Neue Entdeckungen in der Quantenphysik. Physiker haben in das „völlige Nichts“ geschaut und bewiesen, dass etwas dran ist. Doppelspaltexperiment

Das Material wurde von Aleksey Poniatov, Kandidat der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, vorbereitet

Gravitationswellen von Neutronensternverschmelzungen

Kollision von Neutronensternen. Abbildung: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Fertiggestellter Beschleunigertunnel. Foto: European XFEL / Heiner Müller-Elsner.

Der kompakte Neutrino-Detektor des Physikers Björn Scholz ähnelt in Form und Größe einer gewöhnlichen Flasche. Foto: Juan Collar/uchicago.edu.

Die Planeten des TRAPPIST-1-Systems im Vergleich zu den Planeten des Sonnensystems. Abbildung: NASA/JPL-Caltech.

Ein Bild der Saturnringe, aufgenommen von der Raumsonde Cassini. Foto: Space Science Institute/JPL-Caltech/NASA.

Die bedeutendste Entdeckung des Jahres 2017 war die allererste Registrierung von Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Astronomen ist es zum ersten Mal gelungen, die während der Verschmelzung entstandenen Gammastrahlenausbrüche gleichzeitig aufzuzeichnen und dann den Ort zu finden und zu erforschen, an dem sich die kosmische Katastrophe ereignete - 100 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Entdeckt Gravitationswellen Am 17. August zeichneten die Gravitationswellendetektoren LIGO (USA) und Virgo (Frankreich, Italien) und einige Sekunden später die Weltraumobservatorien Integral (ESA) und Fermi (NASA) kurze Gammastrahlenausbrüche auf. Boden- und Weltraumobservatorien beteiligten sich an der Suche nach der Signalquelle, die dann mehrere zehn Tage lang den allmählich verblassenden Überrest der „Explosion“ überwachte. An der Arbeit nahmen auch russische Forscher von IKI RAS, SAI MSU und FTI teil. A. F. Ioffe.

Diese Entdeckung hängt mit mehreren Problemen der Astrophysik gleichzeitig zusammen. Zunächst einmal zur Frage nach dem Ursprung gewaltiger Gammablitze, die in Sekundenbruchteilen mehr Energie abgeben als die Sonne in Milliarden von Jahren.

Astrophysiker haben lange angenommen, dass die Quelle der Explosionen die Verschmelzung zweier Neutronensterne sein könnte, aber jetzt haben sie den experimentellen Beweis für die Gültigkeit der entwickelten Theorie erhalten. Durch die Kollision von Sternen wird gleichzeitig mit einem Gammastrahlenausbruch ein Teil der Sternmaterie mit hoher Geschwindigkeit in den umgebenden Weltraum geschleudert. Dieses 2013 entdeckte Phänomen wird Kilonova genannt. Dann zerfallen die radioaktiven Elemente aus der resultierenden Wolke in stabile Elemente und erzeugen ihre Strahlung. Astronomen haben in der Wolke eine große Menge schwerer Elemente wie Gold und Platin gefunden, was es uns ermöglicht, Sternverschmelzungen als echte galaktische Fabriken schwerer Elemente zu betrachten, die im jungen Universum fehlten.

Quantencomputer mit 53 Qubits

Quantencomputer, mit denen große Erwartungen verbunden sind, sind noch nicht entstanden, aber 2017 wurden wichtige Schritte unternommen, um diese Idee zum Leben zu erwecken. Quantencomputer arbeiten mit Qubits – Objekten, die das kleinste Informationselement speichern, analog zu einem Bit in einem herkömmlichen Computer. Die Anzahl der Qubits bestimmt die Fähigkeiten eines Quantencomputers.

Im November veröffentlichte die Zeitschrift Nature Artikel über die Simulation von Quantensystemen mit Quantencomputern mit 51 und 53 Qubits. Zuvor waren solche universellen Geräte auf 20 Qubits begrenzt. Eine Erhöhung der Anzahl der Qubits um das 2,5-fache steigerte die Leistungsfähigkeit von Computern um ein Vielfaches. Der 51-Qubit-Quantencomputer wurde unter der Leitung von Mikhail Lukin entwickelt, der am Russian Quantum Center und an der Harvard University arbeitet. Am 28. Juli wurde ein solches Gerät vorgestellt Internationale Konferenz zu Quantentechnologien in Moskau.

stabiler metallischer Wasserstoff

Im Januar berichteten Physiker in Harvard, dass sie zum ersten Mal in der Geschichte eine kleine Menge stabilen metallischen Wasserstoffs erhalten hatten. Die Probe hatte Abmessungen von 1,5 x 10 um. Theoretisch wurde 1935 die Existenz von metallischem Wasserstoff bei hohen Drücken vorhergesagt. In der Natur werden solche Bedingungen im Inneren von Sternen und Riesenplaneten realisiert. Seit 1996 wurde es mehrfach durch Stoßkompression gewonnen, aber Wasserstoff existiert in diesem Zustand erst seit sehr kurzer Zeit.

Um stabilen metallischen Wasserstoff herzustellen, nutzte das Harvard-Team eine Anlage, in der Diamantambosse einen Druck von 495 Gigapascal entwickelten, etwa das Fünfmillionenfache des normalen atmosphärischen Drucks.

Neben dem rein wissenschaftlichen Wert kann dieses exotische Material auch praktische Anwendungen haben - es hat Hochtemperatur-Supraleitung (in diesem Fall trat es bei -58 ° C auf).

Der Freie-Elektronen-Röntgenlaser hat mit der Arbeit begonnen

Am 1. September fand die offizielle Eröffnungsfeier des weltweit größten europäischen Freie-Elektronen-Röntgenlasers XFEL (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser) statt, an dessen Entstehung auch Russland beteiligt war. Tatsächlich ist diese Installation kein Laser, dh eine Quelle optischer Strahlung eines bestimmten Typs. Darin erzeugt Röntgenstrahlung mit ähnlichen Eigenschaften wie Laserstrahlung einen Elektronenstrahl, der auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. XFEL nutzt dafür den mit 1,7 km Länge größten supraleitenden Linearbeschleuniger der Welt. Beschleunigte Elektronen fallen in einen Undulator - ein Gerät, das ein sich periodisch änderndes Magnetfeld im Weltraum erzeugt. Bewegt man sich darin entlang einer Zickzackbahn, emittieren Elektronen im Röntgenbereich. Die neue einzigartige Anlage wird ultrakurze Röntgenblitze mit einer Rekordfrequenz von 27.000 Mal pro Sekunde erzeugen, und ihre Spitzenhelligkeit wird voraussichtlich eine Milliarde Mal höher sein als bei bestehenden Röntgenquellen.

Mehr als 60 Forschungsteams haben sich bereits für Experimente beworben. Mit Hilfe von rekordhellen und sehr kurzen Röntgenpulsen können Forscher nicht nur die Anordnung von Atomen in Molekülen sehen, sondern auch die dort ablaufenden Prozesse. Damit wird ein neues Forschungsniveau in den Bereichen Physik, Chemie, Materialwissenschaften, Lebenswissenschaften und Biomedizin erreicht. Wenn zum Beispiel neue Medikamente entwickelt werden, können Spezialisten, die die genaue Anordnung von Atomen in Proteinmolekülen kennen, Substanzen auswählen, die ihre Arbeit blockieren oder umgekehrt anregen. Die Kenntnis der Struktur von Kristallen ermöglicht die Entwicklung von Materialien mit gewünschten Eigenschaften.

Registrierung von Neutrinos durch elastischen Rückprall

Im September 2017 gab ein großes internationales Team von Physikern, einschließlich denen aus Russland, die Entdeckung der elastischen kohärenten Streuung von Neutrinos an Materiekernen bekannt. Dieses Phänomen wurde 1974 vom MIT-Theoretiker Daniel Friedman vorhergesagt. Das Neutrino ist ein schwer fassbares Teilchen, und um es einzufangen, bauen Forscher riesige Anlagen, die Zehntausende Tonnen Wasser enthalten. Friedman hat das gefunden Welleneigenschaften das Neutrino wird auf koordinierte Weise mit allen Protonen und Neutronen des Kerns wechselwirken, was die Anzahl der betrachteten Wechselwirkungen erheblich erhöhen wird - Neutrinos prallen vom Kern ab. In 461 Tagen beobachteten die Forscher 134 solcher Ereignisse.

Diese Entdeckung wird Lehrbücher nicht dazu zwingen, umgeschrieben zu werden. Seine Bedeutung liegt in der Schaffung eines kleinen Detektors durch Experimentatoren, in dem sich nur 14,6 kg Cäsiumjodidkristalle befinden. Kleine tragbare Neutrino-Detektoren werden eine Vielzahl von Anwendungen finden, beispielsweise in der Überwachung Kernreaktoren. Leider können sie riesige Detektoren nicht in allen Experimenten ersetzen, da ein auf kohärenter Streuung basierender Detektor nicht zwischen Neutrinotypen unterscheiden kann.

Time Crystal - zwei Optionen

Im März berichteten zwei Forscherteams aus den Vereinigten Staaten von der Entdeckung eines neuen Materiezustands, der als Zeitkristall bezeichnet wird – der zeitliche Kristall (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 6, 2017,). Dies ist eine neue Idee in der Physik, die weithin diskutiert wird in letzten Jahren. Solche Kristalle sind sich ständig bewegende Partikelstrukturen, die sich zeitlich wiederholen. Eine Gruppe verwendete eine Kette von Ytterbiumatomen, in denen unter Einwirkung von Lasern die Projektion des magnetischen Moments des Systems oszilliert. Ein anderer betrachtete einen Kristall mit etwa einer Million zufälliger Defekte, jeder mit seinem eigenen magnetischen Moment. Wenn ein solcher Kristall Impulsen ausgesetzt wurde Mikrowellenstrahlung Um Spins umzudrehen, legten die Physiker die Antwort des Systems auf eine Frequenz fest, die nur einen Bruchteil der Frequenz der anregenden Strahlung betrug. Die Arbeiten lösten eine Diskussion aus: Können solche Systeme als zeitliche Kristalle betrachtet werden? Schließlich sollten Systeme theoretisch ohne äußere Einflüsse schwanken. Aber auf jeden Fall werden solche Zeitkristalle als superpräzise Sensoren Anwendung finden, zum Beispiel zur Messung kleinster Temperatur- und Magnetfeldänderungen.

Erdähnliche Exoplaneten

In den letzten Jahren haben Astronomen viele Exoplaneten entdeckt – Planeten, die andere Sterne umkreisen. Funde von erdähnlichen Planeten in der Zone, in der flüssiges Wasser und damit Leben existieren kann (die habitable Zone), sind jedoch nicht so häufig. Im Februar gaben NASA-Astronomen die Entdeckung von sieben Exoplaneten im roten Zwergsystem TRAPPIST-1 bekannt (drei Planeten wurden bereits 2016 gefunden), von denen fünf erdähnlich sind und zwei etwas kleiner als die Erde, aber größer als sie sind Mars. Das ist mehr als jedes andere System. Mindestens drei Planeten, möglicherweise alle, befinden sich in der bewohnbaren Zone.

TRAPPIST-1 ist ein ultrakalter Zwergstern mit einer Temperatur von etwa 2500 K und einer Masse von nur 8 % der Sonnenmasse (d. h. etwas größer als der Planet Jupiter), der sich etwa 40 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Die Planeten sind dem Stern sehr nahe, und die Umlaufbahn des am weitesten entfernten von ihnen ist viel kleiner als die Umlaufbahn des Merkur. Im August meldeten Astronomen mit dem Hubble-Weltraumteleskop die ersten Hinweise auf den Wassergehalt im TRAPPIST-1-System, was die Existenz von Leben dort möglich machte.

Im April meldeten Astronomen die Entdeckung eines 1,4-mal so großen Gesteinsplaneten mehr Erde in der bewohnbaren Zone eines anderen Roten Zwergs - LHS 1140. Er erhält halb so viel Licht wie die Erde. Die Autoren der Entdeckung halten sie für einen guten Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben.

Im Dezember gaben amerikanische Astronomen die Entdeckung eines achten Planeten im Kepler-90-Sternensystem bekannt, der sich etwa 2.500 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Dieses System ist in Bezug auf die Anzahl der Planeten am nächsten Sonnensystem. Der gefundene Planet befindet sich zwar zu nahe am Stern und die Temperatur auf seiner Oberfläche beträgt mehr als 400 ° C. Interessanterweise wurde der Planet bei der Verarbeitung von Daten des Kepler-Teleskops mithilfe eines neuronalen Netzwerks gefunden.

Abschluss der Cassini-Mission

Am 15. September endete die 13-jährige Mission der Raumsonde Cassini mit einem Sturz auf die Oberfläche des Saturn. 1997 gestartet, erforscht es seit 2004 den siebten Planeten und übermittelt riesige Datenmengen und einzigartige Fotos zur Erde. Am 26. April 2017 begann der letzte Abschnitt seines Lebens – das „Große Finale“. Cassini machte 22 Vorbeiflüge zwischen dem Planeten und dem inneren Ring. Solche tiefen "Tauchgänge" lieferten viele neue Informationen, insbesondere über die elektrische und chemische Verbindung der Saturn-Ionosphäre mit den Ringen.

Basierend auf Daten der Sonde aus dem Jahr 2017 kamen Astronomen zu dem Schluss, dass die Ringe des Saturn viel jünger sind als der Planet, der etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist. Das Alter der Ringe wurde auf 100 Millionen Jahre geschätzt, sie sind also Zeitgenossen von Dinosauriern.

Die Forscher beschlossen, die Sonde auf den Planeten „fallen zu lassen“, damit sie nicht versehentlich terrestrische Bakterien zu den Saturnmonden Titan und Enceladus bringt, wo es lokale Mikroorganismen geben könnte.

Quark-Fusion

Im November erschien in der Zeitschrift Nature ein Artikel, in dem zwei Physiker aus den USA und Israel theoretisch die Möglichkeit einer Reaktion auf Quark-Ebene nahelegten, ähnlich der thermonuklearen, aber mit einer viel größeren Energiefreisetzung. Wie Sie wissen, verschmelzen bei einer thermonuklearen Reaktion leichte Elemente unter Freisetzung von Energie. Eine ähnliche Reaktion kann auch beim Zusammenstoß von Elementarteilchen auftreten, die nach modernen Vorstellungen aus Quarks bestehen. In diesem Fall interagieren die Quarks der kollidierenden Teilchen und gruppieren sich neu. Als Ergebnis wird ein neues Teilchen mit einer anderen Bindungsenergie von Quarks erscheinen und Energie wird freigesetzt.

Forscher haben zwei identifiziert mögliche Reaktionen. Im ersten Fall wird beim Verschmelzen zweier Charmed-Quarks eine Energie von 12 MeV freigesetzt. Beim Verschmelzen zweier Down-Quarks sollen 138 MeV freigesetzt werden, also fast achtmal mehr als bei einer getrennten Fusion von Deuterium und Tritium in einer thermonuklearen Reaktion (18 MeV). Praktischer Nutzen diese Annahmen wurden aufgrund der geringen Lebensdauer von Quarks noch nicht berücksichtigt.

Exzitonen konnten kondensieren

Im Dezember gab ein Team von Physikern aus den USA, Großbritannien und den Niederlanden die Entdeckung einer neuen Form von Materie bekannt, die sie Exzitonium nannten. Das Exziton-Quasiteilchen – ein spezieller angeregter Zustand eines Kristalls, der ähnlich wie ein Wasserstoffatom als Kombination aus einem Elektron und einem Loch dargestellt werden kann – wurde 1931 vorhergesagt Sowjetischer Physiker Jakow Iljitsch Frenkel.

Ein Exziton gehört zu Bosonen, Teilchen mit ganzzahligem Spin, und bei einer ausreichend niedrigen Temperatur geht ein System von Bosonen in einen speziellen Zustand, der als Kondensat bezeichnet wird, in dem sich alle Teilchen im gleichen Quantenzustand befinden und sich wie eine große Quantenwelle verhalten. Dadurch wird die Bose-Flüssigkeit supraflüssig bzw. supraleitend. Den Forschern gelang es, das Bose-Kondensat von Exzitonen in 1T-TiSe 2 -Kristallen nachzuweisen.

Die Entdeckung ist wichtig für die Weiterentwicklung der Quantenmechanik, und in der Praxis könnten Supraleitung und Suprafluidität von Exzitonium Anwendung finden.

Entsprechend spezielle Theorie Einsteins Relativitätstheorie zufolge ist die Lichtgeschwindigkeit konstant – und beträgt ungefähr 300.000.000 Meter pro Sekunde, unabhängig vom Beobachter. Das ist an sich schon unglaublich, wenn man bedenkt, dass sich nichts schneller als das Licht fortbewegen kann, aber immer noch rein theoretisch. Es gibt einen interessanten Teil der speziellen Relativitätstheorie namens "Zeitdilatation", der besagt, dass die Zeit für Sie im Gegensatz zu Ihrer Umgebung umso langsamer vergeht, je schneller Sie sich bewegen. Wenn Sie eine Stunde Auto fahren, altern Sie etwas weniger, als wenn Sie nur zu Hause am Computer sitzen würden. Es ist unwahrscheinlich, dass zusätzliche Nanosekunden Ihr Leben wesentlich verändern, aber die Tatsache bleibt bestehen.

Es stellt sich heraus, dass die Zeit im Allgemeinen an Ort und Stelle einfriert, wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen? Ist das so. Aber bevor Sie versuchen, unsterblich zu werden, denken Sie daran, dass es unmöglich ist, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen, wenn Sie nicht das Glück haben, als Licht geboren zu werden. Aus technischer Sicht würde eine Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit unendlich viel Energie erfordern.

Wir sind gerade zu dem Schluss gekommen, dass sich nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Nun ... ja und nein. Während dies technisch wahr bleibt, gibt es eine Lücke in der Theorie, die im unglaublichsten Zweig der Physik, der Quantenmechanik, gefunden wurde.

Quantenmechanik ist im Wesentlichen das Studium der Physik auf mikroskopischer Ebene, wie beispielsweise das Verhalten subatomarer Teilchen. Diese Arten von Teilchen sind unglaublich klein, aber extrem wichtig, da sie die Bausteine ​​von allem im Universum sind. Sie können sie sich als winzige, sich drehende, elektrisch geladene Kugeln vorstellen. Ohne unnötige Komplikationen.

Wir haben also zwei Elektronen (subatomare Teilchen mit negativer Ladung). ist ein spezieller Prozess, der diese Teilchen so bindet, dass sie identisch werden (gleichen Spin und gleiche Ladung haben). Wenn dies geschieht, werden die Elektronen ab diesem Zeitpunkt identisch. Das bedeutet, wenn Sie einen von ihnen ändern - beispielsweise den Spin ändern -, reagiert der zweite sofort. Egal wo er ist. Auch wenn du es nicht anfasst. Die Auswirkungen dieses Prozesses sind erstaunlich - Sie verstehen, dass diese Information (in diesem Fall die Richtung des Spins) theoretisch überall im Universum teleportiert werden kann.

Die Schwerkraft beeinflusst das Licht

Gehen wir zurück zum Licht und sprechen über die allgemeine Relativitätstheorie (auch von Einstein). In dieser Theorie ist ein Konzept enthalten, das als Lichtablenkung bekannt ist – der Lichtweg ist möglicherweise nicht immer gerade.

So seltsam es klingen mag, dies wurde immer wieder bewiesen. Während Licht keine Masse hat, hängt sein Weg von Dingen ab, die diese Masse haben, wie die Sonne. Wenn also Licht von einem entfernten Stern nahe genug an einem anderen Stern vorbeigeht, wird es ihn umrunden. Wie wirkt sich das auf uns aus? Ganz einfach: Vielleicht befinden sich die Sterne, die wir sehen, an ganz anderen Orten. Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal in die Sterne schauen, könnte alles nur ein Trick des Lichts sein.

Dank einiger der Theorien, die wir bereits besprochen haben, haben Physiker ziemlich genaue Möglichkeiten, die im Universum vorhandene Gesamtmasse zu messen. Sie haben auch ziemlich genaue Möglichkeiten, die Gesamtmasse zu messen, die wir beobachten können - aber Pech, diese beiden Zahlen stimmen nicht überein.

Tatsächlich ist das Volumen der Gesamtmasse im Universum viel größer als die Gesamtmasse, die wir berechnen können. Physiker mussten dafür nach einer Erklärung suchen, und das Ergebnis war eine Theorie, die dunkle Materie einschloss – eine mysteriöse Substanz, die kein Licht aussendet und ungefähr 95 % der Masse im Universum einnimmt. Obwohl die Existenz von dunkler Materie nicht offiziell bewiesen wurde (weil wir sie nicht beobachten können), gibt es viele Beweise für dunkle Materie, und sie muss in der einen oder anderen Form existieren.

Unser Universum dehnt sich schnell aus

Die Konzepte werden immer komplizierter, und um zu verstehen, warum, müssen wir zur Urknalltheorie zurückkehren. Bevor sie zu einer beliebten Fernsehsendung wurde, war die Urknalltheorie eine wichtige Erklärung für den Ursprung unseres Universums. Einfach gesagt: Unser Universum begann mit einer Explosion. Trümmer (Planeten, Sterne usw.) breiteten sich in alle Richtungen aus, angetrieben von der enormen Energie der Explosion. Da die Trümmer ziemlich schwer sind, erwarteten wir, dass sich diese explosive Ausbreitung mit der Zeit verlangsamen würde.

Aber dazu kam es nicht. Tatsächlich erfolgt die Expansion unseres Universums im Laufe der Zeit immer schneller. Und es ist seltsam. Das bedeutet, dass der Raum ständig wächst. Das lässt sich nur mit Dunkler Materie bzw. Dunkler Energie erklären, die diese ständige Beschleunigung verursacht. Was ist dunkle Energie? Für dich .

Alle Materie ist Energie.

Materie und Energie sind nur zwei Seiten derselben Medaille. Tatsächlich wussten Sie das immer, wenn Sie jemals die Formel E = mc 2 gesehen haben. E ist Energie und m ist Masse. Die Menge an Energie, die in einer bestimmten Menge Masse enthalten ist, wird bestimmt, indem die Masse mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird.

Die Erklärung für dieses Phänomen ist ziemlich spannend und beruht auf der Tatsache, dass die Masse eines Objekts zunimmt, wenn es sich der Lichtgeschwindigkeit nähert (auch wenn die Zeit langsamer wird). Der Beweis ist ziemlich kompliziert, also kannst du mich einfach beim Wort nehmen. Schauen Sie sich Atombomben an, die ziemlich kleine Mengen Materie in starke Energiestöße umwandeln.

Welle-Teilchen-Dualität

Manche Dinge sind nicht so eindeutig, wie sie scheinen. Auf den ersten Blick scheinen Teilchen (z. B. ein Elektron) und Wellen (z. B. Licht) völlig verschieden zu sein. Die ersten sind feste Materiestücke, die zweiten sind Strahlen ausgestrahlter Energie oder so etwas. Wie Äpfel und Orangen. Es stellt sich heraus, dass Dinge wie Licht und Elektronen nicht auf nur einen Zustand beschränkt sind – sie können gleichzeitig sowohl Teilchen als auch Wellen sein, je nachdem, wer sie betrachtet.

Ernsthaft. Es klingt lächerlich, aber es gibt konkrete Beweise dafür, dass Licht eine Welle und Licht ein Teilchen ist. Licht ist beides. Gleichzeitig. Nicht irgendein Vermittler zwischen zwei Staaten, nämlich beiden. Wir sind auf das Gebiet der Quantenmechanik zurückgekehrt, und in der Quantenmechanik liebt das Universum auf diese Weise und nicht anders.

Alle Gegenstände fallen mit der gleichen Geschwindigkeit

Vielen mag es vorkommen, dass schwere Gegenstände schneller fallen als leichte – das klingt vernünftig. Sicherlich fällt eine Bowlingkugel schneller als eine Feder. Das stimmt, aber es liegt nicht an der Schwerkraft – der einzige Grund dafür ist, dass die Erdatmosphäre Widerstand leistet. Schon vor 400 Jahren erkannte Galileo erstmals, dass die Schwerkraft auf alle Objekte gleich wirkt, unabhängig von ihrer Masse. Wenn Sie mit einer Bowlingkugel und einer Feder auf dem Mond wären (der keine Atmosphäre hat), würden sie gleichzeitig fallen.

Nun, alles. An diesem Punkt können Sie den Geist bewegen.

Du denkst, der Raum selbst ist leer. Diese Annahme ist durchaus vernünftig - deshalb ist es Raum, Raum. Aber das Universum toleriert keine Leere, deshalb werden im Weltraum, im Weltraum, in der Leere ständig Teilchen geboren und sterben. Sie werden virtuell genannt, aber tatsächlich sind sie real, und das wurde bewiesen. Sie existieren für den Bruchteil einer Sekunde, aber das ist lang genug, um einige der grundlegenden Gesetze der Physik zu brechen. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen "Quantenschaum", weil es den Gasblasen in einem Erfrischungsgetränk schrecklich ähnlich sieht.

Doppelspaltexperiment

Wir haben oben angemerkt, dass alles gleichzeitig Teilchen und Welle sein kann. Aber hier ist der Haken: Wenn ein Apfel in der Hand ist, wissen wir genau, welche Form er hat. Das ist ein Apfel, keine Apfelwelle. Was bestimmt den Zustand eines Teilchens? Antwort: wir.

Das Doppelspaltexperiment ist nur ein unglaublich einfaches und mysteriöses Experiment. Das ist es. Wissenschaftler platzieren einen Bildschirm mit zwei Schlitzen an einer Wand und schießen einen Lichtstrahl durch den Schlitz, damit wir sehen können, wo er auf die Wand treffen wird. Da Licht eine Welle ist, erzeugt es ein bestimmtes Beugungsmuster und Sie werden Lichtstreifen sehen, die über die ganze Wand verstreut sind. Obwohl es zwei Slots gab.

Aber die Partikel sollten anders reagieren - wenn sie durch zwei Schlitze fliegen, sollten sie zwei Streifen an der Wand direkt gegenüber den Schlitzen hinterlassen. Und wenn Licht ein Teilchen ist, warum zeigt es dieses Verhalten nicht? Die Antwort ist, dass Licht dieses Verhalten zeigt – aber nur, wenn wir uns dafür entscheiden. Als Welle passiert Licht beide Schlitze gleichzeitig, als Teilchen aber nur einen. Alles, was wir brauchen, um Licht in ein Teilchen umzuwandeln, ist, jedes Lichtteilchen (Photon) zu messen, das den Schlitz passiert. Stellen Sie sich eine Kamera vor, die ein Bild von jedem Photon aufnimmt, das den Spalt passiert. Dasselbe Photon kann keinen anderen Schlitz passieren, ohne eine Welle zu sein. Das Interferenzmuster an der Wand ist einfach: zwei Lichtstreifen. Wir verändern die Ergebnisse eines Ereignisses physikalisch, indem wir sie einfach messen und beobachten.

Dies wird als „Beobachtereffekt“ bezeichnet. Und obwohl dies gute Möglichkeit Um diesen Artikel zu beenden, hat sie nicht einmal an der Oberfläche der absolut unglaublichen Dinge gekratzt, die Physiker finden. Es gibt unzählige Variationen des Doppelspaltexperiments, die noch verrückter und interessanter sind. Sie können sie nur suchen, wenn Sie keine Angst haben, dass die Quantenmechanik Sie mit Ihrem Kopf einsaugt.

„Wir können Quantenzustände analysieren, ohne sie bei der ersten Beobachtung zu verändern“, kommentiert Leitenstorfer.

Will man den Einfluss von Quantenfluktuationen auf bestimmte Lichtteilchen verfolgen, muss man diese Teilchen in der Regel zunächst nachweisen und isolieren. Dadurch wird wiederum die „Quantensignatur“ dieser Photonen entfernt. Ein ähnliches Experiment wurde 2015 von einem Team von Wissenschaftlern durchgeführt.

Anstatt Änderungen in Quantenfluktuationen durch Absorption oder Verstärkung von Lichtphotonen zu beobachten, beobachteten die Forscher in dem neuen Experiment das Licht selbst in Bezug auf die Zeit. Es mag seltsam klingen, aber in einem Vakuum funktionieren Raum und Zeit so, dass Sie durch die Beobachtung des einen sofort mehr über den anderen erfahren können. Durch eine solche Beobachtung fanden die Wissenschaftler heraus, dass beim „Komprimieren“ des Vakuums diese „Komprimierung“ auf genau die gleiche Weise erfolgte wie beim Komprimieren eines Ballons, nur begleitet von Quantenfluktuationen.

Irgendwann wurden diese Schwankungen stärker als das Hintergrundrauschen eines unkomprimierten Vakuums, und an manchen Stellen im Gegenteil schwächer. Leitenstorfer gibt die Analogie eines Staus, der sich durch eine enge Straße bewegt: Autos auf ihrer eigenen Spur wechseln mit der Zeit in die gleiche Spur, um sich durch die Engstelle zu quetschen, und wechseln dann wieder in ihre Spur. Das Gleiche passiert nach Beobachtungen von Wissenschaftlern bis zu einem gewissen Grad im Vakuum: Die Kompression des Vakuums an einer Stelle führt zur Verteilung von Änderungen der Quantenfluktuationen an anderen Stellen. Und diese Veränderungen können entweder beschleunigt oder verlangsamt werden.

Dieser Effekt kann in der Raumzeit gemessen werden, wie in der folgenden Grafik dargestellt. Die Parabel in der Mitte des Bildes zeigt den Punkt des "Quetschens" im Vakuum:

Das Ergebnis dieser Komprimierung ist, wie im selben Bild zu sehen ist, ein gewisses "Durchhängen" der Schwankungen. Nicht weniger überraschend für die Wissenschaftler war die Beobachtung, dass der Fluktuationsleistungspegel an manchen Stellen niedriger ausfiel als der Hintergrundrauschpegel, der wiederum niedriger ist als der des Grundzustands des leeren Weltraums.

„Da das neue Messverfahren keine Photonen einfängt oder verstärkt, besteht die Möglichkeit, elektromagnetisches Hintergrundrauschen im Vakuum sowie kontrollierte Abweichungen von Zuständen, die von den Forschern erzeugt werden, direkt zu detektieren und zu beobachten“, heißt es in der Studie.

Momentan testen die Forscher die Genauigkeit ihrer Messmethode und versuchen herauszufinden, was sie wirklich kann. Trotz der bereits mehr als beeindruckenden Ergebnisse dieser Arbeit besteht immer noch die Möglichkeit, dass Wissenschaftler zu einer sogenannten „nicht schlüssigen Messmethode“ gelangt sind, die zwar die Quantenzustände von Objekten nicht stören darf, aber gleichzeitig nicht in der Lage ist um Wissenschaftlern mehr über ein bestimmtes Quantensystem zu erzählen.

Wenn die Methode wirklich funktioniert, dann wollen Wissenschaftler damit den „Quantenzustand des Lichts“ – das unsichtbare Verhalten von Licht – messen Quantenebene die wir gerade erst zu verstehen beginnen. Weitere Arbeiten erfordern jedoch eine zusätzliche Verifizierung – die Replikation der Ergebnisse der Entdeckung eines Forscherteams der Universität Konstanz und damit der Nachweis der Eignung des vorgeschlagenen Messverfahrens.

Dezember ist die Zeit für eine Bestandsaufnahme. Die Redakteure des Vesti.Science-Projekts (nauka.site) haben für Sie die zehn interessantesten Neuigkeiten ausgewählt, mit denen uns Physiker im vergangenen Jahr erfreut haben.

Neuer Zustand der Materie

Die Technologie zwingt die Moleküle dazu, sich selbst zu den gewünschten Strukturen zusammenzufügen.

Ein Materiezustand namens Exzitonium wurde schon vor fast einem halben Jahrhundert theoretisch vorhergesagt, aber erst jetzt ist es gelungen, ihn in einem Experiment zu erhalten.

Dieser Zustand ist mit der Bildung eines Bose-Kondensats aus Exziton-Quasiteilchen verbunden, die ein Paar aus einem Elektron und einem Loch sind. Wir sind das, was all diese kniffligen Worte bedeuten.

Polariton-Computer

Der neue Computer verwendet Polariton-Quasiteilchen.

Diese Nachricht kam aus Skolkovo. Skoltech-Wissenschaftler haben ein grundlegend neues Computerbetriebsschema implementiert. Es kann mit verglichen werden folgende Methode den tiefsten punkt der oberfläche suchen: nicht umständlich rechnen, sondern ein glas wasser darüber kippen. Nur anstelle der Oberfläche gab es ein Feld der erforderlichen Konfiguration und anstelle von Wasser Polariton-Quasiteilchen. Unser Material in dieser Quantenweisheit.

Quantenteleportation "Erde-Satellit"

Der Quantenzustand eines Photons wurde zunächst von der Erde zu einem Satelliten „gesendet“.

Und auch hier kam der Large Hadron Collider den Physikern zu Hilfe. "News. Science", was den Forschern gelungen ist und was die Bleiatome damit zu tun haben.

Wechselwirkung von Photonen bei Raumtemperatur

Das Phänomen wurde erstmals bei Raumtemperatur beobachtet.

Es gibt viele Photonen verschiedene Wege interagieren miteinander, und eine Wissenschaft namens nichtlineare Optik beschäftigt sich mit ihnen. Und wenn die Streuung von Licht an Licht erst seit kurzem beobachtet wird, ist der Kerr-Effekt den Experimentatoren schon lange vertraut.

2017 wurde es jedoch erstmals für einzelne Photonen bei Raumtemperatur reproduziert. Die Rede ist von diesem interessanten Phänomen, das man in gewissem Sinne auch als „Kollision von Lichtteilchen“ bezeichnen kann, und von den technologischen Perspektiven, die sich damit ergeben.

Kristall der Zeit

Die Erschaffung von Experimentatoren demonstriert "kristalline" Ordnung nicht im Raum, sondern in der Zeit.

Im leeren Raum unterscheidet sich kein Punkt vom anderen. In einem Kristall ist alles anders: Es gibt eine sich wiederholende Struktur, die als Kristallgitter bezeichnet wird. Sind ähnliche Strukturen möglich, die sich nicht räumlich, sondern zeitlich ohne Energieaufwand wiederholen?

"Stern" thermonukleare Reaktionen auf der Erde

Physiker haben in einem thermonuklearen Reaktor Bedingungen im Darm von Sternen nachgestellt.

Ein industrieller thermonuklearer Reaktor ist der gehegte Traum der Menschheit. Aber die Experimente laufen seit mehr als einem halben Jahrhundert, und die begehrte praktisch kostenlose Energie ist nicht da.

Und doch wurde 2017 ein wichtiger Schritt in diese Richtung getan. Erstmals haben Forscher die Bedingungen in den Tiefen der Sterne nahezu exakt nachgestellt. wie sie es gemacht haben.

Hoffen wir, dass 2018 genauso reich an interessanten Experimenten und unerwarteten Entdeckungen sein wird. Folgen Sie den Nachrichten. Übrigens haben wir für Sie auch einen Rückblick auf das ablaufende Jahr gemacht.

Schweizer Physiker haben erstmals das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR-Paradoxon) an einem Quantensystem aus 600 Rubidium-Atomen nachgewiesen. Wissenschaftlern gelang es, den lokalen Realismus zu brechen, indem sie sich zwischen zwei Teilen einer Wolke aus unterkühltem Gas verschränkten und die Möglichkeit der Lenkung bewiesen, wenn der Zustand eines Teils eines Quantensystems aus dem Zustand des zweiten vorhergesagt werden kann. Der Artikel der Wissenschaftler wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht, berichtet Science Alert.

Gemäß dem 1935 vorgeschlagenen EPR-Paradoxon können zwei Teilchen so miteinander wechselwirken, dass ihre Position und ihr Impuls mit einer Genauigkeit gemessen werden können, die größer ist als die von Heisenbergs Unschärferelation erlaubte. Zum Beispiel muss der Gesamtimpuls von zwei Teilchen (A und B), die durch den Zerfall des dritten entstanden sind, gleich dem Anfangsimpuls des letzten sein, also können Sie den Impuls von Teilchen A messen Finden Sie den Impuls von Teilchen B, während keine Störungen in die Bewegung des zweiten Teilchens eingeführt werden. Die Koordinaten von Teilchen B können dann genau bestimmt werden, wodurch die Heisenbergsche Unschärferelation verletzt wird.

Da die Unschärferelation in jedem Fall gewahrt bleibt, stört die Messung des Impulses von Teilchen A unweigerlich die Koordinaten von Teilchen B und macht sie ungewiss, egal wie weit das erste Teilchen vom letzten entfernt ist. Einstein glaubte, dass dies den Realismus der Welt verletzte und physikalische Objekte im Rahmen der Quantenmechanik aufhörten, objektiv zu existieren. Er glaubte, dass eine solche Interpretation falsch ist und dass die probabilistische Natur des Verhaltens von Teilchen tatsächlich durch die Existenz einiger verborgener Parameter erklärt wird. Im Moment hat die Theorie der verborgenen Variablen jedoch keine experimentelle Bestätigung erhalten.

Wissenschaftler haben ein Bose-Einstein-Kondensat aus etwa 600 Rubidium-87-Atomen hergestellt. Das Kondensat ist ein auf ultratiefe Temperaturen abgekühltes Gas, in dem alle Atome möglichst niedrige Quantenzustände einnehmen, also kaum noch voneinander zu unterscheiden sind. Mit Hilfe eines Lasers wurden die Atome in einen komprimierten Zustand gebracht, in dem die Schwankungen einer Variablen (in diesem Fall einer der Komponenten des Spins, also der "Rotationsachse") sehr klein werden, und der andere - groß. So entstand eine Quantenbindung zwischen den Atomen.

Den Forschern gelang es, die Wolke in zwei verschiedene Regionen zu unterteilen – A und B. Mit Lasern wurden der kollektive Spin von Atomen im Kondensat und die Komponenten der „Rotationsachse“ gemessen. Gleichzeitig wurde auf der Grundlage von Ungleichungen, die diese Parameter berücksichtigen, die Verschränkung zwischen Atomen für einen komprimierten Zustand und einen gegebenen kollektiven Spin nachgewiesen. Die Korrelation erwies sich als so stark, dass ein EPR-Paradoxon entstand und es möglich war, den Quantenzustand von Atomen in Region B durch Messung des Spins in Region A vorherzusagen (Vorhersage ist nur in einer Richtung möglich).