תגליות חדשות בפיזיקה קוונטית. פיזיקאים בדקו לתוך "הריק המוחלט" והוכיחו שיש בו משהו. ניסוי חריץ כפול

החומר הוכן על ידי אלכסי פוניאטוב, מועמד למדעי הפיזיקה והמתמטיקה

גלי כבידה ממיזוגים של כוכבי נויטרונים

התנגשות של כוכבי נויטרונים. איור: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. סימונט.

מנהרת מאיץ הושלמה. צילום: אירופאי XFEL / היינר מולר-אלסנר.

גלאי הנייטרינו הקומפקטי שנוהל על ידי הפיזיקאי Björn Scholz דומה בצורתו ובגודלו לבקבוק רגיל. צילום: Juan Collar/uchicago.edu.

כוכבי הלכת של מערכת TRAPPIST-1 לעומת כוכבי הלכת של מערכת השמש. איור: NASA/JPL-Caltech.

תמונה של הטבעות של שבתאי שצולמה על ידי חללית קאסיני. צילום: מכון מדעי החלל/JPL-Caltech/NASA.

התגלית המשמעותית ביותר של 2017 הייתה הרישום הראשון אי פעם של גלי כבידה ממיזוג של שני כוכבי נויטרונים. לראשונה, הצליחו אסטרונומים לתעד בו זמנית את התפרצויות קרני הגמא שהתעוררו במהלך המיזוג, ולאחר מכן למצוא ולחקור את המקום בו התרחש האסון הקוסמי - 100 מיליון שנות אור מכדור הארץ.

גילה גלי כבידהב-17 באוגוסט, גלאי גלי הכבידה LIGO (ארה"ב) ובתולה (צרפת, איטליה), וכמה שניות לאחר מכן, מצפה החלל אינטגרל (ESA) ו-Fermi (NASA) תיעדו התפרצויות קרני גמא קצרות. מצפה כוכבים קרקע וחלל הצטרפו לחיפוש אחר מקור האות, שלאחר מכן עקבו אחר השריד המתפוגג בהדרגה של "הפיצוץ" במשך כמה עשרות ימים. בעבודה השתתפו גם חוקרים רוסים מה-IKI RAS, SAI MSU ו-FTI. א.פ. איופה.

גילוי זה קשור למספר בעיות של אסטרופיזיקה בו זמנית. קודם כל, לשאלת מקורם של התפרצויות קרני גמא עוצמתיות, שפולטות יותר אנרגיה בשבריר שנייה מהשמש במיליארדי שנים.

אסטרופיזיקאים הניחו זה מכבר שמקור ההתפרצויות יכול להיות מיזוג של שני כוכבי נויטרונים, אך כעת הם קיבלו הוכחה ניסויית לתקפות התיאוריה שפותחה. כתוצאה מהתנגשות של כוכבים, במקביל להתפרצות של קרני גמא, חלק מהחומר הכוכבי נפלט במהירות גבוהה אל החלל שמסביב. תופעה זו, שהתגלתה ב-2013, נקראת קילונובה. ואז היסודות הרדיואקטיביים מהענן שנוצר מתכלים ליציבים, ומייצרים את הקרינה שלו. אסטרונומים מצאו כמות גדולה של יסודות כבדים בענן, כמו זהב ופלטינה, מה שמאפשר לנו להתייחס למיזוג כוכבים כמפעלים גלקטיים אמיתיים של יסודות כבדים שנעדרו ביקום הצעיר.

מחשב קוונטי עם 53 קיוביטים

עדיין לא נוצרו מחשבים קוונטיים, שאליהם קשורות ציפיות גדולות, אך בשנת 2017 ננקטו צעדים חשובים לקראת הבאת הרעיון הזה לפועל. התקני מחשוב קוונטי עובדים עם קיוביטים - אובייקטים המאחסנים את האלמנט הקטן ביותר של מידע, בדומה ל-bit במחשב רגיל. מספר הקיוביטים קובע את היכולות של מחשב קוונטי.

בנובמבר פרסם כתב העת Nature מאמרים על הדמיית מערכות קוונטיות באמצעות מחשבים קוונטיים של 51 ו-53 קיוביטים. לפני כן, מכשירים אוניברסליים כאלה הוגבלו ל-20 קיוביטים. גידול במספר הקיוביטים פי 2.5 הגדיל את יכולות המחשבים פי כמה. המחשב הקוונטי של 51 קיוביטים נוצר בהנהגתו של מיכאיל לוקין, שעובד במרכז הקוונטים הרוסי ובאוניברסיטת הרווארד. ב-28 ביולי הוצג מכשיר כזה ב ועידה בינלאומיתעל טכנולוגיות קוונטיות במוסקבה.

מימן מתכתי יציב

בינואר דיווחו פיזיקאים בהרווארד שהם השיגו, לראשונה בהיסטוריה, כמות קטנה של מימן מתכתי יציב. למדגם היו ממדים של 1.5 על 10 מיקרומטר. תיאורטית, קיומו של מימן מתכתי בלחצים גבוהים נחזה ב-1935. בטבע, תנאים כאלה מתממשים בפנים של כוכבים וכוכבי לכת ענקיים. מאז 1996, הוא הושג על ידי דחיסה בהלם מספר פעמים, אבל מימן קיים במצב זה במשך זמן קצר מאוד.

כדי לייצר מימן מתכתי יציב, הצוות של הרווארד השתמש במתקן שבו סדני יהלומים פיתחו לחץ של 495 ג'יגה-פסקל, בערך פי חמישה מיליון מהלחץ האטמוספרי הרגיל.

בנוסף לערך מדעי גרידא, לחומר אקזוטי זה יכול להיות גם יישומים מעשיים - יש לו מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה (במקרה זה, זה התרחש ב-58 מעלות צלזיוס).

לייזר אלקטרוני ללא קרני רנטגן החל לעבוד

ב-1 בספטמבר התקיים טקס הפתיחה הרשמי של לייזר האלקטרון החופשי ביותר באירופה הגדול בעולם XFEL (לייזר אלקטרוני ללא רנטגן), ביצירתו השתתפה גם רוסיה. למעשה, מתקן זה אינו לייזר, כלומר מקור לקרינה אופטית מסוג מסוים. בו, קרינת רנטגן, הדומה בתכונותיה לקרינת לייזר, יוצרת אלומת אלקטרונים המואצת למהירויות הקרובות למהירות האור. XFEL משתמשת לשם כך במאיץ הליניארי המוליך-על הגדול בעולם, באורך 1.7 ק"מ. אלקטרונים מואצים נופלים לתוך גליל - מכשיר שיוצר שדה מגנטי המשתנה מעת לעת בחלל. נעים בו לאורך נתיב זיגזג, אלקטרונים פולטים בטווח קרני הרנטגן. המתקן הייחודי החדש יפיק הבזקי רנטגן קצרים במיוחד בתדירות שיא של 27,000 פעמים בשנייה, ושיא הבהירות שלו צפויה להיות גבוהה פי מיליארד ממקורות רנטגן קיימים.

יותר מ-60 צוותי מחקר כבר הגישו מועמדות לניסויים. בעזרת שיא של פולסי רנטגן בהירים וקצרים מאוד, החוקרים יוכלו לראות לא רק את סידור האטומים במולקולות, אלא גם את התהליכים המתרחשים שם. זה יאפשר להגיע לרמה חדשה במחקר בתחומי הפיזיקה, הכימיה, מדעי החומרים, מדעי החיים וביו-רפואה. לדוגמה, בעת יצירת תרופות חדשות, מומחים, שיודעים את הסידור המדויק של האטומים במולקולות החלבון, יוכלו לבחור חומרים שיחסמו או, להיפך, יעוררו את עבודתם. הכרת מבנה הקריסטלים תאפשר פיתוח חומרים בעלי תכונות רצויות.

רישום ניטרינו על ידי ריבאונד אלסטי

בספטמבר 2017, צוות בינלאומי גדול של פיזיקאים, כולל אלה מרוסיה, הכריז על גילוי של פיזור קוהרנטי אלסטי של ניטרינו על גרעיני חומר. תופעה זו נחזה ב-1974 על ידי התיאורטיקן של MIT דניאל פרידמן. הניטרינו הוא חלקיק חמקמק, וכדי ללכוד אותו בונים חוקרים מתקנים ענקיים המכילים עשרות אלפי טונות של מים. פרידמן מצא את זה תכונות גלהנייטרינו יקיים אינטראקציה מתואמת עם כל הפרוטונים והנייטרונים של הגרעין, מה שיגדיל משמעותית את מספר האינטראקציות הנחשבות - נייטרינו קופץ מהגרעין. במשך 461 ימים, החוקרים צפו ב-134 אירועים כאלה.

גילוי זה לא יאלץ לשכתב ספרי לימוד. משמעותו טמונה ביצירתו על ידי נסיינים של גלאי קטן, שבו יש רק 14.6 ק"ג של גבישי צסיום יודיד. גלאי נייטרינו ניידים קטנים ימצאו מגוון יישומים, כגון ניטור כורים גרעיניים. למרבה הצער, הם אינם יכולים להחליף גלאים ענקיים בכל הניסויים, שכן גלאי המבוסס על פיזור קוהרנטי אינו יכול להבחין בין סוגי ניטרינו.

זמן קריסטל - שתי אפשרויות

בחודש מרץ דיווחו שני צוותי חוקרים מארצות הברית על גילוי של מצב חדש של חומר, הנקרא גביש הזמן - הגביש הטמפורלי (ראה "מדע וחיים" מס' 6, 2017,). זהו רעיון חדש בפיזיקה, שנדון בהרחבה ב השנים האחרונות. גבישים כאלה הם מבנים נעים כל הזמן של חלקיקים, שחוזרים על עצמם בזמן. קבוצה אחת השתמשה בשרשרת של אטומי איטרביום, שבה, תחת פעולת לייזרים, התנודה הקרנת המומנט המגנטי של המערכת. אחר נחשב גביש המכיל כמיליון פגמים אקראיים, שלכל אחד מומנט מגנטי משלו. כאשר גביש כזה היה נתון לדחפים קרינת מיקרוגלכדי להפוך ספינים, פיזיקאים תיקנו את תגובת המערכת בתדר שהיה רק ​​חלק קטן מתדירות הקרינה המרגשת. העבודות עוררו דיון: האם מערכות כאלה יכולות להיחשב כגבישים זמניים. אחרי הכל, תיאורטית, מערכות צריכות לנוע ללא השפעה חיצונית. אבל בכל מקרה, גבישים זמניים כאלה ימצאו שימוש כחיישנים סופר-מדוייקים, למשל, למדידת השינויים הקלים ביותר בטמפרטורה ובשדות מגנטיים.

כוכבי לכת דמויי כדור הארץ

בשנים האחרונות גילו אסטרונומים כוכבי לכת רבים – כוכבי לכת המקיפים כוכבים אחרים. עם זאת, ממצאים של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ באזור שבו יכולים להתקיים מים נוזליים, ומכאן חיים (האזור הראוי למגורים), אינם כה תכופים. בפברואר הכריזו אסטרונומים של נאס"א על ​​גילוי של שבעה כוכבי לכת אקזו-כוכבים במערכת הגמד האדום TRAPPIST-1 (שלושה כוכבי לכת נמצאו עוד ב-2016), מתוכם חמישה קרובים בגודלם לכדור הארץ, ושניים קטנים מעט מכדור הארץ, אך גדולים מכדור הארץ. מַאְדִים. זה יותר מכל מערכת אחרת. לפחות שלושה כוכבי לכת, ואולי כולם, נמצאים באזור המגורים.

TRAPPIST-1 הוא כוכב ננסי קר במיוחד בטמפרטורה של כ-2500 K, עם מסה של 8% בלבד ממסת השמש (כלומר, מעט יותר מכוכב הלכת צדק), הממוקם במרחק של כ-40 שנות אור מכדור הארץ. כוכבי הלכת קרובים מאוד לכוכב, ומסלולו של הרחוק מביניהם קטן בהרבה ממסלולו של מרקורי. באוגוסט, אסטרונומים שהשתמשו בטלסקופ החלל האבל דיווחו על הרמזים הראשונים לתכולת המים במערכת TRAPPIST-1, מה שמאפשר את קיום החיים שם.

באפריל דיווחו אסטרונומים על גילוי כוכב לכת סלעי בגודל פי 1.4 מ יותר אדמהבאזור המגורים של ננס אדום אחר - LHS 1140. הוא מקבל חצי מכמות האור מכדור הארץ. מחברי התגלית רואים בה מועמד טוב לחיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ.

בדצמבר הכריזו אסטרונומים אמריקאים על גילויו של כוכב לכת שמיני במערכת הכוכבים קפלר-90, הממוקם כ-2,500 שנות אור מכדור הארץ. מערכת זו, מבחינת מספר כוכבי הלכת, היא הקרובה ביותר מערכת השמש. נכון, כוכב הלכת שנמצא ממוקם קרוב מדי לכוכב, והטמפרטורה על פני השטח שלו היא יותר מ-400 מעלות צלזיוס. מעניין לציין שכוכב הלכת נמצא בעת עיבוד נתונים מטלסקופ קפלר באמצעות רשת עצבית.

השלמת משימת קאסיני

ב-15 בספטמבר הסתיימה משימת 13 השנים של גשושית החלל קאסיני בנפילה על פני השטח של שבתאי. הושק ב-1997, הוא חוקר את כוכב הלכת השביעי מאז 2004, ומעביר כמות עצומה של נתונים ותצלומים ייחודיים לכדור הארץ. השלב האחרון בחייו - "הגמר הגדול" החל ב-26 באפריל 2017. קאסיני ביצע 22 טיסות בין כדור הארץ לטבעת הפנימית. "צלילות" עמוקות כאלה נתנו הרבה מידע חדש, בפרט, על הקשר החשמלי והכימי של היונוספירה של שבתאי עם הטבעות.

בהתבסס על נתונים מהגשושית ב-2017, אסטרונומים הגיעו למסקנה שהטבעות של שבתאי צעירות בהרבה מכוכב הלכת, שגילו כ-4.5 מיליארד שנים. גילן של הטבעות נאמד ב-100 מיליון שנה, כך שהן בני דורם של דינוזאורים.

החוקרים החליטו "להפיל" את הגשושית על כוכב הלכת כדי שלא תביא בטעות חיידקים יבשתיים לירחיו של שבתאי טיטאן ואנקלדוס, שם עשויים להיות מיקרואורגניזמים מקומיים.

קווארק פיוז'ן

בנובמבר הופיע מאמר בכתב העת Nature שבו שני פיזיקאים מארצות הברית וישראל הציעו באופן תיאורטי אפשרות של תגובה ברמת הקווארקים, בדומה לתרמו-גרעיני, אך עם שחרור אנרגיה גדול בהרבה. כפי שאתה יודע, בתגובה תרמו-גרעינית, יסודות קלים מתמזגים עם שחרור אנרגיה. תגובה דומה יכולה להתרחש גם בהתנגשות של חלקיקים יסודיים, שלפי מושגים מודרניים מורכבים מקווארקים. במקרה זה, הקווארקים של החלקיקים המתנגשים יתקשרו ויתקבצו מחדש. כתוצאה מכך יופיע חלקיק חדש עם אנרגיית קשירה שונה של קווארקים ותשתחרר אנרגיה.

חוקרים זיהו שניים תגובות אפשריות. בראשון שבהם, כאשר שני קווארקים מוקסמים יתמזגו, תשתחרר אנרגיה של 12 MeV. כאשר שני קווארקים של דאון מתמזגים, יש להשתחרר 138 MeV, שהם כמעט פי שמונה יותר מאשר במיזוג נפרד של דאוטריום וטריטיום בתגובה תרמו-גרעינית (18 MeV). שימוש מעשיההנחות הללו עדיין לא נלקחו בחשבון בגלל הקטנות של חיי הקווארקים.

אקסיטונים הצליחו להתעבות

בדצמבר, צוות של פיזיקאים מארה"ב, בריטניה והולנד הכריז על גילוי של צורה חדשה של חומר, שהם כינו אקציטוניום. קוואזיטון האקסיטון - מצב נרגש מיוחד של גביש, שניתן לייצג אותו כשילוב של אלקטרון וחור, בדומה לאטום מימן - נחזה ב-1931 פיזיקאי סובייטייעקב איליץ' פרנקל.

אקסיטון שייך לבוזונים, חלקיקים עם ספין שלמים, ובטמפרטורה נמוכה מספיק, מערכת של בוזונים נכנסת למצב מיוחד הנקרא עיבוי, שבו כל החלקיקים נמצאים באותו מצב קוונטי ומתנהגים כמו גל קוונטי אחד גדול. בשל כך, נוזל Bose הופך לנוזל-על או מוליך-על. החוקרים הצליחו לזהות את קונדנסט האקסיטונים של Bose בגבישי 1T-TiSe 2.

התגלית חשובה להמשך הפיתוח של מכניקת הקוונטים, ובפועל, מוליכות-על ונזילות-על של אקציטוניום עשויות למצוא יישום.

לפי תיאוריה מיוחדתתורת היחסות של איינשטיין, מהירות האור קבועה - והיא כ-300,000,000 מטר לשנייה, ללא קשר למתבונן. זה כשלעצמו מדהים, בהתחשב בכך ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר מהאור, אבל עדיין תיאורטי בלבד. יש חלק מעניין בתורת היחסות הפרטית שנקרא "הרחבת זמן" שאומר שככל שאתה זז מהר יותר, הזמן זז עבורך לאט יותר, בניגוד לסביבה שלך. אם תנהגו שעה, תזדקנו קצת פחות מאשר אם רק היית יושב ליד המחשב בבית. ננו-שניות נוספות לא צפויות לשנות משמעותית את חייך, אך עדיין העובדה נשארת בעינה.

מסתבר שאם תזוז במהירות האור, הזמן בדרך כלל יקפא במקום? זה נכון. אבל לפני שאתם מנסים להפוך לבני אלמוות, קחו בחשבון שתנועה במהירות האור היא בלתי אפשרית אם אין לכם מזל מספיק כדי להיוולד אור. מנקודת מבט טכנית, תנועה במהירות האור תדרוש כמות אינסופית של אנרגיה.

זה עתה הגענו למסקנה ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור. ובכן... כן ולא. למרות שזה נשאר נכון מבחינה טכנית, ישנה פרצה בתיאוריה שנמצאה בענף המדהים ביותר של הפיזיקה, מכניקת הקוונטים.

מכניקת הקוונטים היא בעצם חקר הפיזיקה בקנה מידה מיקרוסקופי, כמו התנהגותם של חלקיקים תת-אטומיים. סוגים אלה של חלקיקים הם קטנים להפליא, אך חשובים ביותר, מכיוון שהם אבני הבניין של כל דבר ביקום. אתה יכול לחשוב עליהם כעל כדורים זעירים מסתובבים טעונים חשמלית. בלי סיבוכים מיותרים.

אז יש לנו שני אלקטרונים (חלקיקים תת-אטומיים עם מטען שלילי). הוא תהליך מיוחד הקושר את החלקיקים הללו בצורה כזו שהם הופכים זהים (בעלי אותו ספין ומטען). כאשר זה קורה, מנקודה זו האלקטרונים הופכים זהים. זה אומר שאם תשנה אחד מהם - נניח, שנה את הספין - השני יגיב מיד. לא משנה איפה הוא נמצא. גם אם אתה לא נוגע בזה. ההשפעה של התהליך הזה מדהימה - אתה מבין שבתיאוריה ניתן להעביר מידע זה (במקרה זה, כיוון הספין) לכל מקום ביקום.

כוח הכבידה משפיע על האור

נחזור לאור ונדבר על תורת היחסות הכללית (גם מאת איינשטיין). כלול בתיאוריה זו מושג המכונה סטיית אור - ייתכן שנתיב האור לא תמיד ישר.

ככל שזה ישמע מוזר, זה הוכח שוב ושוב. בעוד שלאור אין מסה כלשהי, הנתיב שלו תלוי בדברים שיש להם מסה זו, כמו השמש. אז אם אור מכוכב רחוק יעבור קרוב מספיק לכוכב אחר, הוא יקיף אותו. איך זה משפיע עלינו? זה פשוט: אולי הכוכבים שאנו רואים נמצאים במקומות שונים לחלוטין. זכור שבפעם הבאה שאתה מסתכל על הכוכבים, הכל יכול להיות רק טריק של האור.

הודות לכמה מהתיאוריות שכבר דנו בהן, לפיזיקאים יש דרכים מדויקות למדי למדידת המסה הכוללת הקיימת ביקום. יש להם גם דרכים מדויקות למדי למדידת המסה הכוללת שאנו יכולים לראות - אך מזל רע, שני המספרים הללו אינם תואמים.

למעשה, נפח המסה הכוללת ביקום גדול בהרבה מהמסה הכוללת שאנו יכולים לחשב. פיזיקאים נאלצו לחפש הסבר לכך, והתוצאה הייתה תיאוריה שכללה חומר אפל - חומר מסתורי שאינו פולט אור ונוטל על עצמו כ-95% מהמסה ביקום. אמנם קיומו של חומר אפל לא הוכח רשמית (מכיוון שאיננו יכולים להתבונן בו), אך ישנן הוכחות רבות לטובת החומר האפל, והוא חייב להתקיים בצורה כזו או אחרת.

היקום שלנו מתרחב במהירות

המושגים הולכים ומסתבכים, וכדי להבין מדוע, עלינו לחזור לתיאוריית המפץ הגדול. לפני שהפכה לתוכנית טלוויזיה פופולרית, תיאוריית המפץ הגדול הייתה הסבר חשוב למקור היקום שלנו. במילים פשוטות: היקום שלנו התחיל בפיצוץ. פסולת (כוכבי לכת, כוכבים וכו') התפשטה לכל הכיוונים, מונעת על ידי האנרגיה העצומה של הפיצוץ. מכיוון שהפסולת די כבדה, ציפינו שהתפשטות חומר הנפץ הזה תאט עם הזמן.

אבל זה לא קרה. למעשה, התפשטות היקום שלנו מתרחשת מהר יותר ויותר עם הזמן. וזה מוזר. זה אומר שהחלל גדל כל הזמן. הדרך היחידה האפשרית להסביר זאת היא חומר אפל, או ליתר דיוק אנרגיה אפלה, שגורמת להאצה מתמדת זו. מהי אנרגיה אפלה? לך .

כל החומר הוא אנרגיה.

חומר ואנרגיה הם רק שני צדדים של אותו מטבע. למעשה, תמיד ידעת זאת אם אי פעם ראית את הנוסחה E = mc 2 . E היא אנרגיה ו-m היא מסה. כמות האנרגיה הכלולה בכמות מסוימת של מסה נקבעת על ידי הכפלת המסה בריבוע של מהירות האור.

ההסבר לתופעה זו מרגש למדי ונובע מכך שמסה של עצם עולה ככל שהוא מתקרב למהירות האור (גם אם הזמן מאט). ההוכחה די מסובכת, אז אתה יכול פשוט לקבל את המילה שלי. תראו פצצות אטום, שממירות כמויות קטנות למדי של חומר להתפרצויות אנרגיה עוצמתיות.

דואליות גל-חלקיק

יש דברים שלא ברורים כמו שהם נראים. במבט ראשון נראה שחלקיקים (כגון אלקטרון) וגלים (כגון אור) שונים לחלוטין. הראשון הם חלקים מוצקים של חומר, השני הם אלומות של אנרגיה מוקרנת, או משהו כזה. כמו תפוחים ותפוזים. מסתבר שדברים כמו אור ואלקטרונים אינם מוגבלים למצב אחד בלבד – הם יכולים להיות גם חלקיקים וגם גלים בו זמנית, תלוי מי מסתכל עליהם.

ברצינות. זה נשמע מגוחך, אבל יש ראיות קונקרטיות שאור הוא גל ואור הוא חלקיק. אור הוא גם וגם. בּוֹ זְמַנִית. לא איזה מתווך בין שתי מדינות, כלומר שתיהן. חזרנו לתחום מכניקת הקוונטים, ובמכניקת הקוונטים היקום אוהב בצורה זו ולא אחרת.

כל החפצים נופלים באותה מהירות

לרבים אולי נראה שחפצים כבדים נופלים מהר יותר מאלה קלים - זה נשמע הגיוני. אין ספק שכדור באולינג נופל מהר יותר מנוצה. זה נכון, אבל זו לא אשמת הכבידה - הסיבה היחידה לכך שזה קורה היא שהאטמוספירה של כדור הארץ מספקת התנגדות. אפילו לפני 400 שנה, גלילאו הבין לראשונה שכוח הכבידה פועל באותה צורה על כל העצמים, ללא קשר למסה שלהם. אם הייתם עם כדור באולינג ונוצה על הירח (שאין לו אווירה), הם היו נופלים באותו הזמן.

ובכן, הכל. בשלב זה, אתה יכול להזיז את המוח.

אתה חושב שהחלל עצמו ריק. ההנחה הזו סבירה למדי – לכן זה חלל, חלל. אבל היקום אינו סובל ריקנות, לכן, בחלל, בחלל, בריק, חלקיקים נולדים ומתים כל הזמן. הם נקראים וירטואליים, אבל למעשה הם אמיתיים, וזה הוכח. הם קיימים לשבריר שנייה, אבל זה מספיק זמן כדי לשבור כמה מחוקי היסוד של הפיזיקה. מדענים מכנים את התופעה הזו "קצף קוונטי" מכיוון שהיא נראית נורא כמו בועות הגז במשקה קל.

ניסוי חריץ כפול

ציינו למעלה שהכל יכול להיות גם חלקיק וגם גל בו זמנית. אבל הנה הקאץ': אם יש תפוח ביד, אנחנו יודעים בדיוק באיזו צורה הוא. זה תפוח, לא סוג של גל תפוח. מה קובע את מצבו של חלקיק? תשובה: אנחנו.

ניסוי החריץ הכפול הוא פשוט ניסוי פשוט ומסתורי להפליא. זה מה שזה. מדענים מציבים מסך עם שני חריצים על קיר ויורים קרן אור דרך החריץ כדי שנוכל לראות היכן היא תפגע בקיר. מכיוון שאור הוא גל, הוא יצור תבנית עקיפה מסוימת ותראה פסי אור מפוזרים על כל הקיר. למרות שהיו שני משבצות.

אבל החלקיקים צריכים להגיב אחרת - עפים דרך שני חריצים, הם צריכים להשאיר שני פסים על הקיר ישירות מול החריצים. ואם האור הוא חלקיק, מדוע הוא לא מפגין התנהגות זו? התשובה היא שהאור יפגין התנהגות זו - אבל רק אם נבחר בכך. כגל, האור עובר דרך שני החריצים בו-זמנית, אך כחלקיק הוא יעבור רק דרך אחד. כל מה שאנחנו צריכים כדי להפוך אור לחלקיק הוא למדוד כל חלקיק אור (פוטון) שעובר דרך החריץ. דמיינו לעצמכם מצלמה שמצלמת כל פוטון שעובר דרך החריץ. אותו פוטון לא יכול לעבור דרך חריץ אחר מבלי להיות גל. תבנית ההפרעות על הקיר תהיה פשוטה: שתי רצועות אור. אנו משנים פיזית את התוצאות של אירוע פשוט על ידי מדידתן, התבוננות בהן.

זה נקרא "אפקט הצופה". ולמרות זאת דרך טובהכדי לסיים את המאמר הזה, היא אפילו לא גירדה את פני השטח של הדברים המדהימים לחלוטין שפיזיקאים מוצאים. יש טונות של וריאציות על ניסוי החריץ הכפול שהן אפילו יותר מטורפות ומעניינות. אתה יכול לחפש אותם רק אם אתה לא מפחד שמכניקת הקוונטים תשאב אותך פנימה עם הראש.

"אנו יכולים לנתח מצבים קוונטיים מבלי לשנות אותם בתצפית הראשונה", מעיר לייטנסטורפר.

ככלל, כאשר אתה רוצה להתחקות אחר ההשפעה של תנודות קוונטיות על חלקיקי אור ספציפיים, תחילה עליך לזהות ולבודד חלקיקים אלה. זה, בתורו, יסיר את ה"חתימה הקוונטית" של הפוטונים הללו. ניסוי דומה נערך על ידי צוות של מדענים ב-2015.

בניסוי החדש, במקום לצפות בשינויים בתנודות הקוונטיות על ידי קליטה או הגברה של פוטונים של אור, החוקרים צפו באור עצמו במונחים של זמן. זה אולי נשמע מוזר, אבל בחלל ריק, המרחב והזמן פועלים בצורה כזו שהתבוננות באחד מאפשרת מיד ללמוד יותר על השני. על ידי עריכת תצפית כזו, מדענים גילו שכאשר הוואקום "דחוס", "דחיסה" זו התרחשה בדיוק באותו אופן כפי שהוא קורה כאשר בלון נדחס, רק מלווה בתנודות קוונטיות.

בשלב מסוים התנודות הללו התחזקו מרעשי רקע של ואקום לא דחוס, ובמקומות מסוימים, להיפך, נחלשו. לייטנסטורפר נותן את האנלוגיה של פקק התנועה במרחב צר של כביש: עם הזמן, מכוניות בנתיבים שלהן עוברות לאותו נתיב כדי להידחק דרך צוואר הבקבוק, ואז נעות בחזרה לנתיבים שלהן. אותו דבר, במידה מסוימת, לפי תצפיות של מדענים, מתרחש בוואקום: דחיסת הוואקום במקום אחד מובילה להתפלגות השינויים בתנודות הקוונטיות במקומות אחרים. ושינויים אלה יכולים להאיץ או להאט.

ניתן למדוד השפעה זו במרחב-זמן, כפי שמוצג בגרף למטה. הפרבולה במרכז התמונה מציגה את נקודת ה"סחיטה" בוואקום:

התוצאה של דחיסה זו, כפי שניתן לראות באותה תמונה, היא "צניחה" מסוימת בתנודות. לא פחות הפתיעה את המדענים הייתה התצפית שרמת כוח התנודות במקומות מסוימים התבררה כנמוכה מרמת רעשי הרקע, אשר, בתורה, נמוכה מזו של מצב הקרקע של חלל ריק.

"מכיוון ששיטת המדידה החדשה לא לוכדת או מעצימה פוטונים, ישנה אפשרות לזהות ולצפות ישירות ברעשי רקע אלקטרומגנטיים בוואקום, כמו גם סטיות מבוקרות של מצבים שנוצרו על ידי החוקרים", נכתב במחקר.

כרגע, החוקרים בודקים את הדיוק של שיטת המדידה שלהם, וכן מנסים להבין למה היא באמת מסוגלת. למרות התוצאות כבר יותר ממרשימות של עבודה זו, עדיין קיימת אפשרות שמדענים הגיעו למה שמכונה "שיטת מדידה לא חד משמעית", שאולי לא תפריע למצבים הקוונטיים של עצמים, אך בה בעת לא מסוגלת. לספר למדענים יותר על מערכת קוונטית מסוימת.

אם השיטה באמת עובדת, אז מדענים רוצים להשתמש בה כדי למדוד את "מצב האור הקוונטי" - ההתנהגות הבלתי נראית של האור על רמה קוונטיתשאנחנו רק התחלנו להבין. עם זאת, עבודה נוספת דורשת אימות נוסף - שכפול של תוצאות הגילוי של צוות חוקרים מאוניברסיטת קונסטנץ ובכך הדגמת התאמת שיטת המדידה המוצעת.

דצמבר הוא הזמן לעשות חשבון נפש. עורכי פרויקט Vesti.Science (nauka.site) בחרו עבורכם את עשר החדשות המעניינות ביותר שהפיזיקאים שימחו אותנו בשנה האחרונה.

מצב חדש של חומר

הטכנולוגיה מאלצת את המולקולות להרכיב את עצמם למבנים הרצויים.

מצב של חומר הנקרא אקציטוניום נחזה תיאורטית לפני כמעט חצי מאה, אך רק כעת ניתן היה להשיגו בניסוי.

מצב זה קשור להיווצרות של מעובה Bose מקוואזיטון חלקיקים, שהם זוג של אלקטרון וחור. אנחנו מה שכל המילים המסובכות האלה אומרות.

מחשב פולאריטון

המחשב החדש משתמש בקווזי-חלקיקים של פולאריטון.

הידיעה הזו הגיעה מסקולקובו. מדעני Skoltech יישמו תוכנית חדשה ביסודה של תפעול מחשב. אפשר להשוות עם זה השיטה הבאהחפשו את הנקודה התחתונה של המשטח: אל תעסקו בחישובים מסורבלים, אלא תהפכו מעליו כוס מים. רק במקום פני השטח היה שדה בתצורה הנדרשת, ובמקום מים - חלקיקים כמו-פולאריטון. החומר שלנו בחוכמה קוונטית זו.

טלפורטציה קוונטית "לווין כדור הארץ"

המצב הקוונטי של פוטון "נשלח" לראשונה מכדור הארץ ללוויין.

והנה, שוב, מאיץ ההדרונים הגדול נחלץ לעזרת הפיזיקאים. "חדשות. מדע", מה הצליחו החוקרים להשיג ומה הקשר של אטומי העופרת לזה.

אינטראקציה של פוטונים בטמפרטורת החדר

התופעה נצפתה לראשונה בטמפרטורת החדר.

יש הרבה פוטונים דרכים שונותמתקשרים זה עם זה, ומדע שנקרא אופטיקה לא-לינארית עוסק בהם. ואם פיזור האור על ידי האור נצפה רק לאחרונה, אפקט קר היה מוכר מזמן לנסיינים.

עם זאת, בשנת 2017, הוא שוחזר לראשונה עבור פוטונים בודדים בטמפרטורת החדר. אנחנו מדברים על התופעה המעניינת הזו, שבמובן מסוים אפשר לקרוא לה גם "התנגשות של חלקיקי אור", ועל הסיכויים הטכנולוגיים שנפתחים בקשר אליה.

קריסטל זמן

יצירתם של נסיינים מדגימה סדר "גבישי" לא בחלל, אלא בזמן.

בחלל ריק, אין נקודה שונה מאחרת. בגביש הכל שונה: יש מבנה חוזר, שנקרא סריג קריסטל. האם אפשריים מבנים דומים, שחוזרים על עצמם לא בחלל, אלא בזמן מבלי להוציא אנרגיה?

תגובות תרמו-גרעיניות "כוכבים" על פני כדור הארץ

פיזיקאים שיחזרו תנאים במעיים של כוכבים בכור תרמו-גרעיני.

כור תרמו-גרעיני תעשייתי הוא החלום היקר של האנושות. אבל הניסויים נמשכים כבר יותר מחצי מאה, והאנרגיה החופשית הנכספת כמעט אינה שם.

ובכל זאת, ב-2017 נעשה צעד חשוב בכיוון זה. לראשונה, חוקרים שיחזרו כמעט בדיוק את התנאים השוררים במעמקי הכוכבים. איך הם עשו את זה.

נקווה ש-2018 תהיה עשירה באותה מידה בניסויים מעניינים ובתגליות בלתי צפויות. עקבו אחר החדשות. אגב, ערכנו עבורכם גם סקירה של השנה היוצאת.

פיזיקאים שוויצרים הדגימו לראשונה את פרדוקס איינשטיין-פודולסקי-רוזן (פרדוקס EPR) על מערכת קוונטית המורכבת מ-600 אטומי רובידיום. מדענים הצליחו לשבור את הריאליזם המקומי על ידי הסתבכות בין שני חלקים של ענן של גז מקורר-על והוכחת אפשרות ההיגוי, כאשר ניתן לחזות את מצבו של חלק אחד של מערכת קוונטית ממצב השני. מאמרם של המדענים פורסם בכתב העת Science, מדווח Science Alert.

על פי פרדוקס ה-EPR, שהוצע ב-1935, שני חלקיקים יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה בצורה כזו שניתן למדוד את מיקומם ואת המומנטום שלהם בדיוק גדול מזה שמתיר עקרון אי הוודאות של הייזנברג. לדוגמה, התנע הכולל של שני חלקיקים (A ו-B), שנוצרו כתוצאה מהדעיכה של החלקיקים השלישי, חייב להיות שווה למומנטום ההתחלתי של האחרון, ולכן מדידת התנע של חלקיק A מאפשרת לך למצוא את המומנטום של חלקיק B, בעוד שלא מוכנסות הפרעות לתנועת החלקיק השני. לאחר מכן ניתן לקבוע את הקואורדינטות של חלקיק B במדויק, ובכך להפר את עקרון אי הוודאות של הייזנברג.

מכיוון שעקרון אי הוודאות נשמר בכל מקרה, מדידת התנע של חלקיק A מפריעה בהכרח את הקואורדינטות של חלקיק B, מה שהופך אותן לאי ודאות, לא משנה כמה רחוק החלקיק הראשון מהאחרון. איינשטיין האמין שהדבר מפר את הריאליזם של העולם ואובייקטים פיזיקליים במסגרת מכניקת הקוונטים חדלים להתקיים באופן אובייקטיבי. הוא האמין שפרשנות כזו אינה נכונה וכי האופי ההסתברותי של התנהגותם של חלקיקים מוסבר למעשה על ידי קיומם של כמה פרמטרים נסתרים. עם זאת, כרגע, התיאוריה של משתנים נסתרים לא קיבלה אישור ניסיוני.

מדענים יצרו קונדנסט של Bose-Instein מכ-600 אטומי רובידיום-87. הקונדנסט הוא גז שמקורר לטמפרטורות נמוכות במיוחד, שבו כל האטומים תופסים את המצבים הקוונטיים הנמוכים ביותר האפשריים, כלומר כמעט בלתי ניתנים להבחנה זה מזה. בעזרת לייזר הובאו האטומים למצב דחוס, שבו התנודות של משתנה אחד (במקרה זה, אחד ממרכיבי הספין, כלומר "ציר הסיבוב") נעשות קטנות מאוד, והשני - גדול. כך נוצר קשר קוונטי בין האטומים.

החוקרים הצליחו לחלק את הענן לשני אזורים שונים - A ו-B. באמצעות לייזרים נמדד הספין הקולקטיבי של האטומים בעיבוי ומרכיבי "ציר הסיבוב". יחד עם זאת, על בסיס אי-שוויון שלוקחים פרמטרים אלו בחשבון, הוכחה הסתבכות בין אטומים למצב דחוס וספין קולקטיבי נתון. המתאם התברר כחזק עד כדי כך שנוצר פרדוקס EPR וניתן היה לחזות את המצב הקוונטי של אטומים באזור B על ידי מדידת הספין באזור A (ניבוי אפשרי רק בכיוון אחד).