Современные достижения физики: 10 крупнейших открытий в области физики за 2016 год

Содержание

10 крупнейших открытий в области физики за 2016 год

  • Пол Ринкон
  • Отдел науки, Би-би-си

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Парадокс Шрёдингера известен давно, но продемонстировать его на физическом уровне до сих пор не удавалось

Обнаружение гравитационных волн в пространстве-времени, а также первая практическая демонстрация знаменитого парадокса Шрёдингера включены в список крупнейших достижений физики за 2016 год, по версии журнала Physics World.

В нем также присутствует и открытие первой экзопланеты в ближайшей к нам звездной системе.

Обнаружение гравитационных волн, признанное крупнейшим открытием года, было достигнуто научным сообществом LIGO, в котором участвует более 80 научных институтов всего мира.

Сообщество использует несколько лабораторий, пытающихся обнаружить отклонения в структуре пространства-времени, возникающие при прохождении мощного лазерного импульса в вакуумном тоннеле.

Первый сигнал, зафиксированный ими, был порождением столкновения двух черных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли.

По словам Хамиша Джонстона, редактора журнала Physics World, где опубликован список достижений, эти наблюдения стали первым прямым свидетельством существования черных дыр.

Автор фото, LIGO/T. Pyle/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Подпись к фото,

Альберт Эйнштейн первым предположил возможность существования гравитационных волн

Среди других крупнейших физических открытий года:

Кот Шрёдингера: ученые в течение многих лет ломают голову над загадкой кота Шрёдингера. Это мысленный эксперимент австрийского ученого Эрвина Шредингера. Кот находится в ящике. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Парадокс заключается в том, что животное может быть живым или мертвым в одно и то же время. Узнать это точно можно, только открыв ящик. Это означает, что открытие ящика выделяет одно из множества состояний кота. Но до того, как ящик будет открыт, животное нельзя считать живым или мертвым — кот может находиться в двух состояниях одновременно.

Однако американские и французские физики впервые смогли отследить состояние кота на примере внутреннего устройства молекулы, проявляющегося в одновременном нахождении системы в двух квантовых состояниях.

Для этого специалисты привели молекулы в возбужденное состояние с помощью рентгеновского лазера (разера). Из полученных дифракционных картин высокого пространственного и временного разрешений физики смонтировали видео.

Компактный «гравиметр»: ученые из университета Глазго построили гравиметр, которые способен очень точно измерять силу тяжести на Земле. Это компактное, точное и недорогое устройство. Прибор может быть использован при поиске полезных ископаемых, в строительстве и исследовании вулканов.

Ближайшая к нам экзопланета: астрономы обнаружили признаки присутствия в системе Проксима Центавра планеты, находящейся в обитаемой зоне. Эта планета, получившая название Proxima b, по массе всего в 1,3 больше Земли и может иметь жидкую воду на своей поверхности.

Автор фото, ESO/M.Kornmesser

Подпись к фото,

Так может выглядить поверхность планеты Proxima b

Квантовое запутывание: группе физиков из США удалось впервые продемонстрировать эффект квантовомеханического запутывания на примере макроскопической механической системы.

Развитие экспериментальных методов изучения квантовых систем и отработка методик по запутыванию разного рода объектов должна, по прогнозам физиков, привести к появлению принципиально новых компьютеров.

Чудо-материал: ученым удалось впервые измерить свойство материала графена — так называемую негативную рефракцию. Это явление может быть использовано при создании новых типов оптических устройств, например, крайне чувствительных линз и объективов.

Атомные часы: немецкие физики обнаружили трансмутацию изотопа тория-229, которая может стать основой конструкции нового типа атомных часов. Такие часы будут гораздо более устойчивыми, чем существующие приборы этого типа.

Оптика для микроскопов: шотландские ученые из Университета Стратклайда создали новый тип линзы для микроскопов, получившей название Mesolens. Новые линзы имеют большое поле зрения и высокое разрешение.

Автор фото, Mesolens

Подпись к фото,

Эти структуры в мозгу крыс были зафиксированы новым микроскопом на основе линз Mesolens

Сверхбыстрый компьютер: австрийские ученые достигли крупного успеха в разработке квантовых компьютеров. Они создали модель фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, которая может применяться прототипами квантовых компьютеров.

Атомный двигатель: ученые из университета Майнца в Германии разработали прототип теплового двигателя, который состоит из одного атома. Он конвертирует разницу в температуре в механическую работу, помещая единственный ион кальция в ловушку в форме воронки.

Физики стоят на пороге одного из главных открытий XXI века — Российская газета

Наука на пороге выдающегося открытия. Возможно, одного из самых «громких» в XXI веке. Оптимисты уже говорят, что будет дан старт новой физике, как это произошло в XX веке, когда «рядом» с физикой Ньютона была создана квантовая. Сейчас надежды связаны с сенсационными экспериментами, которые проводят ученые на ускорителе в научном центре под Чикаго. Их результаты дают шанс на революционный прорыв. Почему? Дело в том, что после открытия «божественного» бозона Хиггса была закрыта последняя страница знаменитой Стандартной модели, которая описывает все элементарные частицы. (Эта модель признана одним из самых важных достижений науки прошлого века.) А значит, физикам уже больше не на что надеяться, никаких прорывных открытий они в этой научной области не сделают, своих Нобелей не получат. Стандартная модель как глыба стоит на пути, не позволяя даже надеться на прорывы.

Но, как всегда бывает в науке, находятся «еретики», которые ищут варианты поколебать каноны. Скажем, периодически появляются сообщения, что проведен эксперимент, который поколебал Стандартную модель. Что полученные данные в нее не вписываются, а потому надо строить новую физику. Однако проходит время, сенсационные данные проверяются новыми экспериментами, и появляется опровержение. А «стандарт» по-прежнему остается незыблемым.

Но последний эксперимент в центре под Чикаго может кардинально изменить ситуацию. А один из руководителей исследования профессор Марк Ланкастер заявил: «Мы в восторге, что наши данные не согласуются со Стандартной моделью, это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами».

Речь идет об открытии в природе новой силы или пятого фундаментального взаимодействия. Сегодня науке их известно четыре: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Именно они определяют взаимодействие всех объектов и частиц во Вселенной.

Само существование всего четырех этих видов поражает, учитывая, что они отвечают за все фантастическое многообразие явлений в природе. Напомним, что многие великие ученые пытались создать единую «теорию всего», объединить четыре взаимодействия. А Альберт Эйнштейн посвятил этому большую часть своей жизни.

Полученные данные открывают будущее с новыми законами физики, невиданными до сих пор силами

И вот сейчас появился шанс на прорыв — открытие пятого взаимодействия. В чем суть эксперимента? На ускорителе в лаборатории имени Ферми изучаются мюоны. Эти элементарные частицы похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее. Они разгоняются по 14-метровому кольцу в коллайдере под воздействием мощного магнитного поля. Ученые измеряли у этих частиц аномальный магнитный момент. И тут их ждал приятный сюрприз: он не совпадал с тем, что давали расчеты по Стандартной модели. Правда, есть нюанс: на данный момент важнейший показатель достоверности измерений составляет 4,1 сигма, а для признания открытия требуется 5 сигма. Подобные случаи уже не раз бывали, когда физики пытались атаковать Стандартную модель, но последующие эксперименты не подтверждали сенсацию, так как «пятерки» так и не удавалось достичь. Но сейчас есть принципиальное отличие. Это уже второй эксперимент, который принес сенсационный результат, который не вписывается в Стандартную модель. То есть он не опроверг, а подтвердил первый. А это, по мнению многих ученых, дает шанс на выдающееся открытие. И конечно, на новые Нобели. Возможно, даже россыпь наград, как это произошло в XX веке с создателями квантовой физики.

Комментарий

Валерий Рубаков, академик:

О том, что с данными по аномальному магнитному моменту мюона не все в порядке, ученые знают уже довольно давно. Они были получены на ускорителе в американской Брукхейвенской национальной лаборатории. Потом оттуда эту технику перевезли в центр имени Ферми, где сейчас повторили эксперимент. Когда он тоже показал отклонение момента от расчетной величины, это дало надежду на существование новой силы. Конечно, это пока не открытие, надо довести достоверность до 5 сигма, но ученые очень вдохновлены, почувствовали, что ухватились за «золотую жилу». Они наверняка повысят точность измерений и будут многократно гонять этот эксперимент в надежде все же получить заветные 5 сигма.

Но у меня есть одно сомнение, связанное не с самим экспериментом, а с исходной цифрой аномалии магнитного момента мюона, который рассчитан в Стандартной модели. Собственно, с ней и сравниваются результаты эксперимента. Возможно, сами расчеты не совсем точные. Дело в том, что там есть эффекты, вклад которых небольшой, и они трудно поддаются расчету. Поэтому могут возникнуть погрешности вычислений. А значит, сама величина момента, с которой мы сравниваем, может быть не точна. Так это или нет? Наука будет разбираться. Но то, что последние результаты сильно подогрели энтузиазм многих ученых, несомненно.

Десять самых важных открытий российских ученых за 20 лет

Озеро Восток

Российским ученым принадлежит, возможно, последнее крупное географическое открытие на Земле — обнаружение подледного озера Восток в Антарктиде. В 1996 году совместно с британскими коллегами они открыли его с помощью сейсмического зондирования и радарных наблюдений.

Бурение скважины на станции Восток позволило российским ученым получить уникальные данные о климате на Земле за последние полмиллиона лет. Они смогли определить, как менялась температура и концентрация СО2 в далеком прошлом.

В 2012 году российским полярником удалось впервые проникнуть в это реликтовое озеро, которое было изолировано от внешнего мира около миллиона лет. Исследование образцов воды из него, возможно, приведет к открытию абсолютно уникальных микроорганизмов и позволит сделать выводы о возможности существования жизни за пределами Земли — например, на спутнике Юпитера Европе.

Мамонты — современники древних греков

Мамонты были современниками критской цивилизации и вымерли уже в историческое время, а не в эпоху каменного века, как считалось ранее.

В 1993 году Сергей Вартанян и его коллеги обнаружили останки карликовых мамонтов, рост которых не превышал 1,8 метра, на острове Врангеля, который, по всей видимости, был последним убежищем этого вида.

Радиоуглеродная датировка, проведенная с участием специалистов географического факультета Петербургского университета, показала, что мамонты обитали на этом острове до 2000 года до нашей эры. До того момента считалось, что последние мамонты жили на Таймыре 10 тысяч лет назад, однако новые данные показали, что мамонты существовали еще во времена минойской культуры на Крите, постройки Стоунхенджа и 11-й династии египетских фараонов.

Третий вид людей

Работа сибирских археологов под руководством академика Анатолия Деревянко позволила обнаружить новый, третий по счету вид человеческих существ.

До сих пор ученым было известно о двух высших видах древних людей — кроманьонцах и неандертальцах. Однако в 2010 году исследование ДНК из костей, найденных в Денисовой пещере на Алтае, показало, что 40 тысяч лет назад в Евразии вместе с ними жил третий вид, получивший имя денисовцев.

10 потрясающих открытий в физике

Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее. Иногда мир ведет себя очень странно, и возможно, вы должны быть настоящим энтузиастом, чтобы разделить с нами радость по поводу этого списка. Перед вами десять самых удивительных открытий в новейшей физике, которые заставили многих и многих ученых ломать головы не годами — десятилетиями.

На скорости света время останавливается

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна — и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.

Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.

Квантовая запутанность

Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики — в квантовой механике.

Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.

Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). Квантовая запутанность — это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них — скажем, измените спин — второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее — вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.

Гравитация влияет на свет

Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света — путь света не всегда может быть прямым.

Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.

Темная материя

Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать — но вот незадача, два этих числа не совпадают.

На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю — таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.

Наша Вселенная быстро расширяется

Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.

Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам лучше не знать.

Любая материя — это энергия

Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу  E = mc2. E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.

Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые — твердые куски материи, вторые — пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием — они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.

Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет — это волна, и свет — это частица. Свет — это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.

Все объекты падают с одинаковой скоростью

Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие — это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации — единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы повторили эксперимент с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.

Квантовая пена

Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.

Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное — на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.

Эксперимент с двойной щелью

Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.

Эксперимент с двумя щелями — это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет — это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.

Но частицы должны реагировать иначе — пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет — это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение — но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу — измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.

Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.

New Scientist назвал топ-10 научных открытий десятилетия

01 Января, 2020,
16:00

11460

Научный журнал New Scientist составил список самых значимых открытий и исследований уходящего десятилетия. В список вошли научные прорывы в физике, астрономии, истории, искусственном интеллекте и медицине.

  • Бозон Хиггса. Для этого понадобилось четыре года, усилия тысяч людей и постройка Большого адронного коллайдера, но в 2012 году физики из CERN объявили об открытии бозона Хиггса. Изучение этой частицы помогает объяснить, почему остальные элементарные частицы обладают массой, а также дополняет стандартную модель физики элементарных частиц.
  • Методики CRISPR. Относительно дешевую и простую систему «редактирования» ДНК с помощью методик CRISPR начали использовать с 2012 года и с тех пор она становится все популярнее. С ее помощью, в том числе, были созданы первые человеческие дети с редактированным геномом в Китае в 2018 году (об этом эксперименте известно немного, но его факт подтверждали китайские власти).
  • Гравитационные волны. В феврале 2016 года группа ученых из проекта LIGO объявили о том, что впервые удалось засечь гравитационные волны. В обсерватории удалось засечь волны, образовавшиеся в результате столкновения около 1,3 млрд лет назад двух черных дыр, которые вращались друг вокруг друга. Почему это открытие является фундаментальным — мы писали ранее.

  • AlphaGo. В уходящем десятилетии ученые добились невероятных успехов в разработках ИИ, но вершиной стал AlphaGo, разработанный DeepMind и победивший мирового чемпиона в «го» Ли Седоля в 2016 году. Из-за этого он отказался от карьеры в этой дисциплине.
  • Генная терапия. В 2015 году генная терапия впервые вылечила человека: годовалой пациентке Лайле, страдающей от лейкемии, ввели ее же иммунные клетки (Т-лимфоциты), но подредактированные так, чтобы распознавать и убивать клетки рака.
  • Денисовский человек. В 2010 году исследователи объявили о том, что кость пальца человека, найденная в Денисовской пещере в Сибири, генетически отлична как от современных людей, так и от неандертальцев. Ранее ученые считали, что неандертальцы и люди были единственным видом гоминид, населявшим Европу и Азию в позднем плейстоцене.
  • Квантовое превосходство. В октябре 2019 года компания Google объявила о достижении квантового превосходства. Это — способность новых типов устройств совершать вычисления, которые невозможно провести на современных компьютерах.
  • Открытие Proxima Centauri b. В начале десятилетия человечество знало о примерно 450 планетах за пределами Солнечной системы. Сейчас их число превышает 4000. В 2016 году ученые открыли Proxima Centauri b, ближайшую к Земле экзопланету.

  • Пересадка лица. Первая полная пересадка человеческого лица состоялась в 2010 году. Операция продолжалась 24 часа, в результате испанскому фермеру, который случайно в себя выстрелил, удалили все остатки собственного лица, оставив только глаза и язык. Остальное заместили лицом умершего донора.
  • Ричард III. В 2012 году группа британских ученых объявила о том, что им удалось идентифицировать останки Ричарда III, английского короля, известного широкой публике в основном благодаря шекспировской пьесе.

Читайте также:

Физика в XXI веке | КПИ им. Игоря Сикорского

Изменения, происходящие в развитии человечества, поражают. Буквально на глазах одного-двух поколений технический и даже бытовой ландшафт нашего бытия изменился кардинально, что полностью опирается на открытия в науке. Это признал и президент США Барак Обама, который в апреле с.г., выступая перед членами НАН США, заявил, что «все цивилизационные завоевания человечества обязаны науке» и «наука нам нужна как никогда раньше». Любой молодой человек или школьник может узнать из газет, телевидения, но, прежде всего, от родителей (которые, не исключено, родились, когда еще не было ни полетов в космическое пространство, ни цветного, а тем более цифрового телевидения, ни мобильной связи, ни много-много чего еще), как было и как есть сейчас. А если сравнивать развитие уже самой науки как отдельной отрасли в течении ее истории, что по сути насчитывает не более 300-400 лет, то становится очевидным, что оно только ускоряется. Особенно заметным это ускорение стало во второй половине прошлого века, и нет никаких сомнений, что в ближайшем будущем оно, как минимум, не затормозится. При этом гигантскими шагами идет накопление и необходимость обработки огромных объемов разнообразной информации, что не позволяет в одной, даже относительно большой, статье попробовать хотя бы примерно ответить на вопрос: а что же нас ждет в веке, в который человечество только вступило?

На него трудно ответить и в том случае, если речь идет только об одной из наук, но я рискну поделиться с молодежью, которая читает «Киевский политехник», своими мыслями по физике. На это меня вдохновляет большая собственная вера в непреодолимую силу науки, которая давно, прямо по выражению Карла Маркса, превратилась в самую мощную производительную силу. Если сравнивать роль той или иной естественной науки, то достаточно легко убедиться, что ведущее место среди них, безусловно, занимает физика. Такой вывод следует из того, что она изо всех естественных наук наиболее фундаментальная, или такая, что изучает наиболее глубокие и наиболее общие законы природы. Открытые ней (или, точнее сказать, физиками) закономерности лежат в основе и химических, и биологических, и геологических и космологических процессов.

Однако начну с прошлого и фрагментарно прослежу, какой была и к чему привела физика предыдущего, ХХ века. Чаще всего сегодняшние студенты знают о нем, как о веке революций, мировых войн и социальных потрясений. Но в то же время страны не только воевали друг с другом за территории и природные ресурсы, а люди в них отстаивали свои социальные права. Непрерывные поиски шли и в научных (прежде всего, университетских) лабораториях — вспомним хотя бы КПИ, где, несмотря на войны, революции и мировые кризисы сравнительно небольшие группы энтузиастов самоотверженно выполняли выбранное ими для себя, но очень нужное всем дело — познание тайн и исследование свойств окружающей материи — от микро- до макромира. Позже все это и составило предмет физического научного подхода. Поэтому осмелюсь утверждать, что с полным правом прошлый век можно и нужно называть веком физики. Именно ее развитием обусловлен невероятный технико-технологический прогресс человечества и его наиболее известные научные, технические и инженерные достижения (среди которых, если честно, не все с пометкой «плюс», если вспомнить хотя бы оружие массового уничтожения). И важно понимать, что невиданные возможности общества в значительной мере обязаны открытиям в области знаний, которая, быстро и непредсказуемо развиваясь, одновременно остается и одной из древнейших, поскольку гении античного естествознания Аристотель, Архимед, Демокрит и другие отделены от нас более чем двумя тысячелетиями . Если же вернуться к физике ХХ века, то уверен, что не ошибусь, если заявлю, что ее основным достижением стало торжество идеи квантов и построение квантовой теории.

Догадка о квантах не была выдумкой гениального ума, а, как и подавляющее большинство других глубоких идей, созрела на фоне эксперимента и неоспоримых фактов. В частности, выяснилось, что кванты составляют основной элемент гипотезы, что ведет к конечному успеху в понимании определенного вопроса. Немного подробнее напомню, что они были привлечены для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела.

Первым, кому удалось сделать важный шаг, стал, как известно даже школьникам, выдающийся немецкий физик-теоретик М. Планк. В безудержном желании установить ключевые закономерности излучения абсолютно черного тела, он вынужденно принял гипотезу о «порционности» энергии элементарных излучателей, спектр которых в классической физике всегда рассматривался как непрерывный. Исследователь же проявил научную смелость и предположил совершенно противоположное. Путем внедрения новой фундаментальной постоянной — теперь общеизвестной постоянной Планка — ему удалось достичь идеального согласования развитой теории с экспериментальной картиной. День 14 декабря 1900 года, когда Планк обнародовал перед членами Немецкого физического общества свою теорию излучения, считается днем рождения квантовой теории.

Довольно скоро, чтобы описать фотоэффект, идею квантов подхватил и развил А. Эйнштейн. Впоследствии датчанин Н. Бор, немец В.Гейзенберг, француз Л.де Бройль, австриец Е.Шредингер, швейцарец В.Паули, англичанин П.Дирак и другие довели ее до логического завершения, сделав квантовую теорию целостным и по сути единственным рабочим инструментом для вычисления любых измеряемых данных микромира. Сказанное ярко демонстрирует, насколько мощный интеллектуальный «интернационал» присоединился к решению актуальных проблем физической науки, которая фактически уже в позапрошлом веке перестала чувствовать границы государств, наций и народов. Должны быть и почти всегда являются национальными культура и искусство, не говоря уже о языке, а вот физика, как бы к этому ни относиться, является объективным и изначально общемировым произведением. Поэтому не будет преувеличением заявить, что глобализация, охватившая и другие континенты, началась в естественных науках задолго до того, как ее осознали мыслители, философы, газетчики.

Рассказывая о физике ХХ века, нельзя обойти вышеупомянутую ее роль в развитии техники и передовых технологий. Однако это далеко не главное или, честно говоря, не вся правда. Не менее, а, по-моему, даже более важным является то, что законы физики, включая общие законы о строении пространства-времени, заложили основы последовательного и предсказуемого понимания законов химии, геологии, механики, материаловедения и тому подобное. С другой стороны, физика является мировоззренческой наукой и в перспективе должна стать — в это верят даже ярые биологи — решающим звеном в проникновении в не до конца понятные и пока не формализованные законы живой материи.

Конечно, физики уверены, что физика и дальше будет главной силой научно-технического прогресса. И если квантовая теория — фундамент физики — действительно является вершиной современного познания, то, чтобы представить или спрогнозировать, каким путем она будет развиваться в будущем, надо определить, какие события в физике оказали наибольшее влияние на ход ХХ века. Понятно, что у разных специалистов свой «гамбургский счет», поэтому такие перечни могут весьма существенно различаться. Но я придерживаюсь мнения выдающихся физиков современности — единственного дважды лауреата Нобелевской премии за открытия в области физики американского теоретика Дж.Бардина и Нобелевского лауреата российского экспериментатора Ж.И.Алферова. Они среди многих возможных выделили три определяющие события.

Первое — это открытие в 1938 году искусственного деления ядер, сделанное немецким химиком О.Ганом, который измерял особенности рассеяния нейтронов на уране. Из полученных, что стали крайне важными, данных распада урановых ядер исследователям быстро стала понятной принципиальная возможность ядерных взрывных процессов, которые, будучи сверхмощными, в неуправляемом режиме легли в основу созданного вскоре ядерного оружия, а в управляемом — определяют полезную работу ядерной техники, наиболее известным гражданам творением которой являются атомные электростанции. Наличие ядерного оружия или ядерной энергетики является теперь одним из главных факторов, по которым можно оценивать военный или промышленный потенциал того или иного государства.

Думаю, не стоит оставлять без внимания молодежи и такие научно-исторические факты, что первая в мире атомная бомба была взорвана американцами летом 1945 года, а первая работающая атомная станция была построена в Советском Союзе в 1955 году. Довольно скоро атомного оружия стало так много, что это стало угрозой миру, поэтому разные страны с ее избытком пришли к выводу об ограничении проектирования и производства новых атомных изделий военного направления. Что касается атомных станций, то, наоборот, они стали широко использоваться в электроэнергетике и здесь наблюдается постоянный рост их количества. Сейчас есть страны, в частности Украина, где ядерная составляющая в производстве электроэнергии достигла или превышает тепло- и гидроэлектрическую составляющие, а тем более взнос от так называемого альтернативного электричества (например, ветрового или солнечного).

Однако после чернобыльской катастрофы (причины которой окончательно, между прочим, так и не обнародованы) отношение нашей общественности к ядерному способу получения электроэнергии, который грозит экологическими потрясениями, достаточно сложное и неблагоприятное. Тем не менее, абсолютное большинство (в том числе, отечественных) физиков-ядерщиков и энергетиков не сомневаются, что в ближайшей перспективе человечеству не удастся отойти от интенсивного развития этой отрасли, поскольку традиционные и широко используемые источники энергии — уголь, нефть и газ — в целом, хотя и по-разному во времени, ограничены. С этого однозначно следует, что ядерная физика и ядерная техника должны оставаться среди приоритетов научной отрасли, если люди собираются увеличивать потребление энергии. А на это указывают и история, и настоящее, и имеющиеся тенденции развития всех сфер жизнедеятельности человечества. Поэтому роль КПИ, где готовятся специалисты соответствующего профиля, уверен, будет только расти.

Что касается термоядерного способа производства энергии, или, как говорят популяризаторы и фантасты, создание искусственного Солнца на Земле, то эта проблема в полном объеме еще не решена и даже примерно назвать срок, за который это произойдет, не решается никто. Несмотря на научные и прикладные успехи в этом направлении, в котором, замечу, Украина занимает одно из ведущих мест, специалисты из разных стран, будучи уверенными в принципиальной осуществимости искусственного, или управляемого, термоядерного синтеза в промышленных масштабах, тем не менее считают, что запуск экономически выгодного термоядерного реактора состоится не ранее середины XXI века. Поэтому и по этой причине можно предположить, что на «обычный» ядерный способ получения энергии остается еще достаточно много времени.

Осуществляются интенсивные поиски и других вариантов. Так, не исключено, что будут созданы материалы, благодаря которым откроется путь к дешевому использования самой солнечной энергии, хотя сейчас ни один серьезный специалист также не станет прогнозировать, когда и как физики и химики справятся со сложной материаловедческой проблемой накопления энергии Солнца, которая бесперебойно и в значительных количествах поступает на Землю, к тому же экономически приемлемого уровня. Учитывая такое положение проблемы утилизации и преобразования солнечной энергии в электрическую снова можно с уверенностью предполагать, что фундаментальные ядерные исследования в аспекте дальнейшего совершенствования и повышения безопасности производства электроэнергии должны оставаться одними из самых актуальных в течении, как минимум, первой половины XXI века, а может и дальше . Поэтому физики, технологи и инженеры будут уделять этим проблемам первостепенное внимание. Важным обещает быть и медицинское применение ядерных процессов на потребность людям, поскольку составляет одно из эффективных средств борьбы со многими неизлечимыми болезнями.

Второе из трех важнейших физических событий века состоялась в декабре 1947 года, когда американские специалисты, проводившие исследования в одной из лабораторий фирмы Bell, Дж.Бардин, У.Браттейн и У.Шокли открыли транзисторный эффект. Дело в том, что в то время значительное развитие получили радиотехника и радиолокация, где на смену ламповым усилителям пришли кристаллические, основой которых служили полупроводниковые среды. Интересно, что целью исследователей, изучавших возможности применения этих кристаллов, была фундаментальная проверка работоспособности квантовой теории в твердых телах, в первую очередь — полупроводниках. Однако, как распорядилась история, основным результатом работы группы стало несколько иное: изобретение германиевого усилителя, или точечного транзистора. А после того, как экспериментально было доказано, что главным при этом является инжекция, или впрыскивание, носителей к германию, физики догадались, какой принцип надо положить в основу создания полупроводниковой техники. Собственно, так и произошло, и явление инжекции определяет работу подавляющего большинства полупроводниковых, включая вычислительные, приборов, где используются pn-переходы. Между прочим, на нем «выросла» и вся современная бытовая техника.

Полезно также знать, что первая интегральная схема — два транзистора, несколько конденсаторов и сопротивление — была собрана вручную на одном кристалле диаметром около 2 см в 1959 году. Теперь же в современных интегральных схемах того же размера располагается в 100 млн. транзисторов и они намного экономичнее — удельная мощность каждого уменьшена примерно в 100 тыс. раз! Такие неожиданные изменения произошли всего за 40-50 лет, когда основными лозунгами прогресса были и в значительной степени еще сохраняются такие: меньше, быстрее, дешевле. Микроэлектроника и информационная техника, без которых невозможно представить нашу теперешнюю жизнь и специалисты для которых, что важно знать и новым, и будущим студентам, готовятся на нескольких факультетах и кафедрах КПИ, стали не только наиболее яркими выразителями научно-технического прогресса, но и отраслями промышленности, где занято до 50% трудоспособного населения технологически развитых стран. Однако проторенный путь постепенного уменьшения размеров до микрон и улучшения работы транзисторов себя уже по сути исчерпывает, и на пути проникновения в отрасль настоящих наноразмеров стоит вопрос о принципиально новых физических принципах, технологиях и элементной базе. Если такое действительно произойдет, то это на самом деле будет электроника нового поколения, а фактически — квантовая сфера. Возможно, ее прообразом станет молекулярная электроника, где активными рабочими элементами должны выступать отдельные молекулы. Она находится еще на этапе поисковых исследований, интенсивно развивается, уже имеет определенные достижения, но рассказ о ней требует специальной статьи с привлечением специалистов КПИ.

Наконец, третьим еще одним решающим физическим событием ХХ века стало, на мой взгляд, создание лазера.

Подчеркну, что речь идет только о выдающихся событиях именно в физике. Потому что если бы меня спросили о трех крупнейших научных открытия ХХ века, то мой выбор был бы несколько иным: как и выше, это создание квантовой механики, а кроме этого — раскрытие генетического кода и изобретение компьютеров (прежде всего, персональных). Но анализ этих открытий выходит за рамки данной статьи. Можно только гордиться, что физика и физики здесь тоже были на ведущих ролях, поскольку квантовая механика является разделом физики, генетический код разгадал физик-теоретик (между прочим, одессит по рождению и детству) Г.Гамов, а вычислительную технику невозможно представить без физического материаловедения .

Что же касается истории лазера, то она интересна и поучительна. Все началось в 1917 году, когда А. Эйнштейн, который, имея в виду объяснить распределение плотности излучения нагретыми телами (и, скорее всего, совершенно не представляя себе лазеры, но зная об атоме Бора), высказал предположение о наличии наряду с так называемыми спонтанными также и стимулированных оптических атомных переходов. Прошло еще несколько десятилетий до того момента, когда в 1957-58 годах исследователи и будущие Нобелевские лауреаты О.М.Прохоров и его ученик М. Басов смогли, опираясь на идею о стимулированное (иногда говорят — вынужденное) излучение, теоретически сформулировать принцип усиления электромагнитных волн и изобрели такой усилитель в радиочастотном диапазоне волн — мазер.

Позже в США, исходя из того же принципа, был запущен первый усилитель в оптическом диапазоне, или лазер. С тех пор мазеры и лазеры получили очень широкое применение — научное, технологическое, медицинское и, что греха таить, военное — все они также широко представлены и разрабатываются в соответствующих учебных и исследовательских подразделениях КПИ! А второе — информационное — родилось после важнейшего достижения, которым оказалась технология создания полупроводниковых гетероструктур. Первые были выращены Ж.И.Алферовым в 1967 году с вполне конкретной целью, в успех которой мало кто верил, — иметь химически разные слои в едином монокристалле, а не в слойной композиции, чио принципиально и что именно и было отмечено Нобелевской премией. Не прошло и трех лет, как зажегся полупроводниковый лазер, где накачкой служит легко управляемый электрический ток. Сейчас такие лазерные мультислойные элементы из самых разнообразных составляющих стали сердцем волоконно-оптической связи, что обеспечивает миллионы телефонных разговоров одновременно. Около 100 млн. оптических кабелей опоясывают земной шар, их количество постоянно растет, а качество — особенно помехоустойчивость — улучшается. Кроме того, лазерные полупроводниковые микроустройства, что конструируются в нашем университете, служат «иглами», снимающими звук и изображение с лазерных дисков.

В целом, несмотря на неоспоримые и многочисленные достижения, можно быть уверенным, что квантовая теория твердого тела есть и еще долго будет оставаться основой дальнейшего научно-технического прогресса, а соответствующие специалисты — выпускники КПИ — без работы не будут сидеть. Созданием новых материалов, а затем и сбором из них микросхем и, наконец, везде необходимых устройств, фактически ежедневно проверяются квантовые законы. Они постоянно в действии, потому что технологии постоянно совершенствуются, превращаясь в нанотехнологии, и, например, уже существует, хотя и в единичных экземплярах, надпрецезионное оборудование из структурного дизайна. С его помощью физики и инженеры-исследователи научились составлять атомы различных элементов в заранее заданном порядке и буквально частично строить искусственные композиции, которые сами по себе в природе не встречаются. Появился даже термин «лаборатория-на-кристалле», который отражает именно такое моделирование наноструктур. Понятно, что их свойства могут быть весьма непредсказуемыми, что открывает перспективу для глубоких и всесторонних их исследований. Важно только понимать, что с точки зрения физики размер не имеет какого-то отдельного содержания — важны только физические эффекты. Несмотря на такое замечание, это очень важная и перспективная отрасль физического (а фактически — квантового) материаловедения, которое давно вышло на путь служения человеку, хотя еще не может похвастаться производством массовых изделий.

Другой пример: один из новейших приборов последнего времени — лазер на так называемых квантовых полупроводниковых точках. Каждая из них может состоять из нескольких сотен атомов, изменением количества или формой укладки которых можно менять частоту излучения, а следовательно микроскопический по размерам объект будет иметь многоцветный спектр свечения. В целом же строительство подобных нанообъектов представляет собой, образно говоря, «квантовую алхимию». Не вызывает сомнений, что ее развитие составляет первоочередную задачу для национальных лабораторий, академий, университетов.

Добавлю, что квантовые точки — очень нестандартные образования. Их можно конструировать атом-к-атому, а можно выращивать путем молекулярно-пучковой эпитаксии. Именно точки, по мнению некоторых экспертов, являются прообразом нового типа транзисторов. Дело в том, что основное действие последних опирается на переход из одного стабильного состояния к другому. В коллективе квантовых точек состояний больше, а энергетические барьеры между ними ниже. Это означает, что соответствующие переходы могут инициироваться считанными электронами. Создание таких транзисторов, безусловно, требует нового уровня технологий, что и будут определять развитие полупроводниковой электроники, которая все больше приближается к границе, установленной самой госпожой Природой. При этом работу любого устройства, которым может быть и одиночная молекула, будут определять одноэлектронные процессы, а значит — исключительно квантовые закономерности. Они заставят работать лазерные и компьютерные компоненты, энергопотребление которых также станет мизерным, что тождественно предельно экономным.

У меня лично не вызывает сомнений, что развитие названных отраслей физики в XXI веке, как это произошло в ХХ, будет продолжать определять реальный прогресс человечества. В то же время многое в выборе научных исследований стали диктовать рынок и насущные потребности человечества, и все больше внимания уделяется развитию таких, в значительной мере прикладных направлений, как, например, борьба с угрозой глобального потепления, городская инфраструктура, технологии очистки воды, предотвращение выбросов шахтного метана и т.д., а также высокодоходные быстродействующая информационная электроника, беспроводная связь, сетевые технологии и наноиндустрия. Последняя вообще на глазах становится междисциплинарной и доминирующей, и через 3-5 лет, охватывая все больший круг проблем, объем ее мирового рынка может, по разным оценкам, превысить $ 2-3 триллиона. США уже сегодня выделяют примерно $ 10 миллиардов в год, Китай и Россия по $ 5 миллиардов. Все это, конечно, не может не учитывать любой молодой человек, который начинает учиться и думает о своей будущей (в том числе, финансовой) успешности. Последняя, у меня нет сомнений, может быть достигнута только на основе передового образования, что готовит и к научной деятельности.

Но, опять надо подчеркнуть, современная наука не сводится и не может сводиться только к исследованиям, что быстро и многократно окупаются, и природное любопытство человека будет побуждать его к новым и новым поискам, единственным самодостаточным следствием которых будет исключительно познания. При этом вопроса о полезных применениях полученного знания может вообще не быть. Речь, конечно, идет о естественных науках, которые отличаются не только содержанием (что очевидно), но и «выходами на внешний мир». Для каждой из них ситуация действительно разная, поскольку некоторые науки — скажем, о Земле или химия, биология, медицина — легко находят потребителя. А вот открытия в астрономии, космологии, физике высоких энергий, которые к тому же почти всегда требуют чрезвычайно дорогостоящего оборудования, прямых связей с насущными потребностями человека, на первый взгляд, совсем не предусматривают (более того, ученые о них в основном вовсе и не заботятся). Приборы для этих фундаментальных дисциплин настолько дорогие, что часто не подъемные и для хорошо развитых стран. Поэтому популярными — а лучше сказать, что неизбежными — стали совместные исследования ученых разных стран в международных научных центрах, деньги в работу которых одновременно вкладывают несколько стран. Тем не менее, возникает резонный вопрос: «Зачем государствам тратить немалые средства на то, что не дает непосредственной выгоды и почему бы не развивать только прикладные отрасли, относительно быструю и понятную отдачу которых легко объяснить налогоплательщикам?»

На этот законный «запрос» должен сказать следующее. Весь мировой опыт, должен твердо осознавать и студент, учит: такой путь является ошибочным. Достаточно привести лишь два аргумента. Прежде всего, несмотря на отсутствие непосредственного внедрения, так называемые побочные результаты, или косвенное применение результатов, очень часто становятся неоценимым. Вспомним хотя бы суперкомпьютеры, сверхпроводящие магниты, ускорители и детекторы различных излучений, томографы, компьютерные сети, спутниковая связь, Интернет — все это зарождалось благодаря исключительно фундаментальным физическим исследованиям. В думающего человека это удивления не вызывает — физики уже давно работают на пределе возможного, стандартных, адекватных поставленным целям, приборов не существует и их необходимо создавать «под задачу». Свежий яркий пример — строительство и запуск осенью 2008 года Большого адронного коллайдера в Международном ядерном центре (ЦЕРН) в Женеве для наблюдения процессов рождения и взаимных превращений новых элементарных частиц. Объем получаемых данных при этом ожидается таким, что соизмеримый с существующим в мире, а анализ соответствующей информации не способен сделать ни один среди существующих суперкомпьютеров. Попытки найти способ ее обработки привели к созданию отсутствующего ранее вычислительного Интернета, получившего название грид-технологии. Коллайдер еще не вышел на полную мощность, а грид-вычисления уже применяются не только физиками и математиками-вычислителем, но и фармакологами при синтезе новых веществ для лекарств, экономистами для оценок работы предприятий, метеорологами при прогнозах погоды, геофизиками при выяснении рисков землетрясений , экологами при определении степени загрязнения окружающей среды парниковыми газами в результате работы топливно-энергетических компаний и использования транспорта. Очевидно, что будут и новые использования. Приятно лишь отметить, что неплохая грид-сеть уже есть и работает в Украине, объединяя вычислительные кластеры НАН Украины, КНУ им. Тараса Шевченка, НТУУ «КПИ» и ЦЕРНа (Швейцария).

Еще одним аргументом в пользу необходимости поддержки фундаментальных направлений является то, что для эффективного продвижения прикладных работ физические лаборатории, пусть не связаны с соответствующей тематикой, оказываются крайне полезными как для оперативной помощи в непредвиденных ситуациях, так и предварительной экспертизы намерений, которая вообще отсекает запрещенные наукой пути, а следовательно, таким образом, существенно ускоряет и удешевляет прикладные разработки. Наконец, международная кооперация в области фундаментальных исследований позволяет любой стране находиться на новейших технологических направлениях и отслеживать технические ноу-хау, что тоже немаловажно для сохранения своей конкурентоспособности в нашем довольно жестком мире.

Какие же интересные задачи фундаментальных исследований можно было бы определить и сформулировать для молодого человека, который мечтает о профессии физика? Конечно, их много, и, по моему мнению, такими, например, являются:

Могут законы физики быть унифицированы?
Являются ли фундаментальные постоянные действительно постоянными?
Одни ли мы во Вселенной?
Каково его строение и роль темной энергии — слабо взаимодействующей субстанции, которая пронизывает все пространство видимой Вселенной и открытие которой стало сенсацией номер один на рубеже ХХ-ХХI веков?
Являются ли более глубокими физические принципы, чем принцип неопределенности или нелокальности?
Откуда приходят лучи с ультравысокими энергиями?
В чем заключается механизм высокотемпературной сверхпроводимости и вообще есть ли ограничения на температуру ее появления?
Как зависят свойства воды от ее структуры?
Что такое стекло и стеклянное состояние?
Что управляет Солнечными циклами?
Почему направление магнитного поля Земли время от времени меняется?
Почему происходят землетрясения и как их предвидеть?

Еще больше вопросов возникает перед физикой, когда она и физики обращаются к наукам о жизни и одно, на мой взгляд, из самых интересных:

Как биомолекулы узнают друг друга?

А вообще таких вопросов на границе между физикой и биологией множество, и мне кажется, что век, в котором мы находимся, должен стать веком биологии, которая все больше будет превращаться в физику живой материи.

Как было отмечено в начале статьи, развитие техники, что опирается на научные открытия и достижения фундаментальных исследований, непрерывно. И ни один человек, даже, допустим, известный футуролог, не в состоянии предусмотреть все перспективы познания в полном объеме, а высказанные мной свои мысли опираются только на известные мне нынешние достижения и немножко — на историю физики.

XXI век только начался, и хотя мы все чувствуем, что огромное развитие физики в предыдущем веке действительно сказалось на качестве нашей жизни, мы все еще далеки от момента — и наступит ли он? — когда сможем прийти к выводу, что наука вообще и физика в частности себя исчерпали. Я лично не верю, что такое вообще может произойти. Следовательно, не будет преувеличением сказать, что углубленное выяснения физической природы всего сущего — это центральная проблема естествознания на все будущие времена. Работы хватит на всех, кто посвятит свою жизнь науке и достижению этой грандиозной цели.

Самые интересные научные достижения в 2020 году — Технологии — Новости Санкт-Петербурга

Поделиться

Кажется, что в 2020 году для науки места не было, все медийное пространство заняли новости продолжающейся пандемии. Да и когда работать над открытиями, если весь год то карантины, то болезни, то бюджет урезают. Для каких-то научных событий COVID-19 стал причиной переноса, как в случае с российско-европейским проектом «ЭкзоМарс-2020», какие-то вообще пришлось отменить. Однако, несмотря на все сложности, в 2020 году в мировой науке было совершено очень многое. «Фонтанка» отобрала самые интересные события из мира науки.

Забор грунта с Луны

Китайская лунная миссия «Чанъэ-5». Забор грунта с Луны — событие для науки очень важное и, увы, по причине его сложности и высокой стоимости очень редкое. Последний раз лунный реголит привозила советская станция «Луна-24» в далеком 1976 году. Спустя сорок четыре года грунт с Луны удалось собрать и доставить на Землю китайской миссии «Чанъэ-5».

Стоит сказать, что это одна из самых сложных современных космических миссий. Китайцы не просто совершили забор грунта, но практически в миниатюре имитировали пилотируемую миссию. На орбите Луны оставался орбитальный модуль, посадочный садился на поверхность, а затем стартующий с него взлетный модуль выходил на орбиту и там стыковался с орбитальным. Такая длинная цепочка стала идеальной тренировкой для китайской космонавтики перед планирующейся в конце десятилетия высадкой космонавтов.

Итогом «Чанъэ-5» стало возвращение на Землю капсулы, содержащей 1731 грамм реголита. Это чуть меньше, чем планируемые два килограмма, но все равно полный успех. Недостачу грунта китайские ученые объяснили тем, что в ходе получения проб посадочный модуль натолкнулся на фрагменты сланцев и бур застопорился на метровой глубине.

Сверхпроводимость при комнатной температуре

Американские физики обнаружили сверхпроводимость у углеродсодержащего сероводорода при комнатной температуре. Раньше считалось, что это качество — возможность проводить электрический ток с нулевым сопротивлением — существует только при сверхнизких температурах, буквально несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. В восьмидесятые годы прошлого века были найдены первые «высокотемпературные сверхпроводники» — керамические материалы на основе смешанного оксида меди. Они теряют свойство сверхпроводимости уже при температуре -109 градусов Цельсия, что все еще очень сложно для использования.

И вот американские физики под руководством Ранги Диаса (Ranga P. Dias) из Рочестерского университета впервые смогли синтезировать высокотемпературный сверхпроводник. Он сохраняет свои свойства даже при температуре 15 градусов Цельсия. Правда, есть одно «но»: добиться этого получилось только при давлении в 2,67 миллиона атмосфер. Для того чтобы обеспечить его, ученые использовали «алмазную наковальню». Так называют камеру с образцом, которая зажимается между гранями двух алмазов и позволяет наблюдать за твердыми материалами при давлениях до нескольких миллионов атмосфер.

Так что, увы, пока использовать сверхпроводник, созданный из кристалла на основе сероводорода и метана с повышенным содержанием водорода, в реальной жизни не получится. Впрочем, это уже очень серьезный задел для будущих открытий.

Автор: University of Rochester

Миссия на астероид

Завершилась длившаяся шесть лет японская космическая миссия «Хаябуса-2». Ее целью была доставка образцов грунта с астероида (162173) Рюгу. Запущенный в 2014 году аппарат несколько лет добирался до астероида, а затем еще в течение года находился на одной орбите и выполнял различные эксперименты.

Для того чтобы добыть грунт, «Хаябуса-2» сначала обстрелял астероид танталовыми пульками, при этом сам находился максимально близко, чтобы частицы астероида после выстрела попадали в специальную камеру. Затем космический аппарат отошел подальше и сбросил на астероид специальное взрывное устройство с медным наконечником для того, чтобы добиться больших разрушений поверхности астероида. Результатом взрыва стал десятиметровый кратер на астероиде. Из него «Хаябуса-2» взял еще немного образцов в другую камеру.

5 декабря 2020 года около 21:00 по московскому времени зонд сбросил на Землю капсулу с образцами грунта с астероида. Капсула приземлилась в Австралии на полигоне Вумера, как и было запланировано. К настоящему времени капсулы уже открыты, грунт с астероида оказался похож на черный песок с небольшими осколками камней. Однако его точный состав еще только предстоит изучить.

Автор: jaxasgm

Изучая Вселенную

Продолжает снабжать научными открытиями и российско-европейский проект «Спектр-РГ». В 2019 году эта космическая рентгеновская обсерватория была запущена в точку Лагранжа L2 системы Земля — Солнце. «Спектр-РГ» оснащен двумя телескопами — немецким eRosita и российским ART-XC.

В декабре 2020 года российский телескоп завершил повторный обзор всего неба. Среди зарегистрированных им источников было обнаружено нескольких десятков ранее неизвестных объектов, причем как в нашей галактике Млечный путь, так и за ее пределами, в том числе сверхмассивные черные дыры, окруженные толщей холодного газа и невидимые в мягких рентгеновских лучах. Часть из зарегистрированных источников проявляет сильную переменность, о чем говорит сравнение карт первого и второго обзоров.

Скорее всего, в ближайшее время российские ученые опубликуют статьи о найденных структурах и о том, как эти знания могут повлиять на современные космологические теории (свойства и эволюция Вселенной в целом)

Автор: Роскосмос ТВ

В поисках жизни на Венере

Международная группа астрономов во главе с Джейн Гривз (Jane Greaves) из Кардиффского университета опубликовала исследования Венеры. Согласно этим исследованиям, анализ атмосферы планеты показал наличие очень небольшого количества фосфина, газа, который входит в число потенциальных биомаркеров. Так называют химические вещества, которые могут свидетельствовать о присутствии живых организмов.

Что интересно, следы этого газа, который может вырабатываться только живыми существами — бактериями, — были найдены на высотах 53–61 километр от поверхности Венеры. В этом месте давление приблизительно соответствует земному, а температуры тоже достаточно комфортные для существования бактерий. Фосфин в атмосфере Венеры очень быстро распадается, а раз он был обнаружен, это может свидетельствовать о том, что кто-то его постоянно создает.

Однако содержание найденного фосфина оценивается в 20 частей на миллиард. Это очень и очень мало, поэтому с большой вероятностью после проверки может оказаться, что в исследование вкралась ошибка. Пока же астрономы продолжают проверять данные, чтобы ответить точнее, есть жизнь на Венере или все-таки нет.

Автор: Cardiff University

Вакцина от COVID-19

Отдельно стоит сказать о разработке вакцины от коронавируса. Ученые сразу многих стран показали, как они могут в случае необходимости мобилизовываться и разрабатывать довольно успешно работающие препараты. Китай, США, Россия и ряд европейских стран подтверждают свое первенство в создании сложнейших образцов и максимально быстром, на грани возможного, их тестировании.

Когда пандемия еще только начиналась, большинство экспертов, ориентируясь на предыдущий опыт, говорили о минимальном сроке разработки вакцины в два-три года. Однако, как оказалось, в случае необходимости процесс может быть ускорен.

Собственно, именно это и позволяет сейчас всему человечеству смотреть в 2021 год с оптимизмом и надеяться, что он окажется легче, чем нынешний, «пандемийный» 2020-й.

Фото: Предоставлено пресс-службой администрации СПбПоделиться

Михаил Котов, специально для «Фонтанки.ру»

Фото:  Go Miyazaki/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)Фото: Предоставлено пресс-службой администрации СПб

10 величайших достижений физики всех времен

Некоторые
открытия способны шокировать нас и даже сломать наши предвзятые
понятия. Такие революционные изобретения не только служат основой для других.
следовать, но также определяет общий прогресс, которого мы, люди, достигли на сегодняшний день.
Неудивительно, что горстка ученых и исследователей с
их любознательность, вышли вперед, чтобы понаблюдать и провести некоторые испытания, которые
выступили бы величайшими достижениями в области наук.

Вот наш список некоторых величайших достижений в мире физики на сегодняшний день:

1. Гравитация

Сэр Исаак Ньютон, один из десяти гениев физики, изменивших наше восприятие мира , открыл гравитацию в 17 веке. Это изобретение полностью изменило то, как люди привыкли видеть мир до него. Всемирно известный математик и физик, когда-либо живший на Земле, Ньютон внес большой вклад в современную науку.Увидев падающее с дерева яблоко, он отправился искать ответы на многие связанные вопросы. Без сомнения, открытие гравитации — одно из величайших достижений мира физики на сегодняшний день. С тех пор силы природы способствовали другим важным открытиям, включая астрономические наблюдения Кеплера.

Также прочтите 10 лучших гениев физики, изменивших наше восприятие мира

2. Теория относительности

Печально известная теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном в начале 1900-х годов, была одним из величайших научных открытий Когда-либо.Его можно разделить на два основных раздела, включая общую теорию относительности и специальную теорию относительности. В то время как общая теория относительности математически сложнее специальной теории относительности, которая, с другой стороны, сегодня служит основой других современных теорий. Формула теории относительности e = mc2 легла в основу многих других изобретений. Одна часть теории гласит, что скорость света остается неизменной. Наконец, он был опубликован в 1916 году.

3. Фотоэлектрический эффект

Изображение: Britannica

Следующим в списке величайших достижений физики стоит фотоэлектрический эффект.Это явление, при котором электрически заряженные частицы высвобождаются из определенного материала или внутри него после поглощения электромагнитного излучения. Этот эффект обычно называют выбросом электронов, когда свет падает на металлическую поверхность. Из-за связанных с этим вопросов фотоэлектрический эффект во многом стал краеугольным камнем многих других изобретений. Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн разрешил ряд сомнений, связанных с природой света. Сегодня фотоэлектрический эффект широко используется в астрофизике и создании практических устройств.

4. Квантовая телепортация

Квантовая телепортация — это ключевое научное открытие, которое сформировало современный научный мир таким, каким он является сегодня. Телепортация, которую обычно называют технологией Франкенштейна, стала источником вдохновения для многих. Когда в 2004 году ученые впервые успешно телепортировали атомы, это был момент огромной гордости. Квантовая телепортация определяется как перемещение квантового состояния атома, материи или энергии из одной точки в другую без перехода через какое-либо физическое пространство между ними.Это конкретное открытие — одна из главных причин того, что сегодня у нас есть сверхбыстрые компьютеры. Энергетическая телепортация, государственная транспортировка и телепортация частиц — это три вида предлагаемой телепортации.

5. Электромагнитная индукция

Фарадея
открытие изменившей мир электромагнитной индукции внесло огромный вклад в
область науки. После экспериментов с обоими секторами магнетизма
и электричество в течение почти десяти лет, этот физик-экспериментатор
преуспел в своем начинании в 1831 году.Использование двух катушек с проволочной намоткой
Облетая противоположную сторону кольца из мягкого железа, Фарадей наконец доказал, что
Магнит обладал способностью вызывать электричество. Его наблюдения включали
кратковременное отклонение стрелки компаса с последующим ее немедленным возвращением в
отправная точка. Это впечатляющее изобретение впоследствии послужит основой
для многих других экспериментов.

6. Бозон Хиггса

An
существенная часть Стандартной модели физики, суммы частиц бозона Хиггса
до удивительного открытия.Согласно этому, невидимое энергетическое поле,
названное поле Хиггса присутствует во всей вселенной. Бозон Хиггса
частицы считаются самым важным элементом мира; без
которого ничего бы не существовало. По этой причине его также называют
Частица Бога. Частица бозона Хиггса рассеивает другие частицы с массой
и создает огромные волны во Вселенной. Это захватывающее открытие открыло
мир возможностей для других исследователей.

7.Рентген

Каким был бы мир без рентгена? Сложно представить. Спасибо Вильгельму Конраду Рентгену, физику, который считается первым человеком, когда-либо наблюдавшим рентгеновские лучи. Рентген — одно из главных изобретений, которое изменило нашу жизнь и было обнаружено случайно. Это важное научное открытие произошло 8 ноября 1895 года. С тех пор оно стало новаторским и широко использовалось в различных областях, особенно в медицине.Интересный факт об изобретении рентгеновских лучей заключается в том, что оно было совершенно случайным! Экспериментируя с катодными лучами в своей лаборатории в Германии, Вильгельм начал замечать свечение, исходящее от экрана с химическим покрытием. Позже, после наблюдений за другими объектами, он наконец открыл рентгеновские лучи.

8. Радиоактивность

Следующим в нашем списке величайших достижений мира физики является радиоактивность. В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана.Это конкретное изобретение стало шоком для многих ученых, которые придерживались различных представлений об атомной структуре. Радиоактивность доказала, что атом не является ни неизменным, ни неделимым. Кроме того, это также показало, что атом обладает способностью образовывать, а также излучать огромное количество энергии. Всемирно известное открытие радиоактивности послужило основой для ряда изобретений в области науки.

9. Ядерный реактор

С момента начала использования ядерной энергии в промышленном секторе в качестве средства производства энергии роль ядерной энергии с годами стала более оправданной.Фундаментальные конструкции реакторов значительно продвинулись в плане максимального повышения эффективности, а также безопасности, на основе уроков, извлеченных из прошлых проектов. С 1895 года было построено четыре ядерных реактора. Не считая таких открытий, мы, люди, испытываем чувство огромной гордости. Эти изобретения уже сформировали историю и вносят большой вклад в надежду на будущее.

10. Закон Ома

Ома
Закон, открытый известным немецким физиком Джорджем Саймоном Омом, утверждает, что
ток от проводника прямо пропорционален потенциалу
разница, которая является напряжением и обратно пропорциональна сопротивлению.Это открытие сделало его профессором математики Колледжа иезуитов в Кельне.
в 1817 году, откуда он позже ушел в отставку. Работа Ома оказала большое влияние
в создании и проверке теорий и приложений текущего электричества.
Сегодня «ом» — это физическая единица измерения электрического сопротивления.

Величайших изобретений в области физики прошлого века

Прошлый век стал новаторским в области
наука и технология. Ученые достигли успехов, которые казались невозможными
столетия назад.Хотя 21 -й век г. начался со страха и
довольно много неизвестных, это оказалось потрясающе.

Мы пережили много захватывающих времен, потому что люди, рожденные
в прошлом веке имел возможность засвидетельствовать большой успех в
области технологий. Большое количество научных статей по экономике
говорят, что великие изобретения в области физики также имеют большое влияние на мировую экономику.

Благодаря этим большим технологическим достижениям и
инновации, жизнь была довольно гладкой.Многие занятия, которые раньше были
ручные теперь автоматизированы. Это довольно удобно, потому что вам не нужно
потратить целый день на выполнение одной задачи.

Физика — одна из важнейших областей науки, и
с ним возможно так много. Физики сделали все возможное, чтобы
были обнаружены изобретения, над которыми они задумывались.

Вот некоторые из величайших достижений физики последнего
век.

1. Ракеты многоразового использования

Илон Маск внес огромный вклад в развитие планеты
земля.Нельзя недооценивать полезность многоцелевых ракет.

Теперь ученые могут извлекать использованные ракеты и повторно запускать их.
Сам факт, что мы можем запускать ракеты в космос, является новаторским. Но
Компания Илона SpaceX сделала все возможное
чтобы гарантировать экономию ресурсов. Это позволяет ученым добиваться большего.
миссии, не тратя столько ресурсов.

2. Капсульная эндоскопия

Если вы никогда не слышали об этом нововведении, возможно, вы не слышали
в одиночестве.Капсульная эндоскопия — это инновация, которая стала возможной благодаря массовому
технологические достижения.

Это светоизлучающая технология, распознающая изображения благодаря
его оптическая конструкция. Впервые он был использован в 2001 году и был включен в беспроводную сеть.
камеры.

Благодаря этой технологии медики могут
исследуют внутренние органы пациентов. Травмы тогда можно найти много
быстрее, и лечение проводится до того, как травма станет критической.

Капсульная эндоскопия размером с таблетку, а это значит, что
его можно разместить в самых тесных помещениях.Некоторые из проблем, которые врачи
трудно определить, включая внутреннее кровотечение, воспаление, а также
опухоли. Если опухоль злокачественная, чем раньше ее обнаружат, тем лучше для
пациент.

3. Технология блокчейн

Блокчейн
технология была модным словом для лучшей части 21 st
век. Благодаря этому нововведению стало возможным многое.

Несмотря на то, что эта идея была впервые представлена ​​в 19
века, его актуализация произошла в 21 веке.

Блокчейн стал актуальным только после появления Биткойна.
Актуальность технологии блокчейн была захватывающей, потому что компании и
корпорации увидели возможность этой технологии, соединяющей их бизнес
в мир криптовалюты. Нет ничего безопаснее, чем обезопасить свои активы
через цифровые деньги.

4. Мобильные операционные системы

Представьте, что вы можете выжить без мобильного устройства сегодня? Эта мысль
непостижимо, но люди, рожденные в предыдущем поколении, испытали это.

Благодаря изобретению мобильных операционных систем мы можем
теперь легко общаться друг с другом из разных уголков мира.
Независимо от того, предпочитаете ли вы iOS или Android, функциональность более или менее одинакова.

5. 3D-печать

Это одна из самых значительных технологических инноваций.
в 21 веке, потому что он потенциально может разрушить почти
все отрасли.

Хотя некоторые технологии, используемые в 3D-печати, прослеживаются
вернувшись в 19 -й век, это нововведение стало целым в 21 st
век.Благодаря 3D-печати производство стало дешевле.

Заключение

Как видите, 21 век -го года г.
много нововведений в физике. Мир науки — это дар, который продолжает приносить.

10. Новая эра открытий | Физика в новую эру: обзор

, стр.155

самые глубокие открытия в области биологии. Проблемы, имеющие центральное значение для биологии, такие как способ складывания молекулярных цепей для получения определенных биологических свойств белков, станут доступными для анализа с помощью основных физических законов.Текущие проблемы включают биофизику клеточной электрической активности, лежащую в основе функционирования нервной системы, системы кровообращения и дыхательной системы; биомеханика двигателей, ответственных за все биологические движения; а также механические и электрические свойства ДНК и ферментов, необходимых для деления клеток и всех клеточных процессов. Инструменты, разработанные в физике, особенно для понимания очень сложных систем, жизненно важны для прогресса во всех этих областях.Теоретические подходы, разработанные в физике, используются для понимания биоинформатики, биохимических и генетических сетей и вычислений, выполняемых мозгом.

Создание новых материалов

Новые материалы будут обнаружены, поняты и широко использованы в науке и технологиях. Открытие таких материалов, как высокотемпературные сверхпроводники и новые кристаллические структуры, стимулировало новое теоретическое понимание и привело к применению в технологии.Очевидны несколько тем и проблем: синтез, обработка и понимание сложных материалов, состоящих из все большего и большего числа элементов; роль молекулярной геометрии и движения только в одном или двух измерениях; включение новых материалов и конструкций в существующие технологии; разработка новых методов синтеза материалов, в которых можно имитировать биологические процессы, такие как самосборка; и контроль множества плохо изученных, неравновесных процессов (например,ж., турбулентность, трещины и адгезия), которые влияют на свойства материала в масштабах от атомарного до макроскопического.

Изучение Вселенной

Новые инструменты, с помощью которых звезды, галактики, темная материя и Большой взрыв могут быть изучены с беспрецедентной детальностью, революционизируют наше понимание Вселенной, ее происхождения и судьбы. Сама Вселенная теперь является лабораторией для исследования фундаментальной физики: недавние открытия укрепили связи между основными силами природы и структурой и эволюцией Вселенной.Новые измерения проверит основы космологии и помогут определить природу темной материи и темной энергии, которые составляют 95 процентов массы-энергии Вселенной.

Когда прошлое становится будущим: физика в 21 веке

В последние годы, хотя в физике не произошло революций, подобных тем, которые произошли в первой четверти двадцатого века, семена, посаженные в то время, все еще приносят плоды и продолжают порождать новые разработки.В этой статье рассматриваются некоторые из них, начиная с открытия бозона Хиггса и гравитационного излучения. Более глубокий взгляд обнаруживает дополнительную потребность в рассмотрении других открытий, в которых физика обнаруживает свое единство с астрофизикой и космологией. К ним относятся темная материя, черные дыры и множественные вселенные. Также рассматриваются теория струн и суперсимметрия, а также квантовая запутанность и ее использование в области защищенных коммуникаций (квантовая криптография). Статья завершается взглядом на присутствие и важность физики в научно междисциплинарном мире.

Физика считается королевой науки двадцатого века, и это правильно, поскольку этот век был отмечен двумя революциями, которые радикально изменили ее основы и привели к глубоким социально-экономическим изменениям: специальной и общей теории относительности (Альберт Эйнштейн, 1905, 1915). ) и квантовой физики, которую, в отличие от теории относительности, нельзя отнести к одной фигуре, поскольку она возникла в результате совместных усилий большой группы ученых.Теперь мы знаем, что революции, будь то в науке, политике или обычаях, имеют долгосрочные последствия, которые могут быть не такими радикальными, как те, которые привели к первоначальному разрыву, но, тем не менее, могут привести к более поздним разработкам, открытиям или способам понимания. реальность, которая раньше была немыслима. Именно это произошло с физикой после того, как были построены новые базовые теории. В случае квантовой физики мы имеем в виду квантовую механику (Вернер Гейзенберг, 1925; Поль Дирак, 1925; Эрвин Шредингер, 1926).В мире Эйнштейна релятивистская космология быстро возникла и приветствовала как одну из возможных моделей Вселенной экспериментальное открытие расширения Вселенной (Эдвин Хаббл, 1929). Тем не менее, наиболее плодотворные «приложения-следствия» появились в контексте квантовой физики. На самом деле их было так много, что без преувеличения можно сказать, что они изменили мир. Их слишком много, чтобы перечислять здесь, но достаточно упомянуть лишь некоторые: построение квантовой электродинамики (ок.1949), изобретение транзистора (1947), который вполне можно было бы назвать «атомом глобализации и цифрового общества», и развитие физики элементарных частиц (позже названной «физикой высоких энергий»), астрофизики, ядерной физики и физика твердого тела или конденсированного состояния.

Уравнение механизма Хиггса на доске. Механизм Хиггса объясняет, как поле Хиггса придает массу другим частицам в результате их взаимодействия с ним. Это взаимодействие опосредовано бозоном Хиггса, фундаментальной частицей

. Во второй половине двадцатого века произошла консолидация этих разделов физики, но мы можем задаться вопросом, перестали ли в конечном итоге появляться важные новшества и все сводилось к простым достижениям — что Томас Кун названный «нормальной наукой» в своей книге 1962 года «Структура научных революций».Спешу добавить, что концепция «нормальной науки» сложна и может привести к ошибке: разработка основ — «твердого ядра», если использовать термин, введенный Куном, — научной парадигмы, то есть «твердого ядра», если использовать термин, введенный Куном. нормальная наука », может открыть новые двери для познания природы и поэтому имеет огромное значение. В этой статье я буду обсуждать десятилетие между 2008 и 2018 годами, и мы увидим, что именно это происходило в некоторых случаях во втором десятилетии двадцать первого века, значительно после «революционных лет» начала двадцатого века. .

Открытие бозона Хиггса

Одним из самых ярких событий в физике последнего десятилетия стало подтверждение теоретического предсказания, сделанного почти полвека назад: существование бозона Хиггса. Давайте рассмотрим контекст, который привел к этому предсказанию.

В физике высоких энергий произошел выдающийся прогресс с появлением частиц, названия которых были предложены одним из ученых, ответственных за их введение: Мюрреем Гелл-Манном.Существование этих кварков было теоретизировано в 1964 году Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом. До своего появления протоны и нейтроны считались действительно основными и неразрушимыми атомными структурами, электрический заряд которых был неделимой единицей. Кварки не подчинялись этому правилу, так как им приписывались дробные заряды. Согласно Гелл-Ману и Цвейгу, адроны — частицы, подверженные сильному взаимодействию — состоят из двух или трех типов кварков и антикварков, называемых u (вверх), d (вниз) и s (странные), электрические заряды которых равны соответственно, 2/3, 1/3 и 1/3 электрона (на самом деле, может быть два типа адронов: барионы — протоны, нейтроны и гиперионы — и мезоны, которые представляют собой частицы, массы которых имеют значения между этими электрона и протона).Таким образом, протон состоит из двух u-кварков и одного d, а нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u. Следовательно, они представляют собой составные конструкции. С тех пор другие физики предположили существование еще трех кварков: очаровательного (c; 1974), нижнего (b; 1977) и верхнего (t; 1995). Говорят, что для характеристики этого разнообразия кварки имеют шесть ароматов. Более того, каждый из этих шести может быть трех типов или цветов: красный, желтый (или зеленый) и синий. Более того, на каждый кварк приходится свой антикварк. (Конечно, такие имена — цвет, вкус, верх, низ и т. Д. — не отражают реальность, которую мы обычно связываем с такими понятиями, хотя в некоторых случаях они имеют определенную логику, как в случае с цветом).

В конечном счете, кварки имеют цвет, а адроны — нет: они белые. Идея состоит в том, что непосредственно в природе наблюдаются только «белые» частицы. Кварки, поскольку они «ограничены», то есть не связаны с образованием адронов. Мы никогда не сможем наблюдать свободный кварк. Теперь, чтобы кварки оставались ограниченными, между ними должны быть силы, которые значительно отличаются от электромагнитных или других сил. Как сказал Гелл-Манн (1995: 200): «Так же, как электромагнитная сила между электронами измеряется виртуальным обменом фотонами, кварки связаны друг с другом силой, которая возникает в результате обмена других типов: глюонов (от слово, клей) носят это название, потому что они склеивают кварки, образуя наблюдаемые белые объекты, такие как протоны и нейтроны.”

Физика считается королевой науки двадцатого века, и это правильно, поскольку этот век был отмечен двумя революциями, которые радикально изменили ее основы и привели к глубоким социально-экономическим изменениям: специальной и общей теории относительности и квантовой физике

Примерно через десять лет после появления кварков появилась новая теория — квантовая хромодинамика — чтобы объяснить, почему кварки так сильно ограничены, что они никогда не могут выйти из адронных структур, которые они образуют.Термин хромодинамика, образованный от греческого слова хромос, обозначающего цвет, относится к цвету кварков, в то время как прилагательное квант указывает на то, что он соответствует квантовым требованиям. Квантовая хромодинамика — это теория элементарных частиц с цветом, которая связана с кварками. И поскольку они связаны с адронами, которые являются частицами, подверженными сильному взаимодействию, мы можем утверждать, что квантовая хромодинамика описывает это взаимодействие.

Итак, квантовая электродинамика и квантовая хромодинамика функционируют, соответственно, как квантовые теории электромагнитного и сильного взаимодействий.Была также теория слабых взаимодействий (ответственных за радиоактивные процессы, такие как бета-излучение, испускание электронов в ядерных процессах), но у нее были некоторые проблемы. Более удовлетворительная квантовая теория слабого взаимодействия появилась в 1967 и 1968 годах, когда американский ученый Стивен Вайнберг и базирующийся в Великобритании пакистанский ученый Абдус Салам независимо друг от друга предложили теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. В их модель вошли идеи, предложенные Шелдоном Глэшоу в 1960 году.Нобелевская премия по физике, которую Вайнберг, Салам и Глэшоу разделили в 1979 году, отражает эту работу, особенно после того, как одно из предсказаний их теории — существование «слабых нейтральных токов» — было экспериментально подтверждено в 1973 году в ЦЕРНе, крупнейшем европейском центре высоких технологий. -энергетическая лаборатория.

Теория электрослабого взаимодействия объединила описание электромагнитного и слабого взаимодействий, но можно ли было бы продвинуться дальше по этому пути объединения и открыть формулировку, которая также включала бы сильное взаимодействие, описываемое квантовой хромодинамикой? Ответ пришел в 1974 году, и это было утвердительно.В том же году Ховард Джорджи и Шелдон Глэшоу представили первоначальные идеи, которые стали известны как теории Великого объединения (GUT).

Выставочный центр CERN’s Globe в Швейцарии в снежный день. Это деревянное здание было передано ЦЕРНу в 2004 году в дар Швейцарской Конфедерации в ознаменование пятидесятилетия основания организации

. предсказательные возможности.Соответственно, были приняты две идеи: во-первых, элементарные частицы принадлежат к одной из двух групп — бозонов или фермионов, в зависимости от того, является ли их спин целым или дробным (фотоны — бозоны, а электроны — фермионы), — которые подчиняются двум различным статистическим данным (способы «подсчета» группировок однотипных частиц). Это статистика Бозе-Эйнштейна и статистика Ферми-Дирака. Во-вторых, вся материя Вселенной состоит из агрегатов трех типов элементарных частиц: электронов и их родственников (частиц, называемых мюонами и таус), нейтрино (электронных, мюонных и тауонных нейтрино) и кварков, а также кванты, связанные с полями четырех сил, которые мы распознаем в природе (помните, что в квантовой физике дуальность волна-частица означает, что частица может вести себя как поле, и наоборот): фотон для электромагнитного взаимодействия, частицы Z и W ( калибровочные бозоны) для слабого взаимодействия, глюоны для сильного взаимодействия, и, хотя гравитация еще не была включена в эти рамки, предполагалось, что гравитоны являются гравитационным взаимодействием.Подгруппа, образованная квантовой хромодинамикой и электрослабой теорией (то есть теоретической системой, включающей релятивистские теории и квантовые теории сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий), особенно сильна, учитывая баланс между предсказаниями и экспериментальными доказательствами. Это стало известно как Стандартная модель, но у нее была проблема: объяснение происхождения массы элементарных частиц, появляющихся в ней, требовало существования новой частицы, бозона, связанное с ним поле пронизывало бы все пространство, «тормозя, — так сказать, частицы с массой, так что через свое взаимодействие с полем Хиггса они показали свою массу (это, в частности, объясняет огромную массу, которой обладают калибровочные бозоны W и Z, а также идею о том, что фотоны не имеют массы, потому что они не взаимодействуют с бозоном Хиггса).Существование такого бозона было теоретически предсказано в трех статьях, опубликованных в 1964 году — все три в одном томе Physical Review Letters. Первый был подписан Питером Хиггсом (1964a, b), второй — Франсуа Энглером и Робертом Браутом (1964), а третий — Джеральдом Гуральником, Карлом Хагеном и Томасом Кибблом (1964a). Предсказанная ими частица была названа «бозоном Хиггса».

Одним из самых ярких событий в физике последнего десятилетия стало подтверждение теоретического предсказания, сделанного почти полвека назад: существование бозона Хиггса

Для обнаружения этой предполагаемой частицы потребовался ускоритель частиц, способный достигать достаточно высоких температур для ее производства, и только много лет спустя такая машина появилась на свет.Наконец, в 1994 году ЦЕРН одобрил строительство Большого адронного коллайдера (БАК), который должен был стать крупнейшим в мире ускорителем элементарных частиц, с 27-километровым кольцом, окруженным 9600 магнитами различных типов. Из них 1200 были двухполюсными сверхпроводниками, работающими при температуре минус 217,3 ° C, что даже холоднее, чем в космосе, и достигается с помощью жидкого гелия. Внутри этого кольца, ведомые магнитным полем, создаваемым «эскортом» электромагнитов, два пучка протонов будут ускоряться до тех пор, пока они не начнут двигаться в противоположных направлениях, очень близких к скорости света.Каждый из этих лучей будет циркулировать в своей собственной трубе, внутри которой будет поддерживаться экстремальный вакуум, пока он не достигнет необходимого уровня энергии, после чего два луча столкнутся. Теория заключалась в том, что одно из этих столкновений приведет к возникновению бозонов Хиггса. Однако самой серьезной проблемой было то, что этот бозон почти сразу распадается на другие частицы, поэтому для его обнаружения потребовались особо чувствительные инструменты. Детекторы, разработанные и сконструированные для LHC, называются ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и представляют собой высокие памятники самым передовым технологиям.

После постройки БАК был впервые испытан путем циркуляции протонного пучка 10 сентября 2008 г. Первые столкновения протонов произошли 30 марта 2010 г., в результате чего общая энергия составила 7 · 1012 эВ (то есть 7 тераэлектронвольт. ; ТэВ), энергия, никогда ранее не достигнутая никаким ускорителем частиц. Наконец, 4 июля 2012 года ЦЕРН публично объявил, что он обнаружил частицу с приблизительной массой 125 · 109 эВ (или 125 гигаэлектронвольт; ГэВ), свойства которой убедительно свидетельствовали о том, что это был бозон Хиггса (Стандартное Модель не предсказывает его массу).Это были новости на первых полосах почти всех газет и новостных передач по всему миру. Спустя почти полвека после теоретического предсказания существование бозона Хиггса было подтверждено. Поэтому неудивительно, что Нобелевская премия по физике 2013 года была присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием. предсказанной фундаментальной частицы в результате экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа », — говорится в официальном заявлении Нобелевского фонда.

Клири, это подтверждение вызвало удовлетворение, но были некоторые, кто предпочел бы отрицательный результат — что бозон Хиггса не был обнаружен там, где его ожидала теория (то есть с предсказанной массой). Их аргумент, и это был хороший аргумент, был высказан американским физиком-теоретиком и сторонником Джереми Бернстайном (2012 a, b: 33) незадолго до объявления об открытии: «Если LHC подтвердит существование бозона Хиггса, он отметит конец длинной главы теоретической физики.Эта история напоминает мне историю одного французского коллеги. В его честь был назван некий параметр, поэтому он довольно часто появлялся в дискуссиях о слабых взаимодействиях. Наконец, этот параметр был измерен, и модель была подтверждена экспериментами. Но когда я пошел поздравить его, я обнаружил, что он опечален тем, что о его параметре больше не говорят. Если бы бозон Хиггса не появился, ситуация стала бы очень интересной, потому что мы оказались бы в серьезной нужде в изобретении новой физики.”

Тем не менее, факт и победа в том, что бозон Хиггса действительно существует и был идентифицирован. Но наука всегда в движении, и в феврале 2013 года LHC остановил работу, чтобы внести коррективы, которые позволили бы ему достичь 13 ТэВ. 12 апреля 2018 года начался новый этап с соответствующих испытаний на столкновение протонов. Это включало поиск неожиданных данных, свидетельствующих о существовании новых законов физики. Однако пока мы можем сказать, что Стандартная модель работает очень хорошо и что это одно из величайших достижений в истории физики, достижение, рожденное коллективными усилиями в гораздо большей степени, чем квантовая механика и электродинамика. не говоря уже о специальной и общей теории относительности.

Однако, несмотря на успех, Стандартная модель не является и не может быть «окончательной теорией». Во-первых, в нем не учитывается гравитационное взаимодействие, а во-вторых, слишком много параметров, которые необходимо определять экспериментально. Это фундаментальные, но всегда неудобные причины. «Почему фундаментальные частицы, которые мы обнаруживаем, вообще существуют? Почему существует четыре фундаментальных взаимодействия, а не три, пять или только одно? И почему эти взаимодействия проявляют те свойства (такие как интенсивность и диапазон действия)? » В августовском выпуске обзора Американского физического общества Physics Today за 2011 год Стивен Вайнберг (2011: 33) размышлял над некоторыми из этих моментов, а другие:

Конечно, задолго до открытия масс нейтрино мы знали кое-что еще, выходящее за рамки стандартной модели, которая предлагает новую физику при массах немного выше 1016 ГэВ: существование гравитации.И есть также тот факт, что один сильный и два электрослабых параметра связи стандартной модели, которые только логарифмически зависят от энергии, похоже, сходятся, чтобы получить общее значение при энергии порядка 1015–1016 ГэВ.

Есть много хороших идей о том, как выйти за рамки стандартной модели, включая суперсимметрию и то, что раньше называлось теорией струн, но пока нет экспериментальных данных, подтверждающих какую-либо из них. Даже если правительства проявят щедрость к физике элементарных частиц до уровня, превышающего наши самые смелые мечты, мы, возможно, никогда не сможем построить ускорители, которые могут достигать таких энергий, как 1015-1016 ГэВ.Когда-нибудь мы сможем обнаружить высокочастотные гравитационные волны, испускаемые в эпоху инфляции в очень ранней Вселенной, которые могут рассказать нам о физических процессах при очень высоких энергиях. Между тем, мы можем надеяться, что LHC и его преемники предоставят ключи, которые нам так отчаянно нужны, чтобы выйти за рамки успехов последних 100 лет.

Вайнберг спрашивает: «Сколько все это стоит? Действительно ли нам нужно знать, почему существует три поколения кварков и лептонов, или природа уважает суперсимметрию, или что такое темная материя? Да, я так думаю, потому что ответ на этот вопрос — следующий шаг в программе изучения того, как все закономерности в природе (все, что не является исторической случайностью) вытекают из нескольких простых законов.”

В этой цитате Вайнберга мы видим, что уровень энергии, на котором должна четко проявляться эта «новая физика», 1015-1016 ГэВ, очень далек от 13 ТэВ, то есть 13 · 103 ГэВ, которых должен достичь модернизированный LHC. . Фактически, до сих пор мы можем прекрасно понять наблюдение Вайнберга о том, что «мы, возможно, никогда не сможем построить ускорители, которые могли бы достичь этих энергий». Но Вайнберг также указал, что, исследуя Вселенную, можно будет найти способы достижения этих уровней энергии.Он знал это очень хорошо, так как в 1970-х годах был одним из самых решительных сторонников соединения физики элементарных частиц с космологией. В этом смысле мы должны помнить его книгу «Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной» (1977), в которой он стремился содействовать взаимопомощи, которую космология и физика высоких энергий могли и действительно получили. изучая первые мгновения после Большого взрыва. Для физики высоких энергий этот «брак по расчету» был глотком свежего воздуха.

Вместо стиля и методов, которые характеризовали физику элементарных частиц в 1970-х, 1980-х и 1990-х годах, Вайнберг имел в виду совсем другое: физику гравитационных волн или излучения.Помимо других отличий, теоретическая ниша гравитационного излучения находится не в квантовой физике, а в теории, описывающей единственное взаимодействие, которое еще не соответствует квантовым требованиям: общая теория относительности, в которой мир фундаментальной физики смешивается с миром фундаментальной физики. космология и астрофизика. И в этом множественном мире за последнее десятилетие также произошел фундаментальный прогресс.

Гравитационное излучение существует

Годы интенсивных умственных усилий начались в 1907 году с определения так называемого «принципа эквивалентности» как ключевого элемента для построения релятивистской теории гравитации.После этих лет, которые включали множество тупиков, в ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн завершил структуру того, что многие считают самой элегантной теоретической конструкцией физики: общей теории относительности. Это «классическая» теория в том смысле, что, как я указал выше, она не включает принципы квантовой теории. И все согласны с тем, что все теории физики должны разделять эти принципы. Тем не менее, релятивистская формулировка гравитации Эйнштейна успешно прошла все до сих пор задуманные экспериментальные испытания.Обычно считается, что существование этих волн было предсказано в 1916 году, когда Эйнштейн опубликовал статью, в которой заключил, что они действительно существуют. Тем не менее, эта работа была настолько ограниченной, что Эйнштейн вернулся к ней несколько лет спустя. В 1936 году он и его соавтор Натан Розен подготовили рукопись под названием «Существуют ли гравитационные волны?» в котором они пришли к выводу, что на самом деле это не так. Однако в этой работе были ошибки, и окончательная опубликованная версия (Эйнштейн и Розен, 1937) больше не отвергала возможность гравитационных волн.

Проблема того, существуют ли они на самом деле — по сути, проблема их обнаружения — длилась десятилетия. Никто не потратил больше времени и усилий на их обнаружение, чем Джозеф Вебер из Университета Мэриленда, который начал свою деятельность в 1960 году. В конце концов он пришел к выводу, что ему удалось их обнаружить, но это было не так. В его эксперименте использовался алюминиевый цилиндр диаметром один метр и весом 3,5 тонны, снабженный пьезоэлектрическими кварцевыми устройствами для обнаружения возможных искажений цилиндра при прохождении через него гравитационных волн.Когда мы сравниваем этот прибор с тем, который, наконец, использовали для их обнаружения, мы не можем не восхищаться энтузиазмом и простодушием, которые характеризовали этого ученого, который умер в 2000 году, не зная, была ли его работа всей жизни правильной или нет. Таков мир науки, в котором, за исключением исключений, проблемы редко решаются одним ученым, часто возникают с ошибками и действительно занимают очень много времени.

11 февраля 2016 года представитель LIGO объявил, что они обнаружили гравитационные волны, соответствующие столкновению двух черных дыр.Это объявление также стало новым подтверждением существования этих сингулярных космических сущностей

.

Обнаружение гравитационных волн, которое требовало обнаружения настолько малых искажений, что они эквивалентны малой доле атома, наконец произошло в последнее десятилетие, когда BP Abbott (Abbott, et al., 2016) применила американскую систему под названием LIGO. (Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром), которая состояла из двух обсерваторий на расстоянии 3000 километров друг от друга (использование двух позволило идентифицировать ложные сигналы, вызванные местными эффектами), одна в Ливингстоне (Луизиана), а другая в Хэнфорде (Вашингтон).Идея заключалась в том, чтобы использовать интерферометрические системы с двумя перпендикулярными плечами в условиях вакуума с оптическим путем в два или четыре километра для обнаружения гравитационных волн через мельчайшие движения, которые они производят в зеркалах, когда они проходят через них. 11 февраля 2016 года представитель LIGO объявил, что они обнаружили гравитационные волны и что они соответствуют столкновению двух черных дыр, что, таким образом, также является новым подтверждением существования этих сингулярных космических сущностей.Хотя он не участвовал в первоначальном обнаружении (тогда у него не было необходимой чувствительности, но в то время его улучшали), есть еще одна крупная интерферометрическая лаборатория, посвященная обнаружению гравитационного излучения: Дева. Созданный в результате сотрудничества шести европейских стран (у руля — Италия и Франция, за которыми следуют Голландия, Венгрия, Польша и Испания), он расположен недалеко от Пизы и имеет соглашения с LIGO. Фактически, в «учредительной» статье перечисление авторов Б.П. Эбботт и др., Следует заявление: «Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Девы». Дева вскоре присоединилась к этому исследованию со вторым раундом наблюдений 1 августа 2017 года.

Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц. Его 27-километровое кольцо окружено 9600 магнитами, из которых 271,3 °, что даже ниже, чем в космосе

.
Поперечный разрез компактного мюонного соленоидного детектора (CMS)

ЦЕРН Обнаружение гравитационного излучения открыло новое окно в изучение Вселенной, и оно, безусловно, будет расширяться по мере совершенствования технологий и создания большего количества обсерваторий, таких как LIGO и Virgo. .Это ситуация, сравнимая с тем, что произошло в 1930 году, когда первые эксперименты по радиоастрономии Карла Янского (астрономия, основанная на радиоволнах с длинами волн от нескольких сантиметров до нескольких метров) радикально расширили наши знания о космосе. До этого наши исследования зависели исключительно от узкого диапазона длин волн электромагнитного спектра, видимого человеческим глазом. На самом деле в этом смысле все продвинулось довольно быстро. 16 октября 2017 года LIGO и Дева (Abbott et al., 2017) объявили, что 17 августа того же года они обнаружили гравитационное излучение от столкновения двух нейтронных звезд с массами от 1,17 до 1,60 массы нашего Солнца (помните, что нейтронные звезды чрезвычайно плотные и маленькие, с радиусом размером около десяти километров, что сравнимо с чем-то вроде гигантского ядра, образованного исключительно нейтронами, объединенными силой тяжести). Особенно интересно то, что через 1,7 секунды после того, как сигнал был получен, космический телескоп Ферми НАСА обнаружил гамма-лучи из той же части космоса, в которой произошло это космическое столкновение.Позже их обнаружили и другие обсерватории. Анализ этого излучения показал, что при столкновении этих двух звезд образовались химические элементы, такие как золото, серебро, платина и уран, «места рождения» которых ранее были неизвестны.

Обнаружение гравитационных волн также раскрывает одну из характеристик так называемой Большой науки: статья, в которой было провозглашено их открытие (Abbott et al., 2016), совпала с объявлением LIGO от 11 февраля и была подписана 1036 авторами. из 133 учреждений (из шестнадцати страниц шесть занимают списки этих авторов и учреждений).

Важность открытия LIGO была признана в 2017 году присуждением Нобелевской премии по физике в двух частях. Половина приза досталась Райнеру Вайсу, ответственному за изобретение и развитие метода лазерной интерферометрии, использованного при открытии. Другую половину разделял Кип Торн, физик-теоретик, специализирующийся на общей теории относительности, который работал вместе с Вайсом в 1975 году над разработкой будущих руководящих принципов проекта и остается связанным с ним сегодня; и Барри Бариш, который присоединился к проекту в 1994 году и реорганизовал его в качестве директора.(В 2016 году эта премия была присуждена Дэвиду Таулесу, Дункану Холдейну и Майклу Костерлицу, которые использовали методы, взятые из раздела математики, известного как топология, для демонстрации существования ранее неизвестных состояний или «фаз» материи для Например, сверхпроводники и сверхтекучие жидкости, которые могут существовать в тонких листах — что ранее считалось невозможным. Они также объяснили «фазовые переходы», механизм, который заставляет сверхпроводимость исчезать при высоких температурах.)

Черные дыры и червоточины

Заслуживает внимания тот факт, что гравитационные волны, впервые обнаруженные в LIGO, возникли в результате столкновения двух черных дыр.В то время уже было множество доказательств существования этих поистине удивительных астрофизических объектов (первое свидетельство в этом смысле появилось в 1971 году благодаря наблюдениям, проведенным инструментами, установленными на спутнике, запущенном Соединенными Штатами 12 декабря 1970 года, и с тех пор было идентифицировано гораздо больше, в том числе в ядрах многих галактик, одна из которых — наш Млечный Путь). Стоит помнить, что в 1970-х годах многие ученые, специализирующиеся на общей теории относительности, считали черные дыры не чем иным, как «математическими призраками», порожденными некоторыми решениями теории Эйнштейна и, следовательно, недопустимыми.В конце концов, уравнения в физической теории, описывающей область реальности, могут включать решения, которых не существует в природе. Так обстоит дело, например, с релятивистской космологией, которая включает в себя несколько возможных вселенных. Как оказалось, черные дыры действительно существуют, хотя нам еще предстоит понять такие фундаментальные аспекты, как то, куда уходит масса, когда они ее проглатывают. Величайшими защитниками идеи о том, что черные дыры являются неизбежным следствием общей теории относительности и, следовательно, должны существовать, были Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз, изначально обучавшиеся чистой математике.Их аргументы были впервые предложены в серии работ, опубликованных в 1960-х годах, а позже за ними последовали другие ученые, в том числе Джон А. Уиллер (руководитель докторской диссертации Торна), который, по сути, изобрел термин «черная дыра». Более того, перед своей смертью 14 марта 2018 года Хокинг с удовлетворением осознал, что это новое подтверждение общей теории относительности, развитию которой он приложил столько усилий, также является еще одним доказательством существования черных дыр.Учитывая, что никто — даже Пенроуз или Уиллер (также ныне мертвый) — не внес такой большой вклад в физику черных дыр, как Хокинг, если бы устав Нобелевского фонда позволял присуждать призы максимум четырем, а не трем лицам, он был бы прекрасным кандидатом. (В 1973 году он представил то, что считается его наиболее выдающимся вкладом: работу, в которой утверждалось, что черные дыры на самом деле не такие «черные», потому что они испускают излучение и, следовательно, могут исчезнуть, хотя и очень медленно.Это еще предстоит доказать.) Но история — это то, что есть, а не то, что некоторые из нас могли бы пожелать.

Величайшими защитниками идеи о том, что черные дыры являются неизбежным следствием общей теории относительности и, следовательно, должны существовать, были Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз в серии работ, опубликованных в 1960-х годах.

В процитированном выше тексте Вайнберг предполагает, что: «Когда-нибудь мы сможем обнаружить высокочастотные гравитационные волны, испускаемые во время самого раннего периода инфляции Вселенной, которые могут предоставить данные о физических процессах с очень высокой энергией.Этот тип гравитационной волны еще предстоит обнаружить, но это может произойти довольно скоро, потому что мы уже наблюдали так называемые «морщины во времени», то есть мельчайшие неоднородности космического микроволнового фона, которые привели к возникновению сложные структуры, такие как галактики, существующие сейчас во Вселенной (Mather et al., 1990; Smoot et al., 1992). Напомним, что это произошло благодаря спутнику Cosmic Background Explorer (COBE), выведенному на орбиту в 900 километрах над Землей в 1989 году.Между тем будущее астрофизики гравитационного излучения обещает большие успехи, одним из которых может быть идентификация космологических объектов, столь же удивительных, как черные дыры: «червоточин», название которых также было придумано Джоном Уилером. Проще говоря, кротовые норы — это «ярлыки» во Вселенной, как мосты, соединяющие разные места в ней. Возьмем, к примеру, две точки во Вселенной, которые находятся на расстоянии тридцати световых лет друг от друга (помните, световой год — это расстояние, которое луч света может пройти за один год).Учитывая кривизну Вселенной, то есть пространства-времени, между ними может быть короткий путь или мост, так что, следуя по этому новому пути, расстояние будет намного меньше: возможно, всего два световых года, например. Фактически, возможность существования этих космологических объектов возникла вскоре после того, как Альберт Эйнштейн завершил общую теорию относительности. В 1916 году венский физик Людвиг Фламм нашел решение уравнений Эйнштейна, в котором возникли такие пространственно-временные «мосты». Однако работе Фламма почти не обратили внимания, и девятнадцать лет спустя Эйнштейн и один из его сотрудников, Натан Розен, опубликовали статью, в которой физическое пространство было представлено в виде двух идентичных «листов», соединенных по поверхности, которую они назвали «мостом».Но вместо того, чтобы мыслить категориями кратчайших путей в космосе — идея, которая, по их мнению, граничила с абсурдом, — они интерпретировали этот мост как частицу.

Детекторы из экспериментального прототипа ЦЕРНа, программа

Десятилетия спустя, когда общая теория относительности покинула вневременную сферу математики, в которой она ранее была замкнута, а технический прогресс показал полезность понимания космоса и его содержания, идею такие ярлыки начали изучаться.Один из результатов, полученных в то время, заключался в том, что, если они действительно существуют, то в течение очень короткого периода времени — фактически настолько короткого, что вы не можете их просмотреть. С точки зрения путешествий, они не будут существовать достаточно долго, чтобы служить кратчайшим путем из одной точки Вселенной в другую. В своей великолепной книге «Черные дыры и искажения времени» (1994) Кип Торн объясняет это свойство червоточин, а также вспоминает, как в 1985 году ему позвонил его друг Карл Саган, который заканчивал работу над романом, также станет фильмом «Контакт» (1985).Саган плохо разбирался в общей теории относительности, но он хотел, чтобы героиня его рассказа, астрофизик Элеонора Эрроуэй (которую в фильме играет Джоди Фостер), быстро путешествовала из одного места во Вселенной в другое через черную дыру. Торн знал, что это невозможно, но, чтобы помочь Сагану, он предложил заменить черную дыру червоточиной: «Когда другу нужна помощь, — писал он в своей книге (Thorne 1994, 1995: 450, 452), — вы готовы искать его где угодно ». Конечно, проблема их очень короткой продолжительности жизни продолжала существовать, но для ее решения Торн предположил, что Эрроуэй мог держать червоточину открытой в течение необходимого времени, используя «экзотическое вещество», характеристики которого он более или менее описал. .По словам Торна, «возможно, существует экзотическая материя». Фактически, другие (в том числе Стивен Хокинг) пришли к такому же выводу, поэтому вопрос о том, могут ли кротовые норы оставаться открытыми в течение более длительного периода времени, чем первоначально предполагалось, привел к исследованиям, связанным с идеями, которые имеют смысл в квантовой физике. такие как колебания в вакууме: рассмотрение пространства, как если бы в ультрамикроскопическом масштабе оно было кипящей жидкостью.

Проще говоря, кротовые норы — это «короткие пути» во Вселенной, как мосты, соединяющие разные места в ней.Например, если две точки во Вселенной находятся на расстоянии тридцати световых лет друг от друга, кривизна Вселенной (пространства-времени) может допускать существование короткого пути между ними — возможно, всего два световых года в длину

Другая возможность, недавно рассмотренная, принадлежит группе из пяти ученых из Лувенского университета, Автономного университета Мадрида-CSIC и Университета Ватерлоо, чья статья в Physical Review D (Bueno, Cano, Goelen, Hertog, and Vernocke, 2018) предполагает возможность того, что гравитационное излучение, обнаруженное LIGO, которое было интерпретировано как исходящее от столкновения двух черных дыр, могло иметь совершенно другое происхождение: столкновение двух вращающихся червоточин.Их идея основана на существовании границы или горизонта событий вокруг черных дыр, из-за чего гравитационные волны, возникающие в результате столкновения, такого как обнаруженное в 2016 году, прекращаются за очень короткий период времени. По мнению этих ученых, этого не произошло бы в случае червоточин, где такие горизонты событий не существуют. Там волны должны отражаться, создавая своего рода «эхо». Такие эхо-сигналы не были обнаружены, но это может быть связано с тем, что приборы не смогли этого сделать или не были к этому подготовлены.Это проблема, которую предстоит решить в будущем.

Множественные вселенные

Серьезное рассмотрение существования червоточин — «мостов» в пространстве-времени — может показаться входом в мир, в котором граница между наукой и научной фантастикой совсем не ясна, но история науки показала нам, что природа иногда доказывает нечто большее. удивительно, чем даже самый изобретательный человеческий ум. Итак, кто на самом деле знает, могут ли существовать червоточины на самом деле? В конце концов, до появления радиоастрономии ни один ученый не мог даже представить себе существование астрофизических структур, таких как пульсары или квазары.В самом деле, сама Вселенная, понимаемая как дифференцированная сущность, может в конечном итоге потерять свою самую фундаментальную характеристику: свое единство. За последнее десятилетие ученые стали уделять все более серьезное внимание возможности, возникшей как способ понимания коллапса волновой функции, тому факту, что в квантовой механике то, что в конечном итоге решает, какое из возможных состояний системы станет реальным (и как Вероятно, это явление) является самим наблюдением, поскольку до того, как это наблюдение имеет место, все состояния системы сосуществуют.Возможность мыслить другими терминами была представлена ​​молодым докторантом физики по имени Хью Эверетт III. В отличие от большинства своих коллег, его не убедила копенгагенская интерпретация квантовой механики, столь любимая влиятельным Нильсом Бором, особенно ее странная смесь классического и квантового миров. Волновая функция следует своим квантовым путем, пока не будет измерена, что относится к миру классической физики, после чего она схлопывается. Эверетт думал, что такая дихотомия между квантовым и классическим описанием составляет «философское чудовище». 1 Поэтому он предложил отбросить постулируемый коллапс волновой функции и попытаться включить в эту функцию наблюдателя.

До появления радиоастрономии ни один ученый не мог даже представить себе существование астрофизических структур, таких как пульсары или квазары. В самом деле, сама Вселенная, понимаемая как дифференцированная сущность, может в конечном итоге потерять свою самую фундаментальную характеристику: свою уникальность

.

Трудно выразить теорию Эверетта несколькими словами.Фактически, Джон Уиллер, который руководил его докторской диссертацией, не мог принять все ее содержание и призвал к различным пересмотрам его первоначальной работы, включая сокращение первой версии его тезиса и ограничение силы некоторых из его утверждений, несмотря на то, что он признал их ценность. Здесь я процитирую только отрывок (Everett III, 1957; Barrett and Byrne (eds.), 2012: 188–189) из статьи, опубликованной Эвереттом III (1957) в Reviews of Modern Physics, которая совпадает с окончательной версией. докторской диссертации (успешно защищена в апреле 1957 г.):

Таким образом, мы приходим к следующей картине: На протяжении всей последовательности процессов наблюдения существует только одна физическая система, представляющая наблюдателя, но не существует единственного уникального состояния наблюдателя […] Тем не менее, существует представление в терминах суперпозиция […] Таким образом, с каждым последующим наблюдением (или взаимодействием) состояние наблюдателя «разветвляется» на несколько различных состояний.Каждая ветвь представляет отдельный результат измерения и соответствующее собственное состояние для состояния объектной системы. Все ветви существуют одновременно в суперпозиции после любой данной последовательности наблюдений.

В этой цитате мы сталкиваемся с тем, что стало наиболее характерной чертой теории Эверетта. Но продвигал ее Брайс ДеВитт, а не Эверетт. Фактически, ДеВитт восстановил и модифицировал теорию Эверетта, превратив ее в «многомировую интерпретацию» (или мультивселенную) в сборнике работ Эверетта, который ДеВитт и Нил Грэм отредактировали в 1973 году под названием «Многомировая интерпретация квантовой теории» Механика (ДеВитт и Грэм [ред.], 1973). Ранее ДеВитт (1970) опубликовал привлекательную и, в конечном итоге, влиятельную статью в Physics Today, в которой была представлена ​​теория Эверетта под провокационным названием «Квантовая механика и реальность». Оглядываясь назад на этот текст, ДеВитт вспоминал (DeWitt-Morette, 2011: 95): «Статья Physics Today была намеренно написана в сенсационном стиле. Я ввел терминологию («расщепление», множественные «миры» и т. Д.), Которую некоторые люди не могли принять и против которой многие люди возражали, потому что, по крайней мере, ей не хватало точности.«Идеи и версия теории Эверетта, заложенные в презентации ДеВитта, которые были поддержаны и даже процветали в последнее время, заключаются в том, что волновая функция Вселенной, которая является единственной, которая действительно имеет смысл, согласно Эверетту, разделяется с каждым» измерения », порождающего миры и вселенные, которые затем разделяются на другие в неудержимой и бесконечной последовательности.

Идеи и версия теории Эверетта, заложенные в презентации ДеВитта, заключаются в том, что волновая функция Вселенной расщепляется с каждым «измерительным» процессом, порождая миры и вселенные, которые затем разделяются на другие в неудержимой и бесконечной последовательности

В своей статье Physics Today ДеВитт (1970: 35) писал, что: «Никакой эксперимент не может выявить существование« иных миров ».«Однако у этой теории есть педагогическое достоинство, заключающееся в том, что она четко выводит на передний план большинство фундаментальных вопросов теории измерений, обеспечивая тем самым полезную основу для обсуждения». Долгое время (в последние годы ситуация стала меняться) к идее мультивселенной не относились всерьез, а некоторые даже считали ее довольно нелепой, но кто знает, станет ли возможно когда-нибудь в будущем вообразить эксперимент, способный проверить идею о том, что могут существовать другие вселенные, и, если они существуют, будут ли законы физики такими же, как в нашей Вселенной, или другими.Конечно, если бы они были разными, как бы мы их идентифицировали?

Темная материя

До конца двадцатого века ученые думали, что, хотя нам еще многое предстоит узнать о ее содержании, структуре и динамике, мы знаем, из чего состоит Вселенная: из «обычной» материи, которую мы постоянно видим вокруг себя. , состоящий из частиц (и излучений / квантов), изучаемых физикой высоких энергий. На самом деле это не так. Разнообразные экспериментальные результаты, такие как внутреннее движение некоторых галактик, продемонстрировали существование материи неизвестного типа, называемой «темной материей», а также чего-то, называемого «темной энергией», которая отвечает за еще более быстрое расширение Вселенной. чем ожидалось.Текущие результаты показывают, что около пяти процентов Вселенной состоит из обычной массы, двадцать семь процентов — темная материя и шестьдесят восемь процентов — темная энергия. Другими словами, мы думали, что знаем о том, что мы называем Вселенной, хотя на самом деле это все еще в значительной степени неизвестно, потому что нам еще предстоит выяснить, что такое темная материя и темная энергия на самом деле.

На LHC были надежды, что кандидат в частицы темной массы может быть обнаружен. Существование этих вимпов (слабовзаимодействующих массивных частиц) предсказывается так называемой суперсимметрией, но результаты пока отрицательны.В одном конкретном эксперименте по обнаружению темной материи использовался большой подземный ксенон или детектор LUX в Стэнфордской подземной лаборатории, в котором участвовали около сотни ученых и инженеров из восемнадцати учреждений в Соединенных Штатах, Европе и, в меньшей степени, другие страны. Эта лаборатория, расположенная на глубине 1510 метров под землей в шахте в Южной Дакоте, содержит 370 килограммов сверхчистого жидкого ксенона, и эксперимент был направлен на обнаружение взаимодействия этих частиц с ним.Результаты этого эксперимента, который проводился с октября 2014 года по май 2016 года, также были отрицательными.

Суперсимметрия и темная материя

С теоретической точки зрения существует предложенная формулировка, которая может включать темную материю, то есть упомянутые выше «темные частицы» или вимпы. Он состоит из особого типа симметрии, известного как «суперсимметрия», наиболее характерной особенностью которой является то, что для каждой из известных частиц существует соответствующий «суперсимметричный спутник».«Теперь этот компаньон должен обладать особым свойством: его вращение должно быть на 1/2 меньше, чем у его известного партнера. Другими словами, один будет иметь спин, соответствующий целому числу, а другой — полуцелому числу; таким образом, одна из них будет бозоном (частица с целым спином), а другая — фермионом (частицами с полуцелым спином). В этом смысле суперсимметрия устанавливает симметрию между бозонами и фермионами и, следовательно, требует, чтобы законы природы были такими же, когда бозоны заменены фермионами, и наоборот.Суперсимметрия была открыта в начале 1970-х годов и была одной из первых в группе теорий других типов, которые породили много надежд на объединение четырех взаимодействий — привнесение гравитации в квантовый мир — и, таким образом, на выход за пределы Стандартной модели. Эта группа теорий известна как теория струн. 2 Хорошее резюме суперсимметрии было предложено Дэвидом Гроссом (2011: 163–164), одним из физиков, выдающихся своими работами в этой области:

Возможно, самый важный вопрос, с которым сталкиваются физики элементарных частиц, как теоретики, так и экспериментаторы, — это суперсимметрия.Суперсимметрия — чудесное теоретическое понятие. Это естественное и, вероятно, уникальное расширение релятивистской и общерелятивистской симметрий природы. Это также важная часть теории струн; действительно, суперсимметрия была сначала открыта в теории струн, а затем обобщена на квантовую теорию поля. […]

В суперсимметричных теориях для каждой частицы существует «суперпартнер» или «суперчастица». […] До сих пор мы не наблюдали суперпартнеров […] Но мы понимаем, что это, возможно, не удивительно.Суперсимметрия может быть точной симметрией законов природы, но спонтанно нарушенной в основном состоянии Вселенной. Многие симметрии, существующие в природе, самопроизвольно нарушаются. Пока масштаб нарушения суперсимметрии достаточно высок, мы бы еще не увидели ни одной из этих частиц. Если мы будем наблюдать эти частицы на новом ускорителе LHC, то, по сути, мы откроем новые квантовые измерения пространства и времени. […]

Суперсимметрия имеет много красивых особенностей.Он объединяет посредством принципов симметрии фермионы, кварки и лептоны (которые являются составными частями материи), бозоны (которые являются квантами силы), фотон, W, Z, глюоны в КХД и гравитон.

Стивен Хокинг (1942–2018) на борту модифицированного самолета Боинг 727, принадлежащего Zero Gravity Corporation. Джет выполняет серию крутых подъемов и погружений, которые создают короткие периоды невесомости из-за свободного падения. Во время этого полета Хокинг испытал восемь таких периодов.

После того, как Гросс предложил другие примеры достоинств симперсимметрии, он говорит о темной материи: «Наконец, суперсимметричные расширения стандартной модели содержат естественных кандидатов в WIMP из темной материи.Эти расширения, естественно, содержат среди суперсимметричных партнеров обычной материи частицы, которые обладают всеми предполагаемыми свойствами темной материи ».

Как указал Гросс, эксперименты на LHC были хорошим местом для поиска тех «суперсимметричных темных компаньонов», которые могут быть достаточно светлыми для обнаружения ускорителем ЦЕРН, хотя даже в этом случае их будет трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют ни с одной из них. с электромагнитной силой — они не поглощают, не отражают и не излучают свет — ни с сильным взаимодействием, потому что они также не взаимодействуют с «видимыми частицами».Тем не менее, они обладают энергией и импульсом (в противном случае они были бы «призраками» без каких-либо физических сущностей), что открывает двери для вывода об их существовании, применяя обычные законы сохранения энергии-импульса к тому, что видно после наблюдаемых частиц. столкнуться с WIMP. Тем не менее, никаких доказательств их существования на LHC пока не обнаружено. В любом случае проблема того, что на самом деле представляет собой темная материя, представляет собой великолепный пример слияния физики (физики элементарных частиц) с космологией и астрофизикой — еще одно указание на то, что эти поля иногда невозможно разделить.

Теории струн

Теории струн, упомянутые в отношении суперсимметрии, появились раньше, чем это произошло. Согласно теориям струн, основные частицы природы на самом деле представляют собой одномерные нити (чрезвычайно тонкие струны) в пространстве с гораздо большим количеством измерений, чем три пространственных и одно временное измерение, о которых мы знаем. Однако вместо того, чтобы говорить, что они «являются» или «состоят из» этих струн, мы должны сказать, что они «являются проявлениями» вибраций этих струн.Другими словами, если бы наши инструменты были достаточно мощными, вместо того, чтобы видеть «точки» с определенными характеристиками, которые мы называем, например, электроном, кварком, фотоном или нейтрино, мы бы увидели мельчайшие вибрирующие струны (концы которых могут быть открытыми или закрытыми). .

Первая версия теории струн возникла в 1968 году, когда Габриэле Венециано (1968) представила струнную модель, которая, по-видимому, описывала взаимодействие между частицами, подверженными сильному взаимодействию. Модель Венециано работала только для бозонов. Другими словами, это была теория бозонных струн, но она требовала геометрической структуры из двадцати шести измерений.Пьер Рамон (1971) первым сумел — в работе, упомянутой в сноске 2, в которой была представлена ​​идея суперсимметрии — расширить идею Венециано, включив в нее «фермионные моды колебаний», которые «только» требовали десятимерных пространств. С тех пор теория струн (или суперструн) развивалась во многих направлениях. Похоже, что разные ее версии сходятся в так называемой М-теории, которая имеет одиннадцать измерений. 3 В двух словах о Вселенной, Стивен Хокинг (2002: 54–57) наблюдал:

Я должен сказать, что лично мне не хотелось верить в дополнительные измерения.Но поскольку я позитивист, вопрос «действительно ли существуют дополнительные измерения?» Не имеет значения. Остается только спросить, дают ли математические модели с дополнительными измерениями хорошее описание Вселенной. У нас пока нет наблюдений, которые требовали бы дополнительных измерений для их объяснения. Однако есть вероятность, что мы можем наблюдать их на Большом адронном коллайдере в Женеве. Но что убедило многих людей, включая меня, в том, что к моделям с дополнительными измерениями следует относиться серьезно, так это то, что между моделями существует сеть неожиданных отношений, называемых дуальностями.Эти двойственности показывают, что все модели по существу эквивалентны; то есть это просто разные аспекты одной и той же базовой теории, получившей название М-теория. Не воспринимать эту паутину дуальностей как знак того, что мы на правильном пути, было бы все равно, что полагать, что Бог вложил окаменелости в скалы, чтобы ввести Дарвина в заблуждение относительно эволюции жизни.

В очередной раз мы видим, какие большие надежды возлагались на LHC, хотя, как я уже упоминал, они еще не оправдались.Конечно, это не означает, что некоторая теория струн, способная внести гравитацию в квантовый контекст, может на самом деле не оказаться верной. 4 Они, безусловно, достаточно заманчивы, чтобы привлечь внимание широкой публики, что можно увидеть в успехе упомянутого выше Хокинга или «Элегантной Вселенной» (1999), написанной Брайаном Грином, другим специалистом в этой области. В международном сообществе физиков (и математиков) есть две четко разграниченные группы. Некоторые думают, что только версия теории струн может в конечном итоге предоставить возможность осуществить долгожданную мечту об объединении четырех взаимодействий в великий квантовый синтез, превзойдя, таким образом, Стандартную модель и общую теорию относительности и обнаружив способы экспериментального доказательства этой теории.Другие полагают, что теории струн уделяется гораздо больше внимания, чем она заслуживает, поскольку это пока еще недоказуемая формулировка, более подходящая для математических условий, чем для физики (на самом деле, математика не только внесла большой вклад в теории струн, но и получила много внимания. Вряд ли один из самых выдающихся специалистов по теории струн, Эдвард Виттен, был удостоен Филдсовской медали в 1990 году, что считается наградой за математику, эквивалентную Нобелевской премии).Что касается будущего теории струн, было бы лучше процитировать выводы из недавней книги о них Джозефа Конлона (2016: 235–236), специалиста в этой области и профессора теоретической физики Оксфордского университета:

Что ждет теорию струн в будущем? Как описано в книге, в 2015 году «теория струн» существует как большое количество отдельных квазиавтономных сообществ. Эти сообщества работают над множеством тем, от чистой математики до феноменологического поиска данных, они имеют разные стили и используют разные подходы.Они есть во всех частях света. Этот предмет преподается в Филадельфии и Пхеньяне, в Израиле и в Иране людьми с самыми разными взглядами, внешностью и подготовкой. Их объединяет то, что они черпают вдохновение, идеи или методы из частей теории струн.

Понятно, что в ближайшей перспективе такая ситуация сохранится. Некоторые из этих сообществ будут процветать и расти по мере получения новых результатов, экспериментальных или теоретических.Другие будут сжиматься по мере того, как исчерпают шов, который они намеревались добыть. Я не могу сказать, какие идеи постигнет судьба — неожиданный экспериментальный результат может истощить старые субъекты и создать новое сообщество в течение нескольких недель.

Здесь Конлон делает паузу, чтобы сравнить математическое измерение теории струн с другими физическими теориями, такими как квантовая теория поля или гравитация, указывая на то, что «хотя они могут быть сформулированы на языке физики, по стилю эти проблемы гораздо ближе к проблемам. по математике.Вопросы не являются эмпирическими по своей природе и не требуют эксперимента для ответа ». Многие — возможно, подавляющее большинство физиков — не согласятся.

Согласно теории струн, основные частицы природы на самом деле представляют собой одномерные нити (чрезвычайно тонкие струны) в пространстве с гораздо большим количеством измерений, чем три пространственных и одно временное измерение, о которых мы знаем. Однако следует сказать, что они «являются проявлениями» колебаний этих струн

Примером теории струн, который затем представил Конлон, было «Соответствие AdS / CFT», теоретическая формулировка, опубликованная в 1998 году аргентинским физиком Хуаном Малдасена (1998), которая помогает при определенных условиях удовлетворять так называемому «голографическому принципу». (Вселенная понимается как своего рода голографическая проекция), чтобы установить соответствие между некоторыми теориями квантовой гравитации и любой совместимой полевой или квантовой хромодинамической теорией.(В 2015 году статья Малдасены была наиболее часто упоминаемой в физике высоких энергий, с более чем 10 000 цитат.) По словам Конлона: «Достоверность соответствия AdS / CFT проверялась тысячу раз, но эти проверки носят расчетный характер и не зависят от эксперимента ». Он продолжает:

Что насчет этого мира? Многие люди думают, что теория струн также может быть истинной теорией природы из-за удивительной правильности и согласованности теорий струн, таких как AdS / CFT? […]

Сможем ли мы когда-нибудь узнать, верна ли теория струн физически? Действительно ли уравнения теории струн справедливы для этой Вселенной в минимально возможных масштабах?

Каждый, кто когда-либо сталкивался с этим предметом, надеется, что теория струн может однажды продвинуться вперед на широкие залитые солнцем возвышенности науки, где предположения и опровержения спорят теоретики и экспериментаторы, как если бы они были шариками для пинг-понга.Для этого может потребоваться продвижение в теории; это, вероятно, требует прогресса в технологиях; это, безусловно, требует упорного труда и воображения.

В общем, будущее остается открытым для больших надежд на великую теорию, которая объединит описание всех взаимодействий и одновременно позволит продвинуться в познании самой базовой структуры материи.

Запутанность и криптография

Как мы хорошо знаем, квантовая запутанность бросает вызов человеческому воображению. С трудом большинство из нас в конечном итоге привыкает к концепциям, успешно продемонстрированным фактами, таким как индетерминизм (принцип неопределенности Гейзенберга 1927 года) или коллапс волновой функции (которая утверждает, как упоминалось выше, что мы создаем реальность, когда наблюдаем ее; до тех пор эта реальность — не более чем набор всех возможных ситуаций), но оказывается, что их гораздо больше.Еще одно из этих противоречивых следствий квантовой физики — запутанность — понятие и термин (Verschränkung на немецком языке), введенные Эрвином Шредингером в 1935 году и также предложенные в знаменитой статье, которую Эйнштейн опубликовал вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном в том же году. Запутанность — это идея о том, что две части квантовой системы находятся в мгновенном «сообщении», так что действия, влияющие на одну, будут одновременно влиять на другую, независимо от того, насколько далеко друг от друга. В письме Максу Борну в 1947 году Эйнштейн назвал это «фантасмагорическим действием на расстоянии [spukhafte Fernwirkung]».”

Квантовая запутанность существует, и за последнее десятилетие она неоднократно доказывалась. Одна особенно убедительная демонстрация была предоставлена ​​в 2015 году группами из Делфтского университета, Национального института стандартов и технологий США и Венского университета соответственно

.

Сейчас квантовая запутанность существует, и за последнее десятилетие она неоднократно доказывалась. Одна особенно убедительная демонстрация была предоставлена ​​в 2015 году группами из Делфтского университета, Национального института стандартов и технологий США и Венского университета соответственно.В своей статье (Herbst, Scheidl, Fink, Handsteiner, Wittmann, Ursin, and Zeilinger, 2015) они продемонстрировали запутывание двух ранее независимых фотонов друг от друга на расстоянии 143 км, что было расстоянием между их детекторами на Тенерифе и Ла-Пальме.

В таком мире, как наш, где коммуникации через Интернет и другие средства массовой информации проникают во все сферы общества и обуславливают их, запутанность представляет собой великолепный инструмент для обеспечения безопасности этих передач благодаря так называемой «квантовой криптографии».«В основе этого типа криптографии лежит квантовая система, состоящая, например, из двух фотонов, каждый из которых направляется к другому рецептору. Из-за запутанности, если один из этих рецепторов что-то изменит, это немедленно повлияет на другой, даже если они никоим образом не связаны. Что особенно важно для безопасности передачи, так это тот факт, что если кто-то попытается вмешаться, ему или ей придется принять какие-то меры, и это разрушит запутанность, вызывая обнаруживаемые аномалии в системе.

Строго говоря, обмен квантовой информацией основан на так называемом QKD, то есть «квантовом распределении ключей». 5 Что важно в этом механизме, так это квантовый ключ, который запутанный рецептор получает и использует для расшифровки сообщения. Две части системы имеют общий секретный ключ, который затем используется для кодирования и декодирования сообщений. Традиционные методы шифрования основаны на алгоритмах, связанных со сложными математическими операциями, которые трудно расшифровать, но не невозможно перехватить.Как я уже отмечал, такой перехват с квантовой криптографией просто невозможен.

Квантовая запутанность предвещает возможное создание глобального «квантового Интернета». Поэтому неудивительно, что недавно созданные компании, такие как Swiss ID Quantique (основанная в 2001 году как ответвление Группы прикладной физики Женевского университета), US MagiQ или австралийская QuintessenceLabs проявили значительный интерес к квантовой криптографии, а также такие известные фирмы, как HP, IBM, Mitsubishi, NEC, NTT и Toshiba.

В таком мире, как наш, где коммуникации через Интернет и другие средства массовой информации проникают во все сферы общества и обуславливают их, запутанность представляет собой великолепный инструмент для обеспечения безопасности этих передач благодаря так называемой «квантовой криптографии»

Одна проблема с квантовой криптографией заключается в том, что при использовании классических каналов связи, таких как оптическое волокно, сигнал ухудшается, потому что фотоны поглощаются или рассеиваются молекулами волокна (предел для отправки сообщений квантовой криптографии составляет около одного или двух городов. ).Классическая трансмиссия тоже ломается на расстоянии, но это можно исправить с помощью реле. Однако такого решения для квантовой передачи не существует, потому что, как упоминалось выше, любое промежуточное взаимодействие разрушает единство сообщения. Наилучшим «кабелем» для квантовой связи оказывается космический вакуум, и в этом смысле недавно был достигнут значительный прогресс. Команде под руководством Цзянь-Вей Пана из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе в сотрудничестве с Антоном Цайлингером (одним из величайших специалистов в области квантовых коммуникаций и вычислений) из Венского университета удалось посылать квантовые сообщения между ними. Ксинлун и Грац, находящиеся на расстоянии 7600 километров друг от друга, используют в качестве посредника китайский спутник Micius (выведенный на орбиту в 500 километрах от Земли в августе 2016 года). 6 Чтобы расширить диапазон своих действий, они использовали оптоволоконные системы, чтобы связать Грац с Веной и Синлун с Пекином. Таким образом, они провели безопасную семидесятипятиминутную видеоконференцию между Китайской и Венской академиями наук с использованием двух гигабайт данных — столько же, сколько требовалось для мобильных телефонов в 1970-х годах. Такие достижения предвещают создание спутниковых сетей, которые обеспечат безопасную связь всех видов (телефонные звонки, электронная почта, факсы) в новом мире, который позже будет включать в себя еще один инструмент, тесно связанный с квантовыми явлениями, которые мы уже обсуждали: квантовые вычисления, в котором квантовое перекрытие играет центральную роль.

Квантовая запутанность предвещает возможное создание глобального «квантового Интернета». Поэтому неудивительно, что такие хорошо зарекомендовавшие себя фирмы, как HP, IBM, Mitsubishi, NEC, NTT и Toshiba, проявили значительный интерес к квантовой криптографии

.

В то время как классические вычисления хранят информацию в битах (0, 1), квантовые вычисления основаны на кубитах (квантовых битах). Многие физические системы могут действовать как кубиты, включая фотоны, электроны, атомы и куперовские пары.Рассматриваемый с точки зрения фотонов, принцип квантового перекрытия означает, что они могут быть поляризованы либо по горизонтали, либо по вертикали, а также в комбинациях, лежащих между этими двумя состояниями. Следовательно, у вас есть большее количество единиц для обработки или хранения в вычислительной машине, и вы можете выполнять различные операции одновременно, то есть вы можете работать параллельно (каждый бит должен быть либо 1, либо 0, в то время как кубит может быть равен 1 и 0 одновременно, что позволяет выполнять несколько операций одновременно).Очевидно, что чем больше кубитов задействует квантовый компьютер, тем больше будет его вычислительная мощность. Количество кубитов, необходимых для того, чтобы превзойти компьютеры, оценивается в пятьдесят, и IBM недавно объявила, что превысила этот порог… хотя и всего на несколько наносекунд. Оказывается, действительно очень сложно удерживать кубиты запутанными (то есть невозмущенными) в течение необходимого периода времени. Это чрезвычайно сложно, потому что субатомные частицы нестабильны по своей природе. Поэтому, чтобы избежать того, что называется «декогеренцией», одна из основных областей исследований в области квантовых вычислений включает поиск способов минимизировать возмущающие эффекты света, звука, движения и температуры.Многие квантовые компьютеры строятся в вакуумных камерах с чрезвычайно низкими температурами именно по этой причине, но очевидно, что промышленность и правительства (особенно Китай, в настоящее время) прилагают значительные усилия для продвижения в области квантовых вычислений: например, Google и NASA. , используют квантовый компьютер, созданный канадской фирмой D-Wave Systems, Inc, которая первой продает машины такого типа, способные выполнять определенные типы операций в 3600 раз быстрее, чем самый быстрый в мире цифровой суперкомпьютер.

Другая возможность, связанная с квантовой запутанностью, — это телетранспортация, которую Игнасио Чирак (2011: 478) определил как «перенос неповрежденного квантового состояния из одного места в другое, осуществляемый отправителем, который не знает ни состояние, которое будет телетранспортировано, ни местоположение. получателя, которому оно должно быть отправлено ». Эксперименты по телетранспортировке уже проводились с фотонами, ионами и атомами, но предстоит еще долгий путь.

Физика в междисциплинарном мире

В предыдущих разделах я сосредоточился на развитии того, что мы могли бы назвать «самой фундаментальной физикой», но эта наука вовсе не ограничивается изучением «конечных» компонентов природы, объединением сил или применением наиболее важных компонентов. основные принципы квантовой физики.Физика состоит из широкой и разнообразной группы областей — конденсированных сред, низких температур, ядерных, оптических, электромагнетизма, жидкостей, термодинамики и т. Д. — и за последние десять лет во всех из них был достигнут прогресс. Более того, эти успехи, несомненно, будут продолжены в будущем. Было бы невозможно перечислить их все, но я действительно хочу сослаться на область, в которую физика может внести большой вклад: междисциплинарность.

Следует помнить, что природа едина и не имеет границ; практическая необходимость побудила людей основать их, создав дисциплины, которые мы называем физикой, химией, биологией, математикой, геологией и так далее.Однако по мере того, как наши знания о природе растут, становится все более и более необходимым выходить за эти границы и объединять дисциплины. Важно формировать группы специалистов — не обязательно большие — из разных научных и технических областей, но обладающих достаточными общими знаниями, чтобы понимать друг друга и сотрудничать для решения новых проблем, сама природа которых требует такого сотрудничества. Физики должны быть частью таких групп. Мы находим примеры междисциплинарности почти во всех условиях, одним из которых могут быть процессы, лежащие в основе атмосферных явлений.Сюда входят все виды наук: обмен энергией и температурные градиенты, излучение, получаемое от Солнца, химические реакции, состав атмосферы, движение атмосферных и океанских течений, биология животных и растений, объясняющая поведение и реакции животных. и виды растений, производственные процессы, социальные способы и механизмы транспортировки и так далее и так далее. Аналогичные доказательства дают исследования архитектуры и урбанистики. В случае изменения климата, энергетических ограничений, загрязнения атмосферы и агломерации в гигантских городах крайне важно углублять сотрудничество между архитектурой, урбанистикой, наукой и технологиями, не упуская из виду необходимость задействовать и другие дисциплины, включая психологию и социологию, которые связаны с изучением человеческого характера.Мы должны строить здания, которые сводят к минимуму потери энергии, и стараться достичь энергоэффективности, то есть устойчивости, которая стала модным словом в последние годы. К счастью, наряду с материалами с новыми тепловыми и акустическими свойствами, у нас есть элементы, разработанные наукой и технологиями, такие как солнечные батареи, а также возможность переработки органических отходов.

Природа едина и не имеет границ; практическая необходимость побудила людей основать их, создав дисциплины, которые мы называем физикой, химией, биологией, математикой, геологией и так далее.Однако по мере того, как наши знания о природе растут, становится все более и более необходимым выходить за эти границы и объединять дисциплины

Одним из особенно важных примеров, в котором явно участвует физика, является «Проект карты активности мозга», о котором тогдашний президент США Барак Обама публично объявил 2 апреля 2013 года. преемник великого проекта «Геном человека», которому удалось сопоставить гены, состоящие из наших хромосом.Он направлен на изучение сигналов нейронов и определение того, как их поток через нейронные сети превращается в мысли, чувства и действия. Нет никаких сомнений в важности этого проекта, который сталкивается с одной из величайших проблем современной науки: получением глобального понимания человеческого мозга, включая его самосознание. В своей презентации Обама выразил надежду, что этот проект также проложит путь для развития технологий, необходимых для борьбы с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также новых методов лечения различных психических заболеваний и достижений в области искусственного интеллекта. интеллект.

Достаточно прочитать заголовок статьи, в которой группа ученых представила и защитила этот проект, чтобы признать его междисциплинарный характер и присутствие в нем физики. Опубликованный в обзоре Neuron в 2012 году он был озаглавлен «Проект карты активности мозга и проблема функциональной коннектомики» и был подписан шестью учеными: Полом Аливисатосом, Миюнг Чун, Джорджем Черчем, Ральфом Гринспеном, Майклом Роуксом и Рафаэлем Юсте ( 2012).

Цветная сканирующая электронная микрофотография (СЭМ) наноструктур, сформированных на поверхности ванадия и оксидов ванадия под действием лазерного луча на диоксиде углерода.Полученные наноструктуры могут найти применение в различных формах электроники и нанотехнологий.

Не менее заслуживают внимания нанонаука и нанотехнологии. Атомный мир — одно из мест встречи естественных наук и основанных на них технологий. В конечном итоге атомы и частицы, из которых они состоят (протоны, нейтроны, электроны, кварки и т. Д.), Являются «строительными блоками мира». До относительно недавнего времени не было области исследований — я имею в виду нанотехнологию и нанонауку, — в которых эта общая база показывала бы так много потенциальных приложений в различных дисциплинах.Эти области исследований и разработок обязаны своим названием измерению длины, нанометру (нм), который составляет одну миллиардную часть метра. Нанотехнология включает в себя любую отрасль науки или технологий, которая исследует или использует нашу способность управлять материей и манипулировать ею в масштабах от 1 до 100 нм. Достижения в области нанотехнологий позволили разработать наноматериалы и наноустройства, которые уже используются в различных условиях. Например, можно обнаружить и локализовать раковые опухоли в организме, используя раствор наночастиц золота размером 35 нм, поскольку канцерогенные клетки обладают белком, который реагирует на антитела, которые прикрепляются к этим наночастицам, что позволяет обнаруживать злокачественные клетки. .Фактически, медицина — особенно подходящая область для нанотехнологий, и это дало начало наномедицине. Любовь людей к компартментализации привела к тому, что эту область часто делят на три большие области: нанодиагностика (разработка изображений и методов анализа для выявления заболеваний на их начальных стадиях), нанотерапия (поиск методов лечения на молекулярном уровне, которые воздействуют непосредственно на пораженные участки). клетки или патогенные участки) и регенеративная медицина (контролируемый рост искусственных тканей и органов).

Одним из особенно важных примеров, в котором явно участвует физика, является «Проект карты активности мозга», о котором тогдашний президент США Барак Обама публично объявил 2 апреля 2013 года. преемник великого проекта «Геном человека», которому удалось сопоставить гены, состоящие из наших хромосом

Всегда сложно и рискованно предсказывать будущее, но я не сомневаюсь, что это будущее будет включать в себя всевозможные события, которые мы сейчас считаем невообразимыми сюрпризами.Одной из них вполне может быть возможность, которую недавно предположил Фриман Дайсон (2011), который всегда любит предсказания. Он называет это «радионеврологией», и идея состоит в том, что по мере расширения наших знаний о функциях мозга мы сможем использовать миллионы микроскопических датчиков для наблюдения за обменами между нейронами, которые приводят к мыслям, чувствам и т. Д., И преобразовывать их. в электромагнитные сигналы, которые может принимать другой мозг, оснащенный аналогичными датчиками. Затем этот второй мозг будет использовать их для восстановления мыслей излучающего мозга.Станет ли это разновидностью радиотелепатии?

Эпилог

Мы живем между прошлым и будущим. Настоящее постоянно ускользает между нашими пальцами, как увядающая тень. Прошлое предлагает нам воспоминания и приобретенные знания, проверенные или еще не проверенные, бесценное сокровище, прокладывающее путь вперед. Конечно, мы действительно не знаем, куда это нас приведет, какие новые характеристики появятся, будет ли это плавание легким или нет. Несомненно то, что будущее будет другим и очень интересным.И физика, как и все другие науки, будет играть важную и увлекательную роль в формировании этого будущего.

Банкноты

1. Эверетт — Брайсу ДеВитту, 31 мая 1957 г .; письмо воспроизведено в Barret and Byrne (eds.) (2012: 255).

2. На самом деле суперсимметрия действительно открывалась трижды. Сначала Пьер Рамонд, французский физик из Университета Флориды, сначала один, но затем в сотрудничестве с Андре Неви и Джоном Шварцем; однако контекст, в котором они ввели эту новую симметрию, был очень абстрактным, и было неясно, имеет ли она какое-либо отношение к элементарным частицам.Примерно в то же время Юрий Гольфанд, Евгений Лихтман, а затем Дмитрий Волков и Владимир Акулов описали это в произведении, которое никогда не покидало Советский Союз. Именно работа Джулиуса Весса и Бруно Зумино (1974) привлекла внимание физиков, занимающихся высокими энергиями, хотя долгое время она считалась чисто теоретической спекуляцией.

3. Идея состоит в том, что эти дополнительные измерения не проявляются из-за явления, известного как «компактификация». Они существуют на субатомных масштабах и замыкаются на себя, образуя круги

4.Ожидания относительно результатов, которые можно было бы получить на LHC как по темной материи, так и по теории струн, оставались неизменными в течение (слишком многих?) Лет. Одним из ярких примеров в этом смысле является Эдвард Виттен, о котором я скоро расскажу больше, который написал в своем вкладе в книгу, посвященную шестидесятилетию Стивена Хокинга (Witten 2003: 461): «Есть только одно важное открытие, на которое я могу указать. насколько это возможно в этом десятилетии. Это открытие не является теоретическим […]. Это открытие, вероятно, произойдет в Фермилаборатории с Тэватроном […] или в ЦЕРНе с LHC.«Тэватрон прекратил свою деятельность в 2011 году.

5. Об этом и других вопросах, которые я расскажу ниже, см. Zeilinger (2011).

6. Результаты были объявлены в статье, опубликованной в 2018 году и подписанной тридцатью шестью исследователями, из которых двадцать семь были китайцами и девять — австрийцами. Они принадлежали одиннадцати китайским учреждениям и трем австрийским: Sheng-Kai Liao et al. (2018).

Библиография

—Abbott, B.P. et al. 2016. «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойных черных дыр.”Physical Review Letters 116: 061102.
—Abbott, B.P. et al. 2017. «Наблюдение гравитационных волн от двойной нейтронной звезды на спирали». Physical Review Letters 119: 161101.
— Аливисатос, Пол, Чун, Миюнг, Черч, Джордж, Гринспен, Ральф, Роукс, Майкл, и Юсте, Рафаэль. 2012. «Проект карты активности мозга и проблема функциональной коннектомики». Нейрон 74: 970–974.
— Барретт, Джеффри А. и Бирн, Питер (ред.). 2012. Интерпретация квантовой механики Эверетта.Принстон: Издательство Принстонского университета.
— Бернштейн, Джереми. 2012a. «Палитра частиц». Американский ученый 100 (2): 146–155. Воспроизведено у Бернштейна (2012b).
— Бернштейн, Джереми. 2012b. «Un abanico de partículas». Investigación y Ciencia 432: 24–33.
— Буэно, Пабло, Кано, Пабло А., Гелен, Фредерик, Хертог, Томас и Вернок, Берт. 2018. «Отголоски керровских кротовых нор». Physical Review D 7: 024040.
—Chiao, Raymond Y., Cohen, Marvin L., Legget, Anthony J., Phillips, William D., и Харпер младший, Чарльз Л. (ред.). 2011. Видения открытий. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
—Cirac, J. Ignacio. 2011. «Квантовая информация». В Chiao et al. (ред.), 471–495.
— Конлон, Джозеф. 2016. Почему теория струн? Бока-Ратон: CRC Press.
—ДеВитт, Брайс. 1970. «Квантовая механика и реальность». Физика сегодня 23: 30–35.
— ДеВитт, Брайс и Грэм, Нил (ред.). 1973. Многомировая интерпретация квантовой механики. Принстон: Издательство Принстонского университета.
— ДеВитт-Моретт, Сесиль.2011. Погоня за квантовой гравитацией. Воспоминания Брайса ДеВитта с 1946 по 2004 год. Гейдельберг: Springer.
— Дайсон, Фриман. 2011. «Будущее науки». В Chiao et al. (ред.), 39–54.
— Эйнштейн, Альберт и Розен, Натан. 1937. «О гравитационных волнах». Журнал Института Франклина 223: 43–54.
— Энглерт, Франсуа, и Браут, Роберт. 1964. «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов». Physical Review Letters 13: 321–323.
— Эверетт III, Хью. 1957. «Формулировка« относительного состояния »квантовой механики.Обзоры современной физики 29: 454–462.
— Гелл-Манн, Мюррей. 1995. Эль-кварк и эль-ягуар. Барселона: Tusquets (оригинальный английский: Quark и Jaguar, 1994).
— Грин, Брайан. 1999. Элегантная Вселенная. Нью-Йорк: У. В. Нортон.
— Гросс, Дэвид Дж. 2011. «Основные неизвестные в физике элементарных частиц и космологии». В Chiao et al. (ред.), 152–170.
— Гуральник, Джеральд С., Хаген, Карл Р. и Киббл, Томас В. 1964 г.) «Глобальные законы сохранения и безмассовые частицы». Physical Review Letters 13: 585–587.
— Хокинг, Стивен. 2002. El universo en una cáscara de nuez. Барселона: Критика (оригинальный английский: Вселенная в двух словах, 2001).
— Хербст, Томас, Шейдл, Томас, Финк, Маттиас, Хандштайнер, Йоханнес, Виттманн, Бернхард, Урсин, Руперт и Цайлингер, Антон. 2015. «Телепортация запутанности на 143 км». Труды Национальной академии наук 112: 14202–14205.
—Higgs, Peter W. 1964a. «Нарушенные симметрии, безмассовые частицы и калибровочные поля». Письма в обзоре физики 12: 132–201.
—Higgs, Peter W. 1964b. «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов». Physical Review Letters 13: 508–509.
—Малдасена, Хуан М. 1998. «Предел больших N суперконформных теорий поля и супергравитации». Успехи теоретической и математической физики 2: 231–252.
—Mather, John C. et al. 1990. «Предварительное измерение спектра космического микроволнового фона спутником Cosmic Background Explorer (COBE)». Астрофизический журнал 354: L-37-L40.
— Рамон, Пьер.1971. «Двойственная теория свободных фермионов». Physical Review D 3: 2415–2418.
—Sheng-Kai Liao et al. 2018. «Межконтинентальная квантовая сеть с ретрансляцией спутников». Physical Review Letters 120: 030501.
—Smoot, George et al. 1992. «Структура карт первого года работы дифференциального микроволнового радиометра COBE». Астрофизический журнал 396: L1-L5.
— Торн, Кип С. 1994. Черные дыры и искажения времени. Нью-Йорк: У. В. Нортон.
— Торн, Кип С. 1995. Agujeros negros y tiempo curvo. Барселона: Критика.
— Венезиано, Габриэле.1968. «Построение кросс-симметричной амплитуды реджевского поведения для линейно восходящих траекторий». Nuovo Cimento A 57: 190–197.
— Вайнберг, Стивен. 2011. «Физика элементарных частиц, от Резерфорда до LHC». Физика сегодня 64 (8): 29–33.
— Весс, Юлиус и Зумино, Бруно. 1974. «Преобразования суперкадров в четырех измерениях». Physics Letters B 70: 39–50.
— Виттен, Эдвард. 2003. «Прошлое и будущее теории струн». В будущем теоретической физики и космологии. Отмечая 60-летие Стивена Хокинга, Г.У. Гиббонс, Э. П. С. Шеллард и С. Дж. Рэнкин (ред.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 455–462.
— Цейлингер, Антон. 2011. «Квантовая запутанность: от фундаментальных вопросов до квантовой коммуникации и квантовых вычислений и обратно». В Chiao et al. (ред.), 558–571.

5 самых революционных научных достижений десятилетия

Когда мы смотрим в футуристически звучащий 2020 год, настало время задуматься о прошедшем десятилетии. За последние 10 лет мир стал свидетелем довольно крупных научных достижений, поскольку открытия и разработки, делавшиеся десятилетиями, были наконец осуществлены.Новый Атлас подводит итоги пяти самых революционных и важных вех 2010-х годов.

Бозон Хиггса

На этом графике показано образование бозона Хиггса в CERN

ATLAS Collaboration

.

В 2012 году в ЦЕРНе была обнаружена новая элементарная частица, которая привлекла внимание всего мира — даже тех, кто обычно не знаком с новостями физики элементарных частиц. Но это потому, что это была необычная частица.Этим новичком был не кто иной, как бозон Хиггса.

Хотя бозон Хиггса, возможно, захватил общественное воображение из-за его драматичного, но неточного прозвища «частица Бога», он стал невероятно захватывающей находкой по ряду причин. Это была последняя элементарная частица, предсказанная Стандартной моделью физики элементарных частиц, она придает массу другим элементарным частицам, и ученые охотились за ней почти 50 лет.

До 1960-х годов у Стандартной модели была небольшая проблема: согласно ее предсказаниям, элементарные частицы, называемые бозонами, не должны иметь массы, но наблюдения показывают, что это так.В 1964 году три группы ученых независимо друг от друга разработали аналогичные механизмы набора массы.

Согласно преобладающей идее, квантовое поле равномерно пронизывает Вселенную. Бозоны чувствуют это поле, которое их замедляет и придает им массу. Это поле будет опосредовано совершенно новым бозоном, который еще предстоит открыть — и этого не будет в ближайшие 48 лет.

Предсказанное поле, механизм и бозон в конечном итоге были названы в честь Питера Хиггса, одного из физиков, который первым его предложил.

И действительно, в 2012 году ученые из Большого адронного коллайдера ЦЕРН наконец нашли частицу, соответствующую предсказанным свойствам бозона Хиггса. Дальнейшие исследования позже подтвердили, что это неуловимый Хиггс, и двое исследователей, ответственных за его предложение — сам Хиггс и Франсуа Энглер, физик из другой команды — были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года.

Спустя годы дальнейшие эксперименты в ЦЕРНе показали, что все измерения бозона Хиггса, включая его спин, четность, массу и взаимодействия с другими частицами, согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Завершая полувековую охоту за Святым Граалем физики элементарных частиц, бозон Хиггса, несомненно, является одним из самых важных научных достижений десятилетия.

Редактирование генов CRISPR

Система редактирования генов CRISPR была одним из крупнейших научных достижений десятилетия.

Возможность редактировать гены живых людей и других организмов была основным продуктом научной фантастики на протяжении десятилетий — и в этом десятилетии она стала реальностью.Система редактирования генов CRISPR готова произвести революцию в медицине, потенциально помогая нам бороться с такими серьезными проблемами, как рак и ВИЧ, а также решать проблемы, не связанные со здоровьем. Но, конечно, не обошлось и без разногласий.

Кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами (CRISPR) — это семейство последовательностей ДНК, которые естественным образом используются бактериями в качестве механизма самозащиты. В последние годы ученые поняли, что они могут использовать этот механизм в качестве инструмента для генной инженерии, объединив CRISPR с направляющей последовательностью РНК и ферментом, обычно Cas9.

При использовании в клетках или живых организмах направляющая РНК направляет инструмент в нужный участок ДНК, где фермент Cas9 аккуратно разрезает его. Это можно использовать, чтобы вырезать проблемные гены — например, вызывающие заболевания — и вставить новые, полезные.

На данный момент этот метод показал себя многообещающим в борьбе со многими различными заболеваниями, включая традиционно сложные, такие как рак, ВИЧ, мышечная дистрофия, прогерия, а также генетические формы слепоты и сердечных заболеваний.

Но потенциал CRISPR не ограничивается редактированием.Мы можем редактировать растения, чтобы получить урожай с лучшими урожаями или питательными веществами, редактировать насекомых, чтобы они не распространяли болезни, или редактировать свиней, чтобы вырастить человеческие органы для трансплантации.

Конечно, каким бы многообещающим ни казался CRISPR, этот инструмент поднимает этические вопросы, которые все еще находятся в процессе решения. Исследования показали, что CRISPR повышает вероятность развития рака в клетке и может вызвать непреднамеренные мутации по всему геному. Эти результаты горячо обсуждаются.

Все достигло апогея в ноябре 2018 года, когда китайские ученые объявили о рождении девочек-близнецов как первых в мире человеческих младенцев, отредактированных с помощью CRISPR.Профессор Цзянькуй Хэ и его команда ввели в эмбрион механизм CRISPR, удалив ген, известный как CCR5. При этом у девочек должен выработаться иммунитет к ВИЧ.

Проблема в том, что эксперимент проводился в основном тайно, в обход многолетних споров об этике. Некоторые ученые отметили, что функция CCR5 плохо изучена, и ее удаление может сделать девочек более восприимчивыми к распространенным заболеваниям, таким как грипп.

После этого безрассудного шага прозвучали призывы к мораторию на редактирование зародышевой линии человека до тех пор, пока эти этические вопросы не будут разрешены.

Несмотря на это, испытания CRISPR на людях все еще продолжаются — только не на эмбрионах. Они начались в Китае в 2016 году, пытаясь бороться с раком легких, но результаты еще не опубликованы. В 2019 году в США стартовали два испытания, одно из которых было направлено на три типа рака, а другое — серповидно-клеточную анемию, с чрезвычайно многообещающими ранними результатами.

Возможно, это было тяжелое начало, но редактирование генов CRISPR, вероятно, войдет в историю как один из самых важных достижений в медицине, а также в областях, о которых мы еще даже не думали.

Гравитационные волны

Художественный слепок двух черных дыр, создающих гравитационные волны

LIGO / T. Пайл

В 2015 году физики обнаружили рябь в самой ткани пространства-времени, когда они омыли Землю после путешествия на расстояние более миллиарда световых лет. Это подтвердило предсказание, сделанное не кем иным, как Альбертом Эйнштейном столетие назад.

Когда Эйнштейн в 1916 году выдвинул свою общую теорию относительности, это подразумевало, что определенные события, связанные с объектами огромной массы, будут генерировать ударные волны в самом пространстве-времени — явление, которое стало называться гравитационными волнами.

Хотя они созданы некоторыми из самых энергичных событий во Вселенной, к тому времени, когда эти волны достигают Земли, они лишь искажают реальность меньше, чем ядро ​​атома. Это, конечно, сделало невозможным их обнаружение в течение почти 100 лет — пока технологии, наконец, не догнали.

Ответственная технология — лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн (LIGO), расположенная в двух огромных объектах в Луизиане и Вашингтоне. Каждый из этих парных детекторов состоит из двух (2.5-ми) тоннелей в форме буквы L. Чрезвычайно точные инструменты следят за лазерами, излучаемыми по этим туннелям, на предмет незначительных возмущений в лучах, которые можно отнести к гравитационным волнам, омывающим объект.

И действительно, 14 сентября 2015 года оба детектора LIGO уловили свой первый сигнал. Волны образовались в результате столкновения двух черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от нас.

Десятки сигналов поступили со времени первого обнаружения, обнаруженного LIGO, а также объектом Virgo в Италии, который был запущен в 2017 году.Большинство из них возникло в результате слияния двух черных дыр, но другие включают в себя черную дыру, поглощающую нейтронную звезду, и столкновение двух нейтронных звезд.

Именно последний сценарий дал нам самое впечатляющее шоу фейерверков. Вскоре после обнаружения одной гравитационной волны в 2017 году обсерватории по всему миру обнаружили целый ряд электромагнитных сигналов от одного и того же источника, включая световые волны, гамма-всплеск, рентгеновские лучи и радиоволны.

За решение вековой тайны Нобелевская премия по физике 2017 года была присуждена физикам Райнеру Вайсу, Кипу Торну и Барри Баришу за их роль в первом обнаружении гравитационных волн.

Это еще не конец истории. LIGO получил обновление в апреле 2019 года, и в будущем планируется сделать его еще более чувствительным. Обсерватория KAGRA в Японии также должна присоединиться к охоте в декабре. Вместе можно подбирать более тихие и далекие события, открывая еще больше загадок космоса.

Стрела экзопланеты

Изображение художника о семи планетах системы TRAPPIST-1 в сравнении с Землей

ESO / M.Корнмессер

На протяжении истории человечества мы постоянно уменьшали масштаб, чтобы получить более широкое представление о нашем месте во Вселенной. Наш мир расширился с одного континента на всю Землю. Затем мы поняли, что Земля — ​​не центр всего, а всего лишь одна из нескольких планет, вращающихся вокруг Солнца. В конце концов мы обнаружили, что даже наша Солнечная система не особенная, а одна из бесчисленного множества подобных. И в этом десятилетии мы впервые по-настоящему взглянули на то, как много других существует.

Первые несколько экзопланет — планеты, вращающиеся вокруг звезды, отличной от Солнца, — были обнаружены еще в 1990-х годах, но ситуация не улучшилась до запуска космического телескопа Кеплера в 2009 году.Эта обсерватория была предназначена для одновременного наблюдения за 150 000 звезд и отслеживания того, как часто их свет тускнеет. Если был замечен регулярный узор, это означало, что между звездой и Землей проходила планета.

Используя эту технику (известную как метод перехода), Кеплер обнаружил более 2600 экзопланет за девять лет своего существования. С помощью других проектов, таких как HARPS, WASP и TESS, это число выросло до 4100 человек. И мы можем сделать много выводов о том, на что похожи эти миры, изучая их атмосферу, состав, массу, какие типы звезд они вращаются и как далеко они находятся от этих звезд.

Из этого мы узнали о всевозможных невероятных планетах, достойных мясных научно-фантастических историй. Есть водные миры, черные как смоль планеты и некоторые из них горячее звезд. Есть планета, состоящая из одного гигантского алмаза, а другая — с облаками из рубинов и сапфиров. В других случаях идет дождь из камней, стекла или солнцезащитного крема.

Но, пожалуй, самые интригующие экзопланеты из всех — это те, которые больше похожи на Землю. В конце концов, это лучшие кандидаты для нас, чтобы наконец ответить на вопрос: «Мы одни во Вселенной?» И оказалось, что потенциально обитаемые экзопланеты довольно распространены.

Один из крупнейших захватов произошел в 2017 году, когда было обнаружено семь скалистых экзопланет размером примерно с Землю, вращающихся вокруг TRAPPIST-1. Три из этих орбит находятся в пределах обитаемой зоны холодного красного карлика, и последующие исследования показали, что там может присутствовать значительное количество воды, что делает их одними из лучших претендентов на обитаемые планеты за пределами нашей Солнечной системы.

И мы только начинаем. В ближайшие несколько лет планируется запустить еще много проектов, посвященных поиску новых миров или подробному изучению известных.Мы не будем слишком удивлены, если в нашу следующую сводку «обзоров десятилетия» будет включено обнаружение внеземной жизни.

Климатический кризис

Айсберг в Антарктиде, замеченный во время экспедиции НАСА

НАСА / Джейн Петерсон

Возможно, это не самое лучшее достижение, но за последнее десятилетие мы побили больше климатических рекордов, чем когда-либо в истории человечества. По мере того как последствия изменения климата стали более заметными, эта проблема в последнее время действительно оказалась в центре внимания общественности.Новые исследования выявили масштабы ситуации, и были приняты планы по ее устранению.

Неоспоримые доказательства показывают резкий скачок уровней углекислого газа (CO2) в атмосфере примерно после 1750 года — не совсем случайно, примерно во время промышленной революции. Как прямой результат, приземные температуры во всем мире с тех пор неуклонно повышаются, причем особенно резкий скачок произошел во второй половине 20-го века. Это, в свою очередь, приводит к множеству побочных эффектов.

Несмотря на то, что мы знаем об этом уже давно, в последнее десятилетие в науке преобладали изменения климата, поскольку ощутимые последствия начинают вспыхивать. По данным NASA и NOAA, 2016 год был самым жарким годом с момента начала рекордов в 1880 году, и первая пятерка — это последняя пятерка. Июль 2019 года стал рекордсменом по количеству самого жаркого месяца.

Другие недавние исследования показали, что это избыточное тепло делает с миром. Отчет о состоянии климата за 2018 год показал, что экстремальные погодные явления, такие как ураганы, наводнения, засухи и лесные пожары, становятся все более интенсивными и распространенными.Ледники и полярный лед сокращаются, а уровень моря повышается.

В 2015 году содержание CO2 в атмосфере превысило 400 частей на миллион впервые примерно за три миллиона лет. Это также означает, что океаны поглощают больше газа, что делает их более кислыми. Комбинация более теплой и более кислой воды привела к тому, что Большой Барьерный риф Австралии пострадал от последовательных событий обесцвечивания в 2016 и 2017 годах. Хотя он пережил аналогичные травмы в далеком прошлом, эксперты полагают, что текущие изменения произошли слишком быстро, чтобы Риф смог полностью оправиться от.

Но надежда еще есть. В 2015 году почти 200 стран подписали Парижское соглашение, пообещав сократить выбросы парниковых газов, чтобы не допустить повышения глобальной температуры на 2 ° C (3,6 ° F) по сравнению с доиндустриальным уровнем. В отчетах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится, что для достижения этих целей потребуются беспрецедентные изменения во всех аспектах жизни общества — и если климатические забастовки и протесты 2019 года являются каким-либо признаком, общество отдает предпочтение этой идее.

На этом мы завершаем наш взгляд на пять наиболее значительных научных достижений десятилетия — но, конечно, есть и другие кандидаты.Так что же твой голос? Дайте нам знать в комментариях ниже.

New Scientist составляет 10 лучших открытий десятилетия

В 2010-е годы произошли огромные успехи в науке и технологиях. Оживите лучшие моменты с нашим окончательным рейтингом десятилетия

Космос

18 декабря 2019 г.

CERN

В 2010-е годы произошел огромный скачок в физике, генетике, археологии и технологиях.Вот наша подборка лучших

1. Бозон Хиггса

Потребовалось четыре года, тысячи людей и самая большая машина в мире, но в 2012 году физики элементарных частиц из ЦЕРН объявили об открытии бозона Хиггса. Частица помогает объяснить, почему все другие частицы во Вселенной имеют массу, и ее открытие завершило стандартную модель физики элементарных частиц.

2. CRISPR

В 2012 году был раскрыт весь потенциал генной инженерии с помощью дешевой и простой системы CRISPR для редактирования ДНК.Его использование с тех пор резко возросло, в том числе, к сожалению, широко осуждаемое создание в Китае первых младенцев с генетической редакцией в 2018 году.

3. Гравитационные волны

В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал, что пространство-время — ткань Вселенной — нарушается странной рябью, известной как гравитационные волны. Ровно столетие спустя коллаборация с лазерным интерферометром и обсерваторией гравитационных волн объявила, что наконец-то обнаружила эти волны, исходящие от пары сливающихся черных дыр.

4. AlphaGo

Десятилетие характеризовалось достижениями в области искусственного интеллекта, но вершиной достижений в области машин стала AlphaGo. Программное обеспечение, разработанное DeepMind, победило ведущего игрока Ли Седола в настольной игре Go в потрясающем матче со счетом 4: 1 в 2016 году.

5. Генная терапия Лейлы

В 2015 году годовалую девочку вылечили от рака, не похожего ни на что другое. Врачи больницы Грейт-Ормонд-стрит в Лондоне передали малышке Лейле иммунные клетки от донора, которые они генетически модифицировали, чтобы уничтожить клетки, вызывающие ее лейкемию, и спасти ее жизнь.

6. Денисовцы

В 2010 году исследователи объявили об открытии кости пальца человека, которая генетически отличается как от современных людей, так и от неандертальцев, что усложняет историю наших предков. Они назвали этот новый вид денисовцами в честь Денисовой пещеры в Сибири, Россия, где была найдена кость. Более поздние открытия в пещере включали в себя другие останки этих загадочных людей, в том числе объявление 2018 года о гибриде с матерью-неандертальцем и отцом-денисовцем. Генетический анализ также показал, что сегодня есть люди, несущие денисовскую ДНК.

7. Квантовое превосходство

В этом десятилетии усилия по разработке квантовых компьютеров постепенно набирали обороты, кульминацией которых стало объявление Google о квантовом превосходстве в 2019 году. Фирма разработала первый квантовый компьютер, способный выполнять вычисления, с которыми не может сравниться ни один классический суперкомпьютер на Земле.

8. Проксима Центавра b

Когда началось десятилетие, мы знали о 450 планетах за пределами нашей Солнечной системы. Теперь это число выросло до более чем 4000. Самым значительным из всех было открытие Проксимы Центавра b в 2016 году, ближайшей известной экзопланеты, на расстоянии 4 км.2 световых года от Земли.

9. Трансплантация лица

Первая полная трансплантация была проведена в 2010 году. В ходе 24-часовой операции одному испанскому фермеру, случайно застрелившемуся, удалили остатки лица, оставив только его глазные яблоки и язык. Остальное заменили на все лицо мертвого донора.

10. Ричард III

На автостоянке в Лестере, Великобритания, была сцена, достойная Шекспира. В 2012 году группа генетиков и историков объявила, что они раскопали останки Ричарда III, бывшего короля Англии.На скелете были обнаружены признаки искривления позвоночника, а данные ДНК его потомков подтвердили находку.

Подробнее по этим темам:

Современная физика: история, теории и практический опыт виртуальных лабораторий

Введение

Возникновение и развитие современной физики стало гигантским скачком в истории человечества. Это потому, что основные теории современной физики изменили наше восприятие Вселенной и вызвали невероятную научную революцию.

Современная физика — это раздел физики, который включает постньютоновские концепции в мире физики. В его основе лежат два главных прорыва двадцатого века: теория относительности и квантовая теория.

Термин «современная физика» означает современную физику. Этот термин относится к прорыву, который произошел после законов Ньютона, уравнений Максвелла и термодинамики, этих законов, известных как «классическая» физика.

Итак, современную физику можно считать самым последним шагом в истории физики.Эта история восходит к древней Греции, старой Индии, старому Китаю, исламскому миру и средневековой Европе. Затем произошла научная революция, основанная на идеях Николая Коперника, Галилео Галилея, Рене Декарта, Исаака Ньютона и других.

В этой статье мы собираемся взглянуть на историю физики в те времена и на эволюцию основных теорий современной физики. Кроме того, мы обсудим некоторые из самых популярных принципов современной физики, используя практический опыт, предоставленный виртуальной лабораторией современной физики от PraxiLabs.

Эта статья также будет включать краткие заметки о двух главных достижениях современной физики в начале двадцатого века: теории относительности и квантовой физике.

Классическая физика и до этого

Физика — это отрасль науки, основными объектами изучения которой являются материя и энергия. И сегодня она разветвляется на классическую физику и современную физику.

А как же его история? Как началась физика?

Физика Древней Греции:

Древняя Греция

До архаического периода в истории Греции люди объясняли каждое природное явление сверхъестественными, религиозными или мифологическими объяснениями.Это было преобладающим мышлением, пока его не изменил Фалес Милетский.

Фалес Милетский был греческим математиком и астрономом, которого называли «отцом науки». Он первым сказал, что каждое событие имеет естественную причину. И он предположил, что вода — это строительный блок всей материи. Затем Анаксимандр аргументировал теорию Фалеса и предположил, что основным элементом является другое вещество под названием Апейрон.

За этими философами последовали другие, такие как Гераклит, Парменид, Эмпедокл, Зенон Элейский и Демокрит.Они основали догократическую философию , древнегреческую философию, которая существовала до Сократа и не находилась под его влиянием.

И одним из самых важных достижений этого периода было развитие теории атомизма, которая была впервые предложена Левкиппом и его учеником Демокритом. Они обсуждали идею о том, что вся материя вселенной полностью состоит из различных нетленных, неделимых элементов, называемых атомами.

В классический период в Греции гениальный философ оставил свой след в истории.Его звали Аристотель, тот, кто открыл важность наблюдения и считал его ключом к открытию законов, управляющих природными явлениями.

Аристотель

Аристотель написал первую работу, в которой это направление исследований называется «Физика», в 4 веке до н.э. И он сформировал теорию четырех элементов и попытался объяснить законы движения и гравитации.

Спустя долгое время великий математик Архемид разработал принципы состояний равновесия и центров тяжести.Эти идеи повлияли бы на великих ученых: Галилея и Ньютона в будущем.

Исламский мир

Арабские ученые

В средние века в исламском мире между 7 и 15 веками происходила великая научная революция.

Благодаря большому движению переводов книг греческих и индийских ученых на арабский язык, наука стала доступна исламским гениям, чтобы они оставили свой след в научном наследии человечества.

Одним из самых важных арабских ученых того периода был Ибн аль-Хайтам.Он внес большой вклад в научный прогресс. Ибн аль-Хайсам считался «отцом современного научного метода» из-за его метода, основанного на экспериментальных данных и воспроизводимости результатов.

Ибн аль-Хайсам

Что касается физики, Ибн аль-Хайсам является «отцом оптики». Он предположил, что свет распространяется к глазу в лучах от разных точек объекта.

Был еще один известный гений по имени Ибн Сина, который внес свой вклад в науку своей книгой «Книга исцеления.Он обсудил теорию движения и предположил, что любой снаряд в вакууме не остановится, если на него не действует противоположная сила, что согласуется с первым законом инерции движения Ньютона, который гласит, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него действует внешняя сила.

Другой исламский ученый Абу’л-Баракат обсуждал ускорение падающего тела в результате его возрастающего импульса. И Ибн Баджах, известный в Европе как «Авемпас», объяснил, что всегда есть сила противодействия любой противоположной силе.Но он не заметил, что эти силы равны. Это было предшественником третьего закона движения Ньютона, который гласил, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.

Научная революция

Галилео Галилей

История научной революции начинается с коперниканизма и битвы механики и астрономии. Удаление Земли из центра разрушило доктрину естественного движения и места, а круговое движение Земли было несовместимо с аристотелевской физикой.Он привел веские аргументы в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, якобы как средство для более точного отображения таблиц, отображающих движение планет, и для упрощения их создания.

Второй раунд битвы начался с Галилео Галилея, итальянского философа, астронома и математика. Он внес фундаментальный вклад в науку о движении, астрономию и развитие научного метода. Он открыл четыре спутника Юпитера почти четыреста лет назад.Им же были выведены закон свободного падения и параболическая траектория движения снаряда.

Последовательно в мире физики засияла еще одна звезда. Он пришел с тремя законами движения. Эти три закона описывают отношения между движением и объектами. Также он инициировал формулу всемирного тяготения. Этой звездой был известный ученый Ньютон.

Применение закона всемирного тяготения для описания движения планет потребовало изобретения совершенно новой области математики — исчисления.Изобретение математического анализа было одним из величайших научных достижений Ньютона.

Newton

В дополнение к этим великим достижениям, Ньютон также построил первый действующий телескоп-отражатель и разработал теорию цвета, основанную на наблюдении, что призма разлагает белый свет на множество цветов, образующих видимый спектр.

Он изучил скорость звука и продемонстрировал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод приближения корней функции.Его работа над бесконечными сериями была вдохновлена ​​десятичными знаками Саймона Стевина. И, продемонстрировав соответствие между законами движения планет Кеплера и его собственной теорией гравитации, Ньютон также устранил последние сомнения в гелиоцентризме.

Благодаря этому вкладу Ньютона научное сообщество было готово начать новую эру физики: современная физика уже здесь.

Рождение современной физики

Несмотря на достижения классической физики в конце девятнадцатого века, она столкнулась с множеством ограничений и серьезных кризисов, которые нельзя было разрешить, используя законы физики того времени.

Некоторыми примерами этих ограничений была неспособность классической физики объяснить определенные физические явления, такие как распределение энергии в излучении черного тела и фотоэлектрический эффект.

Радиационные эксперименты

К 19 веку ученые начали обнаруживать неизвестные формы излучения, такие как рентгеновские лучи, обнаруженные Вильгельмом Рентгеном, электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном, и радиоактивные элементы, обнаруженные Мари и Пьером Кюри.

Эти открытия заставили ученых усомниться в предполагаемой неразрушимости атома и в природе материи.

Классическая теория также не смогла объяснить эксперимент Майкельсона-Морли, который показал, что, по-видимому, не существует предпочтительной системы отсчета, по крайней мере, относительно гипотетического светоносного эфира для описания электромагнитных явлений. И это также не могло объяснить излучение и радиоактивный распад, пока Лиз Мейтнер и Отто Фриш не открыли ядерное деление, которое привело к практическому использованию того, что стало называться «атомной» энергией.

Альберт Эйнштейн и теория относительности

Это 1905 год, и вот-вот произойдет крупный прорыв в истории физики — появление теории относительности 26-летним немецким физиком по имени Альберт Эйнштейн. Он утверждал, что на измерения времени и пространства влияет движение между наблюдателем и тем, что он наблюдает.

Эйнштейн

Хотя теория относительности была одним из величайших интеллектуальных достижений всех времен, он придумал больше.Эйнштейн также признал, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова для всех наблюдателей, и является абсолютной физической границей для движения.

Он также вывел знаменитое уравнение E = mc2, которое выражает эквивалентность массы и энергии.

Специальная теория относительности

В специальной теории относительности Эйнштейн объяснил, что скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета и что законы электромагнитного поля должны оставаться в силе независимо от систем отсчета.

Специальная теория относительности описывает взаимосвязь между физическими наблюдениями и концепциями пространства и времени. Эта теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и механикой Ньютона и вызвала большое развитие в обеих этих областях.

Первоначальный исторический вопрос заключался в том, имеет ли смысл обсуждать, как электромагнитные волны распространяются в предполагаемой среде «эфир», и ее относительное движение по отношению к другим объектам. Эйнштейн разрушил концепцию «эфира» в своей специальной теории относительности.

Однако его основная формулировка не включает детальную электромагнитную теорию.

Специальная теория относительности попыталась ответить на загадочный вопрос «Что такое время?» Ответ Ньютона в «Началах» (1686 г.) гласил: «Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей природе течет равномерно, независимо от чего-либо внешнего, и по другому имени называется длительностью». Это определение лежит в основе всей классической физики.

Эйнштейн обнаружил, что этот ответ был неполным.Он добавил свой относительный взгляд.

Согласно Эйнштейну, каждый «наблюдатель» обязательно использует свою собственную шкалу времени, и для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, их шкалы времени будут разными. Это вызывает связанный эффект на измерения положения. Пространство и время становятся взаимосвязанными понятиями, фундаментально зависимыми от наблюдателя. Каждый наблюдатель руководит своей собственной пространственно-временной структурой или системой координат.

Общая теория относительности

пространство-время

В 1916 году Эйнштейн углубился в природу движения в нашей Вселенной.Он ввел понятие кривизны пространства-времени, которое стало общей теорией относительности.

В общей теории относительности Эйнштейн объяснил гравитационный эффект в каждой точке пространства. Согласно Эйнштейну, гравитационная сила в обычном смысле слова — это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства.

Масса объекта вызывает искривление пространства-времени вокруг этой массы, и эта кривизна определяет пространственно-временной путь, по которому должны следовать все свободно движущиеся объекты.Это новое представление о том, как работает гравитация, полностью заменило универсальный закон всемирного тяготения Ньютона.

Квантовая физика

Квантовая физика

Другой современный прорыв в физике попытался взглянуть на другой мир, мир атомов и субатомных частиц.

Проблема эксперимента с излучением черного тела — этот эксперимент, который показал, что на более коротких длинах волн, ближе к ультрафиолетовому краю спектра, энергия приближается к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной — была решена новой теорией квантовой механики.

Квантовая механика — это теория атомов и субатомных систем. Примерно первые 30 лет ХХ века представляют собой время зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были введены в 1900 году Максом Планком.

Квантовая теория была принята, когда эффект Комптона установил, что свет несет импульс и может рассеиваться частицами, и когда Луи де Бройль утверждал, что материю можно рассматривать как волну во многом так же, как электромагнитные волны ведут себя как частицы (волна –Частичная двойственность).

Основные современные физические эксперименты, предоставленные виртуальной лабораторией PraxiLabs

Излучение черного тела

Целью этого эксперимента является изучение излучения черного тела и проверка закона Вина и закона обратных квадратов с использованием метода нагреваемой нити.

Интенсивность излучения черного тела зависит от длины волны испускаемого излучения, которая зависит от температуры черного тела.Кроме того, испускаемое излучение обратно пропорционально квадрату расстояния до черного тела.

Измеряя излучение, испускаемое нагретой нитью накала в зависимости от температуры нити, длины волны испускаемого излучения и расстояния от черного тела, мы можем проверить четвертый закон излучения, генерирующий кривые Планка при другой температуре. , и закон обратных квадратов для электромагнитного излучения.

Расходимость лазерного луча

Лазерный луч

Целью этого эксперимента является проверка гауссовости профиля лазерного луча и определение его характеристик с помощью метода лазерных фотодиодов

.

Большинство низкоинтенсивных лазерных источников излучают лазерный луч с гауссовым распределением I (r) = Ioe — r2 / z2 в поперечном направлении.где 2 z — диаметр луча, при котором интенсивность луча падает до Io / e 2.

Кроме того, из-за когерентных свойств лазера он не должен подчиняться закону обратных квадратов, которому подчиняется обычный свет.

Измеряя интенсивность лазерного луча с помощью фотодиодного датчика в зависимости от расстояния от центра луча в поперечном направлении, мы получаем профиль лазерного луча, который должен быть гауссовым. Следовательно, диаметр пучка можно было найти. Можно построить профиль луча на разных расстояниях от источника и определить расходимость луча, что доказывает, что лазер не подчиняется закону обратных квадратов.

Лазерный электрооптический эффект

Целью эксперимента является изучение электрооптического эффекта в некоторых кристаллах с использованием метода ячейки Керра.

Монохроматический поляризованный свет (лазер) падает на кристалл ниобата лития, расположенный под углом 45 ° к вертикали. Приложение электрического поля к кристаллу заставляет его становиться двулучепреломляющим. Установлено, что фазовый сдвиг между обычным и необыкновенным светом зависит от квадрата электрического поля.

Кристалл ниобата лития освещается лазерным лучом, поляризованным до 45 ° по вертикали. К кристаллу прикладывается электрическое поле, которое позволяет свету выходить из кристалла и обнаруживается фотодатчиком. Количество света, проходящего через кристалл, регистрируется как функция электрического поля с помощью фотодатчика, и определяется значение половинного напряжения.

Интерферометр Майкельсона

Целью эксперимента является определение показателя преломления тонкой прозрачной пластины с использованием процедуры интерферометра Майкельсона.

Монохроматический световой луч от лазерного источника разделяется на два луча. два луча отражаются от двух зеркал к экрану, на котором наблюдается интерференционная картина. При перемещении одного из двух зеркал или обоих изменяется разность фаз между двумя лучами, и соответственно изменяется количество полос, пересекающих поле зрения.

Количество полос, пересекающих поле зрения, считается при перемещении одного (или обоих) из двух зеркал или при повороте предметного столика со стеклянной пластиной на угол.следовательно, можно определить длину волны лазера и показатель преломления стеклянной пластины.

Millikan Oil Drop

Целью эксперимента является проверка квантования электрического заряда методом масляной капли.

Капли масла разбрызгиваются в область между двумя пластинами, где действует электрическое поле. Капли масла приобретают некоторый заряд от ионизирующего источника. Таким образом, движение масляной капли между пластинами зависит от ее массы и количества заряда, которое она приобрела от ионизирующего излучения.Движение заряда контролируется величиной приложенного электрического поля и его полярностью, поэтому он может падать, подниматься или даже оставаться неподвижным между пластинами.

Измеряя скорость падения и подъема масляных капель в присутствии электрического поля для масляных капель, мы можем определить количество полученного заряда. Следовательно, можно доказать, что количество заряда, переносимого каждой каплей, является целым кратным заряду электрона.

ВАХ солнечного элемента (I)

Solar Cells

Целью эксперимента является изучение ВАХ солнечного элемента (или фотоэлемента) в темноте и в условиях освещения с использованием простой схемы для исследования ВАХ с помощью лампы.

Солнечные элементы обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, чувствительных к структурным факторам и факторам окружающей среды, например к интенсивности света, которая зависит от мощности, выдаваемой солнечным элементом.

Солнечный элемент включен в последовательную цепь, состоящую из переменного сопротивления, батареи постоянного тока, амперметра и вольтметра, подключенных параллельно к элементу. Путем непрерывного изменения значения сопротивления нагрузки мы можем получить ВАХ при разном напряжении смещения и интенсивности света.

ВАХ солнечного элемента (II)

Целью эксперимента является изучение зависимости освещенности и зависимости экспонируемой площади от ВАХ солнечного элемента с использованием простой цепи постоянного тока с напряжением смещения, солнечного элемента, переменного сопротивления, амперметра, вольтметра, лампы и источника питания переменного тока до включите лампу, пластину прерывателя переменного сечения.

Солнечные элементы

обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, чувствительных к структурным факторам и факторам окружающей среды, например.g, интенсивность света, которая зависит от мощности, отдаваемой солнечным элементом.

Изменяя переменное напряжение, подаваемое на элемент, и измеряя ток короткого замыкания в зависимости от напряжения лампы, мы можем изучить влияние интенсивности света на ток короткого замыкания, получаемый от элемента. Во второй части пластина-прерыватель контролируемой площади ограничивает экспонируемую площадь ячейки до интенсивности света, что позволяет нам изучить зависимость ВАХ, а также, возможно, изучить параметры ячейки.

ВАХ солнечного элемента (III)

Целью эксперимента является изучение спектральной зависимости падающего света и эффекта параллельного и последовательного подключения нескольких элементов с использованием оптических фильтров для изучения зависимости I-V солнечного элемента. Также подключение двух ячеек последовательно и параллельно.

Солнечные элементы обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, чувствительных к структурным факторам и факторам окружающей среды, например к интенсивности света, которая зависит от мощности, выдаваемой солнечным элементом.

Различные оптические фильтры могут быть прикреплены к отверстию корпуса лампы для изучения зависимости эффекта от ВАХ солнечного элемента. Во второй части два солнечных элемента могут быть соединены последовательно или параллельно, чтобы изучить влияние способа подключения, ВАХ и параметров элемента.

Попробуйте Modern Physics Virtual Lab бесплатно

PraxiLabs предоставляет студентам, преподавателям и исследователям современную виртуальную лабораторию по физике.Создайте свою бесплатную учетную запись и наслаждайтесь проведением современных физических экспериментов в Интернете.

Вы можете получить доступ к современной виртуальной лаборатории физики через Интернет в любом месте и в любое время.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *