Nova otkrića u kvantnoj fizici. Fizičari su zavirili u "potpunu prazninu" i dokazali da u njoj postoji nešto. Eksperiment s dvostrukim prorezom

Materijal je pripremio Aleksej Poniatov, kandidat fizičkih i matematičkih znanosti

Gravitacijski valovi od spajanja neutronskih zvijezda

Sudar neutronskih zvijezda. Ilustracija: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Završen tunel akceleratora. Fotografija: European XFEL / Heiner Muller-Elsner.

Kompaktni detektor neutrina kojim rukuje fizičar Björn Scholz oblikom i veličinom nalikuje običnoj boci. Fotografija: Juan Collar/uchicago.edu.

Planeti sustava TRAPPIST-1 u usporedbi s planetima Sunčevog sustava. Ilustracija: NASA/JPL-Caltech.

Slika Saturnovih prstenova koju je snimila letjelica Cassini. Fotografija: Institut za svemirske znanosti/JPL-Caltech/NASA.

Najznačajnije otkriće 2017. bilo je prvo registriranje gravitacijskih valova od spajanja dviju neutronskih zvijezda. Astronomi su po prvi put uspjeli istovremeno snimiti izboje gama zraka koji su nastali tijekom spajanja, a zatim pronaći i istražiti mjesto gdje se kozmička katastrofa dogodila - 100 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje.

Otkriveno gravitacijski valovi Dana 17. kolovoza detektori gravitacijskih valova LIGO (SAD) i Virgo (Francuska, Italija), a nekoliko sekundi kasnije svemirske zvjezdarnice Integral (ESA) i Fermi (NASA) zabilježile su kratke izboje gama zraka. U potragu za izvorom signala uključile su se zemaljske i svemirske zvjezdarnice koje su zatim nekoliko desetaka dana pratile postupno blijedi ostatak “eksplozije”. U radu su sudjelovali i ruski istraživači iz IKI RAS, SAI MSU i FTI. A. F. Ioffe.

Ovo otkriće povezano je s nekoliko problema astrofizike odjednom. Prije svega, na pitanje podrijetla snažnih izboja gama zraka, koji emitiraju više energije u djeliću sekunde nego Sunce u milijardama godina.

Astrofizičari su dugo pretpostavljali da bi izvor praska mogao biti spajanje dviju neutronskih zvijezda, no sada su dobili eksperimentalni dokaz valjanosti razvijene teorije. Kao rezultat sudara zvijezda, istovremeno s praskom gama zraka, dio zvjezdane tvari velikom brzinom izbacuje u okolni prostor. Ovaj fenomen, otkriven 2013. godine, nazvan je kilonova. Tada se radioaktivni elementi iz nastalog oblaka raspadaju u stabilne, generirajući njegovo zračenje. Astronomi su pronašli veliku količinu teških elemenata u oblaku, poput zlata i platine, što nam omogućuje da zvjezdana spajanja smatramo pravim galaktičkim tvornicama teških elemenata kojih nije bilo u mladom Svemiru.

Kvantno računalo s 53 qubita

Kvantna računala, uz koja se vežu velika očekivanja, još nisu stvorena, no 2017. godine napravljeni su važni koraci prema oživljavanju ove ideje. Kvantni računalni uređaji rade s kubitima – objektima koji pohranjuju najmanji element informacije, analogno bitu u konvencionalnom računalu. Broj qubita određuje mogućnosti kvantnog računala.

U studenom je časopis Nature objavio članke o simulaciji kvantnih sustava pomoću kvantnih računala od 51 i 53 qubita. Prije toga, takvi univerzalni uređaji bili su ograničeni na 20 qubita. Povećanje broja qubita za 2,5 puta višestruko je povećalo mogućnosti računala. 51-qubit kvantno računalo stvoreno je pod vodstvom Mikhaila Lukina, koji radi u Ruskom kvantnom centru i Sveučilištu Harvard. 28. srpnja takav je uređaj predstavljen na Međunarodna konferencija o kvantnim tehnologijama u Moskvi.

stabilni metalni vodik

U siječnju su fizičari s Harvarda izvijestili da su dobili, prvi put u povijesti, malu količinu stabilnog metalnog vodika. Uzorak je bio dimenzija 1,5 x 10 µm. Teoretski, postojanje metalnog vodika pri visokim tlakovima predviđeno je 1935. godine. U prirodi se takvi uvjeti ostvaruju u unutrašnjosti zvijezda i divovskih planeta. Od 1996. nekoliko puta je dobiven udarnom kompresijom, no vodik je u tom stanju egzistirao vrlo kratko.

Za proizvodnju stabilnog metalnog vodika, tim s Harvarda upotrijebio je postrojenje u kojem su dijamantni nakovnji razvili tlak od 495 gigapaskala, oko pet milijuna puta više od normalnog atmosferskog tlaka.

Osim čisto znanstvene vrijednosti, ovaj egzotični materijal može imati i praktičnu primjenu - ima visokotemperaturnu supravodljivost (u ovom slučaju to se dogodilo na -58 °C).

Počeo je s radom laser slobodnih rendgenskih zraka

1. rujna održana je službena ceremonija otvaranja najvećeg u svijetu europskog rendgenskog lasera bez elektrona XFEL (x-ray free electron laser) u čijem je stvaranju sudjelovala i Rusija. Zapravo, ova instalacija nije laser, odnosno izvor optičkog zračenja određene vrste. U njemu rendgensko zračenje, po svojstvima slično laserskom zračenju, stvara snop elektrona ubrzan do brzina bliskih brzini svjetlosti. XFEL za to koristi najveći supravodljivi linearni akcelerator na svijetu, dug 1,7 km. Ubrzani elektroni padaju u ondulator - uređaj koji stvara periodično promjenjivo magnetsko polje u prostoru. Krećući se u njemu duž cik-cak staze, elektroni emitiraju u rasponu X-zraka. Novo jedinstveno postrojenje će generirati ultrakratke bljeskove rendgenskih zraka rekordnom frekvencijom od 27.000 puta u sekundi, a očekuje se da će njegova vršna svjetlina biti milijardu puta veća od postojećih izvora rendgenskih zraka.

Više od 60 istraživačkih timova već se prijavilo za eksperimente. Uz pomoć rekordno svijetlih i vrlo kratkih impulsa X-zraka, istraživači će moći vidjeti ne samo raspored atoma u molekulama, već i procese koji se tamo odvijaju. To će omogućiti postizanje nove razine istraživanja u područjima fizike, kemije, znanosti o materijalima, znanosti o životu i biomedicine. Na primjer, pri stvaranju novih lijekova stručnjaci će, znajući točan raspored atoma u proteinskim molekulama, moći odabrati tvari koje će blokirati ili, obrnuto, potaknuti njihov rad. Poznavanje strukture kristala omogućit će razvoj materijala željenih svojstava.

Registracija neutrina elastičnim odskokom

U rujnu 2017. veliki međunarodni tim fizičara, uključujući i one iz Rusije, objavio je otkriće elastičnog koherentnog raspršenja neutrina na jezgrama materije. Ovaj je fenomen 1974. predvidio teoretičar MIT-a Daniel Friedman. Neutrino je nedostižna čestica, a kako bi je uhvatili, istraživači grade golema postrojenja koja sadrže desetke tisuća tona vode. Friedman je to otkrio valna svojstva neutrino će koordinirano komunicirati sa svim protonima i neutronima jezgre, što će značajno povećati broj razmatranih interakcija - neutrino se odbija od jezgre. Tijekom 461 dana istraživači su promatrali 134 takva događaja.

Ovo otkriće neće natjerati udžbenike na ponovno pisanje. Njegovo značenje leži u stvaranju malog detektora od strane eksperimentatora, u kojem se nalazi samo 14,6 kg kristala cezijevog jodida. Mali prijenosni detektori neutrina pronaći će različite primjene, poput praćenja nuklearni reaktori. Nažalost, oni ne mogu zamijeniti divovske detektore u svim eksperimentima, budući da detektor temeljen na koherentnom raspršenju ne može razlikovati vrste neutrina.

Vremenski kristal - dvije mogućnosti

U ožujku su dva tima istraživača iz Sjedinjenih Država izvijestila o otkriću novog stanja materije, nazvanog vremenski kristal - temporalni kristal (vidi "Znanost i život" br. 6, 2017.). Ovo je nova ideja u fizici, o kojoj se naširoko raspravlja posljednjih godina. Takvi kristali su stalno pokretne strukture čestica koje se same ponavljaju u vremenu. Jedna je skupina koristila lanac atoma iterbija, u kojem je pod djelovanjem lasera oscilirala projekcija magnetskog momenta sustava. Drugi je razmatrao kristal koji sadrži oko milijun nasumičnih defekata, svaki sa svojim magnetskim momentom. Kad je takav kristal bio podvrgnut impulsima mikrovalno zračenje da bi okrenuli vrtnje, fizičari su fiksirali odgovor sustava na frekvenciju koja je bila samo djelić frekvencije uzbudljivog zračenja. Radovi su izazvali raspravu: mogu li se takvi sustavi smatrati vremenskim kristalima. Uostalom, teoretski, sustavi bi trebali fluktuirati bez vanjskog utjecaja. Ali u svakom slučaju, takvi vremenski kristali naći će primjenu kao superprecizni senzori, na primjer, za mjerenje najmanjih promjena temperature i magnetskih polja.

Egzoplanete poput Zemlje

Posljednjih godina astronomi su otkrili mnoge egzoplanete – planete koji kruže oko drugih zvijezda. Međutim, nalazi planeta sličnih Zemlji u zoni gdje može postojati tekuća voda, a time i život (nastanjiva zona), nisu toliko česti. U veljači su NASA-ini astronomi objavili otkriće sedam egzoplaneta u sustavu crvenog patuljka TRAPPIST-1 (tri planeta pronađena su još 2016.), od kojih je pet po veličini blizu Zemlji, a dva su nešto manja od Zemlje, ali veća od Mars. Ovo je više od bilo kojeg drugog sustava. Najmanje tri planeta, a možda i svi, nalaze se u nastanjivoj zoni.

TRAPPIST-1 je ultrahladna patuljasta zvijezda s temperaturom od oko 2500 K, s masom od samo 8% mase Sunca (odnosno, malo veća od planeta Jupitera), koja se nalazi oko 40 svjetlosnih godina od Zemlje. Planeti su vrlo blizu zvijezde, a orbita najudaljenijeg od njih mnogo je manja od orbite Merkura. U kolovozu su astronomi pomoću svemirskog teleskopa Hubble izvijestili o prvim naznakama sadržaja vode u sustavu TRAPPIST-1, što je omogućilo postojanje života.

U travnju su astronomi izvijestili o otkriću stjenovitog planeta 1,4 puta većeg od više zemlje u naseljivoj zoni drugog crvenog patuljka – LHS 1140. Prima upola manje svjetlosti od Zemlje. Autori otkrića smatraju ga dobrim kandidatom za potragu za izvanzemaljskim životom.

U prosincu su američki astronomi objavili otkriće osmog planeta u zvjezdanom sustavu Kepler-90, koji se nalazi oko 2500 svjetlosnih godina od Zemlje. Ovaj je sustav, po broju planeta, najbliži Sunčev sustav. Istina, pronađeni planet nalazi se preblizu zvijezde, a temperatura na njegovoj površini je veća od 400 ° C. Zanimljivo je da je planet pronađen prilikom obrade podataka s teleskopa Kepler pomoću neuronske mreže.

Završetak misije Cassini

15. rujna padom na površinu Saturna završila je 13-godišnja misija svemirske sonde Cassini. Lansiran 1997. godine, od 2004. istražuje sedmi planet, odašiljući na Zemlju golemu količinu podataka i jedinstvenih fotografija. Posljednja etapa njegovog života - "Veliko finale" počelo je 26. travnja 2017. godine. Cassini je napravio 22 preleta između planeta i unutarnjeg prstena. Takvi duboki "ponori" dali su puno novih informacija, posebice o električnoj i kemijskoj povezanosti Saturnove ionosfere s prstenovima.

Na temelju podataka sa sonde 2017. godine astronomi su zaključili da su Saturnovi prstenovi mnogo mlađi od planeta koji je star oko 4,5 milijardi godina. Starost prstenova procijenjena je na 100 milijuna godina, pa su oni suvremenici dinosaura.

Istraživači su odlučili "ispustiti" sondu na planet kako ne bi slučajno donijela zemaljske bakterije na Saturnove mjesece Titan i Enceladus, gdje bi mogli biti lokalni mikroorganizmi.

Fuzija kvarkova

U studenom je u časopisu Nature izašao članak u kojem su dva fizičara iz Sjedinjenih Država i Izraela teoretski sugerirali mogućnost reakcije na razini kvarka, slične termonuklearnoj, ali s puno većim oslobađanjem energije. Kao što znate, u termonuklearnoj reakciji dolazi do spajanja lakih elemenata uz oslobađanje energije. Slična se reakcija može dogoditi i pri sudaru elementarnih čestica koje se, prema suvremenim shvaćanjima, sastoje od kvarkova. U tom će slučaju kvarkovi čestica koje se sudaraju međusobno djelovati i ponovno se grupirati. Kao rezultat toga, pojavit će se nova čestica s drugačijom energijom vezanja kvarkova i energija će se osloboditi.

Istraživači su identificirali dva moguće reakcije. U prvom od njih, kada se spoje dva začarana kvarka, oslobodit će se energija od 12 MeV. Pri spajanju dva down kvarka trebalo bi se osloboditi 138 MeV, što je gotovo osam puta više nego u odvojenoj fuziji deuterija i tricija u termonuklearnoj reakciji (18 MeV). Praktična upotreba ove pretpostavke još nisu uzete u obzir zbog malog vijeka kvarkova.

Ekscitoni su se uspjeli kondenzirati

U prosincu je tim fizičara iz SAD-a, Velike Britanije i Nizozemske objavio otkriće novog oblika materije, koji su nazvali ekscitonij. Ekscitonsku kvazičesticu, posebno pobuđeno stanje kristala koje se može prikazati kao kombinacija elektrona i šupljine, slično atomu vodika, predvidio je 1931. sovjetski fizičar Jakov Iljič Frenkel.

Eksciton pripada bozonima, česticama s cjelobrojnim spinom, a pri dovoljno niskoj temperaturi sustav bozona prelazi u posebno stanje zvano kondenzat, u kojem su sve čestice u istom kvantnom stanju i ponašaju se kao jedan veliki kvantni val. Zbog toga Boseova tekućina postaje supertekuća ili supravodljiva. Istraživači su uspjeli detektirati Boseov kondenzat ekscitona u kristalima 1T-TiSe 2.

Otkriće je važno za daljnji razvoj kvantne mehanike, au praksi bi supravodljivost i superfluidnost ekscitonija mogle naći primjenu.

Prema posebna teorija Prema Einsteinovoj relativnosti, brzina svjetlosti je konstantna – i iznosi otprilike 300.000.000 metara u sekundi, bez obzira na promatrača. Ovo je samo po sebi nevjerojatno, s obzirom da ništa ne može putovati brže od svjetlosti, ali još uvijek čisto teoretski. Postoji zanimljiv dio specijalne teorije relativnosti koji se zove "dilatacija vremena" koji kaže da što se brže krećete, vrijeme teče sporije za vas, za razliku od vaše okoline. Ako vozite sat vremena, ostarjet ćete nešto manje nego da samo sjedite za računalom kod kuće. Dodatne nanosekunde vjerojatno neće značajno promijeniti vaš život, ali ipak ostaje činjenica.

Ispada da ako se krećete brzinom svjetlosti, vrijeme će se uglavnom zamrznuti na mjestu? To je istina. Ali prije nego što pokušate postati besmrtni, imajte na umu da je kretanje brzinom svjetlosti nemoguće ako niste dovoljno sretni da se rodite lagani. S tehničkog gledišta, kretanje brzinom svjetlosti zahtijevalo bi beskonačnu količinu energije.

Upravo smo zaključili da se ništa ne može kretati brže od brzine svjetlosti. Pa... da i ne. Iako to tehnički ostaje točno, postoji rupa u teoriji koja je pronađena u najnevjerojatnijem ogranku fizike, kvantnoj mehanici.

Kvantna mehanika je u biti proučavanje fizike na mikroskopskim skalama, kao što je ponašanje subatomskih čestica. Ove vrste čestica su nevjerojatno male, ali iznimno važne, budući da su građevni blokovi svega u svemiru. Možete ih zamisliti kao sićušne rotirajuće kuglice s električnim nabojem. Bez nepotrebnih komplikacija.

Dakle, imamo dva elektrona (subatomske čestice s negativnim nabojem). je poseban proces koji povezuje te čestice na takav način da postaju identične (imaju isti spin i naboj). Kada se to dogodi, od tog trenutka elektroni postaju identični. To znači da ako promijenite jedan od njih - recimo, promijenite spin - drugi će odmah reagirati. Bez obzira gdje se nalazio. Čak i ako ga ne diraš. Utjecaj ovog procesa je nevjerojatan - shvaćate da se u teoriji ove informacije (u ovom slučaju, smjer vrtnje) mogu teleportirati bilo gdje u svemiru.

Gravitacija utječe na svjetlost

Vratimo se svjetlu i razgovarajmo o općoj teoriji relativnosti (također od Einsteina). U ovu teoriju uključen je koncept poznat kao otklon svjetlosti - put svjetlosti ne mora uvijek biti ravan.

Koliko god čudno zvučalo, to se više puta pokazalo. Iako svjetlost nema masu, njen put ovisi o stvarima koje imaju tu masu, poput sunca. Dakle, ako svjetlost s udaljene zvijezde prođe dovoljno blizu druge zvijezde, obići će oko nje. Kako to utječe na nas? Jednostavno je: možda su zvijezde koje vidimo na potpuno različitim mjestima. Zapamtite kad sljedeći put budete gledali u zvijezde, sve bi to mogao biti samo trik svjetla.

Zahvaljujući nekim od teorija o kojima smo već govorili, fizičari imaju prilično točne načine mjerenja ukupne mase prisutne u svemiru. Oni također imaju prilično točne načine mjerenja ukupne mase koju možemo promatrati - ali loša sreća, ova dva broja se ne podudaraju.

Zapravo, volumen ukupne mase u svemiru mnogo je veći od ukupne mase koju možemo izračunati. Fizičari su morali potražiti objašnjenje za to, a rezultat je bila teorija koja uključuje tamnu tvar - misterioznu tvar koja ne emitira svjetlost i zauzima otprilike 95% mase u svemiru. Iako postojanje tamne tvari nije formalno dokazano (jer je ne možemo promatrati), postoji mnogo dokaza u prilog tamne tvari, a ona mora postojati u ovom ili onom obliku.

Naš svemir se brzo širi

Koncepti postaju sve kompliciraniji, a da bismo razumjeli zašto, moramo se vratiti teoriji Velikog praska. Prije nego što je postala popularna TV emisija, teorija Velikog praska bila je važno objašnjenje za podrijetlo našeg svemira. Pojednostavljeno rečeno: naš je svemir započeo eksplozijom. Krhotine (planete, zvijezde, itd.) raširile su se u svim smjerovima, nošene golemom energijom eksplozije. Budući da su krhotine prilično teške, očekivali smo da će se ovo eksplozivno širenje s vremenom usporiti.

Ali to se nije dogodilo. Zapravo, širenje našeg svemira s vremenom se događa sve brže i brže. I čudno je. To znači da prostor stalno raste. Jedini mogući način da se to objasni je tamna materija, odnosno tamna energija, koja uzrokuje ovo konstantno ubrzanje. Što je tamna energija? Tebi .

Sva materija je energija.

Materija i energija samo su dvije strane iste medalje. Zapravo, to ste uvijek znali ako ste ikada vidjeli formulu E = mc 2 . E je energija, a m je masa. Količina energije sadržana u određenoj količini mase određena je množenjem mase s kvadratom brzine svjetlosti.

Objašnjenje ovog fenomena je prilično uzbudljivo i nastaje zbog činjenice da se masa objekta povećava kako se približava brzini svjetlosti (čak i ako vrijeme usporava). Dokaz je prilično kompliciran, tako da mi možete samo vjerovati na riječ. Pogledajte atomske bombe, koje pretvaraju relativno male količine materije u snažne nalete energije.

Dualnost val-čestica

Neke stvari nisu tako jasne kao što se čine. Na prvi pogled se čini da su čestice (kao što je elektron) i valovi (kao što je svjetlost) potpuno različiti. Prvi su čvrsti komadići materije, drugi su snopovi izračene energije ili nešto slično. Kao jabuke i naranče. Ispostavilo se da stvari poput svjetlosti i elektrona nisu ograničene samo na jedno stanje - oni mogu biti i čestice i valovi u isto vrijeme, ovisno o tome tko ih promatra.

Ozbiljno. Zvuči smiješno, ali postoje konkretni dokazi da je svjetlost val, a svjetlost čestica. Svjetlo je oboje. Istovremeno. Ne neki posrednik između dvije države, naime obje. Vratili smo se na polje kvantne mehanike, au kvantnoj mehanici Svemir voli ovako, a ne drugačije.

Svi objekti padaju istom brzinom

Mnogima se može činiti da teški predmeti padaju brže od lakih - to zvuči razumno. Kugla za kuglanje sigurno pada brže od pera. To je istina, ali nije kriva gravitacija - jedini razlog zašto se to događa je taj što zemljina atmosfera pruža otpor. Još prije 400 godina Galileo je prvi shvatio da gravitacija djeluje na isti način na sve objekte, bez obzira na njihovu masu. Da ste s kuglom za kuglanje i perom na Mjesecu (koji nema atmosferu), pali bi u isto vrijeme.

Pa sve. U ovom trenutku možete pokrenuti um.

Mislite da je sam prostor prazan. Ta je pretpostavka sasvim razumna – zato je prostor, prostor. Ali Svemir ne podnosi prazninu, stoga se u svemiru, u svemiru, u praznini neprestano rađaju i umiru čestice. Zovu se virtualni, ali zapravo su stvarni, što je i dokazano. Postoje djelić sekunde, ali to je dovoljno dugo da se prekrše neki od temeljnih zakona fizike. Znanstvenici ovaj fenomen nazivaju "kvantna pjena" jer izgleda užasno poput mjehurića plina u bezalkoholnom piću.

Eksperiment s dvostrukim prorezom

Gore smo primijetili da sve može biti i čestica i val u isto vrijeme. Ali ovdje je kvaka: ako je jabuka u ruci, znamo točno kakvog je oblika. Ovo je jabuka, a ne neka vrsta jabučnog vala. Što određuje stanje čestice? Odgovor: mi.

Eksperiment s dvostrukim prorezom samo je nevjerojatno jednostavan i tajanstven eksperiment. To je ono što je. Znanstvenici postavljaju ekran s dva proreza na zid i ispaljuju snop svjetlosti kroz prorez tako da možemo vidjeti gdje će udariti u zid. Budući da je svjetlost val, stvorit će određeni uzorak difrakcije i vidjet ćete pruge svjetlosti rasute po cijelom zidu. Iako su bila dva utora.

Ali čestice bi trebale reagirati drugačije - leteći kroz dva proreza, trebale bi ostaviti dvije pruge na zidu točno nasuprot prorezima. A ako je svjetlost čestica, zašto se ne ponaša ovako? Odgovor je da će svjetlost pokazivati ​​takvo ponašanje - ali samo ako mi to odlučimo. Kao val, svjetlost prolazi kroz oba proreza u isto vrijeme, ali kao čestica, proći će samo kroz jedan. Sve što trebamo da svjetlost pretvorimo u česticu je izmjeriti svaku česticu svjetlosti (foton) koja prolazi kroz prorez. Zamislite kameru koja snima svaki foton koji prolazi kroz prorez. Isti foton ne može proći kroz drugi prorez a da nije val. Interferencijski uzorak na zidu bit će jednostavan: dvije trake svjetla. Fizički mijenjamo rezultate događaja jednostavnim mjerenjem, promatranjem.

To se zove "efekt promatrača". I premda ovo dobar način da bi završila ovaj članak, nije ni zagrebla po površini apsolutno nevjerojatnih stvari koje fizičari pronalaze. Postoji mnoštvo varijacija eksperimenta s dvostrukim prorezom koje su još luđe i zanimljivije. Možete ih tražiti samo ako se ne bojite da će vas kvantna mehanika usisati s glavom.

"Možemo analizirati kvantna stanja bez da ih promijenimo pri prvom promatranju", komentira Leitenstorfer.

U pravilu, kada želite pratiti utjecaj kvantnih fluktuacija na određene čestice svjetlosti, prvo trebate detektirati i izolirati te čestice. Ovo će zauzvrat ukloniti "kvantni potpis" ovih fotona. Sličan eksperiment proveo je tim znanstvenika 2015. godine.

U novom eksperimentu, umjesto promatranja promjena u kvantnim fluktuacijama apsorpcijom ili pojačavanjem fotona svjetlosti, istraživači su promatrali samu svjetlost u smislu vremena. Možda zvuči čudno, ali u vakuumu prostor i vrijeme funkcioniraju na takav način da vam promatranje jednog odmah omogućuje da saznate više o drugom. Provodeći takvo promatranje, znanstvenici su otkrili da kada je vakuum bio "komprimiran", ta "kompresija" se dogodila na potpuno isti način kao što se događa kada je balon komprimiran, samo popraćen kvantnim fluktuacijama.

U nekom su trenutku te fluktuacije postale jače od pozadinske buke nekomprimiranog vakuuma, a na nekim mjestima, naprotiv, slabije. Leitenstorfer daje analogiju prometne gužve koja se kreće kroz uski dio ceste: tijekom vremena, automobili u svojim trakama prelaze u istu traku kako bi se probili kroz usko grlo, a zatim se vraćaju u svoje trake. Ista stvar se, u određenoj mjeri, prema opažanjima znanstvenika, događa u vakuumu: kompresija vakuuma na jednom mjestu dovodi do distribucije promjena kvantnih fluktuacija na drugim mjestima. A te se promjene mogu ili ubrzati ili usporiti.

Ovaj se učinak može mjeriti u prostor-vremenu, kao što je prikazano na donjem grafikonu. Parabola u središtu slike prikazuje točku "stiskanja" u vakuumu:

Rezultat ove kompresije, kao što se može vidjeti na istoj slici, je neko "progib" u fluktuacijama. Ništa manje iznenađujuće za znanstvenike nije bilo opažanje da se razina snage fluktuacije na nekim mjestima pokazala nižom od razine pozadinske buke, koja je, pak, niža od razine osnovnog stanja praznog prostora.

"Budući da nova metoda mjerenja ne hvata niti pojačava fotone, postoji mogućnost izravnog otkrivanja i promatranja elektromagnetske pozadinske buke u vakuumu, kao i kontroliranih odstupanja stanja koje su stvorili istraživači", kaže se u studiji.

Trenutno istraživači testiraju točnost svoje metode mjerenja, kao i pokušavaju otkriti za što je ona stvarno sposobna. Unatoč već više nego impresivnim rezultatima ovog rada, još uvijek postoji mogućnost da su znanstvenici došli do takozvane “neuvjerljive metode mjerenja”, koja možda neće poremetiti kvantna stanja objekata, ali u isto vrijeme nije u mogućnosti reći znanstvenicima više o određenom kvantnom sustavu.

Ako metoda stvarno radi, onda je znanstvenici žele koristiti za mjerenje "kvantnog stanja svjetlosti" - nevidljivog ponašanja svjetlosti na kvantna razina koje tek počinjemo shvaćati. Međutim, daljnji rad zahtijeva dodatnu provjeru – repliciranje rezultata otkrića tima istraživača sa Sveučilišta u Konstanzu i time demonstraciju prikladnosti predložene metode mjerenja.

Prosinac je vrijeme za svođenje računa. Urednici projekta Vesti.Science (nauka.site) odabrali su za vas deset najzanimljivijih vijesti kojima su nas fizičari obradovali u protekloj godini.

Novo agregatno stanje

Tehnologija prisiljava molekule da se same okupe u željene strukture.

Agregatno stanje zvano ekscitonij teoretski je predviđeno prije gotovo pola stoljeća, ali ga je tek sada moguće dobiti eksperimentom.

Ovo stanje je povezano sa stvaranjem Boseovog kondenzata iz ekscitonskih kvazičestica, koje su par elektrona i šupljine. Mi smo ono što sve ove lukave riječi znače.

Računalo Polariton

Novo računalo koristi polaritonske kvazičestice.

Ova vijest stigla je iz Skolkova. Znanstvenici Skoltecha implementirali su temeljno novu shemu rada računala. Može se usporediti s sljedeća metoda tražite donju točku površine: nemojte se baviti glomaznim izračunima, već prevrnite čašu vode preko nje. Samo umjesto površine bilo je polje tražene konfiguracije, a umjesto vode - polaritonske kvazičestice. Naš materijal u ovoj kvantnoj mudrosti.

Kvantna teleportacija "Zemlja-satelit"

Kvantno stanje fotona prvo je "poslano" sa Zemlje na satelit.

I tu je još jednom u pomoć fizičarima priskočio Veliki hadronski sudarač. "Novosti. Znanost", što su istraživači uspjeli postići i kakve veze s tim imaju atomi olova.

Interakcija fotona na sobnoj temperaturi

Fenomen je prvi put uočen na sobnoj temperaturi.

Postoji mnogo fotona različiti putevi međusobno djeluju, a njima se bavi znanost koja se zove nelinearna optika. I ako je raspršenje svjetlosti svjetlom opaženo tek nedavno, Kerrov efekt eksperimentatorima je odavno poznat.

Međutim, 2017. prvi je put reproduciran za pojedinačne fotone na sobnoj temperaturi. Govorimo o ovom zanimljivom fenomenu, koji se u određenom smislu može nazvati i "sudarom čestica svjetlosti", te o tehnološkim perspektivama koje se s tim u vezi otvaraju.

Vremenski Kristal

Kreacija eksperimentatora pokazuje "kristalnu" uređenost ne u prostoru, već u vremenu.

U praznom prostoru nijedna točka se ne razlikuje od druge. U kristalu je sve drugačije: postoji ponavljajuća struktura, koja se naziva kristalna rešetka. Jesu li moguće slične strukture koje se ponavljaju ne u prostoru, već u vremenu bez trošenja energije?

"Zvjezdane" termonuklearne reakcije na Zemlji

Fizičari su rekreirali uvjete u utrobi zvijezda u termonuklearnom reaktoru.

Industrijski termonuklearni reaktor je sanjani san čovječanstva. Ali eksperimenti traju već više od pola stoljeća, a željene praktički besplatne energije nema.

Pa ipak, 2017. godine napravljen je važan korak u tom smjeru. Po prvi put, istraživači su gotovo točno rekreirali uvjete koji prevladavaju u dubinama zvijezda. kako su to učinili.

Nadajmo se da će 2018. godina biti jednako bogata zanimljivim eksperimentima i neočekivanim otkrićima. Pratite novosti. Usput, za vas smo napravili i osvrt na odlazeću godinu.

Švicarski fizičari su po prvi put demonstrirali Einstein-Podolsky-Rosen paradoks (EPR paradoks) na kvantnom sustavu koji se sastoji od 600 atoma rubidija. Znanstvenici su uspjeli razbiti lokalni realizam tako što su se zapleli između dva dijela oblaka prehlađenog plina i dokazali mogućnost upravljanja, kada se stanje jednog dijela kvantnog sustava može predvidjeti iz stanja drugog. Članak znanstvenika objavljen je u časopisu Science, prenosi Science Alert.

Prema EPR paradoksu, predloženom 1935. godine, dvije čestice mogu djelovati jedna s drugom na takav način da se njihov položaj i zamah mogu izmjeriti s točnošću većom od one koju dopušta Heisenbergovo načelo nesigurnosti. Na primjer, ukupna količina gibanja dviju čestica (A i B), koje su nastale kao rezultat raspada treće, mora biti jednaka početnoj količini gibanja posljednje, tako da vam mjerenje količine gibanja čestice A omogućuje naći moment količine gibanja čestice B, dok se u gibanje druge čestice ne unose nikakvi poremećaji. Tada se mogu točno odrediti koordinate čestice B, čime se krši Heisenbergovo načelo nesigurnosti.

Budući da je načelo nesigurnosti očuvano u svakom slučaju, mjerenje količine gibanja čestice A neizbježno remeti koordinate čestice B, čineći ih nesigurnima, bez obzira koliko je prva čestica udaljena od posljednje. Einstein je smatrao da je time narušen realizam svijeta i da fizički objekti u okviru kvantne mehanike objektivno prestaju postojati. Smatrao je da je takvo tumačenje netočno i da se vjerojatnost ponašanja čestica zapravo objašnjava postojanjem nekih skrivenih parametara. Međutim, u ovom trenutku teorija skrivenih varijabli nije dobila eksperimentalnu potvrdu.

Znanstvenici su stvorili Bose-Einsteinov kondenzat od oko 600 atoma rubidija-87. Kondenzat je plin ohlađen na ultraniske temperature, u kojem svi atomi zauzimaju najniža moguća kvantna stanja, odnosno postaju gotovo nerazlučivi jedni od drugih. Uz pomoć lasera, atomi su dovedeni u komprimirano stanje, u kojem fluktuacije jedne varijable (u ovom slučaju, jedne od komponenti spina, odnosno "osi rotacije") postaju vrlo male, a drugi - veliki. Tako je stvorena kvantna veza između atoma.

Istraživači su uspjeli podijeliti oblak u dvije različite regije – A i B. Korištenjem lasera izmjeren je kolektivni spin atoma u kondenzatu i komponente “osi rotacije”. Istovremeno, na temelju nejednakosti koje uzimaju u obzir te parametre, dokazana je isprepletenost između atoma za komprimirano stanje i zadani kolektivni spin. Pokazalo se da je korelacija toliko jaka da je nastao EPR paradoks i bilo je moguće predvidjeti kvantno stanje atoma u regiji B mjerenjem spina u regiji A (predviđanje je moguće samo u jednom smjeru).