Физика последнее. Десять главных прорывов в физике и химии
Во время своих экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее, чем тяжелому.
Решение Галилея проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием гравитации.
Всемирное тяготение
Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и Луну действует единая сила гравитации.
Ньютон представил себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не додумывался.
Согласно этому закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.
Вода в той части океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так, как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода оказывается дальше привычных берегов.
Понимание Ньютоном того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.
Законы движения
Возьмем, например хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей ускорение.
Второй закон гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела.
А согласно третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.
Законы движения Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они стали основой классической физики.
Второй закон термодинамики
Наука о термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.
Тепловая энергия может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы, используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.
Среди тех, кто занимался этим вопросом, был немецкий ученый . В 1865 году он сформулировал Второй закон термодинамики . Согласно этому закону, при любом энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле, часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия , объясняя с его помощью ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется во время преобразования в механическую.
Это утверждение изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о том, насколько расточительны такие механизмы.
Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.
Электромагнетизм
Ученые научились создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток, возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.
Электрогенератор в своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита. Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.
Фарадей вел записи о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству оценены физикомДжеймсом Клерком Максвеллом , который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма . Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.
Если вы хотите знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе, что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.
Совершая открытия, Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим юношей был Альберт Эйнштейн.
Теория относительности
Эйнштейн однажды сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.
В юношестве, вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в размышления понятие света, времени и пространства.
В мире, который описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.
Время – это река, которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и вообще о Вселенной!
Эйнштейн демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов. Самый известный из них – это «парадокс близнецов» . Итак, у нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется. После возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет время.
Этот эксперимент в какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например, спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч, поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать, ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем собьется и система GPS не будет работать.
E=mc 2
Вероятно, это самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом: время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость, тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее. Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции, равной c 2 . Все просто.
Эта формула показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.
Теперь что касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил, что даже в состоянии покоя тело обладает энергией. Посчитав это значение по формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.
Открытие Эйнштейна было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь повергло всех в шок.
Квантовая теория
Квантовый скачок – самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим прорывом научной мысли.
Субатомные частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне атома – это закон.
Квантовая теория появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике. Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри , например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах .
Если представить себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в определенном количестве, это называется квантовым эффектом и означает, что энергия волнообразна.
Тогда думали, что Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то, напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?
В 1925 году австрийский физик , наконец, составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными.
Можно ли вычислить возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка. Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у электронов это случается постоянно.
Все современные «чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь играет во Вселенной в кости.
Несмотря на всю странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим представлением о субатомном мире.
Природа света
Древние задавались вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли, воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный, но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели свет, но не знали, что это такое.
Физики пытались ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.
Ньютон показал, что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая теория – корпускулярная.
Представьте себе морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место пересечения было отчетливо видно.
Итак, тогда было все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга . И тогда за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл. Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем, например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма света , т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.
Чтобы увидеть свет таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в раннем Средневековье.
Нейтрон
Атом так мал, что его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов. Открытие атома привело к другому открытию.
О существовании атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом», потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм внутри пудинга.
В начале 20 века провел эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет, когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и не изменяя направление.
Однако, результат был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество вещества ядром .
Чедвик провел эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц, которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.
Сверхпроводники
Лаборатория Ферми обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как появились сверхпроводники .
Сверхпроводники были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени стал первым, кто понял, как превратить гелий из газа в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление металла зависит от температуры – растет она или падает.
Он использовал для опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без всяких потерь и нарушений потока. Это и называетсясверхпроводимостью .
Сверхпроводники позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном кольце. Их скорость почти равняется скорости света.
Ускоритель частиц в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то, чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион долларов.
Теперь главная задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких температурах и требовали бы меньше затрат.
В начале 80-х группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на 100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее. С разработкой ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы. Физики стали называть все это «зоопарком частиц».
Американский физик Мюррей Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц «зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из которых состоят сами протоны и нейтроны.
Открытые Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».
Хотя Гелл-Маном был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок протона. Оказалось, что в нем было три кварка .
Ядерные силы
Наше стремление найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих людей на протяжении столетий.
После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы, объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил стало четыре.
Каждая сила действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио, телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации, которая переходи в тепло.
Как обнаружить пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера . Частицы, которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.
Как же измерить ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые пианино издает, ударяясь о ступеньки. (weak force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно, это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез – физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.
Неизвестно, сможем ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и открывать.
В мире науки за последние 10 лет произошло очень многое. От поиска воды на Марсе до манипуляций с памятью и обнаружения «темной материи» - все в этом списке показывает, что сегодня люди действительно живут в удивительное время.
1. Перепрограммирование стволовых клеток
Стволовые клетки - уникальные. Вроде бы они ничем не отличаются от любых других клеток в организме, помимо того, что они обладают врожденной способностью превращаться в любой другой вид клеток. Это означает, что они могут превратиться, например, в красные клетки крови, если их не хватает организму, или в белые клетки крови, в мышечные клетки, в нервные клетки...
О стволовых клетках известно с 1981 года, но до 2006 было неизвестно, что любая клетка в теле может быть перепрограммирована и превращена в стволовую. И это довольно просто сделать, что доказал ученый по имени Синъя Яманака, который впервые в мире сумел добавить четыре определенных гена в клетки кожи. В течение двух-трех недель эти клетки кожи превратились в стволовые. Это стало огромным открытием для регенеративной медицины.
2. Крупнейшая черная дыра
В 2009 году группа астрономов приступила к измерению массы недавно обнаруженной черной дыры, получившей название S5 0014 + 81. К их изумлению, она оказалась в 10 000 раз больше, чем сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, что делает ее самой крупной черной дырой, известной человеку. Масса этой ультрамассивной черной дыры в 40 миллиардов больше Солнца. Что еще более невероятно, она была сформирована сравнительно недавно по рамкам Вселенной, через 1,6 миллиарда лет после Большого взрыва.
3. Манипуляция памятью
В 2014 году ученые Стив Рамирес и Сюй Лю смогли заменить негативные воспоминания в мозге мышей на положительные, и наоборот. Они внедрили в организм мышей светочувствительные белки и добились активации этих белков с помощью лазера, которым светили мышам в глаза. В итоге, негативные события, пережитые мышами, начали восприниматься грызунами, как положительные, а позитивные события, как ужасные. Это открыло совершенно новую форму потенциального лечения тех, кто страдает от посттравматического стрессового расстройства или от сильного чувства горя от потери любимого человека.
4. Компьютер, который подражает человеческому мозгу
Хотя это считалось невозможным всего несколько лет назад, компания IBM выпустила в 2014 году чип компьютера, который работает так же, как человеческий мозг. Он содержит 5,4 миллиарда транзисторов и потребляет в 10 000 раз меньше энергии, чем обычные компьютерные чипы, а также работает путем имитации синапсов в человеческом мозге. А если быть точнее, 256 мозгов. Он может быть запрограммирован, чтобы делать то, что хочет пользователь, что делает этот чип невероятно полезным для использования в суперкомпьютерах. Synapse не ограничен с точки зрения производительности, благодаря своей радикально отличающейся конструкции по сравнению с обычными компьютерами. Эта революционная технология может серьезно изменить компьютерную индустрию к лучшему в ближайшие годы.
5. Шаг к мировому доминированию роботов
В 2014 году 1 024 «наноботам» дали задание организоваться в форме звезды. Без каких-либо дальнейших инструкций они начали работать вместе и в итоге собрались в идеальную форму звезды. Хотя делали они это медленно, рывками и несколько раз сталкивались друг с другом, тем не менее, они смогли сделать это. Если какой-то из крошечных роботов застревал, то он «просил о помощи» соседей, и те возвращали его в нужное русло. Ученые теперь ведут исследования того, как наноботы могут объединяться в стаи, чтобы бороться с болезнями после их внедрения в организм человека. А более крупные микророботы могли бы использоваться в поисково-спасательных операциях.
6. Подтверждение существования темной материи
Темная материя в значительной степени - теоретическое явление, которое «было придумано» для объяснения многих странных астрономических сценариев. В качестве примера можно привести подобное: есть галактика с тысячей планет внутри нее. Если просуммировать массы всех этих планет и сравнить результат с тем, как на самом деле движется эта галактика, то обнаружится сильное расхождение. Галактика движется таким образом, что она должна быть в несколько раз массивнее. Это может означать то, что в ней есть некая материя, которую люди просто не видят. Поэтому ее и назвали «темной материей».
В 2009 году несколько американских лабораторий заявили, что сумели «засечь» 2 частицы этой темной материи с помощью датчиков внутри шахты по добыче железа в 800 метрах под землей. До сих пор ведутся проверки этих данных, чтобы убедиться в их достоверности. Если это окажется правдой, то подобное вполне может быть одним из самых значительных открытий в физике за последний век.
7. Жизнь на Марсе
Все-таки она может существовать. В 2015 году NASA опубликовала изображения, на которых видны длинные темные полосы на поверхности красной планеты, которые появляются и исчезают в течение разных сезонов года. Это весомое доказательство того, что сегодня на Марсе существует жидкая вода. Хотя ученые уже в течение некоторого времени знали, что она существовала на Марсе в прошлом, о том, что она есть сегодня, стало известно впервые. Поэтому вновь встал вопрос о существовании жизни на Марсе. Также открытие воды в жидком состоянии может стать существенной помощью астронавтам, которые в 2024 году собираются отправиться на Марс.
8. Многоразовые ракеты
Вскоре отпадет необходимость в ракетах-носителях, которые выводят корабли и спутники на орбиту. SpaceX, частная компания по освоению космоса, принадлежащая миллиардеру- предпринимателю Илону Маску, сумела несколько раз посадить ракету на дистанционно управляемую баржу посреди океана. Подобное может сэкономить миллиарды долларов, поскольку ракеты станут не одноразовыми, и их можно будет ремонтировать, заправлять и использовать повторно.
9. Гравитационные волны
Гравитационные волны - рябь в ткани пространства-времени, которая перемещается со скоростью света. Они были предсказаны Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности, в которой говорится, что масса искривляет пространство-время. Такие вещи, как черные дыры «излучают» гравитационные волны, которые были обнаружены в 2016 году с помощью аппаратуры LIGO. Тем самым были подтверждены предсказания Эйнштейна, сделанные 100 лет назад.
TRAPPIST-1 - это название, которое было присвоено звездной системе, находящейся примерно в 39 световых годах от нашей Солнечной системы. Особенной ее делает то, что вокруг звезды в 12 раз менее массивной, чем Солнце, вращаются по крайней мере 7 планет, 3 из которых находятся в обитаемой зоне, т. е. на них потенциально может быть жизнь.
Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
Гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд
Столкновение нейтронных звёзд. Иллюстрация: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.
Завершённый туннель ускорителя. Фото: European XFEL / Heiner Muller-Elsner.
Компактный нейтринный детектор, который сжимает в руках физик Бьёрн Шольц, по форме и размеру напоминает обычную бутылку. Фото: Juan Collar/uchicago.edu.
Планеты системы TRAPPIST-1 в сравнении с планетами Солнечной системы. Иллюстрация: NASA/JPL-Caltech.
Снимок колец Сатурна, полученный с помощью аппарата «Кассини». Фото: Space Science Institute/JPL-Caltech/NASA.
Самым значимым открытием 2017 года стала первая в истории регистрация гравитационных волн от слияния двух нейтронных звёзд. Астрономам впервые удалось одновременно зафиксировать возникшие при слиянии гамма-вспышки, а затем найти и исследовать место, где произошла космическая катастрофа, - в 100 миллионах световых лет от Земли.
Обнаружили гравитационные волны 17 августа гравитационно-волновые детекторы LIGO (США) и Virgo (Франция, Италия), а спустя пару секунд космические обсерватории «Интеграл» (ЕКА) и «Ферми» (НАСА) зафиксировали короткие гамма-вспышки. К поиску источника сигнала подключились наземные и космические обсерватории, которые затем в течение нескольких десятков дней следили за постепенно гаснущим остатком «взрыва». В работе приняли участие и российские исследователи из ИКИ РАН, ГАИШ МГУ и ФТИ им. А. Ф. Иоффе.
Это открытие имеет отношение сразу к нескольким проблемам астрофизики. В первую очередь - к вопросу о происхождении мощных гамма-лучевых всплесков, которые испускают за доли секунды энергии больше, чем Солнце за миллиарды лет.
Астрофизики давно предполагали, что источником всплесков может быть слияние двух нейтронных звёзд, но теперь они получили экспериментальное доказательство справедливости разработанной теории. В результате столкновения звёзд одновременно с гамма-всплеском часть звёздного вещества с большой скоростью выбрасывается в окружающий космос. Это явление, открытое в 2013 году, получило название килоновой. Затем радиоактивные элементы из образовавшегося облака распадаются на стабильные, порождая его излучение. Астрономы обнаружили в облаке большое количество тяжёлых элементов, таких как золото и платина, что позволяет считать слияния звёзд настоящими галактическими фабриками тяжёлых элементов, отсутствовавших в молодой Вселенной.
Квантовый компьютер в 53 кубита
Квантовые компьютеры, с которыми связаны большие ожидания, пока не созданы, но в 2017 году сделаны важные шаги на пути к воплощению этой идеи в жизнь. Квантовые вычислительные устройства работают с кубитами - объектами, хранящими наименьший элемент информации, аналогами бита в обычном компьютере. Количество кубитов определяет возможности квантового компьютера.
В ноябре в журнале «Nature» опубликованы статьи, посвящённые моделированию квантовых систем с помощью квантовых компьютеров из 51 и 53 кубитов. До этого подобные универсальные устройства были ограничены 20 кубитами. Увеличение количества кубитов в 2,5 раза многократно повысило возможности вычислителей. 51-кубитный квантовый компьютер создан под руководством Михаила Лукина, работающего в Российском квантовом центре и Гарвардском университете. 28 июля года такое устройство было представлено на Международной конференции по квантовым технологиям в Москве.
Стабильный металлический водород
В январе физики из Гарварда сообщили, что они впервые в истории получили небольшое количество стабильного металлического водорода. Образец имел размеры 1,5 х 10 мкм. Теоретически существование металлического водорода при больших давлениях было предсказано в 1935 году. В природе такие условия реализуются в недрах звёзд и планет-гигантов. С 1996 года его несколько раз получали ударным сжатием, но существовал водород в таком состоянии очень короткое время.
Для получения стабильного металлического водорода команда из Гарварда использовала установку, где алмазные наковальни развивали давление 495 гигапаскалей, что примерно в пять миллионов раз больше нормального атмосферного давления.
Помимо чисто научной ценности у этого экзотического материала может найтись и практическое применение - он обладает высокотемпературной сверхпроводимостью (в данном случае она наступала при -58 о С).
Рентгеновский лазер на свободных электронах начал работу
1 сентября состоялась официальная церемония открытия самого крупного в мире Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (x-ray free electron laser), в создании которого принимала участие и Россия. На самом деле лазером, то есть источником оптического излучения определённого вида, эта установка не является. В ней рентгеновское излучение, аналогичное по свойствам лазерному, создаёт пучок электронов, разогнанный до скоростей, близких к скорости света. В XFEL для этого используется самый большой в мире сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 1,7 км. Ускоренные электроны попадают в ондулятор - устройство, создающее в пространстве периодически изменяющееся магнитное поле. Двигаясь в нём по зигзагообразной траектории, электроны излучают в рентгеновском диапазоне. Новая уникальная установка будет генерировать ультракороткие рентгеновские вспышки с рекордной частотой - 27 000 раз в секунду, а её пиковая яркость ожидается в миллиард раз выше существующих источников рентгеновского излучения.
Более 60 научных коллективов уже подали заявки на проведение экспериментов. С помощью рекордно ярких и очень коротких рентгеновских импульсов исследователи смогут увидеть не только расположение атомов в молекулах, но и происходящие там процессы. Это позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицины. Например, при создании новых лекарств специалисты, зная точное расположение атомов в молекулах белков, смогут подобрать вещества, которые будут блокировать или, наоборот, стимулировать их работу. Знание же структуры кристаллов позволит разрабатывать материалы с заданными свойствами.
Регистрация нейтрино по упругому отскоку
В сентябре 2017 года большой международный коллектив физиков, в том числе и из России, сообщил об открытии упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах вещества. Это явление предсказал в 1974 году теоретик из Массачусетского технологического института Даниэль Фридман. Нейтрино - неуловимая частица, и для её поимки исследователи строят огромные установки, содержащие десятки тысяч тонн воды. Фридман выяснил, что из-за волновых свойств нейтрино будет согласованно взаимодействовать со всеми протонами и нейтронами ядра, что значительно повысит число рассматриваемых взаимодействий - отскоков нейтрино от ядра. За 461 день исследователи наблюдали 134 таких события.
Это открытие не заставит переписывать учебники. Его значение заключается в создании экспериментаторами детектора небольшого размера, в котором находится всего лишь 14,6 кг кристаллов иодида цезия. Малые переносные нейтринные детекторы найдут разнообразные применения, например для мониторинга ядерных реакторов. К сожалению, они не смогут заменить детекторы-гиганты во всех экспериментах, поскольку детектор, основанный на когерентном рассеянии, не способен различать типы нейтрино.
Темпоральный кристалл - два варианта
В марте две команды исследователей из США сообщили об обнаружении нового состояния материи, получившего название кристалла времени - темпорального кристалла (см. «Наука и жизнь» № 6, 2017 г., ). Это новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Подобные кристаллы представляют собой вечно движущиеся структуры частиц, сами по себе повторяющиеся во времени. Одна группа использовала цепочку атомов иттербия, в которой под действием лазеров колебалась проекция магнитного момента системы. Другая рассматривала кристалл, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения. Работы вызвали дискуссию: можно ли считать подобные системы темпоральными кристаллами. Ведь теоретически системы должны колебаться без внешнего воздействия. Но в любом случае такие темпоральные кристаллы найдут применение в роли суперточных сенсоров, например для измерения малейших изменений температуры и магнитных полей.
Экзопланеты, похожие на землю
В последние годы астрономы обнаружили много экзопланет - планет, обращающихся вокруг других звёзд. Однако находки землеподобных планет в зоне, где может существовать жидкая вода, а значит, и жизнь (зона обитаемости), не так уж и часты. В феврале астрономы НАСА объявили об открытии в системе красного карлика TRAPPIST-1 семи экзопланет (три планеты найдены ещё в 2016 году), из которых пять близки по размеру к Земле, а две несколько меньше Земли, но крупнее Марса. Это больше, чем в какой-либо другой системе. По крайней мере три планеты, а возможно и все, находятся в зоне обитаемости.
TRAPPIST-1 - ультрахолодная, с температурой около 2500 К, карликовая звезда массой всего лишь 8% массы Солнца (то есть чуть больше планеты Юпитер), расположенная примерно в 40 световых годах от Земли. Планеты находятся очень близко к звезде, а орбита самой дальней из них намного меньше орбиты Меркурия. В августе астрономы, использующие космический телескоп Хаббл, сообщили о первых намёках на содержание воды в системе TRAPPIST-1, что делает возможным существование там жизни.
В апреле астрономы сообщили об открытии каменистой планеты по размеру в 1,4 раза больше Земли в зоне обитаемости другого красного карлика - LHS 1140. Света она получает в два раза меньше, чем Земля. Авторы открытия считают её хорошим кандидатом для поиска внеземной жизни.
В декабре американские астрономы сообщили об открытии восьмой планеты в системе звезды Кеплер-90, расположенной на расстоянии около 2500 световых лет от Земли. Эта система по числу планет наиболее близка к Солнечной системе. Правда, найденная планета располагается слишком близко к звезде, и температура на её поверхности более 400оС. Интересно, что планета была найдена при обработке данных телескопа Кеплер с помощью нейронной сети.
Завершение миссии «Кассини»
15 сентября падением на поверхность Сатурна завершилась 13-летняя миссия космического зонда «Кассини». Запущенный в 1997 году, он с 2004 года исследовал седьмую планету, передав на Землю огромное число данных и уникальных фотографий. Последний этап его жизни - «Большой финал» начался 26 апреля 2017 года. «Кассини» совершил 22 пролёта между планетой и внутренним кольцом. Такие глубокие «нырки» дали много новой информации, в частности об электрической и химической связи ионосферы Сатурна с кольцами.
На основании данных зонда в 2017 году астрономы пришли к выводу, что кольца Сатурна значительно моложе планеты, которой около 4,5 млрд лет. Возраст колец оценили в 100 млн лет, так что они современники динозавров.
Исследователи решили «уронить» зонд на планету, чтобы он случайно не занёс земные бактерии на спутники Сатурна Титан и Энцелад, где, возможно, имеются местные микроорганизмы.
Кварковый термояд
В ноябре в журнале «Nature» появилась статья, в которой два физика, из США и Израиля, теоретически предположили возможность протекания на кварковом уровне реакции, аналогичной термоядерной, но со значительно большим выделением энергии. Как известно, при термоядерной реакции лёгкие элементы сливаются с выделением энергии. Подобная реакция может происходить и при столкновении элементарных частиц, которые, по современным представлениям, состоят из кварков. В этом случае кварки столкнувшихся частиц будут взаимодействовать и перегруппировываться. В результате появится новая частица с другой энергией связи кварков и выделится энергия.
Исследователи указали две возможные реакции. В первой из них при слиянии двух очарованных кварков будет выделяться энергия 12 МэВ. При слиянии же двух нижних кварков должно выделяться 138 МэВ, что почти в восемь раз больше, чем в отдельном слиянии дейтерия и трития в термоядерной реакции (18 МэВ). Практическое применение этих предположений пока не рассматривается в силу малости жизни кварков.
Экситоны удалось сконденсировать
В декабре команда физиков из США, Великобритании и Нидерландов объявила об открытии новой формы материи, которую они назвали экситоний. Квазичастица экситон - особое возбуждённое состояние кристалла, которое можно представить как соединение электрона и дырки, похожее на атом водорода, - была предсказана в 1931 году советским физиком Яковом Ильичём Френкелем.
Экситон относится к бозонам, частицам с целым спином, а при достаточно низкой температуре система бозонов переходит в особое состояние, называемое конденсатом, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии и ведут себя как одна большая квантовая волна. Благодаря этому бозе-жидкость становится сверхтекучей или сверхпроводящей. Исследователям удалось обнаружить бозе-конденсат экситонов в кристаллах 1T-TiSe 2 .
Открытие важно для дальнейшего развития квантовой механики, а на практике, возможно, найдёт применение сверхпроводимость и сверхтекучесть экситония.
МОСКВА, 8 фев — РИА Новости. Более 70% россиян не в состоянии назвать ни одного научного достижения страны за последние десятилетия — таковы результаты социологического исследования ВЦИОМ, выполненного ко Дню российской науки. При этом как минимум десять открытий наших ученых за последние годы оставили заметный след в мировой науке.
Гравитационные волны
В августе 2017-го детектор LIGO обнаружил гравитационные волны, вызванные столкновением двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993 созвездия Гидры. Точнейший прибор почувствовал возмущение пространства — времени, хотя его источник находился в 130 миллионах световых лет от Земли. Журнал Science назвал это главным открытием года.
Немалый вклад в него внесли физики МГУ имени М. В. Ломоносова и нижегородского Института прикладной физики РАН. Россияне подключились к поиску гравитационных волн на детекторе LIGO в 1993 году благодаря член-корреспонденту РАН Владимиру Брагинскому (ушел из жизни в марте 2016-го).
LIGO впервые зафиксировал гравитационные волны (от столкновения двух черных дыр) в сентябре 2015 года.
Озеро Восток в Антарктиде
Россиянам принадлежит последнее крупное географическое открытие на планете — озеро Восток в Антарктиде. Гигантский водоем находится под четырехкилометровой толщей льда в самом центре Шестого континента. Теоретически его предсказали еще в 1950-е океанолог Николай Зубов и геофизик Андрей Капица.
Почти три десятилетия понадобилось, чтобы пробурить ледник. Участники Российской антарктической экспедиции ААНИИ достигли реликтового озера 5 февраля 2012 года.
Озеро Восток изолировано от внешнего мира как минимум 14 миллионов лет. Ученых интересует, сохранились ли там какие-то живые организмы. Если жизнь в водоеме есть, то ее изучение послужит важнейшим источником информации о прошлом Земли и поможет поиску организмов в космосе.
Космический проект "Радиоастрон"
В июле 2011 года на орбиту был выведен радиотелескоп "Спектр-Р". Вместе с наземными радиотелескопами он образует своеобразное ухо, способное слышать пульс Вселенной в радиодиапазоне. Этот успешный российский проект под названием "Радиоастрон" уникален. В его основе — принцип радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, разработанный академиком Николаем Кардашевым, директором Астрокосмического центра ФИАН.
"Радиоастрон" изучает сверхмассивные черные дыры и, в частности, выбросы из них вещества (джеты). С помощью самого большого в мире (зафиксировано в Книге рекордов Гиннесса) радиотелескопа ученые надеются увидеть тень черной дыры, которая, предположительно, находится в центре Млечного Пути.
Опыты с графеном
В 2010 году выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии по физике за исследование графена. Оба окончили МФТИ, работали в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке, а в 1990-е уехали продолжать исследования за границу. В 2004 году они предложили классический теперь способ получения двумерного графена, просто отодрав его скотчем от куска графита. В настоящее время нобелиаты работают в Университете Манчестера в Великобритании.
Графен — это слой углерода толщиной в один атом. В нем видели будущее терагерцовой электроники, но затем обнаружили ряд изъянов, которые пока не удается обойти. К примеру, графен очень непросто превратить в полупроводник, к тому же он очень хрупкий.
Новый вид Homo
В 2010 году мир облетела сенсация — обнаружен новый вид древних людей, живших одновременно с сапиенсами и неандертальцами. Родственников окрестили денисовцами по названию пещеры на Алтае, где нашли их останки. Место денисовцев на генеалогическом древе человека удалось установить после расшифровки ДНК, выделенных из зуба взрослого человека и мизинца маленькой девочки, погибших 30-50 тысяч лет назад (точнее, к сожалению, сказать невозможно).
Древние люди облюбовали Денисову пещеру еще 300 тысяч лет назад. Ученые из Института археологии и этнографии СО РАН не один десяток лет вели там раскопки, и только прогресс в методах молекулярной биологии позволил наконец раскрыть тайну денисовцев.
Археологи хотят восстановить внешний облик денисовского человека Директор Института археологии и этнографии СО РАН, лауреат госпремии этого года академик Анатолий Деревянко надеется, что в ходе раскопок в Денисовой пещере на Алтае ученые смогут найти череп или фрагменты вымершего вида людей - денисовского человека - и восстановить его облик.Сверхтяжелые атомы
В 1960-е отечественные физики предсказали "остров стабильности" — особое физическое состояние, в пределах которого должны существовать сверхтяжелые атомы. В 2006 году экспериментаторы из Объединенного института ядерных исследований в Дубне обнаружили на этом "острове" при помощи циклотрона 114-й элемент, названный позднее флеровием. Затем один за другим были открыты 115-й, 117-й и 118-й элементы — соответственно, московий, теннессин и оганесон (в честь первооткрывателя академика Юрия Оганесяна). Так пополнилась таблица Менделеева.
Гипотеза Пуанкаре
В 2002-2003 годах российский математик Григорий Перельман решил одну из задач тысячелетия — доказал гипотезу Пуанкаре, сформулированную сто лет назад. Решение он опубликовал в серии статей на arxiv.org. Его коллегам потребовалось несколько лет, чтобы проверить доказательство и признать открытие. Перельмана номинировали на Филдсовскую премию, Математический институт Клэя вручил ему миллион долларов, но математик отказался от всех наград и денег. Он также проигнорировал предложение поучаствовать в выборах на звание академика.
Григорий Перельман родился в Санкт-Петербурге, окончил физико-математическую школу № 239 и математико-механический факультет Ленинградского университета, работал в питерском филиале Математического института им. В. А. Стеклова. Он не общается с прессой, не ведет публичной деятельности. Неизвестно даже, в какой стране он сейчас проживает и занимается ли математикой.
В прошлом году журнал "Форбс" включил Григория Перельмана в число людей столетия.
Лазер на гетероструктурах
В конце 1960-х физик Жорес Алферов сконструировал первый в мире полупроводниковый лазер на выращенных им гетероструктурах. В то время ученые активно искали способ усовершенствовать традиционные элементы радиосхем, и это удалось благодаря изобретению принципиально новых материалов, которые нужно было выращивать послойно, атом за атомом, причем из разных соединений. Несмотря на трудоемкость процедур, вырастить такие кристаллы удалось. Выяснилось, что они могут излучать как лазеры и таким образом передавать данные. Это позволило создать компьютеры, компакт-диски, оптоволоконную связь, новые системы космической связи.
В 2000 году академик Жорес Алферов удостоился Нобелевской премии по физике.
Высокотемпературные сверхпроводники
В 1950-х физик-теоретик Виталий Гинзбург вместе со Львом Ландау взялись за теорию сверхпроводимости и доказали существование особого класса материалов — сверхпроводников второго рода. Экспериментально их обнаружил физик Алексей Абрикосов. В 2003 году Гинзбург и Абрикосов получили за это открытие Нобелевскую премию.
В 1960-е Виталий Гинзбург занялся теоретическим обоснованием высокотемпературной сверхпроводимости, написал об этом книгу совместно с Давидом Киржницем. В то время в существование материалов, которые бы без сопротивления проводили электрический ток при температуре несколько выше абсолютного нуля, мало кто верил. А в 1987 году открыли соединения, превращавшиеся в сверхпроводники при 77,4 Кельвина (минус 195,75 градусов Цельсия, точка кипения жидкого азота).
Поиски высокотемпературных сверхпроводников продолжили физики Михаил Еремец и Александр Дроздов, работающие сейчас в Германии. В 2015 году они открыли, что сверхпроводником может стать газ сероводород, причем при рекордно высокой для этого явления температуре — минус 70 градусов. Журнал Nature назвал Михаила Еремеца ученым года.
Последние мамонты на Земле
В 1989-м Сергей Вартанян, молодой сотрудник Ленинградского государственного университета, изучавший древнюю географию Арктики, приехал на остров Врангеля, затерянный в Северном Ледовитом океане. Он собрал кости мамонтов, валявшиеся там в избытке, и с помощью радиоуглеродного анализа определил, что им всего несколько тысяч лет. Как впоследствии установили, шерстистые мамонты вымерли 3730 лет назад. Островные мамонты были чуть помельче своих материковых сородичей, ростом в холке до 2,5 метра, поэтому их еще называют карликовыми. Статья Вартаняна и его коллег о самых последних мамонтах на Земле вышла в Nature в 1993 году, и об их открытии узнал весь мир.
Геном мамонтов с острова Врангеля расшифровали в 2015 году. Сейчас Сергей Вартанян с российскими и зарубежными коллегами продолжают его анализировать, чтобы узнать все особенности жизни карликовых мамонтов и разгадать тайну их исчезновения.
Завершился очень неоднозначный 2016 год, и самое время подвести его научные итоги в области физики и химии. Ежегодно в рецензируемых журналах по всему миру публикуется несколько миллионов статей по этим отраслям знания. И лишь несколько сотен из них оказываются действительно выдающимися работами. Научные редакторы Лайфа отобрали 10 самых интересных и важных открытий и событий минувшего года, о которых необходимо знать каждому.
1. Новые элементы в таблице Менделеева
Самым приятным событием для российских любителей науки стало - нихония, московия, теннессина и оганесона. К открытию трёх последних причастны физики-ядерщики из Дубны - Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ под руководством Юрия Оганесяна. Пока об элементах известно очень мало, а их время жизни измеряется секундами или даже миллисекундами. Помимо российских физиков в открытии участвовала Ливерморская национальная лаборатория (Калифорния) и Национальная лаборатория Оак-Ридж в Теннесси. Приоритет в открытии нихония был признан за японскими физиками из института RIKEN. Официальное включение элементов состоялось совсем недавно - 30 ноября 2016 года.
2. Хокинг решил парадокс потери информации в чёрной дыре
В июне в журнале Physical Review Letters вышла публикация одного из, вероятно, самых популярных физиков современности - Стивена Хокинга. Учёный о том, что наконец решил 40-летнюю загадку парадокса потери информации в чёрной дыре. Кратко его можно описать так: из-за того что чёрные дыры испаряются (испуская излучение Хокинга), мы даже теоретически не можем отследить судьбу каждой отдельной частицы, упавшей в неё. Это нарушает фундаментальные принципы квантовой физики. Хокинг вместе с соавторами предположили, что информация обо всех частицах хранится на горизонте событий чёрной дыры, и даже описал, в каком именно виде. Работа теоретика получила романтичное название "мягкие волосы у чёрных дыр".
3. Излучение чёрных дыр увидели на модельной "глухой" дыре
В этом же году Хокинг получил ещё один повод для торжества: экспериментатор-одиночка из Израильского технологического института, Джефф Штейнхауэр обнаружил следы неуловимого излучения Хокинга в аналоговой чёрной дыре. Проблемы с наблюдением этого излучения в обычных чёрных дырах связаны с его низкой интенсивностью и температурой. Для дыры массой с Солнце следы излучения Хокинга будут полностью теряться на фоне реликтового излучения, заполняющего Вселенную.
Штейнхауэр построил модель чёрной дыры с помощью бозе-конденсата холодных атомов. Он содержал в себе две области, одна из которых двигалась с небольшой скоростью - символизируя падение материи на чёрную дыру, - а другая со сверхзвуковой скоростью. Граница между областями играла роль горизонта событий чёрной дыры - никакие колебания атомов (фононы) не могли пересекать её в направлении от быстрых атомов к медленным. Оказалось, что из-за квантовых флуктуаций на границе всё равно рождались волны колебаний, которые распространялись в сторону дозвукового конденсата. Эти волны являются полным аналогом излучения, предсказанного Хокингом.
4. Надежда и разочарование физики элементарных частиц
2016 год выдался очень удачным для физиков Большого адронного коллайдера: учёные перевыполнили план по количеству протон-протонных столкновений и получили огромный массив данных, на полную обработку которого уйдёт ещё несколько лет. Самые большие ожидания теоретиков были связаны с наметившимся ещё в 2015 году пиком двухфотонных распадов при 750 гигаэлектронвольтах. Он указывал на неизвестную сверхмассивную частицу, которую не предсказывала ни одна теория. Теоретики успели подготовить около 500 статей, посвящённых новой физике и новым законам нашего мира. Но в августе экспериментаторы рассказали, что никакого открытия не будет: пик, привлёкший внимание нескольких тысяч физиков со всего мира, оказался простой статистической флуктуацией.
Кстати, в этом году об открытии новой необычной частицы заявили эксперты из другого эксперимента в мире элементарных частиц - коллаборации D0 Тэватрона. До открытия БАКа этот ускоритель был крупнейшим в мире. Физики обнаружили в архивных данных протон-антипротонных столкновений , носящей в себе сразу четыре разных квантовых аромата. Эта частица состоит из четырёх кварков - мельчайших кирпичиков материи. В отличие от других открытых тетракварков в ней были одновременно "верхний", "нижний", "странный" и "прелестный" кварки. Правда, подтвердить находку на БАКе не удалось. Ряд физиков высказался по этому поводу довольно скептично, указав, что специалисты Тэватрона могли принять за частицу случайную флуктуацию.
5. Фундаментальная симметрия и антиматерия
Важным результатом для ЦЕРН стало первое измерение оптического спектра антиводорода. Почти двадцать лет физики шли к тому, чтобы научиться получать антиматерию в больших количествах и работать с ней. Главная сложность здесь в том, что антиматерия способна очень быстро аннигилировать при контакте с обычным веществом, поэтому крайне важно не только создать античастицы, но и научиться их хранить.
Антиводород - это простейший антиатом, который способны получать физики. Он состоит из позитрона (антиэлектрона) и антипротона - электрические заряды этих частиц противоположны зарядам электрона и протона. У общепринятых физических теорий есть важное свойство: их законы симметричны при одновременном зеркальном отражении, обращении времени и замене зарядов частиц (CPT-инвариантность). Следствие этого свойства - почти полное совпадение свойств у материи и антиматерии. Однако некоторые теории "новой физики" нарушают это свойство. Эксперимент по измерению спектра антиводорода позволил с большой точностью сравнить его характеристики с обычным водородом. Пока, на уровне точности в миллиардные доли, спектры совпадают.
6. Самый маленький транзистор
Есть среди важных результатов этого года и практически применимые, хотя бы и в отдалённом будущем. Физики из Национальной лаборатории в Беркли самый маленький в мире транзистор - размер его затвора составляет всего один нанометр. Обычные кремниевые транзисторы при таких размерах не способны работать, квантовые эффекты (туннелирование) превращают их в обычные проводники, не способные перекрывать электрический ток. Ключом к победе над квантовыми эффектами оказался компонент автомобильной смазки - дисульфид молибдена.
7. Новое состояние вещества - спиновая жидкость
Другой потенциально применимый результат - в 2016 году нового примера квантовой жидкости, хлорида рутения. Это вещество обладает необычными магнитными свойствами. Некоторые атомы ведут себя в кристаллах как маленькие магнитики, пытающиеся выстроиться в какую-нибудь упорядоченную структуру. Например, оказаться полностью сонаправленными. При температурах вблизи абсолютного нуля почти все магнитные вещества становятся упорядоченными, кроме одного - спиновых жидкостей.
У такого необычного поведения есть одно полезное свойство. Физики построили модель поведения спиновых жидкостей и выяснили, что в них могут существовать специальные состояния "расщеплённых" электронов. На самом деле электрон, конечно, не расщепляется - он по-прежнему остаётся единой частицей. Такие состояния-квазичастицы могут стать основой для квантовых компьютеров, абсолютно защищённых от внешних воздействий, разрушающих их квантовое состояние.
8. Рекордная плотность записи информации
Физики из Университета Делфта (Голландия) отчитались в этом году о создании элементов памяти, в которых информация записывается в отдельных атомах. На квадратном сантиметре такого элемента можно записать около 10 терабайт информации. Единственный минус - небольшая скорость работы. Для перезаписи информации используется манипулирование одиночными атомами - для записи нового бита специальный микроскоп поднимает и поодиночке переносит частицу на новое место. Пока объём памяти тестового образца составляет всего один килобайт, а полная перезапись требует несколько минут. Зато технология вплотную приблизилась к теоретическому пределу плотности записи информации.
9. Пополнение в семействе графенов
Химики из Мадридского автономного университета в 2016 году создали новый двумерный материал, расширяющий количество собратьев графена. На тот раз в основу плоского одноатомного листа легла сурьма - элемент, широко применяющийся в полупроводниковой промышленности. В отличие от остальных двумерных материалов графен из сурьмы - антимонен - чрезвычайно стабилен. Он даже способен выдержать погружение в воду. Теперь двумерные формы есть у углерода, кремния, германия, олова, бора, фосфора и сурьмы. Учитывая, какими необычными свойствами обладает графен, остаётся только ждать более подробных исследований его собратьев.
10. Главная научная премия года
Особняком выделим в списке Нобелевские премии по химии и физике, которые были вручены 10 декабря 2016 года. Соответствующие им открытия были сделаны ещё во второй половине XX века, но сама премия - важное ежегодное событие научного мира. Премию по химии (золотую медаль и 58 миллионов рублей) получили Жан-Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга "за проектирование и синтез молекулярных машин". Это невидимые человеческому глазу и даже самому мощному оптическому микроскопу механизмы, способные выполнять простейшие действия: вращаться или двигаться на манер поршня. Несколько миллиардов таких роторов вполне способны заставить вращаться стеклянную бусину в воде. В будущем такие конструкции вполне можно использовать в молекулярной хирургии. Подробнее об открытии :
"Физическую" премию получили британские учёные Дэвид Таулес, Дункан Халдан и Джон Майкл Костерлиц за, как указал нобелевский комитет, "теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи". Эти переходы помогли объяснить очень странные, с точки зрения экспериментаторов, наблюдения: например, если взять тонкий слой вещества и измерять его электрическое сопротивление в магнитном поле, то окажется, что в ответ на равномерное изменение поля проводимость меняется ступенчато. О том, как это связано с бубликами и кексами, можно прочитать в нашем .
