Квантовое будущее и новые виды материи. 10 самых интригующих открытий в физике за последнее время

Квантовые ошибки и микросхемы

Раз уж мы заговорили о квантовых компьютерах, давайте все-таки добьем эту тему, ведь ученые действительно активно работают над его созданием. Они уверены, что эта технология поможет нам совершить невероятный рывок практически во всех сферах — начиная от медицины и заканчивая исследованиями космоса.

Главная проблема квантовых систем прямо сейчас даже не в том, что нам сложно их создать и поддерживать работоспособность (нужны чрезвычайно низкие температуры, чтобы не разрывать связь между кубитами). Подверженность ошибкам — вот настоящий бич современных квантовых технологий.

В начале года сразу три независимых команды ученых опубликовали результаты своих исследований, в которых попытаюлись решить именно эту проблему. Каждый подход решает ее по-своему, а про каждый из них подробнее прочитайте здесь.

А совсем недавно австралийские ученые впервые создали интегральную схему квантового компьютера. Это что-то вроде микрочипа для обычного компьютера, содержащего в себе все необходимые для его работы компоненты. На создание квантового микрочипа у физиков ушло девять лет работы. В 2012 году эта же научная команда создала первый квантовый транзистор.

По словам Мишель Симмонс, руководившей исследованиями, открытия ее команды очень похожи на то, как развивался классический компьютер и изобретения, которые позволили его создать: первый компьютерный транзистор впервые создали в 1947 году, а интегральную схему — в 1958 году. Фактически, современным ученым удалось опередить «классический» график на два года.

Пятая сила природы

Стандартная модель — это лучшая научная теория, которую создало человечество. Тем не менее, мы знаем, что она неполная. Поэтому ученые находятся в постоянном поиске новой физики или пятой силы природы — аномалий, которые расходятся с устоявшимися теоретическими знаниями.

Физики активно ищут их, изучая элементарные частицы — и в этом нам очень поможет новый запуск Большого адронного колайдера. LHCb (Large Hadron Collider beauty) — один из семи экспериментов физики элементарных частиц, который проводится на Большом адронном коллайдере. Именно он поможет подтвердить находку команды ученых лаборатории Fermilab и команды LHCb, которые обнаружили, что красивый кварк — один из шести ароматов элементарной частицы, из которых состоит любая окружающая нас материя — распадается под действием слабого взаимодействия на электроны и мюоны с разной скоростью. В теории такой разницы быть не должно, из-за чего физики предположили, что на мюоны влияет некая «неоткрытая сила».

Новый запуск БАК поможет ученым подтвердить эту догадку. Если это случится, то мы станем свидетелями уникального переворота в физике — открытия новой силы природы.

«Мост» между классической и квантовой физикой

Общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна — одно из величайших открытий в истории человечества. Она стала основой для формулирования тысяч других законов, которые существуют в нашей Вселенной. Теория идеально описывает правила существования нашей Вселенной… если не заглядывать в самые ее основы. Там царит квантовая физика — элементарные частицы управляются совсем другими законами, которые совершенно не согласовываются с правилами теории относительности.

Мы до сих пор упускаем момент «перехода» классической физики в квантовую. Поиск этой точки соприкосновения двух удивительных миров и является одной из главных загадок науки, ведь мы до сих пор не можем прийти к единой системе физических законов.

Физики из Массачусетского технологического института утверждают, что совершили невозможное — проследили за квантовым эффектом в классической среде, когда в облаках ультрахолодных атомов образовывались «квантовые торнадо».

При нормальной температуре атомы действуют как бильярдные шары и отскакивают друг от друга. Однако чем ниже становится температура, тем ниже будет скорость их движения. Если же температура станет достаточно низкой, достигнув миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, а атомы будут располагаться очень плотно друг к другу, они смогут «чувствовать» друг друга и координировать свои движения, как если бы они были одним большим «суператомом».

Что это все значит — читайте в нашем материале.

Стерильные нейтрино

Еще одна зацепка, которая потенциально может привести нас к новой физике.

Нейтрино — это одна из самых распространенных частиц во Вселенной, однако это не особо помогает ученым, которые пытаются их изучать. Они настолько маленькие и быстрые, что долгое время физики предполагали, что эти частицы совершенно не имеют массы и текут сквозь Вселенную со скоростью света. Лишь недавно ученым удалось доказать, что нейтрино все-таки обладают массой. Однако несмотря на то, что ученым все-таки удалось их уловить, они все равно ставят перед научным сообществом очень много вопросов, ответов на которые пока что нет.

Нейтрино участвуют в слабом ядерном взаимодействии и отвечают за ядерный распад и синтез. В современной физике существует три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Однако некоторые эксперименты показывают, что существует гипотетический четвертый тип нейтрино, который может стать той самой «новой физикой», за которой так активно гоняются ученые. Это стерильные нейтрино. Их отличие от остальных нейтрино в том, что они не участвуют в слабом взаимодействии, вместо этого используя исключительно гравитацию.

Впервые о стерильных нейтрино мир услышал в середине 1990-х после одного из экспериментов в лаборатории в Лос-Аламосе (американский штат Нью-Мексико). Тогда ученые зафиксировали избыток частиц в детекторе нейтрино, которые и объяснили потенциальным существованием стерильных нейтрино. Засечь эти частицы очень сложно, поскольку они никак не взаимодействуют с материей.

Примерно так же физики описывают темную материю — гипотетическую форму материи, зафиксировать которую нам до сих пор не удалось, однако ученые уверены, что она существует из-за ее гравитационного влияния на Вселенную. Многие исследователи всерьез рассматривают стерильные нейтрино как идеального кандидата на роль частицы, из которой состоит темная материя. Предлагаем вам подробнее ознакомиться с историей охоты ученых за стерильными нейтрино.

Осевой бозон Хиггса

Еще один новый кандидат на роль составной частицы темной материи — осевой бозон Хиггса.

Открытие бозона Хиггса было невероятным достижением своего времени. Это квант скалярного поля, взаимодействие с которым дает массу всем элементарным частицам. Именно это событие ученые называют последним большим моментом в физике.

Команде ученых, которыми руководил Кеннет Берч, профессор физики в Бостонском колледже, удалось обнаружить осевой бозон Хиггса — это что-то вроде двоюродного брата бозона Хиггса. От «оригинала» эта частица отличается наличием магнитного поля, а потому для объяснения ее существования требуется более сложная теория. Теории, которые предсказывали существование осевого бозона Хиггса, объясняли также темную материю. Именно поэтому ученые и предполагают, что в составе темной материи вполне можно будет найти осевой бозон Хиггса.

Интересно, что обнаружили его не в результате сложного эксперимента с дорогим оборудованием, а на столешнице. Осевой бозон Хиггса уникален тем, что это первая частица, которая действительно может объяснить существование темной материи и одновременно с этим согласуется с современными теориями. На проверку результатов эксперимента у ученых ушел год — и сейчас они уверены в том, что действительно обнаружили такую частицу.

Сверхтвердая и сверхтекучая материя

Еще со школьных уроков физики мы знаем о трех состояниях материи — твердое, жидкое и газообразное. Если у вас был хороший учитель, вы могли слышать еще и о плазменном состоянии, которое достигается при помощи нагревания газа. Однако квантовая физика работает несколько иначе и допускает, что тело может обладать свойствами как жидкостей, так и твердых тел одновременно — их называют сверхтвердыми. Такое состояние интересно тем, что частицы сверхтвердого вещества расположены в жесткой твердой структуре, однако при этом они могут течь без какого-либо сопротивления.

Ученые Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца впервые создали двумерное сверхтвердое тело. Это необычное состояние материи было предсказано в 1969 году, но до сих пор никому не удавалось воплотить теорию на практике.

Ученые сумели сформировать кристалл, внутри которого существует сверхтекучая жидкость, использовав для этого редкоземельный металл диспрозий. Ученые выстроили его атомы в плоский лист и охладили до почти абсолютного нуля — минус 237 °C, создав конденсат Бозе-Эйнштейна.

Из-за отсутствия энергии атомы перестают двигаться и «размываются» так, что их границы расширяются до границ самого листа. Таким образом, лист диспрозия фактически превратился в одну большую квантовую жидкость, заключенную в кристалл, а местоположение атомов стало максимально неопределенным. Фактически, каждый атом диспрозия находился во всех каплях жидкости одновременно, формируя сверхтвердое и сверхтекучее тело.

Спиновая жидкость

Команда физиков из Гарвардского университета сумела создать спиновую жидкость — особое состояние материи, которое было предсказано почти 50 лет назад. Ученые верят, что ее свойства помогут нам создать рабочий квантовый компьютер и сверхпроводники нового поколения.

Несмотря на свое название, это состояние материи на самом деле не имеет ничего общего с жидкостями. В природе существует материал, в котором действительно существует спиновая жидкость — это гербертсмитит. Однако до сих пор ученым не удавалось создать ее в лабораторных условиях.

Для создания спиновой жидкости ученые использовали программируемый квантовый симулятор, который ранее позволил смоделировать квантовую спиновую модель и обнаружить новые квантовые фазовые переходы.

Теперь исследователи использовали платформу из 219 атомов, разместив их на решетке кагоме — шестиугольной мозаике — и проследив за их квантовым взаимодействием. В результате у них получились «струны», которые соединяли всю структуру воедино. Таким образом проявилась квантовая запутанность между атомами, что и означало появление нового состояния материи.

Новый вид материи

Международная команда ученых под руководством физика-теоретика Вадима Гриненко из Технического университета Дрездена сумела доказать на практике возможность существования нового вида материи — четырехфермионного конденсата. Потенциально это может привести к настоящему технологическому прорыву — созданию чистой электроэнергии, квантовых компьютеров и летающих автомобилей.

До сих пор считалось, что сверхпроводниками могут быть лишь электронные пары, а формирование четырехфермионного конденсата — электронных квадруплетов — было лишь теорией, однако последние эксперименты ученых показали, что это может быть частью нашей реальности.

Мантия-невидимка

Три независимых команды американских и новозеландских физиков впервые смогли добиться эффекта, который предсказывали около тридцати лет назад. Охладив и сжав облако газа лазером они поняли, что создали первую материю, которая практически не рассеивает свет, становясь невидимой.

Ученые использовали лазеры, чтобы сжать и охладить газообразные литий, калий и стронций до такой степени, что те стали полупрозрачными, перестав отражать и рассеивать часть падающего на него света. Физики уверены — со временем они сумеют добиться того, что газ станет полностью невидимым.

Эффект, которого добились ученые, стал первым реальным примером блокировки Паули — квантово-механического процесса, предсказанного более 30 лет назад. Вольфганг Кеттерле, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, объясняет это на примере концертного зала.

Чтобы рассеивать свет, атом поглощает энергию фотона, «пересаживаясь» на соседнее место. Однако если все соседние кресла заняты, атом не может поглощать энергию и рассеивать свет. Таким образом он становится прозрачным, пропуская фотоны света сквозь себя, не рассеивая их. Так и работает блокировка Паули.

Сложность задачи в том, что довести атомное облако до такого состояния очень сложно. Для этого нужна не только низкая температура, но и чрезвычайно высокая плотность, чтобы атомы не могли «пересаживаться» на соседнее место. Вот, как с этой задачей справились ученые.