اکتشافات جدید در فیزیک کوانتومی فیزیکدانان به "خلأ کامل" نگاه کرده اند و ثابت کرده اند که چیزی در آن وجود دارد. آزمایش دو شکاف

این مطلب توسط الکسی پونیاتوف، کاندیدای علوم فیزیک و ریاضی تهیه شده است

امواج گرانشی ناشی از ادغام ستاره های نوترونی

برخورد ستارگان نوترونی تصویر: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. سیمونت.

تونل شتاب دهنده کامل شده عکس: اروپایی XFEL / هاینر مولر-الزنر.

آشکارساز نوترینو جمع و جور که توسط فیزیکدان Björn Scholz استفاده می شود از نظر شکل و اندازه شبیه یک بطری معمولی است. عکس: Juan Collar/uchicago.edu.

سیارات منظومه TRAPPIST-1 در مقایسه با سیارات منظومه شمسی. تصویر: NASA/JPL-Caltech.

تصویری از حلقه های زحل که توسط فضاپیمای کاسینی گرفته شده است. عکس: موسسه علوم فضایی/JPL-Caltech/NASA.

مهم ترین کشف سال 2017 اولین ثبت امواج گرانشی از ادغام دو ستاره نوترونی بود. برای اولین بار، اخترشناسان موفق شدند به طور همزمان درخشش های پرتو گاما را که در طول ادغام به وجود آمد، ثبت کنند و سپس مکان وقوع فاجعه کیهانی را - در فاصله 100 میلیون سال نوری از زمین - پیدا و کشف کنند.

کشف شده امواج گرانشیدر 17 آگوست، آشکارسازهای امواج گرانشی LIGO (ایالات متحده آمریکا) و Virgo (فرانسه، ایتالیا)، و چند ثانیه بعد، رصدخانه فضایی انتگرال (ESA) و فرمی (NASA) انفجارهای کوتاه پرتو گاما را ثبت کردند. رصدخانه های زمینی و فضایی به جستجو برای منبع سیگنال پیوستند، که سپس بقایای به تدریج محو شده "انفجار" را برای چند ده روز زیر نظر گرفتند. این کار همچنین با حضور محققان روسی از IKI RAS، SAI MSU و FTI انجام شد. A. F. Ioffe.

این کشف به طور همزمان به چندین مشکل اخترفیزیک مربوط می شود. اول از همه، در مورد منشا انفجارهای پرتو گامای قدرتمند، که انرژی بیشتری در کسری از ثانیه از خورشید در میلیاردها سال ساطع می کنند.

اخترفیزیکدانان مدت‌ها تصور می‌کردند که منشأ انفجارها می‌تواند ادغام دو ستاره نوترونی باشد، اما اکنون آنها اثبات تجربی صحت نظریه توسعه‌یافته را دریافت کرده‌اند. در نتیجه برخورد ستارگان، همزمان با انفجار پرتو گاما، بخشی از ماده ستاره ای با سرعت زیاد به فضای اطراف پرتاب می شود. این پدیده که در سال 2013 کشف شد، کیلونوا نام دارد. سپس عناصر رادیواکتیو از ابر حاصل به عناصر پایدار تجزیه می‌شوند و باعث تشعشع آن می‌شوند. ستاره شناسان مقدار زیادی از عناصر سنگین مانند طلا و پلاتین را در ابر پیدا کرده اند که به ما امکان می دهد ادغام ستاره ها را به عنوان کارخانه های کهکشانی واقعی عناصر سنگینی که در جهان جوان وجود نداشت در نظر بگیریم.

کامپیوتر کوانتومی با 53 کیوبیت

کامپیوترهای کوانتومی که انتظارات زیادی با آنها در ارتباط است، هنوز ساخته نشده اند، اما در سال 2017 گام های مهمی برای تحقق این ایده برداشته شد. دستگاه‌های محاسباتی کوانتومی با کیوبیت‌ها کار می‌کنند - اشیایی که کوچک‌ترین عنصر اطلاعات را ذخیره می‌کنند، مشابه بیتی در یک کامپیوتر معمولی. تعداد کیوبیت ها توانایی های یک کامپیوتر کوانتومی را مشخص می کند.

در ماه نوامبر، مجله Nature مقالاتی در مورد شبیه سازی سیستم های کوانتومی با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی 51 و 53 کیوبیت منتشر کرد. پیش از این، چنین دستگاه های جهانی به 20 کیوبیت محدود می شد. افزایش 2.5 برابری تعداد کیوبیت ها، قابلیت های رایانه ها را چندین برابر کرد. کامپیوتر کوانتومی 51 کیوبیتی تحت رهبری میخائیل لوکین، که در مرکز کوانتومی روسیه و دانشگاه هاروارد کار می کند، ساخته شد. در 28 ژوئیه، چنین دستگاهی در ارائه شد کنفرانس بین المللیدر مورد فناوری های کوانتومی در مسکو

هیدروژن فلزی پایدار

در ژانویه، فیزیکدانان هاروارد گزارش دادند که برای اولین بار در تاریخ، مقدار کمی هیدروژن فلزی پایدار به دست آورده‌اند. ابعاد نمونه 10×1.5 میکرومتر بود. از نظر تئوری، وجود هیدروژن فلزی در فشارهای بالا در سال 1935 پیش بینی شد. در طبیعت، چنین شرایطی در فضای داخلی ستارگان و سیارات غول پیکر تحقق می یابد. از سال 1996، چندین بار با فشرده سازی ضربه ای به دست آمده است، اما هیدروژن برای مدت بسیار کوتاهی در این حالت وجود داشته است.

برای تولید هیدروژن فلزی پایدار، تیم هاروارد از تأسیساتی استفاده کردند که در آن سندان های الماسی فشاری معادل 495 گیگا پاسکال داشتند که حدود پنج میلیون برابر فشار معمولی اتمسفر است.

علاوه بر ارزش صرفاً علمی، این ماده عجیب و غریب می تواند کاربردهای عملی نیز داشته باشد - دارای ابررسانایی با دمای بالا (در این مورد، در -58 درجه سانتیگراد رخ داده است).

لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس شروع به کار کرد

در 1 سپتامبر، مراسم افتتاحیه رسمی بزرگترین لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا XFEL (لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس) برگزار شد که روسیه نیز در ساخت آن شرکت کرد. در واقع این نصب یک لیزر نیست، یعنی منبع تابش نوری از نوع خاصی است. در آن، تابش اشعه ایکس، شبیه به تابش لیزر، یک پرتو الکترونی ایجاد می کند که به سرعت های نزدیک به سرعت نور شتاب می گیرد. XFEL از بزرگترین شتاب دهنده خطی ابررسانا در جهان به طول 1.7 کیلومتر برای این کار استفاده می کند. الکترون‌های شتاب‌دار در یک موج‌گیر می‌افتند - وسیله‌ای که یک میدان مغناطیسی متناوب در حال تغییر در فضا ایجاد می‌کند. حرکت در آن در امتداد یک مسیر زیگزاگی، الکترون ها در محدوده اشعه ایکس ساطع می کنند. این مرکز منحصر به فرد جدید، فلاش های اشعه ایکس فوق کوتاه با فرکانس رکورد 27000 بار در ثانیه تولید می کند و انتظار می رود حداکثر روشنایی آن یک میلیارد برابر بیشتر از منابع اشعه ایکس موجود باشد.

بیش از 60 تیم تحقیقاتی در حال حاضر برای آزمایش درخواست داده اند. با کمک ثبت پالس های پرتو ایکس روشن و بسیار کوتاه، محققان می توانند نه تنها آرایش اتم ها در مولکول ها، بلکه فرآیندهایی را که در آنجا اتفاق می افتد، ببینند. این امکان دستیابی به سطح جدیدی در تحقیقات در زمینه های فیزیک، شیمی، علم مواد، علوم زیستی و زیست پزشکی را فراهم می کند. به عنوان مثال، هنگام ایجاد داروهای جدید، متخصصان با دانستن آرایش دقیق اتم ها در مولکول های پروتئین، قادر خواهند بود موادی را انتخاب کنند که کار آنها را مسدود یا برعکس تحریک کند. آگاهی از ساختار کریستال ها امکان توسعه مواد با خواص مطلوب را فراهم می کند.

ثبت نوترینوها با بازگشت الاستیک

در سپتامبر 2017، یک تیم بزرگ بین المللی از فیزیکدانان، از جمله فیزیکدانان روسیه، کشف پراکندگی منسجم الاستیک نوترینوها بر روی هسته های ماده را اعلام کردند. این پدیده در سال 1974 توسط نظریه پرداز MIT دانیل فریدمن پیش بینی شد. نوترینو یک ذره گریزان است و برای گرفتن آن، محققان در حال ساخت تاسیسات عظیمی هستند که حاوی ده ها هزار تن آب است. فریدمن متوجه شد خواص موجنوترینو به روشی هماهنگ با تمام پروتون‌ها و نوترون‌های هسته برهم‌کنش می‌کند، که به طور قابل‌توجهی تعداد برهم‌کنش‌های مورد بررسی را افزایش می‌دهد - نوترینو از هسته پرش می‌کند. در طی 461 روز، محققان 134 رویداد را مشاهده کردند.

این کشف کتاب های درسی را مجبور به بازنویسی نمی کند. اهمیت آن در ایجاد یک آشکارساز کوچک توسط آزمایشگران است که در آن تنها 14.6 کیلوگرم کریستال یدید سزیم وجود دارد. آشکارسازهای نوترینو قابل حمل کوچک کاربردهای مختلفی مانند نظارت را پیدا خواهند کرد راکتورهای هسته ای. متأسفانه، آنها نمی توانند در همه آزمایش ها جایگزین آشکارسازهای غول پیکر شوند، زیرا یک آشکارساز مبتنی بر پراکندگی منسجم نمی تواند بین انواع نوترینوها تمایز قائل شود.

کریستال زمان - دو گزینه

در ماه مارس، دو تیم از محققین از ایالات متحده کشف حالت جدیدی از ماده به نام کریستال زمان - کریستال زمانی را گزارش کردند (به «علم و زندگی» شماره 6، 2017 مراجعه کنید. این یک ایده جدید در فیزیک است که به طور گسترده در مورد بحث قرار گرفته است سال های گذشته. چنین بلورهایی ساختارهای همیشه متحرک ذراتی هستند که خود در زمان تکرار می شوند. یک گروه از زنجیره ای از اتم های ایتربیوم استفاده کردند که در آن، تحت تأثیر لیزر، برآمدگی گشتاور مغناطیسی سیستم نوسان می کرد. دیگری کریستالی را در نظر گرفت که حاوی حدود یک میلیون عیب تصادفی است که هرکدام گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارند. زمانی که چنین کریستالی تحت تأثیر تکانه ها قرار گرفت تشعشعات مایکروویوبرای چرخش چرخش، فیزیکدانان پاسخ سیستم را در فرکانسی ثابت کردند که تنها کسری از فرکانس تابش هیجان انگیز بود. این آثار باعث بحث شد: آیا می توان چنین سیستم هایی را کریستال های زمانی در نظر گرفت. از این گذشته، از نظر تئوری، سیستم ها باید بدون تأثیر خارجی در نوسان باشند. اما در هر صورت، چنین کریستال های زمانی به عنوان حسگرهای فوق دقیق، به عنوان مثال، برای اندازه گیری کوچکترین تغییرات دما و میدان های مغناطیسی کاربرد پیدا می کنند.

سیارات فراخورشیدی شبیه زمین

در سال‌های اخیر، ستاره‌شناسان سیارات فراخورشیدی زیادی را کشف کرده‌اند - سیاراتی که به دور ستاره‌های دیگر می‌چرخند. با این حال، یافتن سیارات زمین مانند در منطقه ای که آب مایع و در نتیجه حیات (منطقه قابل سکونت) می تواند وجود داشته باشد، چندان زیاد نیست. در ماه فوریه، اخترشناسان ناسا از کشف هفت سیاره فراخورشیدی در منظومه کوتوله قرمز TRAPPIST-1 خبر دادند (سه سیاره در سال 2016 پیدا شد)، که پنج سیاره از نظر اندازه نزدیک به زمین هستند و دو سیاره کمی کوچکتر از زمین، اما بزرگتر از مریخ. این بیشتر از هر سیستم دیگری است. حداقل سه سیاره، و احتمالاً همه، در منطقه قابل سکونت هستند.

TRAPPIST-1 یک ستاره کوتوله فوق سرد با دمای حدود 2500 کلوین، با جرم تنها 8 درصد از جرم خورشید (یعنی کمی بزرگتر از سیاره مشتری) است که در حدود 40 سال نوری از زمین قرار دارد. سیارات بسیار نزدیک به ستاره هستند و مدار دورترین آنها بسیار کوچکتر از مدار عطارد است. در ماه آگوست، اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل، اولین نشانه‌هایی از محتوای آب در سامانه TRAPPIST-1 را گزارش کردند که امکان وجود حیات در آنجا را فراهم کرد.

در ماه آوریل، اخترشناسان از کشف یک سیاره سنگی 1.4 برابر بزرگتر گزارش دادند زمین بیشتردر منطقه قابل سکونت یک کوتوله قرمز دیگر - LHS 1140. نیمی از نور زمین را دریافت می کند. نویسندگان این کشف آن را کاندیدای خوبی برای جستجوی حیات فرازمینی می دانند.

در ماه دسامبر، ستاره شناسان آمریکایی از کشف هشتمین سیاره در منظومه ستاره ای کپلر-90 خبر دادند که در فاصله 2500 سال نوری از زمین قرار دارد. این منظومه از نظر تعداد سیارات نزدیکترین به منظومه شمسی. درست است، سیاره یافت شده خیلی نزدیک به ستاره قرار دارد و دمای سطح آن بیش از 400 درجه سانتیگراد است. جالب اینجاست که این سیاره هنگام پردازش داده های تلسکوپ کپلر با استفاده از یک شبکه عصبی پیدا شد.

تکمیل ماموریت کاسینی

در 15 سپتامبر، مأموریت 13 ساله کاوشگر فضایی کاسینی با سقوط به سطح زحل به پایان رسید. این سیاره که در سال 1997 راه اندازی شد، از سال 2004 در حال کاوش در سیاره هفتم بوده و حجم عظیمی از داده ها و عکس های منحصر به فرد را به زمین مخابره می کند. آخرین مرحله زندگی او - "فینال بزرگ" در 26 آوریل 2017 آغاز شد. کاسینی 22 پرواز بین سیاره و حلقه داخلی انجام داد. چنین "غواصی" عمیقی اطلاعات جدید زیادی به خصوص در مورد اتصال الکتریکی و شیمیایی یونوسفر زحل با حلقه ها به دست داد.

بر اساس داده‌های کاوشگر در سال ۲۰۱۷، ستاره‌شناسان به این نتیجه رسیدند که حلقه‌های زحل بسیار جوان‌تر از این سیاره است که حدود ۴.۵ میلیارد سال سن دارد. عمر حلقه ها 100 میلیون سال تخمین زده شده است، بنابراین آنها معاصر دایناسورها هستند.

محققان تصمیم گرفتند کاوشگر را روی این سیاره "پرتاب کنند" تا به طور تصادفی باکتری های زمینی را به قمرهای تیتان و انسلادوس زحل، جایی که ممکن است میکروارگانیسم های محلی وجود داشته باشد، نیاورد.

همجوشی کوارک

در ماه نوامبر، مقاله‌ای در مجله نیچر منتشر شد که در آن دو فیزیکدان، از ایالات متحده و اسرائیل، احتمال واکنشی در سطح کوارک، شبیه به هسته‌های حرارتی، اما با آزاد شدن انرژی بسیار بیشتر را پیشنهاد کردند. همانطور که می دانید، در یک واکنش گرما هسته ای، عناصر سبک با آزاد شدن انرژی ادغام می شوند. واکنش مشابهی نیز می تواند در برخورد ذرات بنیادی رخ دهد که طبق مفاهیم مدرن از کوارک ها تشکیل شده اند. در این حالت، کوارک‌های ذرات در حال برخورد برهم کنش کرده و دوباره دسته‌بندی می‌شوند. در نتیجه، یک ذره جدید با انرژی اتصال متفاوت کوارک ها ظاهر می شود و انرژی آزاد می شود.

محققان دو مورد را شناسایی کرده اند واکنش های احتمالی. در اولین آنها، هنگامی که دو کوارک جذاب با هم ادغام می شوند، انرژی 12 مگا ولت آزاد می شود. هنگامی که دو کوارک داون با هم ادغام می شوند، 138 مگا ولت باید آزاد شود، که تقریباً هشت برابر بیشتر از همجوشی جداگانه دوتریوم و تریتیوم در یک واکنش گرما هسته ای (18 مگا ولت) است. استفاده عملیاین فرضیات به دلیل کوچک بودن عمر کوارک ها هنوز در نظر گرفته نشده اند.

اکسایتون ها توانستند متراکم شوند

در ماه دسامبر، تیمی از فیزیکدانان از ایالات متحده، بریتانیا و هلند کشف شکل جدیدی از ماده را اعلام کردند که آن را اگزیتونیوم نامیدند. شبه ذره اکسایتون - حالت برانگیخته خاصی از یک کریستال، که می تواند به صورت ترکیبی از یک الکترون و یک حفره، شبیه به اتم هیدروژن نشان داده شود - در سال 1931 توسط فیزیکدان شوروی یاکوف ایلیچ فرنکل پیش بینی شد.

یک اکسایتون متعلق به بوزون ها است، ذرات با اسپین صحیح، و در دمای به اندازه کافی پایین، سیستمی از بوزون ها به حالت خاصی به نام میعان می روند که در آن همه ذرات در یک حالت کوانتومی هستند و مانند یک موج کوانتومی بزرگ رفتار می کنند. به همین دلیل مایع بوز تبدیل به ابر سیال یا ابررسانا می شود. محققان موفق به شناسایی چگالش بوز اکسیتون ها در کریستال های 1T-TiSe 2 شدند.

این کشف برای توسعه بیشتر مکانیک کوانتومی مهم است و در عمل، ابررسانایی و ابرسیالیت اکسیتونیم ممکن است کاربرد پیدا کند.

مطابق با نظریه خاصنسبیت انیشتین، سرعت نور ثابت است - و بدون توجه به ناظر تقریباً 300000000 متر در ثانیه است. این به خودی خود باورنکردنی است، با توجه به اینکه هیچ چیز نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند، اما هنوز کاملاً نظری است. بخش جالبی از نسبیت خاص به نام «اتساع زمان» وجود دارد که می‌گوید هرچه سریع‌تر حرکت کنید، زمان برای شما کندتر می‌شود، برخلاف محیط اطرافتان. اگر یک ساعت رانندگی کنید، کمی کمتر از زمانی که در خانه پشت کامپیوتر خود بنشینید پیر خواهید شد. بعید است که نانوثانیه های اضافی زندگی شما را به طور قابل توجهی تغییر دهد، اما این واقعیت همچنان پابرجاست.

معلوم می شود که اگر با سرعت نور حرکت کنید، زمان به طور کلی در جای خود منجمد می شود؟ درست است. اما قبل از اینکه بخواهید جاودانه شوید، به خاطر داشته باشید که حرکت با سرعت نور غیرممکن است اگر به اندازه کافی خوش شانس نباشید که سبک متولد شوید. از نقطه نظر فنی، حرکت با سرعت نور به مقدار بی نهایت انرژی نیاز دارد.

ما به تازگی به این نتیجه رسیده ایم که هیچ چیز نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. خوب ... بله و نه. در حالی که این موضوع از نظر فنی درست است، اما در این نظریه خلأ وجود دارد که در باورنکردنی ترین شاخه فیزیک، مکانیک کوانتومی، یافت شده است.

مکانیک کوانتومی اساساً مطالعه فیزیک در مقیاس های میکروسکوپی است، مانند رفتار ذرات زیر اتمی. این نوع ذرات فوق العاده کوچک هستند، اما بسیار مهم هستند، زیرا بلوک های سازنده همه چیز در جهان هستند. شما می توانید آنها را به عنوان توپ های ریز در حال چرخش با بار الکتریکی در نظر بگیرید. بدون عوارض غیر ضروری.

بنابراین ما دو الکترون داریم (ذرات زیر اتمی با بار منفی). فرآیند خاصی است که این ذرات را به گونه ای به هم متصل می کند که یکسان می شوند (دارای اسپین و بار یکسان). وقتی این اتفاق می افتد، از آن نقطه به بعد، الکترون ها یکسان می شوند. این بدان معنی است که اگر یکی از آنها را تغییر دهید - مثلاً چرخش را تغییر دهید - دومی بلافاصله واکنش نشان می دهد. فارغ از اینکه او کجاست. حتی اگر به آن دست نزنید. تأثیر این فرآیند شگفت‌انگیز است - شما می‌دانید که در تئوری این اطلاعات (در این مورد، جهت چرخش) می‌تواند در هر نقطه از جهان از راه دور منتقل شود.

جاذبه بر نور تأثیر می گذارد

بیایید به نور برگردیم و در مورد نظریه نسبیت عام (همچنین توسط انیشتین) صحبت کنیم. در این نظریه مفهومی به نام انحراف نور گنجانده شده است - مسیر نور ممکن است همیشه مستقیم نباشد.

هر چند عجیب به نظر برسد، این بارها و بارها ثابت شده است. در حالی که نور هیچ جرمی ندارد، مسیر آن به چیزهایی بستگی دارد که دارای آن جرم هستند، مانند خورشید. بنابراین اگر نور ستاره ای دور به اندازه کافی از ستاره دیگری عبور کند، به دور آن خواهد رفت. این چه تاثیری بر ما می گذارد؟ ساده است: شاید ستاره هایی که می بینیم در مکان های کاملا متفاوتی باشند. به یاد داشته باشید دفعه بعد که به ستاره ها نگاه می کنید، همه اینها می تواند فقط یک حقه نور باشد.

به لطف برخی از تئوری هایی که قبلاً بحث کردیم، فیزیکدانان روش های نسبتاً دقیقی برای اندازه گیری کل جرم موجود در جهان دارند. آنها همچنین روش‌های نسبتاً دقیقی برای اندازه‌گیری جرم کل دارند که می‌توانیم مشاهده کنیم - اما بدشانسی، این دو عدد با هم مطابقت ندارند.

در واقع، حجم کل جرم در جهان بسیار بزرگتر از کل جرمی است که می توانیم محاسبه کنیم. فیزیکدانان باید به دنبال توضیحی برای این موضوع می‌گشتند و نتیجه، نظریه‌ای بود که شامل ماده تاریک می‌شد - ماده‌ای مرموز که نور ساطع نمی‌کند و تقریباً 95 درصد جرم جهان را به خود اختصاص می‌دهد. اگرچه وجود ماده تاریک به طور رسمی ثابت نشده است (چون ما نمی توانیم آن را مشاهده کنیم)، اما شواهد زیادی به نفع ماده تاریک وجود دارد و باید به یک شکل وجود داشته باشد.

جهان ما به سرعت در حال گسترش است

مفاهیم پیچیده تر می شوند و برای درک دلیل آن، باید به نظریه بیگ بنگ برگردیم. قبل از تبدیل شدن به یک برنامه تلویزیونی محبوب، نظریه انفجار بزرگ توضیح مهمی برای منشأ جهان ما بود. به بیان ساده: جهان ما با یک انفجار آغاز شد. زباله ها (سیاره ها، ستارگان، و غیره) در همه جهات پخش می شوند که توسط انرژی عظیم انفجار هدایت می شوند. از آنجایی که زباله‌ها بسیار سنگین هستند، انتظار داشتیم این انفجار در طول زمان کند شود.

ولی آن اتفاق نیفتاد. در واقع، انبساط جهان ما با گذشت زمان سریعتر و سریعتر اتفاق می افتد. و عجیب است. این بدان معنی است که فضا دائما در حال رشد است. تنها راه ممکن برای توضیح این موضوع ماده تاریک یا بهتر است بگوییم انرژی تاریک است که باعث این شتاب ثابت می شود. انرژی تاریک چیست؟ برای تو .

تمام ماده انرژی است.

ماده و انرژی فقط دو روی یک سکه هستند. در واقع، اگر فرمول E = mc 2 را می دیدید، همیشه این را می دانستید. E انرژی و m جرم است. مقدار انرژی موجود در مقدار خاصی از جرم با ضرب جرم در مجذور سرعت نور تعیین می شود.

توضیح این پدیده کاملاً هیجان انگیز است و به این دلیل است که جرم یک جسم با نزدیک شدن به سرعت نور افزایش می یابد (حتی اگر زمان کند شود). اثبات کاملاً پیچیده است، بنابراین شما فقط می توانید حرف من را قبول کنید. به بمب‌های اتمی نگاه کنید که مقادیر نسبتاً کمی ماده را به انفجارهای قدرتمند انرژی تبدیل می‌کنند.

دوگانگی موج - ذره

برخی چیزها آنقدر که به نظر می رسد واضح نیستند. در نگاه اول، ذرات (مانند یک الکترون) و امواج (مانند نور) به نظر کاملاً متفاوت هستند. اولی قطعات جامد ماده، دومی پرتوهای انرژی تابشی یا چیزی شبیه به آن. مثل سیب و پرتقال. معلوم می شود که چیزهایی مانند نور و الکترون ها فقط به یک حالت محدود نمی شوند - بسته به اینکه چه کسی به آنها نگاه می کند، می توانند همزمان ذره و موج باشند.

به طور جدی. مضحک به نظر می رسد، اما شواهد مشخصی وجود دارد که نور یک موج است و نور یک ذره. نور هر دو است. همزمان. نه واسطه ای بین دو دولت، یعنی هر دو. ما به حوزه مکانیک کوانتومی بازگشته‌ایم و در مکانیک کوانتومی جهان به این شکل دوست دارد و نه غیر از آن.

همه اجسام با سرعت یکسان سقوط می کنند

برای بسیاری، ممکن است به نظر برسد که اجسام سنگین سریعتر از اجسام سبک سقوط می کنند - این معقول به نظر می رسد. مطمئنا توپ بولینگ سریعتر از پر می افتد. این درست است، اما تقصیر گرانش نیست - تنها دلیل این اتفاق این است که جو زمین مقاومت ایجاد می کند. حتی 400 سال پیش، گالیله برای اولین بار متوجه شد که گرانش روی همه اجسام، صرف نظر از جرم آنها، یکسان عمل می کند. اگر با یک توپ بولینگ و یک پر روی ماه (که جو ندارد) بودید، همزمان می افتادند.

خوب، همه چیز. در این مرحله می توانید ذهن را حرکت دهید.

شما فکر می کنید فضا خود خالی است. این فرض کاملاً منطقی است - به همین دلیل است که فضا، فضا است. اما جهان پوچی را تحمل نمی کند، بنابراین، در فضا، در فضا، در پوچی، ذرات دائما متولد می شوند و می میرند. به آنها مجازی می گویند اما در واقع واقعی هستند و این ثابت شده است. آنها برای کسری از ثانیه وجود دارند، اما این مدت برای شکستن برخی از قوانین اساسی فیزیک کافی است. دانشمندان این پدیده را "فوم کوانتومی" می نامند زیرا به طرز وحشتناکی شبیه حباب های گاز در یک نوشابه است.

آزمایش دو شکاف

در بالا اشاره کردیم که همه چیز می تواند همزمان هم ذره و هم موج باشد. اما نکته اینجاست: اگر یک سیب در دست باشد، دقیقاً می دانیم که چه شکلی است. این یک سیب است، نه نوعی موج سیب. چه چیزی وضعیت یک ذره را تعیین می کند؟ پاسخ: ما

آزمایش دو شکاف فقط یک آزمایش فوق العاده ساده و مرموز است. همین است. دانشمندان صفحه‌ای با دو شکاف روی دیوار قرار می‌دهند و پرتوی نور را از میان شکاف پرتاب می‌کنند تا ببینیم کجا به دیوار برخورد می‌کند. از آنجایی که نور یک موج است، الگوی پراش خاصی ایجاد می کند و رگه هایی از نور را می بینید که در سراسر دیوار پراکنده شده اند. اگرچه دو اسلات وجود داشت.

اما ذرات باید متفاوت واکنش نشان دهند - با پرواز از طریق دو شکاف، آنها باید دو نوار را روی دیوار دقیقاً در مقابل شکاف ها بگذارند. و اگر نور یک ذره است، چرا این رفتار را از خود نشان نمی دهد؟ پاسخ این است که نور این رفتار را از خود نشان خواهد داد - اما به شرطی که ما بخواهیم. به عنوان موج، نور به طور همزمان از هر دو شکاف عبور می کند، اما به عنوان یک ذره، تنها از یکی عبور می کند. تنها چیزی که برای تبدیل نور به ذره نیاز داریم اندازه گیری هر ذره نور (فوتون) است که از شکاف عبور می کند. دوربینی را تصور کنید که از هر فوتونی که از شکاف عبور می کند عکس می گیرد. همان فوتون بدون موج بودن نمی تواند از شکاف دیگری عبور کند. الگوی تداخل روی دیوار ساده خواهد بود: دو نوار نور. ما نتایج یک رویداد را صرفاً با اندازه گیری و مشاهده آنها به طور فیزیکی تغییر می دهیم.

به این "اثر مشاهده گر" می گویند. و اگرچه این راه خوببرای پایان دادن به این مقاله، او حتی سطح چیزهای کاملاً باورنکردنی را که فیزیکدانان پیدا می کنند، خراش نداد. تنوع زیادی در آزمایش دو شکاف وجود دارد که حتی دیوانه‌کننده‌تر و جالب‌تر هستند. تنها در صورتی می‌توانید به دنبال آنها بگردید که نترسید که مکانیک کوانتومی شما را با سرتان بمکد.

لایتنستورفر می‌گوید: «ما می‌توانیم حالت‌های کوانتومی را بدون تغییر در اولین مشاهده آنالیز کنیم».

به عنوان یک قاعده، وقتی می خواهید تأثیر نوسانات کوانتومی را بر ذرات خاص نور ردیابی کنید، ابتدا باید این ذرات را شناسایی و جدا کنید. این به نوبه خود، "امضای کوانتومی" این فوتون ها را حذف می کند. آزمایش مشابهی توسط تیمی از دانشمندان در سال 2015 انجام شد.

در آزمایش جدید، محققان به جای مشاهده تغییرات در نوسانات کوانتومی با جذب یا تقویت فوتون های نور، خود نور را از نظر زمان مشاهده کردند. ممکن است عجیب به نظر برسد، اما در خلاء، فضا و زمان به گونه‌ای عمل می‌کنند که مشاهده یکی بلافاصله به شما امکان می‌دهد درباره دیگری اطلاعات بیشتری کسب کنید. با انجام چنین مشاهداتی، دانشمندان دریافتند که وقتی خلاء "فشرده شد"، این "فشردگی" دقیقاً به همان شکلی اتفاق می افتد که هنگام فشرده شدن یک بالون اتفاق می افتد و تنها با نوسانات کوانتومی همراه است.

در نقطه ای، این نوسانات قوی تر از صدای پس زمینه یک خلاء فشرده نشده و در برخی جاها برعکس ضعیف تر شد. لایتن استورفر به عنوان یک قیاس به ترافیکی اشاره می کند که در فضای باریکی از جاده حرکت می کند: با گذشت زمان، اتومبیل های پارک شده در خطوط خود از همان خط عبور می کنند تا از گلوگاه عبور کنند و سپس به خطوط خود باز می گردند. طبق مشاهدات دانشمندان، تا حدی مشابه، در خلاء اتفاق می افتد: فشرده سازی خلاء در یک مکان منجر به توزیع تغییرات در نوسانات کوانتومی در مکان های دیگر می شود. و این تغییرات می تواند سرعت یا کاهش سرعت داشته باشد.

این اثر را می توان در فضا-زمان اندازه گیری کرد، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. سهمی در مرکز تصویر نقطه "فشرده شدن" را در خلاء نشان می دهد:

نتیجه این فشرده سازی همانطور که در همان تصویر مشاهده می شود مقداری "افتادگی" در نوسانات است. برای دانشمندان کمتر تعجب آور نبود این مشاهده که سطح توان نوسان در برخی مکان ها کمتر از سطح نویز پس زمینه است که به نوبه خود از حالت پایه فضای خالی کمتر است.

این مطالعه می‌گوید: «از آنجایی که روش اندازه‌گیری جدید شامل گرفتن یا تقویت فوتون نمی‌شود، امکان شناسایی و مشاهده مستقیم نویز پس‌زمینه الکترومغناطیسی در خلاء و همچنین انحراف‌های حالت کنترل‌شده ایجاد شده توسط محققان وجود دارد.»

در حال حاضر، محققان دقت روش اندازه‌گیری خود را آزمایش می‌کنند و همچنین در تلاش هستند تا بفهمند که واقعاً چه چیزی قادر به انجام آن است. علیرغم نتایج بیش از چشمگیر این کار، هنوز این احتمال وجود دارد که دانشمندان به روشی به اصطلاح "بی نتیجه اندازه گیری" رسیده باشند، که ممکن است حالات کوانتومی اجسام را مختل نکند، اما در عین حال قادر به انجام آن نباشد. تا به دانشمندان درباره یک سیستم کوانتومی خاص بیشتر بگوید.

اگر این روش واقعا کار می کند، دانشمندان می خواهند از آن برای اندازه گیری "وضعیت کوانتومی نور" - رفتار نامرئی نور در سطح کوانتومیکه ما تازه در حال درک آن هستیم. با این حال، کار بیشتر نیاز به تأیید اضافی دارد - تکرار نتایج کشف تیمی از محققان از دانشگاه کنستانز و در نتیجه نشان دادن مناسب بودن روش اندازه‌گیری پیشنهادی.

دسامبر زمان بررسی است. سردبیران پروژه Vesti.Nauka (nauka.site) ده جالب ترین خبری را که فیزیکدانان در سال گذشته ما را خوشحال کرده اند را برای شما انتخاب کرده اند.

حالت جدید ماده

این فناوری مولکول ها را مجبور می کند تا خود به خود در ساختارهای مورد نظر جمع شوند.

حالتی از ماده به نام اکسیتونیم از نظر تئوری تقریباً نیم قرن پیش پیش‌بینی شده بود، اما تنها اکنون می‌توان آن را در یک آزمایش به دست آورد.

این حالت با تشکیل یک میعانات بوز از شبه ذرات اکسایتون، که یک جفت الکترون و یک حفره هستند، مرتبط است. ما همان معنای همه این کلمات فریبنده هستیم.

کامپیوتر پولاریتون

کامپیوتر جدید از شبه ذرات پلاریتون استفاده می کند.

این خبر از Skolkovo آمده است. دانشمندان Skoltech یک طرح اساساً جدید از عملکرد رایانه را اجرا کرده اند. می توان با آن مقایسه کرد روش زیرنقطه پایین سطح را جستجو کنید: درگیر محاسبات دست و پا گیر نباشید، بلکه یک لیوان آب را روی آن واژگون کنید. فقط به جای سطح، میدانی با پیکربندی لازم و به جای آب - شبه ذرات پلاریتون وجود داشت. مواد ما در این خرد کوانتومی.

تله پورت کوانتومی "زمین-ماهواره"

حالت کوانتومی یک فوتون ابتدا از زمین به ماهواره ارسال شد.

و در اینجا، یک بار دیگر، برخورد دهنده بزرگ هادرون به کمک فیزیکدانان آمد. "اخبار. علم"، آنچه محققان موفق به دستیابی به آن شدند و اتم های سرب چه ارتباطی با آن دارند.

برهمکنش فوتون ها در دمای اتاق

این پدیده ابتدا در دمای اتاق مشاهده شد.

فوتون های زیادی وجود دارد روش های مختلفبا یکدیگر تعامل دارند و علمی به نام اپتیک غیرخطی به آنها می پردازد. و اگر پراکندگی نور توسط نور به تازگی مشاهده شده است، اثر کر مدتهاست که برای آزمایشگران آشنا بوده است.

با این حال، در سال 2017، برای اولین بار برای فوتون های جداگانه در دمای اتاق بازتولید شد. ما در مورد این پدیده جالب صحبت می کنیم که به نوعی می توان آن را "برخورد ذرات نور" نیز نامید، و در مورد چشم اندازهای فناوری که در ارتباط با آن باز می شود.

کریستال زمان

خلق آزمایش‌کنندگان نظم «کریستالی» را نه در فضا، بلکه در زمان نشان می‌دهد.

در فضای خالی، هیچ نقطه ای با نقطه دیگر متفاوت نیست. در یک کریستال، همه چیز متفاوت است: یک ساختار تکراری وجود دارد که به آن شبکه کریستالی می گویند. آیا ساختارهای مشابهی ممکن است که خود را نه در فضا، بلکه در زمان بدون صرف انرژی تکرار کنند؟

واکنش های گرما هسته ای "ستاره" روی زمین

فیزیکدانان شرایطی را در روده ستارگان در یک راکتور گرما هسته ای بازسازی کرده اند.

یک رآکتور حرارتی هسته‌ای صنعتی رویای گرامی بشر است. اما آزمایش‌ها بیش از نیم قرن است که ادامه دارند و انرژی عملاً رایگان مورد علاقه وجود ندارد.

و با این حال، در سال 2017، گام مهمی در این راستا برداشته شد. برای اولین بار، محققان تقریباً دقیقاً شرایط حاکم در اعماق ستارگان را بازسازی کردند. چگونه این کار را انجام دادند

بیایید امیدوار باشیم که سال 2018 به همان اندازه سرشار از آزمایش های جالب و اکتشافات غیرمنتظره باشد. اخبار را دنبال کنید. به هر حال، ما نیز یک بررسی از سال خروجی برای شما انجام دادیم.

فیزیکدانان سوئیسی برای اولین بار پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن (پارادوکس EPR) را بر روی یک سیستم کوانتومی متشکل از 600 اتم روبیدیم نشان دادند. دانشمندان موفق شدند با درهم تنیدگی بین دو قسمت ابری از گاز فوق خنک و اثبات امکان هدایت، واقع گرایی محلی را بشکنند، زمانی که وضعیت یک بخش از یک سیستم کوانتومی را می توان از حالت دوم پیش بینی کرد. به گزارش Science Alert، مقاله دانشمندان در مجله Science منتشر شده است.

بر اساس پارادوکس EPR که در سال 1935 پیشنهاد شد، دو ذره می توانند با یکدیگر تعامل کنند به گونه ای که موقعیت و تکانه آنها را می توان با دقتی بیشتر از آنچه که توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مجاز است اندازه گیری کرد. به عنوان مثال، تکانه کل دو ذره (A و B) که در نتیجه فروپاشی ذره سوم تشکیل شده اند، باید برابر با تکانه اولیه ذره آخر باشد، بنابراین اندازه گیری تکانه ذره A به شما اجازه می دهد تا تکانه ذره B را پیدا کنید، در حالی که هیچ اختلالی در حرکت ذره دوم ایجاد نمی شود. سپس مختصات ذره B را می توان دقیقاً تعیین کرد، بنابراین اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را نقض می کند.

از آنجایی که اصل عدم قطعیت در هر صورت حفظ می‌شود، اندازه‌گیری تکانه ذره A ناگزیر مختصات ذره B را مختل می‌کند و آنها را نامشخص می‌کند، مهم نیست که ذره اول چقدر از ذره آخر فاصله داشته باشد. انیشتین معتقد بود که این امر واقع گرایی جهان را نقض می کند و اجرام فیزیکی در چارچوب مکانیک کوانتومی وجود عینی از بین می برند. او معتقد بود که چنین تفسیری نادرست است و ماهیت احتمالی رفتار ذرات در واقع با وجود برخی پارامترهای پنهان توضیح داده می شود. با این حال، در حال حاضر، نظریه متغیرهای پنهان تایید تجربی دریافت نکرده است.

دانشمندان از حدود 600 اتم روبیدیم-87 یک میعانات بوز-انیشتین ساخته اند. میعانات گازی است که تا دماهای بسیار پایین خنک می‌شود، که در آن همه اتم‌ها پایین‌ترین حالت‌های کوانتومی ممکن را اشغال می‌کنند، یعنی تقریباً از یکدیگر قابل تشخیص نیستند. با کمک لیزر، اتم ها به حالت فشرده در آمدند، که در آن نوسانات یک متغیر (در این مورد، یکی از اجزای اسپین، یعنی "محور چرخش") بسیار کوچک می شود. و دیگری - بزرگ. بنابراین، یک پیوند کوانتومی بین اتم ها ایجاد شد.

محققان موفق شدند ابر را به دو منطقه مختلف A و B تقسیم کنند. با استفاده از لیزر، اسپین جمعی اتم ها در میعان و اجزای "محور چرخش" اندازه گیری شد. در همان زمان، بر اساس نابرابری هایی که این پارامترها را در نظر می گیرند، درهم تنیدگی بین اتم ها برای یک حالت فشرده و یک اسپین جمعی معین ثابت شد. همبستگی آنقدر قوی بود که یک پارادوکس EPR به وجود آمد و با اندازه‌گیری اسپین در ناحیه A می‌توان وضعیت کوانتومی اتم‌ها را در ناحیه B پیش‌بینی کرد (پیش‌بینی فقط در یک جهت امکان‌پذیر است).