немає натяку на скоординований рух в одному напрямку. Швидше, за відсутності чітких експериментальних вказівок, тут спостерігається броунівський рух частинок-теоретиків в багатовимірному і заплутаному просторі математичних можливостей. Хоч яка користь від цього є: співтовариство перевіряє всі можливі варіанти гіпотетичного будови нашого світу, або відкидаючи їх через незгоду з експериментом, або, навпаки, розробляючи вглиб. Але самі теоретики визнають, що переважна більшість конкретних моделей, які вони зараз пропонують і вивчають, буде рано чи пізно викинуто за непотрібністю на смітник історії.

З усього безмежного моря розробок виділимо, мабуть, тільки одну тенденцію, яка стала посилюватися в останні рік-два. Фізики поступово перестають чіплятися за ті ідеї, які їм здавалися природними - будь то естетичні міркування або природність в обчислювальному сенсі, см. З цього приводу недавня доповідь, в явних виражених підкреслює цю думку. До чого це врешті-решт призведе - передбачити зараз, з 2017 року, неможливо. Може бути, теоретики виявлять-таки елегантну теорію, передбачення якої будуть підтверджуватися. А може бути, спочатку прийдуть довгоочікувані експериментальні результати, що вказують на фізику за межами Стандартної моделі, і теоретики методом проб і помилок підберуть до них ключі. Може, звичайно, опинитися і так, що нічого суттєво нового так і не виявиться в найближчі десятиліття - і тоді доведеться переглядати весь підхід до подальшого вивчення мікросвіту. Одним словом, ми зараз на роздоріжжі і в стані невизначеності. Але бачити в цьому слід не приводи для смутку, а ознака того, що нас чекають зміни.

Грудень - час підбивати підсумки. Редакція проекту "Весті.Наука" (nauka.сайт) відібрала для вас десять найцікавіших новин, якими нас в році, що минає порадували фізики.

Новий стан речовини

Технологія змушує молекули самостійно збиратися в потрібні структури.

Стан речовини під назвою екситонами було теоретично передбачене майже півстоліття тому, але отримати його в експерименті вдалося тільки зараз.

Такий стан пов'язано з утворенням конденсату Бозе з квазичастиц екситонів, що представляють собою пару з електрона і дірки. Ми, що означають всі ці мудровані слова.

Комп'ютер на поляритонах

Новий комп'ютер використовує квазічастинки поляритони.

Ця новина прийшла з Сколково. Вчені Сколтеха реалізували принципово нову схему роботи комп'ютера. Її можна порівняти з наступним методом пошуку нижньої точки поверхні: не займатися громіздкими обчисленнями, а перекинути над нею склянку з водою. Тільки замість поверхні було поле потрібної конфігурації, а замість води - квазічастинки поляритони. Наш матеріал в цій квантової премудрості.

Квантова телепортація "Земля-супутник"

Квантовий стан фотона вперше "переслали" з Землі на супутник.

І тут в черговий раз на допомогу фізикам прийшов Великий адронний коллайдер. "Весті.Наука", чого вдалося домогтися дослідникам і при чому тут атоми свинцю.

Взаємодія фотонів при кімнатній температурі

Явище вперше спостерігалося при кімнатній температурі.

У фотонів багато різних способів взаємодіяти один з одним, і займається ними наука під назвою нелінійна оптика. І якщо розсіювання світла на світлі вдалося спостерігати лише недавно, то ефект Керра давно знаком експериментаторам.

Однак у 2017 році його вперше вдалося відтворити для окремих фотонів при кімнатній температурі. Ми про це цікаве явище, яке теж в якомусь сенсі можна назвати "зіткненням частинок світла", і про технологічні перспективи, які в зв'язку з ним відкриваються.

кристал часу

Творіння експериментаторів демонструє "кристалічну" впорядкованість не в просторі, а в часі.

У порожньому просторі жодна точка не відрізняється від іншої. У кристалі все інакше: є повторювана структура, яка називається кристалічною решіткою. Чи можливі подібні структури, які без витрат енергії повторюються не в просторі, а в часі?

"Зіркові" термоядерні реакції на Землі

Фізики відтворили в термоядерному реакторі умови в надрах зірок.

Промисловий термоядерний реактор - заповітна мрія людства. Але експерименти тривають вже понад півстоліття, а жаданої практично безкоштовної енергії немає як немає.

І все ж у 2017 році було зроблено важливий крок у цьому напрямку. Дослідники вперше практично в точності відтворили умови, що панують в надрах зірок. , Як їм це вдалося.

Будемо сподіватися, що і 2018 рік настільки ж багатий на цікаві експерименти і несподівані відкриття. Слідкуйте за новинами. До речі, ми робили для вас і огляд минає.

Рік почався з набуття святого Грааля - фізикам вдалося водень в метал. Експеримент підтвердив теоретичні розробки першої половини минулого століття. Дослідники з Гарвардського університету охолодили елемент до -267 градусів Цельсія і піддали тиску в 495 гігапаскалів, що більше ніж в центрі Землі.

«На Заході припинять пити алкоголь і перейдуть на нешкідливий алкосінт»

Експериментатори самі порівняли отримання першого на планеті металевого водню з набуттям священної чаші - головної мети легендарних лицарів. Але залишилося відкритим питання, чи збереже водень свої властивості, коли ослабне тиск. Фізики сподіваються, що немає.

Подорожі в часі можливі

Переглянути концепцію часу теоретики з Університету Відня і Австрійської академії наук. За законами квантової механіки, чим точніше годинник, тим швидше вони піддають потік часу ефекту квантової невизначеності. І це обмежує можливість наших вимірювальних приладів, незалежно від того, наскільки вони добре зроблені.

Виміряти час неможливо. Зате в ньому можна подорожувати, використовуючи викривлення, вчений з Університету Британської Колумбії (Канада). Правда, поки це тільки теоретичний допуск. Для створення реальної машини часу немає необхідних матеріалів.

Зате в минуле здатні квантові частинки, точніше впливати на інші частинки в часі. Цю теорію в 2017 році підтвердили вчені з Чепменского університету (США) та Інституту теоретичної фізики Периметр (Канада). Їх теоретичні дослідження привели до цікавого висновку: або фізичні явища здатні поширюватися в минуле, або наука зіткнулася з нематеріальним способом взаємодії частинок.

Рівно два шари графена зможуть зупинити кулю

Темної енергії не існує. Але це не точно

Спори про темну енергію - гіпотетичної константі, що пояснює розширення Всесвіту - не припиняються з початку тисячоліття. В цьому році фізики прийшли до висновку, що темної енергії все-таки не існує.

Вчені з Будапештського університету та їхні колеги з США, що помилка криється в розумінні структури Всесвіту. Прихильники концепції темної енергії виходили з того, що матерія однорідна по щільності, а це не так. Комп'ютерна модель показала, що Всесвіт складається ніби з бульбашок, і це знімає протиріччя. Темна енергія більше не потрібна для того, щоб пояснити незрозумілі явища.

Втім, побудована на суперкомп'ютері Даремського університету (Британія) привела астрофізиків до прямо протилежних висновків. І дані магнітного альфа-спектрометра з Міжнародної космічної станції, що темна енергія все-таки існують. Це незалежно один від одного констатували дві групи дослідників: з Німеччини і з Китаю.

А головне, XENON1T, найчутливіший у світі детектор темної матерії, дав перші. Правда, позитивних результатів поки немає. Але вчені задоволені, що система взагалі працює і демонструє мінімальні похибки.

Вчені перестали розуміти, як працює ІІ

технології

Гравітація - ключ до інших вимірів

Фізики давно мріють побудувати теорію всього - систему, яка вичерпно описувала б реальність. Не дозволяє одне з чотирьох фундаментальних взаємодій - гравітація. Частинки, які переносили б гравітаційна взаємодія, не виявлені. А значить, відповідно до законів квантової механіки, немає і хвиль.

Дотепне рішення проблеми вчені з інституту Макса Планка. На їхню думку, гравітаційне поле виникає саме в той момент, коли квантова хвиля стає часткою.

Ще одна перешкода до побудови теорії всього - відсутність дії зворотного силі тяжіння, цей фактор теж порушує симетрію ідеальних формул. Втім, вчені з Університету штату Вашингтон в квітні 2017 речовину, яка поводиться так, ніби у нього негативна маса. Ефект досягався і раніше, але ніколи результат не був таким точним і визначеним.

Інтерес до вивчення гравітації збільшує теорія, згідно з якою тяжіння піддається впливу з інших вимірів. Фізики з Інституту Макса Планка (Німеччина), застосувавши найсучасніші детектори гравітаційних хвиль, підтвердити або спростувати існування інших вимірів вже через рік. В кінці 2018 го або найпізніше - на початку 2019 року.

«Біткойнов провалився як валюта»

технології

Квантова механіка приречена

Неважко помітити, що більшість відкриттів сучасної фізики пов'язано з вивченням квантової механіки. Проте, вчені, що квантова теорія в сучасному вигляді довго не протримається. І ключем до розуміння світу стане нова математика.

У світлі таких висловлювань незрозуміло як сприймати новина про те, що експериментаторам з Інституту Нільса Бора вперше в історії науки змусити кубіти обертатися у зворотний бік. Або про те, що другий закон термодинаміки при певних обставинах в квантовому світі, як стверджують фізики з МФТІ. Можливо, все це варто сприймати як підтвердження діючої теорії. Можливо, - як крок у бік нової фізики, яка ще точніше опише реальність.

А поки вчені продовжують шукати явища, які лагодить світи Ейнштейна і Ньютона. Можливо, в цьому допоможе - нова форма матерії. До речі, він виявився конденсатом, хоча до цих пір теоретики багато сперечалися про його природі.