Квантовый мир: как связаны стерильные нейтрино и темная материя?

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.

Читать далее

Физики получают все больше доказательств существования новой, неизвестной силы природы

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.

Читать далее

Ученые впервые сфотографировали кристаллы Вигнера. Рассказываем что это такое и как физикам это удалось

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.

Читать далее

Что такое кристаллы времени и почему ученые ими одержимы?

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.

Читать далее

Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Ну что, поговорим немного о квантовой механике? Согласна, довольно сложная тема, но эта сложность лишь придает ей пикантности и остроты. Как и многочисленные предположения о существовании Мультивселенной и параллельных реальностей. К слову сказать, современная физика изобилует подобными идеями, но мы с вами остановимся на одной из, по моему скромному мнению, самых интересных из них – многомировой интерпретации квантовой механики или интерпретации Эверетта. В 1954 году, будучи аспирантом Принстонского университета, физик Хью Эверетт пришел к революционной интерпретации нерелятивистской квантовой механики, которую полностью развил за два последующих года. Однако научное сообщество не придало особого внимания трудам Эверетта, так как работа не вела к новым предсказаниям и к тому же выглядела парадоксальной и в целом ненужной. Более того, его труд никак не повлиял на основную линию развития теоретической физики и создание Стандартной модели физики элементарных частиц. И все же, десятилетия спустя работа Эверетта привлекла внимание космологов. И хотя практических последствий она по-прежнему не принесла, это не значит, что видение мира, описанное в работе выдающегося физика, не стоит нашего с вами внимания.

Читать далее

Итальянский физик-теоретик Карло Ровелли считает, что наша реальность – это «игра квантовых зеркал»

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.

Читать далее

Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

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.

Читать далее

Что квантовая физика может рассказать о природе реальности?

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.

Читать далее

Физики зафиксировали тысячи молекул в одном квантовом состоянии

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.

Читать далее

Физики изобрели способ обнаружить темную материю

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.

Читать далее