Если вы любите загадочные словосочетания, то на первом месте среди них наверняка стоит «квантовая физика». Для многих это что-то сродни магии, которая появляется из ниоткуда и уходит в никуда. Вот только на деле все сложнее, но мы постараемся объяснить это простым языком.
Квантовая физика — часть физики, изучающая поведение субатомных частиц на мельчайших расстояниях, где проявляются загадочные квантовые эффекты и перестает работать общая теория относительности. Квантовая физика, несмотря на свою сложность и порой нелогичность, все же считается самым точным и проверенным звеном науки.
Множество предсказанных квантовой механикой явлений были обнаружены экспериментально и взяты на вооружение: квантовое туннелирование, квантовая запутанность, принцип неопределенности и многое другое. Как сказал однажды Роберт Фейнман, «квантовую физику не понял никто». Никто не понял, но все используют.
Когда речь заходит о квантовой физике, описывающей мир на уровне атомов и элементарных частиц, все кажется противоречащим нашему привычному пониманию реальности. Тем не менее эта область научных исследований давно прочно вошла в повседневную жизнь, а ученые продолжают открывать новые удивительные явления. Недавно исследовательская группа из Университета Торонто (Канада) и Университета Гриффита (Австралия) экспериментально доказала, что фотоны – кванты света – могут проводить «отрицательное количество времени» в облаке атомов. Новое открытие бросает вызов современным представлениям о том, как свет взаимодействует с материей и имеет фундаментальное значение для науки.
Международная команда физиков из коллаборации STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории совершила прорыв в понимании фундаментальных свойств материи и антиматерии. Дело в том, что ученым впервые удалось наблюдать экзотическое антиядро, которое состоит из четырех частиц антиматерии – двух антинейтронов, одного антигиперона и одного антипротона. Новый тип ядра получил название антигиперводород-4, а его обнаружение подтверждает существование редких и экзотических объектов. Отметим, что коллайдер RHIC воссоздает условия ранней Вселенной, представляя уникальную возможность для изучения асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной. Звучит непросто, согласны, так что давайте разбираться!
История человечества – настоящая сага с множеством действующих лиц. Веками мы ищем ответы на вопросы о том, кто мы, откуда пришли и куда движемся. По мере развития науки и технологий вопросов стало больше но и узнали мы немало. Оказалось, что наша планета – крошечная голубая точка, вращающаяся вокруг самой обычной звезды, коих не счесть на просторах Вселенной. И чем больше мы узнаем о небесных объектах и устройстве космоса, тем меньше понимаем происходящее. Так, две ведущие физические теории – общая теория относительности (ОТО) и квантовая механика – идеально работают по-отдельности, но вместе – нет. Более того, мы изучаем далекие галактики в попытках понять устройство мироздания и вводим разные переменные, например, темную материю, призванную объяснить величайшие загадки. Вот только доказательств ее существования по-прежнему нет, как нет и новой физической теории. Но почему и стоит ли ожидать революции в космологии? Давайте разбираться!
Если вы любите видеоигры, то наверняка знаете, что они положительно влияют на память, внимание и моторику, а еще помогают бороться со стрессом. Более того, играть попросту интересно, впрочем, как и размышлять о том, не являемся ли мы сами персонажами компьютерной игры. Да, звучит безумно, но что если мы и правда живем в симуляции? Удивительно, но эта необычная идея все чаще привлекает внимание ученых и является предметом научных дебатов и исследований. Недавно авторы нового исследования предположили, что доказательства так называемой “гипотезы симуляции” могут быть скрыты в законах, которые управляют информацией, например, генетической и цифровой. Но как понять не ошибаются ли ученые и можно ли хоть как-то проверить, что наша Вселенная – настоящая?
Лето – идеальное время для того, чтобы что-то стало модным в социальных сетях. Одной из наиболее неожиданных тем, привлекших всеобщее внимание, стала новость о создании сверхпроводника комнатных температур, который мог бы проложить путь для квантовых вычислений и высокоскоростных поездов. Но правда ли сверхпроводник LK-99 существует? Ранее мы рассказывали об этом инновационном устройстве и о том, что опубликованные статьи не прошли экспертную оценку, а также оказались в публичном доступе без одобрения двух соавторов. Теперь, после последующих экспериментов ученых по всему миру, стало понятно, что LK-99 не такой уж и особенный. Но если изобретение южнокорейских исследователей – это не сверхпроводник, то почему ученые изначально думали, что он им является? Давайте разбираться!
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в 2012 году ознаменовало собой важную веху в физике элементарных частиц. Все потому, что бозон Хиггса или «частица Бога» отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц и подтверждает правильность Стандартной модели. Обнаружение этой неделимой частицы привело к лучшему пониманию Вселенной, а на протяжении последних десяти лет физики изучали бозона Хиггса, пытаясь установить различные способы его образования и распада. Так, согласно Стандартной модели, бозон Хиггса с массой около 125 миллиардов электронвольт может распадаться на Z-бозон и фотон, однако другие модели элементарных частиц прогнозируют иную скорость деградации. Это означает, что редкие случаи распада частицы Бога – один из которых ученые наблюдали совсем недавно – могут изменить наше представление о мироздании.
Любите ли вы жару? Или напротив, держитесь подальше от Солнца? Вне зависимости от ответа и личных предпочтений, ученые считают, что нас ожидает все больше и больше солнечных дней. Так, аномальная жара в северо-западной Европе будет становится все более интенсивной, а на северо—западе Тихого океана температура во многих местах уже превышает сезонную норму на 6 градусов Цельсия. В то же самое время на другую сторону земного шара обрушилась целая серия тайфунов, а впереди – лесные пожары, ураганы и наводнения. По прогнозам специалистов, экстремальные периоды жары, обрушившиеся на планету в последние годы, станут неотъемлемой частью грядущего лета по всему миру, включая Россию. Согласно последним сообщениям синоптиков, лето 2023 года в нашей стране может стать самым жарким за последние 150 лет.
Для всех нас привычным является то, что наше прошлое определяет наше будущее – поступки, которые мы совершаем приводят нас к чему-то. Это обычное явление, о котором многие даже не задумываются, ведь все кажется таким очевидным, правда же? И да, и нет – несмотря на очевидность происходящего, квантовая физика имеет иное мнение. Нобелевская премия по физике 2022 года подчеркнула проблемы, которые квантовые эксперименты создают для «локального реализма». Однако растущее число экспертов предлагает в качестве решения «ретропричинность», предполагая, что настоящие действия могут влиять на прошлые события, сохраняя тем самым локальность и реализм.
Один из самых странных и известных экспериментов в физике – двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году. Однако первым на этот необычный феномен обратил внимание английский физик и математик Томас Юнг в 1801 году, когда заметил, что при сложении звуковых волн происходит ослабление и усиление звука. Предположив, что свет подобен звуку, Юнг решил провести эксперимент, в ходе которого направил пучок света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен еще один, проекционный экран. Ширина прорезей, при этом, была приблизительно равна длине волны излучаемого света. Результатом эксперимента стала интерференционная картина, которая демонстрирует, что фотон как будто проходит через обе щели одновременно. Недавно, однако, ситуация усложнилась – изменения, внесенные физиками в классический опыт Юнга, показали, что поведение фотонов меняется в зависимости от… времени.
Тема мультивселенной пользуется невиданной популярностью. Да что там, она буквально везде – кинокомиксы, мультсериалы, компьютерные игры и даже оскароносные картины. Так, фильм студии А24 «Все везде и сразу», получил целых семь статуэток, включая номинацию за «лучший фильм», «лучший монтаж» и «дизайн костюмов». В фильме героиня Мишель Йео Эвелин Ван соединяется с версиями самой себя в параллельных вселенных, чтобы предотвратить разрушение мультивселенной. Эта захватывающая история, безусловно, выдумка, но вот идея не нова – еще в XVI веке итальянский философ Джордано Бруно предполагал существование невидимых миров, в которых события развиваются иначе, однако физики всерьез обратились к этой идее через 400 лет. Сегодня официальная наука относится к теории мультивселенной скептически, однако ее многомировая интерпретация все чаще привлекает внимание.
Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.
Законы, по которым работает Вселенная, весьма странные. И хотя физики смогли объяснить взаимодействие наблюдаемых небесных тел, на уровне элементарных частиц все намного сложнее. Так, сразу два отдельных исследования, проведенных осенью 2022 года, продемонстрировали так называемый «квантовый переворот времени» – эксперимент, в котором фотоны могут одновременно двигаться вперед и назад во времени. И хотя речь не идет о создании Делориана, это открытие может помочь в разработке квантовых компьютеров и создании теории квантовой гравитации (той самой теории всего). Трудно поверить, но в ходе работы физикам удалось расщепить фотон (квант самого света) и наблюдать его как в прямом, так и в обратном временном состоянии, в очередной раз демонстрируя многочисленные странности квантового мира. Исследователи отмечают, что в основе проведенных экспериментов лежат самые загадочные принципы квантовой механики.
Cовременная физика переживает нелегкие времена. На одной стороне лежит квантовая теория, которая описывает устройство Вселенной на уровне атомов, а на другой – Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), согласно которой пространство и время могут искривляться под влиянием гравитации. Проблема заключается в том, что по отдельности и ОТО и квантовая механика работают прекрасно, но противоречат постулатам друг друга. По этой причине физики трудятся над созданием единой «теории всего» на протяжении последних 90 лет. Вот только с каждым новым открытием вопросов становится все больше, однако исследователи не оставляют попыток докопаться до истины – результаты первого в своем роде эксперимента показали, что в искривленной и расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Полученный в ходе моделирования результат вновь возвращает нас к вопросу о том, как что-то может возникнуть из ничего. Словом, шаг вперед и два назад.
«Квантовая физика настолько сложная, что ее никто не понимает», – писал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И это не удивительно, так как даже Альберт Эйнштейн относился к ней настороженно, называя феномен квантовой запутанности «сверхъестественным» и «жутким». В вероятностной природе квантовой механики сомневался ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основоположники этой теории. Но несмотря на споры и разногласия, таинственный мир элементарных частиц стал драйвером современной цивилизации: интернет, компьютеры, смартфоны, лазеры, оптоволоконные сети и атомная энергетика существуют благодаря науке о квантах. Только представьте к чему могут привести дальнейшие открытия, которых с каждым годом становится все больше. Так, в 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали стразу трое ученых, которые независимо друг от друга проводили эксперименты с запутанными фотонами, сенсорными технологиями и безопасной передаче информации. К слову, не обошлось без квантовой телепортации, но обо всем по-порядку.
Мы — часть Вселенной. И это не просто слова. Каждое живое существо на нашей планете состоит из крошечных, невидимых глазу элементарных частиц. То же касается всей видимой материи, которую астрономы наблюдают с помощью телескопов. К счастью, для изучения атомов не нужно отправляться в космическое путешествие – физики прекрасно справляются с этой задачей на Земле. Например, с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) ускоряя частицы и дробя материю на атомы. Так, за последние годы мир узнал о существовании самых разных частиц – бозона Хиггса, тетракварков и энионов. Все эти частицы создают реальный мир и могут многое рассказать об устройстве Вселенной, например, о таинственной темной материи, увидеть которую никому не удалось. Недавно исследователи сообщили об открытии «кузена» бозона Хиггса, а также об аномалиях, предположительно вызванных стерильными нейтрино.
Мы воспринимаем время как стрелу, указывающую вперед. К тому же, пространство и время неразрывно связаны между с собой. Их дуэт проявляется в движении и развитии материи. Что же до главой силы во Вселенной, то гравитация искусно вплетает материальные объекты в ткань пространства-времени и дуэт превращается в трио. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна удивительно точно описывает Вселенную. Но квантовая механика нарушает эту гармонию, ведь в мире субатомных частиц все устроено иначе. Две фундаментальные физические теории не согласуются друг с другом, что привело к кризису в современной физике. Но что, если взглянуть на ситуацию радикально по-другому? Существует ли вообще время? И если нет, то как тогда устроена Вселенная?
Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию – это попытка взглянуть на нее иначе, например, как на что-то вроде голограммы — трехмерного эффекта, который появляется на плоской двумерной поверхности. Идея заключается в том, что нам лишь кажется, что мы живем в трехмерной вселенной – на самом деле изменений может быть только два. Такой взгляд на мир называется голографическим принципом. Итак, представим, что некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира, и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая выглядит так, будто у нее есть глубина.
Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, за миллионные доли секунды после своего рождения Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц – глюонов и кварков. Затем за очень короткий промежуток времени эта плазма остыла, а из ее частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Компанию им составили различные нестабильные частицы неизвестной структуры – так называемые частицы Х, о существовании которых мир узнал в 2003 году. Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые свидетельства существования X-частиц. Эти частицы, однако, распадались слишком быстро, так что изучить их структуру физикам не удалось. Теперь же ученые смогли воссоздать материю первых мгновений жизни Вселенной и наконец обнаружили загадочные частицы. Здорово, не так ли? Вот только плохо изученные частицы не вписываются в существующие модели формирования вещества.
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.