Уму непостижимо. Топ-8 открытий в физике 2019 года

2019-й был богатым на новости из мира науки. Представляем вам открытия, которые нельзя было оставить без внимания.

Пока Грета Тунберг собирает молодежь по всему миру на восстание против мировых политических лидеров, физики борются за жизнь кота Шредингера и разбирают на кусочки пространство-время во всей Вселенной.

В уходящем году появилось еще больше научных исследований, которые доказывают, что наше представление о мире может быть ложным, и подчеркивают изъяны в трудах Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.

Современные ученые пока не придумали новую теорию относительности и не разоблачили обманчивые законы гравитации, но они, как минимум, движутся в этом направлении, и дают нам возможность понять, что люди еще очень мало знают о своей природе и природе всего, что их окружает

Фотография черной дыры

На самом деле увидеть черную дыру невозможно, поскольку эти сверхтяжелые объекты являются буквально невидимыми и поглощают любые виды электромагнитного излучения. Поэтому ученые получили изображение только ее очертаний — так называемого горизонта событий. Тем не менее, это одно из самых громких научных открытий не только в 2019-м, но и в целом за всю историю исследований.

Прорыв случился благодаря работе восьми телескопов проекта Event Horizon Telescope (EHT) или «Горизонт событий», которые последние несколько лет исследовали ближайшие к Земле черные дыры.

Ученые анализировали данные о наблюдениях за сверхмассивными черными дырами в галактике M87 и Стрелец А* в галактике Млечный путь, которые расположены на расстоянии примерно в 55 млн и 26 тыс. световых лет от Земли соответственно.

После расшифровки около 500 терабайт данных в начале апреля 2019-го руководители проекта EHT впервые показали фотографию отражения горизонта событий черной дыры в центре галактики Messier 87 в созвездии Девы. Горизонт событий — это условная линия за внешними границами черной дыры, после которой любой свет, попадающий туда, навсегда исчезает из нашего поля зрения.

«Сфотографировать тень, которую отбрасывает горизонт событий черной дыры — это все равно, что сфотографировать DVD-диск на поверхности Луны из Земли» — говорил астрофизик из Университета Аризоны Димитриос Псалтис. Отражение горизонта событий демонстрирует искривленный свет и всю окружающую среду, которую поглощает черная дыра, в прямом смысле изменяя известные человеку законы физики.

Несмотря на получение изображения горизонта событий, сегодня существуют только гипотезы о природе формирования и характеристиках черных дыр, поскольку приблизиться к ним практически невозможно. «Для меня большой вопрос, сможем ли мы когда-нибудь преодолеть эту границу. Возможно, нет. Это расстраивает, но мы должны принять это», — заявил председатель научного совета проекта EHT Хейно Фальке.

«Невозможный» двигатель возможен

Ровно 20 лет ученые со всего мира пытаются доказать, что двигатель EmDrive, проект которого предложил британский инженер Роджер Шойер в 1999 году, является невозможным, поскольку он противоречит фундаментальным законам физики.

Шойер предложил свою силовую установку как один из вариантов «вечного» двигателя для гипотетических межзвездных путешествий. В качестве движущей силы в EmDrive используется магнетрон, который генерирует микроволны, и, по заявлениям автора, накапливает энергию колебаний в резонаторе, создавая тягу.

Идея о том, что электромагнитные волны производят разное давление на стены двигателя и могут постоянно создавать тягу, противоречит закону Ньютона о сохранении импульса. Но, на практике, никому не удалось это опровергнуть, поскольку разные проекты EmDrive доказывали, что двигатель все же создает незначительную тягу в несколько микроньютонов. Этот эффект списывали на воздействия внешних сил, погрешности и плохое экранирование корпуса двигателя.

Летом этого года представители Немецкого Технического Университета Дрездена провели свой эксперимент, чтобы точно установить, работает ли двигатель EmDrive. Команда физиков под руководством Мартина Таймара разработала проект SpaceDrive, — «чрезвычайно чувствительный и невосприимчивый к вмешательству инструмент, который раз и навсегда положит конец дискуссии о EmDrive».

Авторы исследования создали точную копию двигателя EmDrive, с которым ученые NASA Пол Марч и Гарольд Уайт достигли незначительной тяги пару лет назад. Конструкция двигателя — это медный конус с обрезанным верхом, который помещен в вакуумную камеру. Источник микроволнового сигнала находится за пределами камеры и передается с помощью кабелей на антенны внутри конуса.

Чтобы засечь реальную тягу без каких-либо погрешностей, физики использовали маятниковые весы, которые измеряют силу крутящего момента, приложенного к оси маятника, а также лазерный интерферометр, который нивелирует физическое смещение маятниковых весов. Команда Таймара назвала свое устройство «самым чувствительным балансом тяги из когда-либо существовавших в мире»

Несмотря на создание специального экрана, который блокирует EmDrive от любых помех, включая действие магнитных полюсов Земли, сейсмические колебания планеты и тепловое расширение из-за нагрева от микроволн, ученые все же зафиксировали тягу в 3,4 микроньютона, что подтверждает дееспособность «невозможного» двигателя.

Теперь физики сетуют на нагревание меди, которое могло вызвать расширение конструкции и смещение центра тяжести двигателя, что, в теории, приводит к появлению тяги из-за внешнего воздействия. Как бы там ни было, Мартин Таймар собирается доказать, что сам EmDrive не может создавать тягу, и его команда уже разрабатывает два других измерительных прибора, которые должны исключить любое внешнее воздействие, включая термальную погрешность.

Несмотря на создание специального экрана, который блокирует EmDrive от любых помех, включая действие магнитных полюсов Земли, сейсмические колебания планеты и тепловое расширение из-за нагрева от микроволн, ученые все же зафиксировали тягу в 3,4 микроньютона, что подтверждает дееспособность «невозможного» двигателя.

Теперь физики сетуют на нагревание меди, которое могло вызвать расширение конструкции и смещение центра тяжести двигателя, что, в теории, приводит к появлению тяги из-за внешнего воздействия. Как бы там ни было, Мартин Таймар собирается доказать, что сам EmDrive не может создавать тягу, и его команда уже разрабатывает два других измерительных прибора, которые должны исключить любое внешнее воздействие, включая термальную погрешность.

Пару месяцев назад в Google заявили, что их квантовый процессор Sycamore за три минуты и 20 секунд выполнил вычисления, которые классический суперкомпьютер будет производить около 10 тыс. лет.

Технически Sycamore создали из алюминия, индия (очень мягкий металл) и кремния. Объединить эти материалы удалось благодаря эффекту Джозефсона — протекания сверхпроводящего тока через два сверхпроводника. Чтобы достичь квантового состояния кубитов — минимальных единиц информации в квантовом компьютере, — процессор охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю (20 милликельвинов), что примерно равняется минус 273 градусам Цельсия.

С помощью так называемых аттенюаторов — устройств, которые снижают интенсивность электромагнитных колебаний — и дополнительных фильтров, суперохлажденный Sycamore подключили к обычной электронике, которая работает при комнатной температуре. Считывать информацию из квантового компьютера можно было благодаря цифро-аналоговым преобразователям. Вся система поддерживала квантовое состояние кубитов и смогла доказать «случайность чисел, которые созданы генератором случайных чисел» за три с лишним минуты

.

Но, на заявление о квантовом превосходстве сразу же отреагировали главные конкуренты Google на поле квантовых компьютеров — компания IBM. Представители корпорации объяснили, что произведенные вычисления квантовым процессором Google Sycamore имеют лишь технический характер, и их суперкомпьютер Summit сможет провести аналогичные вычисления всего за два с половиной дня.

«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Судьба кота Шредингера

Одним из наиболее загадочных явлений квантовой механики является квантовая суперпозиция — нахождение элементарных частиц в нескольких состояниях одновременно до момента их измерения наблюдателем.

В данном случае можно «проявить» фото в темной комнате и определить, жив он или мертв, или же восстановить на размытом фото квантовую метку с помощью компьютера и вернуть кота в состояние неопределенности между жизнью и смертью.

Авторы эксперимента взяли за основу своей математической модели способность фотонов входить в запутанное состояние вместе с квантовой системой. Вместо того, чтобы определить состояние частицы (кота) посредством ее измерения, т. е. прямого влияния света (фотонов) на нее, они использовали условную камеру, которая фотографирует кота сквозь коробку.

Запечатленные фотоны на изображении оказываются запутанными с квантовой системой, что сохраняет оба типа информации — о том, как изменилась суперпозиция и о реальном состоянии кота. Считывая данные из этого изображения тем или иным образом мы, в теории, можем оживить/убить кота или восстановить его суперпозицию.

Загадка темной материи

До сих пор ученым неизвестно, почему скорость обращения внешних объектов в космосе постоянно увеличивается, несмотря на то что расстояние между ними растет. Несколько десятков лет назад физики списали это противоречие в общей теории относительности Эйнштейна на темную материю — гипотетическое вещество, которое якобы формирует около четверти скрытой массы Вселенной и отвечает за высокую скорость обращения отдаленных объектов.

Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии и является практически невидимой для нас, поэтому физики ищут различные частицы, которые могли бы с ней взаимодействовать. В этом году группа ученых из немецкого Института химической физики твердых тел общества Макса Планка и нескольких университетов США и Китая опубликовала исследование, которое может значительно приблизить нас к разгадке тайны темной материи.

Благодаря экспериментам с высокими энергиями и конденсированным состоянием, ученые определили, что электроны вейлевского полуметалла ведут себя так, как будто у них нет массы: они не взаимодействуют друг с другом и разделены на два типа, — левые и правые. Это химическое свойство называется хиральность, и оно позволяет молекулам вейлевского полуметалла не совпадать в пространстве со своим зеркальным отражением.

Охлаждая их до минус 11 градусов Цельсия, ученые заставили необычные электроны взаимодействовать и конденсироваться в кристаллические версии самих себя. Полученные частицы этих кристаллов проявляли те же свойства, которые должна проявлять гипотетическая темная материя — аксион.

Оказалось, что кристаллы хиральных электронов полуметалла состоят из квазичастиц — фононов, которые одновременно представляют из себя волны вибраций. В результате эксперимента ученые обнаружили такие фононы, которые реагируют на электрические и магнитные поля так же, как и предложенные 40 лет назад аксионы.

Это означает, что авторы исследования не только обнаружили, где можно искать аксионы, но и, возможно, открыли долгожданную темную материю, которая взаимодействует с видимым нам веществом.

Пространство не бесконечно

Принято считать, что Вселенная бесконечна. Однако, это утверждение имеет физическое и математическое доказательство: согласно действующим космологическим теориям, все пространство вокруг нас равномерно расширяется во всех направлениях, и в нем соблюдается Евклидова геометрия (параллельные прямые любой длины никогда не пересекутся, а сумма углов любого треугольника будет равна 180 градусам).

Ученые также доказывают равномерное расширение Вселенной во всех направлениях с помощью определения плотности вещества в ней: концентрация всей материи и энергии, включая пока не обнаруженные нами темные материю/энергию, должна уравновешивать энергии внешнего расширения и внутреннего гравитационного притяжения.

В начале 2000-х исследователи определили критическую плотность материи во Вселенной — 5,7 атомов водорода на квадратный метр. Этот показатель подтверждает, что Вселенная является открытой, плоской и бесконечной. В ноябре 2019-го ученые из Римского университета Ла Сапиенца из Парижского института астрофизики заявил, что реальная плотность материи во Вселенной может быть на 5% больше, чем действующий показатель критической плотности.

Таким образом, в инфляционной модели Вселенной должна преобладать гравитация, а все пространство вокруг нас в какое-то время должно было захлопнуться из-за его положительной кривизны. Иными словами, Вселенная может быть не бесконечной, а иметь форму замкнутой сферы. Астрофизики уверены, что их расчеты позитивной кривизны Вселенной верны «более чем на 99%».

Гипотетически, такое исследование позволяет нам даже определить размеры Вселенной, и означает, что путешествуя из любой точки в одном направлении длительное время, мы все равно вернемся в самое начало. Такое заявление ставит под угрозу теории о расширении Вселенной и содержание в ней темных энергии и материи.

«Предположение о плоской Вселенной может скрывать космологический кризис, когда несопоставимые наблюдаемые свойства Вселенной кажутся взаимно несовместимыми. Дальнейшие исследования помогут выяснить, являются ли наблюдаемые расхождения следствием необнаруженной систематики, новой физики или просто статистической погрешности», — указано в работе астрофизиков

Пустоты не существует

Главной загадкой современной физики является объяснение процессов, которые происходят с частицами на субатомном уровне. НВ не раз писал о гипотетической теории всего, которая могла бы объяснить, почему в макро- и микромасштабах действуют разные законы физики.

Но, в начале 2019-го ученые из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе добавили в это уравнение еще больше неизвестных. Исследователи провели эксперимент, который не удавалось осуществить физикам по всему миру несколько десятков лет: впервые в истории они измерили энергию в условиях абсолютной пустоты — вакууме.

Да, оказывается, что вакуум также может влиять на элементарные частицы, поэтому точность экспериментов, которые проводят якобы в идеальных условиях, можно поставить под сомнение. В этом случае, физики использовали частицы света — фотоны, — чтобы измерить, как потенциальная энергия в вакууме может взаимодействовать с ними

.

Исследователи пропустили два лазерных импульса длиной в триллионную долю секунды через суперохлажденный оптический кристалл, и пустое пространство между элементарными частицами в вакууме незначительно влияло на свет. Пучки фотона запускали несколько раз в разных местах и в разное время, чтобы убедиться, что на них действительно что-то влияет.

Ученые предположили, что такие незначительные спонтанные изменения в пустоте вызваны законом неопределенности Гейзенберга. Этот закон предусматривает некоторые отклонения от правила сохранения энергии. Несмотря на то, что обнаруженная энергия в вакууме очень слабая — открытие может доказать, что некоторые постоянные, которые используют в современной физике, являются ложными.

«Вакуумные флуктуации электромагнитного поля имеют четко видимые последствия и, среди прочего, они приводят к тому, что атом может самопроизвольно излучать свет», — объясняла одна из авторов эксперимента физик Илеана-Кристина Бенея-Хелмус.

Структура Вселенной

Подобно экспериментам с пустотой в вакууме, недавно астрофизики из Японии, Европы и США определили, из чего состоит все пустое пространство во Вселенной. Ученые подтвердили на практике существование галактических нитей или филаментов, — самых крупных структур, которые объединяют разные галактики.

Фундаментальные космологические теории гласят, что филаменты начали формироваться одновременно с расширением Вселенной сразу после Большого взрыва. Эти нити состоят из газообразного водорода, и, по сути, являются питательными трубопроводами для всех наблюдаемых нами галактик. Мало того, на пересечении филаментов появляются черные дыры, что делает галактические нити крупнейшей известной нам космической структурой, которая является источником жизни для всего во Вселенной.

В новом исследовании ученые подтвердили существование филаментов, которые связывают галактики в кластере SSA22 в созвездии Водолея. Обнаруженные огромные водородные структуры простираются в длину на расстояние в три миллиона световых лет (более одного мегапарсека). Поскольку они расположены на расстоянии примерно в 12 млрд световых лет от нас, это означает, что нити были сформированы сразу же после Большого взрыва.

Открытие стало возможным благодаря спектрометру MUSE, который установлен на телескопах VLT в Чили. Астрофизики впервые засекли галактические нити с помощью ультрафиолетового излучения, которое позволяет увидеть процесс ионизации нейтрального газообразного водорода. Этот эффект называют излучение Лайман-альфа, и именно оно позволило впервые в истории увидеть очень тусклые галактические нити.

«Наблюдения самых тусклых и самых больших структур во Вселенной являются ключом к пониманию того, как Вселенная эволюционировала во времени, как галактики развиваются и созревают, и как изменяющаяся среда вокруг галактик создала то, что мы видим сейчас», — говорила астрофизик из университета Аризоны Эрика Хамден.

Как объяснил ведущий автор исследования Хидеки Умехата из Токийского университета, их открытие подтверждает, что источником образования сверхмассивных черных дыр, галактик и известной нам структуры Вселенной является газ, который поддается воздействию гравитации в галактических филаментах.

По подсчетам ученых, не менее 60% газа во Вселенной должно находиться именно в таких филаментах. Поэтому обнаружение галактических нитей также может стать отправной точкой для решения проблемы нехватки материи во Вселенной.