Без нее вы не смогли бы прочитать этот текст, да и пересечь Землю по суше и воде. Без физика не было бы домов, пластмассы, удобств, коммунальных услуг и прочего, что требует точных расчетов и знания поведения тел в пространстве. Свет, радио, сеть, электричество — все это достижения физиков. К счастью, физика выходит далеко за пределы видимого мира: в макромир квантовой механики и в космос, в чудеса вселенной.
Наша крохотная голубая планета, как известно, вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется со скоростью около 220-250 километров в секунду вокруг галактического центра – сверхмассивной черной дыры Sagittarius A*. За пределами нашей Галактики находятся звездные системы – они кажутся нам отсюда, с Земли, крохотными туманными пятнышками. Если двигаться все дальше и дальше от Млечного Пути, за пределы наблюдаемой Вселенной, мы увидим войды и галактические нити, что составляют космическую паутину. Наша Вселенная изумительна – она порождает больше вопросов, чем ответов, позволяя нам строить самые разные предположения о ее устройстве. Но что мы действительно знаем о ней? По крайней мере о той ее части, что ученые называют наблюдаемой Вселенной? Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве. Но почему, в таком случае, ученые наблюдают обратную картину?
За последние 30 лет физики использовали все имеющиеся в их распоряжении средства – от мощных телескопов до гигантских подземных экспериментов и коллайдеров частиц, чтобы каким-то образом наблюдать таинственную темную материю, которая, как считается, составляет 85% всей материи во Вселенной и не поддается прямому наблюдению, так как не вступает в электромагнитное взаимодействие. Исследователи судят о ее существовании исходя из гравитационного воздействия, которое темная материя оказывает на движение звезд или галактик. По мнению группы исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде, дополнительное измерение в пространстве-времени может скрывать в себе. Наша наблюдаемая вселенная имеет три измерения пространства и, как полагают авторы нового исследования, может существовать четвертое измерение, о котором знают только темные силы. Физики полагают, что некоторые невидимые частицы темной материи взаимодействуют с другими невидимыми частицами таким образом, что эти вторые частицы ведут себя не так, как другие, проходя через дополнительное измерение.
Удивительная способность предков каждого из ныне живущих на планете людей к выживанию позволила нам с вами наслаждаться всеми благами и достижениями цивилизации. Но раз уж на то пошло и миллионы лет эволюции позволили нам познать самих себя и окружающий мир, то что за это время нам удалось узнать о Вселенной? На самом деле не так уж много – по меркам той же Вселенной мгновение. И все же, все существующие на сегодняшний день физические теории описывают мир невероятно точно. Так, и классическая физика и квантовая механика по отдельности превосходно работают. Вот только все попытки объединить их в единую теорию по-прежнему не увенчались успехом, а значит наше понимание Вселенной и реальности нельзя назвать полноценным. В начале 1900-х годов рождение квантовой физики ясно показало, что свет состоит из крошечных неделимых единиц, или квантов – энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, проведенный с одиночными фотонами или даже отдельными частицами материи, такими как электроны и нейтроны, представляет собой головоломку, поднимающую фундаментальные вопросы о самой природе реальности. Решить ее ученые не могут до сих пор.
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.
Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики Лиза Рэндалл и Мэтью Рис из Гарвардского университета предположили, что самые большие гравитационные возмущения Облака Оорта могут быть вызваны невидимым тонким диском экзотической темной материи. Астрономы считают, что темная материя — таинственная форма материи, которая взаимодействует только через силу гравитации — составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной. Удивительно, но вся видимая материя, то есть планеты, звезды, туманности и галактики составляют всего 15 процентов от общего количества. Увидеть темную материю нельзя, но она искривляет пространство-время, как и обычная материя, хотя таковой, конечно, не является. Более того, она даже не может состоять из тех же частиц, что образуют все привычное нам, в противном случае, мы могли бы ее увидеть. Исследователи отмечают, что на каждый килограмм обычной материи, состоящей из нейтронов, протонов и электронов, приходится пять килограмм темной материи, состоящей неизвестно из чего. Но если это таинственная субстанция существует во всей Вселенной, можно ли обнаружить ее здесь, на Земле?
Автором нового исследования, опубликованное в журнале Nature, похоже удалось решить одну из самых важных задач квантовой физики – они продемонстрировали как привести несколько молекул сразу в единое квантовое состояние. Напомню, что когда группа частиц, охлажденных до абсолютного нуля, разделяет единое квантовое состояние и вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом, физики говорят о конденсате Бозе-Эйнштейна. Этого состояния, безусловно, достичь трудно, но когда это происходит, открывается целый мир новых возможностей. Ученые проделывали это с атомами на протяжении десятилетий, но проделай они то же самое с молекулами, сегодня мы, вероятно, обладали бы разными формами квантовых технологий. Но поскольку молекулы больше атомов и имеют гораздо больше движущихся частей, большинство попыток обуздать их не увенчались успехом. Впрочем, так было до конца апреля этого года – в ходе нового исследования команда физиков охладила атомы цезия, а затем ограничила молекулы таким образом, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях. В результате получился набор практически идентичных молекул в едином квантовом состоянии.
Нашу Вселенную формирует нечто, что мы c вами не можем непосредственно наблюдать. Эта таинственная субстанция, называемая темной материей, заполняет 85% Вселенной и ответственна за ее структуру и расположение галактик и звезд. Так как темная материя не взаимодействует со светом, но имеет вес, измерить ее можно только косвенно – темная материя искривляет свет звезд из-за гравитационного эффекта, подобно тому, как стекло преломляет свет. Стоит ли удивляться, что эта таинственная субстанция десятилетиями ставила ученых в тупик. Но наука не стоит на месте и последние исследования в области квантовых технологий могут оказаться жизненно важным звеном в разгадке тайны темной материи. Недавно коллаборация исследователей из США разработала новые устройства, использующие квантовые вычислительные биты, способные обнаруживать слабые сигналы от любой из субатомных частиц. Новый метод, как полагают физики, позволит искать доказательства существования темной материи в 1000 раз быстрее, чем когда-либо.
Исследователям из Венского технологического университета и Утрехтского университета удалось проникнуть в непрозрачный материал с помощью специальных световых волн, как будто этого материала вообще не существовало! Звучит почти как научная фантастика, но это реальность. С помощью специальных световых волн непрозрачные объекты могут стать прозрачными – по крайней мере, для этих световых волн. Свет обычно не может проникать через определенные материалы или только в ограниченной степени, потому что рассеивается, изменяется и отклоняется. Но международной команде исследователей удалось показать, что существует класс совершенно особых световых волн, для которых непрозрачных объектов словно нет в природе. Это означает, что для «любой конкретной неупорядоченной среды» – будь то кусочек сахара или стакан молока – могут быть созданы индивидуальные ослабленные (но не измененные) световые лучи.
Пятнадцать лет назад физики из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили нечто удивительное. Мюоны – тип субатомных частиц – двигались неожиданными образом, что не соответствовало теоретическим предсказаниям. С тех пор физики пытались понять почему. Недавно группа исследователей из Fermilab занялась экспериментальной стороной вопроса и 7 апреля 2021 года опубликовала результаты, подтверждающие первоначальное измерение. Ряд исследователей, однако, придерживается другого подхода, полагая, что никакой «новой физики» на горизонте нет. Так, команда ученых в рамках сотрудничества Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration попробовала выяснить, не было ли старое теоретическое предсказание неверным. Для расчета взаимодействия мюонов с магнитными полями был использован новый метод. Если расчеты исследователей верны, то никакого расхождения между теорией и экспериментом нет, как и не открытой силы природы.
ХХ век подарил миру множество удивительных открытий: в 1916 году знаменитый на весь мир физик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО); затем, в 1927 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от Земли (и друг от друга) со все возрастающей скоростью; в последующие десятилетия такие выдающиеся умы как Нильс Бор, Макс Планк, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг и другие трудились над созданием квантовой теории. Сегодня их труд лежит в основе наших знаний о Вселенной – мы знаем, что она родилась 13,8 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Вот только причина, по которой Вселенная становится все больше и больше, остается загадкой и ученые не могут прийти к единому мнению о том, почему. Это, во многом, связано с различными способами измерения постоянной Хаббла (фундаментального параметра, описывающего расширение Вселенной), которые показывают разные результаты. Но недавно ученые предложили новый способ, потенциально способный разрешить кризис космологии. О нем поговорим в этой статье.