Квантовая теория родилась в первой половине XX века. Среди ее создателей были Нильс Бор, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие, не менее выдающиеся ученые. Создание Стандартной модели элементарных частиц ознаменовало собой революцию в понимании Вселенной. Именно квантовая теория подарила миру лазеры, МРТ, ускорители частиц, компьютеры, интернет и ядерное оружие. Но что дальше? Некоторые физики полагают, что в ближайшие пять лет будут созданы устройства, которые до недавнего времени описывались лишь на страницах научно-фантастических романов. Дело в том, что любой скачок в области квантовых вычислений увеличивает потенциал технологии, способной выполнять вычисления и моделирование, выходящие за рамки современных суперкомпьютеров. Иными словами, мир готовится к квантовому будущему. И если квантовые технологии действительно изменят вычисления в том виде, в каком мы их знаем, то какое будущее нас ждет?
Отношения между Россией и США в очередной раз накалены до предела. Угрозы ввода санкций звучат практически ежедневно. Казалось бы, ничего нового. В условиях санкций Россия живет уже восемь лет. Но на этот раз ситуация более серьезная — Америка грозит прекратить поставки в Россию высокотехнологичного оборудования. Это не только смартфоны iPhone и процессоры Intel и AMD, но и прочая электроника, в которой используются чипы, выполненные по технологиям США. Следует понимать, что Америка лицензирует каждую свою разработку, в результате чего создать чип без применения американских технологий практически невозможно. Другими словами, после принятия санкций, поставки электронной продукции прекратят не только американский производители. Чем может ответить Россия в такой ситуации? Попросту обрушить производство полупроводников во всем мире. Дело в том, что Россия является основным поставщиком инертного газа неона и палладия, без которые используются для производства чипов.
Проходя мимо высоковольтной ЛЭП или электрической подстанции, вы наверняка слышали характерный гул. Как правило, он не самый приятный, и часто вызывает у людей ощущение опасности, а также желание как можно быстрее покинуть такое место. Иногда гул возникает даже при включении бытовых электроприборов. Этот звук принято называть “гулом сети”. Но задумывались ли вы когда-нибудь почему электричество гудит и свидетельствует ли этот звук о какой-либо опасности? На самом деле не каждый вид электрического тока вызывает такой гул, а только переменный, или АС. Переменный он называется по той причине, что постоянно меняет направление. Чередование происходит в течение одной секунды десятки раз. Именно со сменой направления, как вы догадались, и связан звук сети. Но почему он возникает?
ХХ век позволил нам заглянуть внутрь самого мироздания. Мы знаем, что состоим из атомов, которые вырвались в космическое пространство из недр сверхновых звезд. Эти мельчайшие частицы химических элементов, состоящие из ядра и электронов, навсегда изменили наше представление о Вселенной и нас самих, а также привели к появлению квантовой механики. Эта область физики чрезвычайно точно описывает взаимодействие элементарных частиц между собой. Но когда мы пытаемся описать нашу повседневную жизнь с помощью квантовой теории, начинаются проблемы. Ведь если одна частица может находиться в двух местах одновременно, то можем ли мы, подобно коту Шредингера, находиться в суперпозиции? И если прямо сейчас я сделаю прыжок вправо, сделает ли прыжок влево другая я в параллельном мире?
Стандартным способом понимания квантовой физики является Копенгагенская интерпретация предложенная Нильсом Бором, одним из создателей современной физики. Согласно интерпретации квантовый мир полностью отделен от нашего повсеместного опыта, к тому же, начинается с парадокса. Собеседником Бора был его аспирант физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Вместе они обсуждали как реальные, так и мысленные эксперименты, рассматривая предложения и возражения Эйнштейна, Шредингера, Паули, Пола Дирака и других. Гейзенберг, например, считал, что из квантовой теории должна вытекать единственно верная интерпретация, доказать которую можно в процессе дальнейших исследований. Эйнштейн, однако, не мог смириться с тем, что вытекает из этого предположения – существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы. И действительно, подобные предположения нелегко согласовать с нашим восприятием Вселенной.
Мы привыкли, что мощность автомобилей измеряется в лошадиных силах. Только последние годы, с возросшей популярностью электромобилей (их история насчитывает порядка 200 лет), мощность иногда указывают в ваттах, но еще совсем недавно это вызывало недоумение, ведь речь идет об автомобиле, а не пылесосе. Да и зачем использовать другие единицы измерения, ведь на первый взгляд с “лошадиной силой” все предельно просто и понятно — она соответствует мощности одной рабочей лошади. Но на самом деле это не так. К примеру, согласно данным, которые приводит Университет Калгари, кратковременно рабочая лошадь может развить мощность до 13-15 лошадиных сил. Вообще лошадиные силы правильнее было бы называть человеческими силами, так как один среднестатистический человек может развить чуть более одной лошадиной силы. Но почему же тогда придумали этот термин и используют по сей день, если он не соответствует действительности?
Кто из нас не мечтал о путешествиях во времени? Например, о путешествии в прошлое – чтобы спасти кого-то от фатальной ошибки, собрать доказательства нераскрытых преступлений и увидеть наконец, как жили наши далекие предки в африканской саванне. Эта тема настолько популярна, что в Голливуде от нее откажется разве что ленивый. Исследователи, однако, утверждают, что мир не ведет себя аккуратно и упорядоченно. Если бы это было так, идентичные события всегда приводили бы к одним и тем же «побочным эффектам», а будущее было бы полностью предсказуемым и предрешенным. К счастью, теория хаоса утверждает обратное и полная случайность – тоже не про нас. Мы существуем где-то посередине, в мире, который часто кажется случайным, но на самом деле подчиняется определенным правилам и законам. Согласно теории хаоса малейшие изменения могут привести к радикальным последствиям в будущем – в другом месте и в другое время.
В 2017 году исследователи из Кембриджского университета, кажется, добились невозможного — они открыли способ наблюдать квантовые частицы, не наблюдая при этом за ними напрямую! Одна из фундаментальных идей квантовой теории гласит, что квантовые объекты способны существовать в двух состояниях одновременно: и волны и частицы. При этом ни одна частица не может существовать без другой пока обе не будут измерены наблюдателем. Работа британских исследователей представляет квантовые частицы в совершенно новом свете, потенциально помогая другим ученым понять их движение и поведение. Интересно, что открытие служит предпосылкой для знаменитого мысленного эксперимента Эрвина Шредингера: если поместить в коробку колбу с радиоактивным веществом и специальным механизмом, ее открывающим, а следом взять кошку и закрыть ее в этой коробке, кошка окажется в суперпозиции – совокупности всех состояний, в которых может одновременно находиться кошка. В некотором смысле исследователи смогли изучить «запретную область» квантовой механики, отслеживая движения квантовых частиц, не наблюдая за ними напрямую.
На данный момент самым длинным висячим мостом в мире считается переправа через португальскую реку Пайва. Его строительство завершилось в мае 2021 года — длина моста составила 516 метров и для прохождения через него требуется до 10 минут. Правда пройтись по этой переправе осмеливаются немногие, потому что из-за шагов большого количества людей мост сильно шатается в стороны и возникает опасность падения. Впрочем, эта проблема актуальна даже для огромного Бруклинского моста и многих других подобных сооружений. До сих пор считалось, что мосты начинают опасно шататься из-за синхронного движения людей — когда они идут нога в ногу, возникает эффект маятника. Однако, в ходе недавнего исследования ученые выяснили, что мосты являются более опасными сооружениями и расшатываются, даже если люди идут не синхронно.
Каждый из нас хочет знать кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но именно последние обладают наибольшими знаниями о Вселенной. До начала ХХ века, однако, никто и предположить не мог, что элементарных частиц окажется так много, что из них можно составить целый «зоопарк». Лишь в 1925 году на смену старой квантовой теории пришла квантовая механика, которая основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, а ее положения значительно отличаются от положений механики классической. Всего за несколько десятилетий было обнаружено множество элементарных частиц, а их взаимодействие друг с другом легло в основу Стандартной модели. Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) и последующее обнаружение «частицы Бога» – по-научному Бозон Хиггса – стало лишь началом в понимании нашего сложного мира. Каждый год ученые открывают новые частицы, параллельно пытаясь ответить на вопрос о том, почему мы существуем.
Ранее в этом году мы рассказывали о новой карте темной материи, создание которой во многом принадлежит искусственному интеллекту (ИИ). Эта подробная карта показывает ранее не обнаруженные нитевидные структуры, соединяющие галактики. Достижения ИИ сильно помогают ученым, которые используют его для создания еще одной карты темной материи, на этот раз – в локальной Вселенной, охватывающей намного меньшую область. Интересно и то, что создание подобной, невероятно точной карты, может привести к новому пониманию темной материи и внести наконец ясность относительно будущего нашей Вселенной. Карта содержит ранее неизвестные «скрытые мосты», которые связывают галактики, а также показывает ранее неизвестные «мосты», благодаря которым все галактики в локальной Вселенной связаны в единую сеть из нитевидных структур. Ученые надеются, что их карта, опубликованная вместе с их статьей в научном журнале Astrophysical journal, сможет дать новое представление о темной материи и истории нашей Вселенной.
До начала ХХ столетия считалось, что время – есть величина абсолютная. Но после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), стало понятно, что время – понятие более субъективное и имеет отношение к наблюдателю, который его измеряет. И все же, многие продолжали трактовать время так, словно это прямая железнодорожная линия, двигаться по которой можно только вперед или назад. Но что, если эта железнодорожная линия ветвится или вовсе имеет окружные пути, двигаясь по которым поезд возвращается на станцию, которую уже проезжал? Иными словами, можно ли путешествовать в будущее или прошлое? Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса «Машина времени», научные фантасты придаются фантазиям во всю. Но в реальной жизни представить нечто подобное невозможно. Ведь если бы кто-то в будущем изобрел машину времени, неужто он бы не предупредил нас об угрозе пандемии COVID-19 или об ужасных последствиях глобального потепления? Но к нам так никто и не прибыл. Быть может, стоит посмотреть на время под другим углом?
Самые распространенные частицы природы, за исключением фотонов (частиц света) – это нейтрино. Они не имеют заряда и исходят от Солнца, а также от сверхновых и других космических событий. Более того, около триллиона нейтрино прямо сейчас проходят через вашу руку! Ученые выделяют несколько типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также надеются на существование четвертого типа – «стерильных нейтрино». Если они действительно существуют, то помогли бы разрешить несколько фундаментальных загадок в физике, например, почему нейтрино имеют массу, в то время как теории предсказывают, что массы у этих частиц быть не должно? Стерильные нейтрино также связывают с таинственный субстанцией, которая заполняет 85% наблюдаемой Вселенной – темной материей, пронизывающей космос. Наличие этих загадочных частиц предсказывали ранее проведенные эксперименты, но вот незадача: теория также предсказывает возможное существование не только «стерильных» нейтрино, но и множества других, дополнительных частиц. Эти нейтрино могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил где-то на задворках Вселенной. Но обо всем по порядку.
В начале этого года ряд экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) показал удивительные результаты – оказалось, что кварки превращаются в другие частицы под воздействием неизвестной силы. Иными словами, полученные данные свидетельствуют о возможном существовании новой фундаментальной силы природы, что ставит под сомнение основные принципы Стандартной модели – наиболее общепринятой физической теории, описывающей все, что мы знаем о материи, составляющей окружающий мир. Но так как ученые – люди осторожные, говорить о «крахе Стандартной модели» или новой силе природы рано – необходимо больше исследований и больше доказательств. И все же, работа физиков из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), которая предрекает скорый конец нашим представлениям о физике, вдохновила ученых из Кембриджского университета, да так, что те доказали наличие постоянной аномалии в мире мельчайших элементарных частиц: неизвестная науке сила природа действительно ожидает своего часа, чтобы объяснить квантовую гравитацию, Большой взрыв, темную материю и в конечном итоге создать Теорию всего.
Наш мир устроен невероятно сложно. Если посмотреть в телескоп, то перед нами откроется целая Вселенная, бесконечная и расширяющаяся все быстрее и быстрее. От одной мысли о том, что в одной лишь наблюдаемой Вселенной существует около 10 триллионов галактик, может закружиться голова. Но отложив в сторону телескоп, мы вскоре понимаем, что вокруг нас (и внутри) обитают триллионы крошечных бактерий, микроорганизмов и вирусов, таких, как COVID-19. И если с помощью специальных инструментов посмотреть на этот скрытый мир поближе, мы, в конечном итоге узрим микромир, наполненный не только бактериями, но и атомами, из которых они состоят. В результате, мы сталкиваемся со сложным макромиром с его планетами и галактиками, и микромиром, работающим по своим собственным законам. Как отмечают физики, квантовая механика позволяет описать движение электронов и протонов, а также изучить, какими законами управляется микромир. Интересно, что одним из нерешенных и наиболее острых вопросов современной физики является несогласованность квантовой механики и Общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), которая описывает, как устроен и наш мир и мир за пределами Земли. А недавно ученые пошли еще дальше. Они не только связали два квантово-запутанных объекта, но и изобрели новый подход для квантовых вычислений.
Наша планета удивительна. Жизнь на ней настолько разнообразна, что существует множество тел и веществ, как естественных (животные и люди, планеты и звезды) так и искусственных (созданных человеком). Эти вещества и тела бывают твердыми и жидкими, например, вода и кристаллы. Последние особенно интересны, так как представляют собой твердые тела, атомы в которых расположены закономерно, образуя так называемую кристаллическую решетку. По сути, естественное состояние кристалла – это форма правильных симметричных многогранников, которая основана на их внутренней структуре. То есть на одном из нескольких определенных и регулярных расположений, составляющих вещество частиц (ионов, атомов и молекул). Согласитесь, действительно интересно. Именно так в 1934 году размышлял Юджин Вигнер, один из основателей теории симметрии в квантовой механике. Он предсказал, что электроны в материалах теоретически могут выстраиваться в правильные кристаллические структуры, благодаря тому, что отталкиваются друг от друга. Таким образом, если энергия кристаллического отталкивания между парой электронов больше, чем энергия их движения, то их расположение приведет к тому, что полная энергия будет наименьшей, а мы получим систему, аналогичную твердому телу.
Миром правят идеи. Яблоко, упавшее на голову Исаака Ньютона, навело его на мысль о создании теории гравитации. Коперник, взглянув в телескоп, пришел к выводу, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Его открытия и идеи послужили началом научной революции. Столетия спустя Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности, в Стивен Хокинг всю свою жизнь посвятил изучению черных дыр. Труд каждого из них по отдельности, а также идеи и предположения великих ученых о Вселенной, позволили нам с вами наслаждаться фотографиями других «Солнечных систем» и разглядывать горы на Марсе, не выходя из дома. Между тем, Стивен Хокинг размышлял об удивительной физике черных дыр не имея на руках никаких данных, подтверждающих существование этих объектов (как и Эйнштейн). Его идеи, в конечном итоге, нашли научное подтверждение. Так, знаменитый парадокс черных дыр гласит, что мере того, как черная дыра испускает излучение, она испаряется, в конечном итоге полностью исчезая. Но если это так, то что в таком случае происходит с информацией? Недавно физики-теоретики пришли к выводу, что информация, как они теперь с уверенностью говорят, действительно ускользает их черной дыры. Но куда и что происходи с ней потом?
Каждый год СМИ сообщают о вручении той или иной Нобелевской премии в одной из пяти научных областей. Эти новости (знаю по себе) обычно остаются незамеченными среди бесчисленных инфоповодов со всех уголков земного шара. «Ну вручили и вручили, – думаем мы, пролистывая ленту перед сном или за чашечкой утреннего кофе – что там еще интересного-то»? Между тем, такое отношение к выдающимся интеллектуальным достижениям вряд ли можно счесть удовлетворительным. Да, мы привыкли к быстрому контенту – два поста здесь, три репоста там, обязательно поставить лайк подруге и еще не забыть посмотреть серию любимого сериала. Но. Но! Готова поспорить, на самом деле вряд ли можно найти тему интереснее, чем Нобелевская премия. Судите сами – химик и инженер, отец которого трудился над разработкой торпед, приобрел металлургический концерн, который впоследствии превратил в крупнейшего производителя вооружения в стране. Но больше всего прибыли ему принесло изобретение динамита. Да-да, Альфред Нобель и завещание свое придумал не просто так. Дело в том, что в 1888 году его «похоронили заживо». Когда его брат Людвиг погиб в Каннах, журналисты по ошибке разместили в газетах объявление о смерти не Людвига, а Альфреда Нобеля. Прочитав некролог, он с ужасом обнаружил, что его назвали «торговцем смертью». Именно тогда наш герой задумался над тем, каким его запомнит человечество.
Наша Вселенная расширяется с самого момента своего рождения около 14 миллиардов лет назад. И хотя может показаться, что со временем этот процесс должен замедлится, этого не происходит. Вселенная, вопреки нашим ожиданиям, расширяется со все возрастающей скоростью. Благодаря главенствующей в космологии теории Большого взрыва мы знаем, почему другие галактики удаляются от нас по мере того, как пространство продолжает расширяться. Этот феномен объясняет слабое свечение, наблюдаемое повсюду во Вселенной (свечение – это оставшееся тепло от рождения Вселенной, которое теперь остыло всего на несколько градусов выше абсолютного нуля). Словом, это удивительно мощное и элегантное объяснение того, как возникла наблюдаемая Вселенная. Но почему она расширяется все быстрее и быстрее? Концепция Большого взрыва, увы, не указывает на то, продолжит ли Вселенная расширяться и охлаждаться или же она в конечном итоге сократится до другой сверхгорячей сингулярности, тем самым, возможно, перезапустив весь цикл. Окончательная же судьба Вселенной, вероятно, зависит от свойств двух таинственных явлений – темной материи и темной энергии. Дальнейшее изучение того и другого может показать, как погибнет Вселенная.
О чем вы думаете когда слышите о кристаллах времени? Мне сразу представляется что-то наподобие тессеракта из мультивселенной Марвел или очередное безумное изобретение гениального Рика из «Рик и Морти». Только представьте – таинственные кристаллы времени, способные перенести их обладателя как в прошлое, так и в будущее. Но, я, конечно, пересмотрела научной фантастики и в реальности кристаллы времени или кристаллы Вильчека не способны перемещать кого-либо или что-либо во времени. И все же, физики ими буквально одержимы. Причина этой одержимости на самом деле проста: по сути, кристалл времени – это особая фаза материи, которая постоянно меняется, но, похоже, не использует энергии. Только представьте, объект, части которого движутся в регулярном, повторяющемся цикле, поддерживает это постоянное изменение без сжигания какой-либо энергии. Вообще. Кристаллы времени также являются первыми объектами, которые спонтанно нарушают «симметрию перемещения во времени» – обычное правило, согласно которому стабильный объект будет оставаться неизменным на протяжении всего времени. Кристаллы времени одновременно стабильны и постоянно меняются через определенные промежутки времени.