Атом (от греч. «неделимый») — некогда мельчайшая частица вещества микроскопических размеров, наименьшая часть химического элемента, которая носит его свойства. Составляющие атома — протоны, нейтроны, электроны — этих свойств уже не имеют и образуют их в совокупности. Ковалентные атомы образуют молекулы. Ученые изучают особенности атома, и хотя они уже довольно неплохо изучены, не упускают возможности найти что-то новое — в частности, в области создания новых материалов и новых атомов (продолжающих таблицу Менделеева). 99,9% массы атома приходится на ядро.
Одним из моих любимых мультипликационных персонажей является Люррр – правитель планеты Омикрон Персей 8 из уже культовой Футурамы. И хотя выглядит он не самым привлекательным образом, его супруга явно находит его симпатичным. Но речь не об этом, в конце концов мы с вами собрались не обсуждать внешность вымышленных инопланетных персонажей (хотя тема довольно занятная). Люррр в этой истории интересен тем, что больше всего на свете любит смотреть земные телесериалы. Но так как Омикрон Персей 8 находится от Земли на расстоянии 1000 световых лет, телесигнал достиг их планеты когда земляне дружно отпраздновали трехтысячный год. Любимым же шоу инопланетного правителя оказался сериал 1990-х «Одинокая женщина адвокат» (у нее, кстати, самая короткая юбка в мире), но вещание передачи было прервано из-за пролитого на пульты управления пива. Что и послужило причиной вторжения омикронцев на нашу планету в 3000 году. Классный сюжет, правда? Но если говорить серьезно, то может ли нечто хотя бы отдаленно похожее на сюжет Футурамы произойти на самом деле? Ведь наша планета и правда вещает в открытый космос, причем уже более ста лет. К тому же, результаты нового исследования показали, что наши радиосигналы достигли 75 звездных систем. И кто знает какие телешоу могут понравится тамошним обитателям.
Наш мир устроен сложнее, чем может показаться на первый взгляд. И хотя все мы любим простые ответы на сложные вопросы, они редко оказываются верными. Так, в начале XIX века английский химик Джон Дальтон, разработал новую теорию атома, которая хоть и не объясняла все наблюдаемые явления, но предваряла новые возможности в понимании того, как объединяются атомы и образуются химические вещества. Интересно, что до Дальтона в научных кругах преобладала идея о маленьких неделимых частицах, предложенная еще Демокритом и Левкипом, однако атом долгое время не представлял интереса для науки. И хотя Дальтон не сомневался, что атомы неделимы, наблюдалось нечто, казавшееся легче них самих. В те годы физики выдвинули предположение, согласно которому электрический заряд состоял из некоторых электрических атомов и аналогов, а в 1894 году ирландский физик Джордж Стони предложил называть «атом электричества» электроном. С тех пор утекло много воды, причем даже больше, чем можно было бы ожидать. Недавно исследователи из Бостонского университета создали новый образец металла, в котором движение электронов протекает так же, как вода течет по трубе. Новое открытие потенциально может привести к созданию нового типа электронного устройства.
В 2018 году исследователи из Корнельского университета построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом – птихографией (ptychography) – установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был один недостаток – он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов (все, что было больше, заставило бы электроны рассеиваться таким образом, что их невозможно было бы распутать). Теперь та же команда исследователей установила новый рекорд с помощью нового мощного детектора пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции. Авторы научной работы отмечают, что разрешение настолько тонко настроено, что единственное размытие, которое остается – это тепловое колебание самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Предлагаем не бояться сложных терминов и пробуем разобраться, как новая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях, а также к чему может привести их открытие.
Согласной новой гипотезе, Вселенная имитирует собственное существование в «странной петле». В статье, опубликованной учеными из Института исследований квантовой гравитации, утверждается, что в основе гипотезы лежит теория панпсихизма, согласно которой все в природе одушевлено. Статья опубликована в журнале Entropy и, как пишут авторы работы, призвана объединить понимание квантовой механики с нематериалистической точкой зрения. Иными словами, ученые хотят понять насколько реальны мы и все, что нас окружает. Согласитесь, это как минимум интересный вопрос для современной науки и нашего понимая Вселенной.
А вы знали, что на Международной космической станции (МКС) находится Лаборатория холодного атома (ЛХА) – одно из самых холодных мест в известной Вселенной? ЛХА начала свою работу в июне 2018 года и является первой установкой на орбите, производящей целые облака «ультрахолодных» атомов, температура которых может достигать доли градуса выше абсолютного нуля, -273.15ºC — минимального предела температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Все это космическое безобразие ученые затеяли, разумеется, ради квантовой физики. Так, спустя два года непрерывной работы им удалось создать странную квантовую материю, существование которой было предсказано больше столетия назад.
Можете ли вы представить себе мир, в котором не нужны никакие дополнительные источники энергии? Мир, в котором не надо будет задумываться о том, как экономить энергию. Она будет если и не бесплатной, то очень дешевой. А теперь представьте Солнце, которое каждую секунду вырабатывает столько энергии, сколько человечество не израсходовало за всю свою историю и не израсходует еще долго. Как же мы можем реализовать получение энергии Солнца на нашей планете? Оказывается, уже более 60 лет существуют технологии, которые способны обеспечить нас почти неисчерпаемыми источниками энергии за минимальные деньги и с использованием почти бесплатного топлива. Резонный вопрос: почему мы не пользуемся такой возможностью?
Никто на самом деле не знает, какие именно процессы происходят внутри атома. Единственное, что остается достоверно известным — это то, что электроны носятся вокруг орбиталей во внешней оболочке атома, образуя большое количество пустого пространства, в центре которого располагается ядро из протонов и нейтронов. Собираясь вместе, протоны и нейтроны придают атому уникальные свойства, определяющие в дальнейшем те или иные качества вещества, которое может быть как кислородом или водородом, так и железом или ксеноном. Согласно статье, опубликованной на портале livescience.com, в настоящее время все еще остается неизвестным то, каким именно образом протоны и нейтроны ведут себя внутри атома. Кроме того, проведенные эксперименты показали, что протоны и нейтроны, расположенные внутри ядра, кажутся гораздо больше, чем они являются на самом деле. С чем же связаны подобные свойства и как их можно применить на практике?
Многие из вас могут наивно полагать, что самой маленькой частицей во Вселенной является атом. Что же, атом действительно считался мельчайшей и неделимой частицей вплоть до открытия в 1897 году Джозефом Томпсоном электрона; протона, который был открыт в 1920 году Эрнестом Резерфордом, а в 1932 году и нейтрона, который впервые был обнаружен английским физиком Джеймсом Чедвиком. Спустя почти 100 лет, мы знаем, что все во Вселенной состоит из кварков — загадочных частиц, которые принимают активное участие в гравитационных и электромагнитных взаимодействиях. Так что же такое кварк и как он выглядит?
Все мы знаем, что абсолютно все видимое и невидимое во Вселенной состоит из атомов (темная материя не в счет, так как никто толком не знает, из чего она состоит). Каждая такая частица содержит в себе ядро и электроны, которые крутятся вокруг него, будучи связанными с ядром благодаря электромагнитному взаимодействию. Однако ядро атома настолько мало, что если мысленно себе представить растянутый до размеров футбольного поля атом, то его ядро будет иметь размер всего лишь с маковое зерно. Для чего атому нужно столько лишнего пространства и правда ли, что наша Вселенная на 99% состоит из пустоты?
«Я провела много времени в темноте в аспирантуре. Не только потому, что я изучала область квантовой оптики — где мы обычно имеем дело с одной частицей света, или фотоном, одновременно. Но и потому, что в моих исследованиях инструментом измерений были глаза. Я изучала, как люди воспринимают мельчайшие количества света, и сама становилась первой испытуемой всякий раз», — рассказывает Ребекка Холмс, физик Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Ее работа, о которой вы сейчас прочитаете, была опубликована Physics World and Applied Optics, среди прочих мест. Далее — от первого лица.