Загадка Вселенной и революция в энергетике. Топ-10 открытий в физике за прошедший год

1

Приручение квантовой запутанности

Пока в январе 2020-го китайские медики только начинали борьбу с новым вирусом SARS-CoV-2, ученые из Австрии и США заявили об открытии нового метода наблюдений за переходом частиц в состояние квантовой запутанности. Квантовой запутанностью называют необычное состояние элементарных частиц, которые оказываются связанными и взаимозависимыми на абсолютно любых расстояниях.

И несмотря на то, что факт наблюдения может нарушить квантовое состояние системы, исследователи из Венского технического университета и Университета Уильяма Марша Райса придумали, как можно проследить за переходом в состояние квантовой запутанности миллиардов электронов в металлической пленке.

Для своего эксперимента физики использовали так называемый «странный металл» — сплав иттербия, родия и кремния, который при сверхнизких температурах проявляет необычные свойства. Охладив странный металл до температуры почти в минус 273 градуса по Цельсию, ученые засекли у электронов этого материала состояние квантовой критичности — переходный момент, который в классической физике можно сравнить с изменением агрегатного состояния вещества между твердым, газообразным и жидким.

Во время этого эксперимента изменилась структура вещества и свойства его электронов, что заставило миллиарды элементарных частиц вести себя как единое целое и перейти в сингулярное состояние, — т. е. состояние квантовой запутанности. Результаты исследования ученых из Австрии и США сулят огромные перспективы в создании сверхпроводников, которые являются основой для квантовых компьютеров.

2

Симметрия Вселенной

Все в нашем мире имеет противоположность. И это проявляется даже на уровне структуры любого вещества в виде частиц и античастиц. Единственное, что беспокоит физиков в этом вопросе — неравномерность распределения материи и антиматерии во Вселенной, благодаря которой существуем мы с вами.

После 10 лет экспериментов T2K (Tokai to Kamioka), которые проводили в исследовательском комплексе протонных ускорителей в японском городе Токай, в апреле 2020-го физики из Японии заявили, что за преобладание материи во Вселенной должны отвечать нейтрино, — частицы с нейтральным зарядом, которые могут быть своими же античастицами.

Руководители эксперимента T2K проанализировали колебания нейтрино, генерируя их пучки в своем нейтронном ускорителе и пытаясь засечь те же нейтрино с помощью детектора на расстоянии 295 км от этого ускорителя. Ученые обнаружили, что при столкновении этих частиц друг с другом формируются разные их виды, которые также называют «ароматами», — электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Античастицы этих «ароматов» нейтрино имеют другие свойства, и физики предполагают, что именно из-за них нарушается симметрия материи и антиматерии во Вселенной. «В рамках проекта T2K мы обнаружили всего 90 электронных нейтрино и 15 электронных антинейтрино. Мюонные нейтрино превращаются в электронные нейтрино с большей скоростью, чем мюонные антинейтрино превращаются в электронные антинейтрино», — объяснили авторы работы.

Для подтверждения этих данных ученым нужно будет провести дополнительные эксперименты с большим количеством частиц, более мощными ускорителями и детекторами. Такие устройства уже строят в США.

3

Теория всего

Британский ученый Стивен Вольфрам, известный по проекту научного поисковика Wolfram Alpha, в начале 2020-го заявил об изобретении новой теоретической модели физики, которая, по его словам, может объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику.

Иными словами, Вольфрам замахнулся на создание «теории всего», которая должна стать мостиком между классической физикой больших объектов и хаотичным законом существования мельчайших частиц. Физик предложил объединить эти две научные вселенные с помощью математической теории графов.

Граф — это абстрактный математический объект, который состоит из множества вершин (узлов), соединенных ребрами. В широком смысле граф можно представить как структуру ветвей, в которой каждая цепочка разделяется еще не несколько цепочек. Теория Вольфрама гласит, что Вселенная может быть формой одного из таких сложных графов, а цель физики — описать, каким правилам подчиняется этот граф.

Автор исследования предполагает, что графы позволят объединить свойства отдельных дискретных объектов, — узлов или вершин, — которые формируют огромный пространственно-временной континуум, описанный в Общей теории относительности Эйнштейна. Теория графов тесно переплетается с теорией петлевой квантовой гравитации, в которой пространство-время также состоит из дискретных частей.

Чтобы каждый мог сделать свой вклад в развитие новой теории, Вольфрам разработал открытую платформу Wolfram Physics Project, где любой пользователь может просмотреть полное исследование британского физика и дополнить его своими моделями.

4

Управление силой пустоты

Уже летом 2020-го ученые из Австралии и США открыли новый способ контроля и влияния на объекты в вакууме благодаря эффекту Казимира, — взаимодействию двух незаряженных проводящих тел в электромагнитном поле вакуумного пространства. Это взаимодействие обеспечивают квантовые флуктуации — незначительные проявления энергии в пустом пространстве.

Согласно результатам нового исследования физиков из Университета Западной Австралии и Калифорнийского университета в Мерседе, незначительные силы, возникающие в вакууме, можно измерить и использовать их для управления объектами. «Если научиться измерять и управлять силой Казимира на объектах — можно получить возможность улучшить чувствительность к силе и уменьшить механические потери, что должно серьезно повлиять на науку и технологии», — говорил руководитель исследования профессор Майкл Тобар.

Команда Тобара предусмотрела, что управлять силой Казимира можно посредством изменения температуры объектов в вакууме. По словам Тобара, колебания взаимодействуют с объектами, помещенными в вакуум, и на самом деле усиливаются по мере увеличения температуры, вызывая измеряемую силу из «ничего», также известную как сила Казимира.

В качестве объектов ученые использовали тонкий металлический корпус, который был расположен на расстоянии всего в один микрометр от мембраны из нитрида кремния, также обернутой в металл. Эта установка позволила исследователям ограничивать определенные виды электромагнитного излучения и с помощью электростатической силы контролировать зазор между объектами.

Когда этот зазор становился совсем крошечным, ученые подтвердили, что мембраной в действительности можно управлять с помощью силы Казимира. С помощью этого эффекта можно будет сконструировать очень точные программируемые устройства, которые позволят создать новые метрологические системы и даже разработать новые инструменты для анализа гравитационных волн в астрономии.

5

Сверхпроводимость в вашей комнате

Без каких-либо преувеличений, настоящий прорыв в физике несколько месяцев назад совершили ученые из Университета Рочестера в штате Нью-Йорк: исследователи достигли протекания электрического тока без сопротивления при комнатной температуре. Если быть точным, — при температуре +15 градусов по Цельсию.

Предыдущий лабораторный рекорд сверхпроводимости составлял минус 23 градуса по Цельсию, поэтому новое открытие ученых из США стало огромным шагом вперед. «Из-за низких температур материалы с такими необычными свойствами не изменили мир так, как многие могли себе представить. Однако наше открытие разрушит эти барьеры и откроет двери для многих потенциальных приложений этого явления», — заявил физик Ранга Диас из Университета Рочестера.

Эффективное использование сверхпроводимости может привести к революционным технологическим изменениям, — от транспорта на магнитной подвеске до передачи данных и электрических сетей без потерь.

Проблема заключается в том, что сверхпроводящие материалы обычно создаются и хранятся только при чрезвычайно низких температурах, намного ниже тех, которые встречаются в природе. Хранить материалы в таких условиях чрезвычайно сложно и дорого.

Поэтому следующим шагом в исследовании сверхпроводимости должно стать создание сверхпроводника, который сможет работать при комнатной температуре и давлении окружающей среды.

6

Новый тип квантовой запутанности

Возвращаясь к теме квантовой механики: в начале осени 2020-го ученые из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете заявили о достижении состояния квантовой запутанности между объектом из макромира, а именно — мембраны из нитрида (соединение азота и металла) толщиной в 13 нанометров и длиной в несколько миллиметров, и облаком атомов.

Эту мембрану обстреливали фотонами (частицами света), выпущенными из облака атомов цезия, которые находились в небольшой холодной «клетке». Авторы открытия заявили, что эти объекты — миллиметровая мембрана из нитрида и облако из атомов цезия — являются представителями двух миров, но при этом между ними установилась квантовая запутанность, что раздвигает границы наших представлений о квантовой механике.

«После нашего эксперимента становится понятно, что запутанность между очень разными объектами возможна», — заявил ведущий автор исследования Юджин Ползик.

Как и в случае с наблюдением перехода «странного металла» в состояние квантовой запутанности, открытие датских ученые может привести к прорыву в разработке квантовых компьютеров, построенных на просчетах вероятности, которая возникает, когда одни квантовые частицы взаимодействуют с другими.

За просчеты этой вероятности отвечают кубиты, — минимальные единицы информации в квантовых компьютерах, которые могут находиться в нескольких состояниях пространства-времени одновременно.

7

Нобелевская премия по физике

Конечно, одним из главных открытий в 2020-м стало награждение лауреатов Нобелевской премии по физике. Как и в прошлом году, этой осенью премию присудили за смежные открытия в астрономии и физике, — астрофизике.

На этот раз лауреатами Нобелевской премии стали ученые Роджер Пенроуз, Райнхард Гензель и Андреа Гез, которые исследовали черные дыры. Британский физик Роджер Пенроуз получил половину денежного вознаграждения премии за «открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием Общей теории относительности».

Вторую половину премии разделили немецкий астрофизик Райнхард Гензель и американская астроном Андреа Гез за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».

Роджер Пенроуз математически доказал возможность формирования черных дыр и подробно описал их в январе 1965-го, через десять лет после смерти автора Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Его статья о «сверхтяжелых монстрах, которые скрывают сингулярность, нарушают все известные законы природы и поглощают все, что находится вокруг них, включая свет», до сих пор считается самым важным вкладом в ОТО.

Рейнхард Гензель и Андреа Гез, в свою очередь, около 30 лет возглавляли группу астрономов, исследовавших сверхмассивный компактный объект в центре галактики Млечный Путь — черную дыру Стрелец A*. С помощью самых современных телескопов в мире и новых методов наблюдения за объектами в глубоком космосе, Гензель и Гез предоставили наиболее убедительные доказательства существования сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики.

8

Начало сборки термоядерного реактора

В 2020-м также произошел серьезный шаг в одном из наиболее амбициозных энергетических проектов в истории: на юге Франции стартовала сборка международного проекта термоядерного реактора ITER, общая стоимость которого более 20 млрд евро.

В сборке гигантского реактора будут задействованы миллионы компонентов, а общий вес конструкции составит около 23 тыс. тонн. Руководители ITER называют этот проект самым сложным инженерным решением в истории.

Принцип создания термоядерной реакции заключается в нагревании тяжелых атомов водорода до температуры более 100 млн градусов Цельсия, — в несколько раз выше, чем температура ядра Солнца. Во время этого должна образоваться горячая плазма, которая обеспечит выброс огромного количества энергии. Такой способ должен быть в разы эффективнее и безопаснее, чем процесс создания энергии посредством цепной реакции ядерного распада, как в действующих атомных реакторах.

В ближайшие годы ученым предстоит решить проблему поддержки стабильного состояния плазмы, чтобы термоядерный реактор был эффективным и производил больше энергии, чем потреблял. Старт ITER запланирован на 2025 год.

9

Новый тип АЭС

И еще одна новость из мира атомной энергетики — проект ядерного реактора на расплавах солей, который должен быть мощнее, дешевле и безопаснее, чем все существующие типы АЭС. Проекты таких реакторов разрабатывали в середине прошлого века в США, но позже от них отказались в пользу легководных реакторов.

Недавно американских стартап Elysium Technologies решил вернуться к старым разработкам и заявил о создании небольшой версии своего реактора в качестве пилотного экземпляра для Комиссии по ядерному регулированию США. В отличие от легководных реакторов, основой охлаждающей жидкости реакторов на расплавах солей является смесь расплавленных солей, которая может работать при высоких температурах.

В Elysium Technologies предполагают, что именно эта особенность подобных реакторов позволит сделать их более эффективным и безопасными, чем действующие самые популярные реакторы на АЭС.

Основатели стартапа — Карл Перес и Эд Фейл — уверены, что фактическое отсутствие давления в их реакторе и работа при высоких температурах значительно снизят затраты на установку защитных конструкций и закупку топлива, в качестве которого в Elysium Technologies планируют использовать ядерные отходы. Руководители проекта несколько десятков лет разрабатывали реакторы для атомного флота, и теперь работают над собственным проектом электростанции нового типа.

Кроме использования ядерного топлива, в Elysium Technologies заявляют, что их реактор будет перерабатывать до 95% всего топлива, а его остаток будет менее токсичным, чем у традиционных реакторов. «Эти продукты деления обычно распадаются до фонового уровня примерно за 300 лет, в отличие от более чем 10 тыс. лет для традиционных отходов твердотопливных реакторов», — рассказали в компании.

10

Измерение зептосекунд

И последнее, скорее техническое открытие в 2020-м году — измерение самой короткой единицы времени учеными из Германии. Эта единица составляет 247 зептосекунд — время, за которое легкая частица пересекает молекулу водорода.

В 1999-м Нобелевскую премию вручили за измерение фемтосекунды, — одной квадриллионной или одной миллионной одной миллиардной доли секунды.

Авторы открытия — физик Рейнхард Дернер из Университета Гете в Германии и его коллеги установили энергию рентгеновских лучей в ускорителе частиц так, чтобы один фотон или частица света выбили два электрона из молекулы водорода.

Эти взаимодействия позволили создать интерференционный узор. Дернер и его коллеги смогли измерить его с помощью реакционного микроскопа для реакционной спектроскопии иона импульса отдачи с холодной мишенью (COLTRIMS). Этот инструмент по сути является очень чувствительным детектором частиц, который может регистрировать чрезвычайно быстрые атомные и молекулярные реакции.

Микроскоп COLTRIMS регистрировал как интерференционную картину, так и положение молекулы водорода на протяжении всего взаимодействия.

«Поскольку мы знали пространственную ориентацию молекулы водорода, мы использовали интерференцию двух электронных волн, чтобы точно рассчитать, когда фотон достиг первого и второго атома водорода», — заявил Свен Грундманн, соавтор исследования в Университете Росток в Германии.

Этим временем и стали 247 зептосекунд.