Итальянский физик-теоретик, основоположник теории петлевой квантовой гравитации Карло Ровелли в своей книге под названием «Гельголанд» пытается объяснить безумно сложную теорию квантовой механики, рассматривая мир фотонов, электронов, атомов и молекул, который подчиняется правилам, идущим вразрез с нашей повседневной физической реальностью. Напомним, что квантовая теория возникла из наблюдений Гейзенберга и более ранней теории относительности Эйнштейна. До Эйнштейна ученые верили в предсказуемую, детерминированную Вселенную, управляемую часовым механизмом. Так, ньютоновской идее об абсолютном «истинном времени», неумолимо тикающем во Вселенной, противостояла теория Эйнштейна о том, что единого «сейчас» нет, скорее, существует множество «сейчас». Гейзенберг и его последователи считали, что мы не можем знать современное состояние мира во всех деталях. Все, что нам дозволено – исследовать мир с помощью моделей неопределенности и вероятности.
Физическая реальность может быть гораздо более обширной, чем просто участок пространства времени, который мы называем Вселенной. Наша космическая среда может быть сконструирована в невероятных масштабах, при этом наши астрономические инструменты невероятно ограничены. Мы, подобно муравьям, не знаем о том, насколько огромен мир вне муравейника. Так что некоторые физики-теоретики всерьез рассматривают теорию Мультивселенной, согласно которой наш мир – лишь один из многих. Более того, применяя квантовую теорию к Вселенной, мы вынуждены признать, что она существует одновременно во многих состояниях. Иными словами, допустив применение квантовых флуктуаций к Вселенной, мы практически вынуждены признать существование параллельных миров. Интересно и то, что сочетание теории струн и «вечного» варианта инфляционной космологии (речь об инфляционной модели Вселенной) обеспечивает естественную основу для так называемой «ландшафтной Мультивселенной».
Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.
«Мы живем на ничем не примечательной планете, которая вращается вокруг ничем не примечательной звезды. Но у нас есть шанс познать Вселенную», – так говорил один из величайших ученых нашего времени, британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Прекрасные слова, правда? Вселенная и мир, который нас окружает, удивительны. Атомы, которые зародились в ядрах сверхновых звезд теперь составляют нас самих и все живое на Земле. Но наше понимание Вселенной, увы, мало назвать неполным – мы видим лишь малую ее часть с помощью наших лучших инструментов, а разгадать ее величайшие загадки по-прежнему не в силах. Но, результаты нового исследования, кажется, могут изменить ситуацию. Авторы научной работы полагают, что материя во Вселенной создается путем столкновения фотонов. Если достаточно сильно столкнуть два фотона, то можно создать материю: электрон-позитронную пару, преобразование света в массу в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна. Это явление называется процессом Брейта-Уилера и впервые было изложено в 1934 году.
Большой адронный коллайдер, как известно, машина невероятно сложная. Среди основных задач ускорителя заряженных частиц – разгон протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударений. Так что когда говорят «эти колдуны-ученые дробят материю на атомы», все действительно так, за исключением, конечно, того, что ученые – не колдуны. Новое исследование, результаты которого были представлены в ходе международной научной конференции по физике, подтвердило существование ранее неизвестной частицы, которая представляет собой тетракварк – экзотический адрон, содержащий два кварка и два антикварка. Это – самая долгоживущая частица экзотической материи, которую когда-либо открывали исследователи, и первая, содержащая два тяжелых кварка и два легких антикварка. И прежде чем вы окончательно запутаетесь, напомним, что кварки – это фундаментальные строительные блоки, из которых строится материя. Объединяясь, эти субатомные частицы образуют адроны – группу, включающую знакомые протоны и нейтроны (иными словами, кварки меньше, чем просто маленькие.) Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но недавно обнаруженная частица адрона состоит из четырех, что делает ее разновидностью тетракварка – абсолютно новой частицы.
Где-то на просторах бесконечной Вселенной обитают самые загадочные объекты, которые только можно найти на ее просторах – черные дыры. Нередко они достигают просто невероятных размеров и обладают чрезмерным гравитационным притяжением, что делает их одними из самых востребованных космических загадок. Даже крошечное наблюдение или подсказка о них создает огромный ажиотаж, причем не только среди публики посвященной, но и среди простых обывателей, вроде нас с вами. Считающиеся самыми трудными для изучения, эти космические монстры в последние десятилетия подверглись интенсивному научному изучению. В 2017 году астрономы совершили гигантский скачок, получив первое в истории изображение самого темного объекта в космосе, а также наличие магнитных полей вокруг них. И теперь, после неустанного преследования, ученые преодолели еще одну важнейшую веху в истории астрономических наблюдений: во-первых, исследователи обнаружили свет за черной дырой, который обычно скрывается за ее тенью. Что еще? Эти замечательные результаты еще раз подтвердили правоту Альберта Эйнштейна и его Общей теории относительности (ОТО).
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.