Загадка Всесвіту і революція в енергетиці. Топ-10 відкриттів у фізиці за минулий рік

1

Приручення квантової заплутаності

Поки в січні 2020-го китайські медики тільки починали боротьбу з новим вірусом SARS-CoV-2, науковці з Австрії та США заявили про відкриття нового методу спостережень за переходом частинок у стан квантової заплутаності. Квантовою заплутаністю називають незвичайний стан елементарних частинок, які виявляються пов’язаними і взаємозалежними на абсолютно будь-яких відстанях.

І незважаючи на те, що факт спостереження може порушити квантовий стан системи, дослідники з Віденського технічного університету та Університету Вільяма Марша Райса придумали, як можна простежити за переходом у стан квантової заплутаності мільярдів електронів у металевій плівці.

Для свого експерименту фізики використовували так званий «дивний метал» — сплав ітербію, родію і кремнію, який за наднизьких температур проявляє незвичайні властивості. Охолодивши дивний метал до температури майже в мінус 273 градуси за Цельсієм, вчені зафіксували у електронів цього матеріалу стан квантової критичності — перехідний момент, який у класичній фізиці можна порівняти зі зміною агрегатного стану речовини між твердим, газоподібним і рідким.

Під час цього експерименту змінилася структура речовини і властивості його електронів, що змусило мільярди елементарних частинок поводитися як єдине ціле і перейти в сингулярний стан, — стан квантової заплутаності. Результати дослідження вчених з Австрії та США обіцяють величезні перспективи в створенні надпровідників, які є основою для квантових комп’ютерів.

2

Симетрія Всесвіту

Все в нашому світі має протилежність. І це проявляється навіть на рівні структури будь-якої речовини у вигляді частинок і античастинок. Єдине, що турбує фізиків у цьому питанні — нерівномірність розподілу матерії й антиматерії у Всесвіті, завдяки якій існуємо ми з вами.

Після 10 років експериментів T2K (Tokai to Kamioka), які проводили в дослідному комплексі протонних прискорювачів в японському місті Токай, у квітні 2020-го фізики з Японії заявили, що за переважання матерії у Всесвіті мають відповідати нейтрино, — частинки з нейтральним зарядом, які можуть бути своїми ж античастинками.

Керівники експерименту T2K проаналізували коливання нейтрино, генеруючи їхні пучки у своєму нейтронному прискорювачі і намагаючись зафіксувати ті ж нейтрино за допомогою детектора на відстані 295 км від цього прискорювача. Вчені виявили, що під час зіткнення цих часток одна з одною формуються різні їх види, які також називають «ароматами», — електронне, мюонне і тау-нейтрино.

Античастинки цих «ароматів» нейтрино мають інші властивості, і фізики припускають, що саме через них порушується симетрія матерії й антиматерії у Всесвіті. «У межах проєкту T2K ми виявили всього 90 електронних нейтрино і 15 електронних антинейтрино. Мюонні нейтрино перетворюються на електронні нейтрино з більшою швидкістю, ніж мюонні антинейтрино перетворюються на електронні антинейтрино», — пояснили автори роботи.

Для підтвердження цих даних вченим потрібно буде провести додаткові експерименти з великою кількістю частинок, потужнішими прискорювачами і детекторами. Такі пристрої вже будують у США.

3

Теорія всього

Британський вчений Стівен Вольфрам, відомий за проєктом наукового пошуковика Wolfram Alpha, на початку 2020-го заявив про винахід нової теоретичної моделі фізики, яка, за його словами, може об'єднати загальну теорію відносності Ейнштейна і квантову механіку.

Іншими словами, Вольфрам замахнувся на створення «теорії всього», яка має стати містком між класичною фізикою великих об'єктів і хаотичним законом існування найдрібніших частинок. Фізик запропонував об'єднати ці два наукові всесвіти за допомогою математичної теорії графів.

Граф — це абстрактний математичний об'єкт, який складається з безлічі вершин (вузлів), з'єднаних ребрами. У широкому сенсі граф можна уявити як структуру гілок, в якій кожен ланцюжок розділяється ще не кілька ланцюжків. Теорія Вольфрама свідчить, що Всесвіт може бути формою одного з таких складних графів, а мета фізики — описати, яким правилам підпорядковується цей граф.

Автор дослідження припускає, що графи дозволять об'єднати властивості окремих дискретних об'єктів, — вузлів або вершин, — які формують величезний просторово-часовий континуум, описаний у Загальній теорії відносності Ейнштейна. Теорія графів тісно переплітається з теорією петлевої квантової гравітації, в якій простір-час також складається з дискретних частин.

Щоб кожен міг зробити свій внесок у розвиток нової теорії, Вольфрам розробив відкриту платформу Wolfram Physics Project, де будь-який користувач може переглянути повне дослідження британського фізика і доповнити його своїми моделями.

4

Керування силою порожнечі

Уже влітку 2020-го вчені з Австралії і США відкрили новий спосіб контролю і впливу на об'єкти у вакуумі завдяки ефекту Казимира, — взаємодії двох незаряджених тіл-провідників в електромагнітному полі вакуумного простору. Цю взаємодію забезпечують квантові флуктуації — незначні прояви енергії в порожньому просторі.

Згідно з результатами нового дослідження фізиків з Університету Західної Австралії і Каліфорнійського університету в Мерседі, незначні сили, що виникають у вакуумі, можна виміряти і використовувати їх для керування об'єктами. «Якщо навчитися вимірювати і керувати силою Казимира на об'єктах — можна отримати можливість поліпшити чутливість до сили і зменшити механічні втрати, що має серйозно вплинути на науку і технології», — казав керівник дослідження професор Майкл Тобар.

Команда Тобара передбачила, що керувати силою Казимира можна за допомогою зміни температури об'єктів у вакуумі. За словами Тобара, коливання взаємодіють з об'єктами, поміщеними у вакуум, і насправді посилюються в міру збільшення температури, викликаючи вимірювану силу з «нічого», також відому як сила Казимира.

Як об'єкти вчені використовували тонкий металевий корпус, який був розташований на відстані всього один мікрометр від мембрани з нітриду кремнію, також загорнутої в метал. Ця установка дала змогу дослідникам обмежувати певні види електромагнітного випромінювання і за допомогою електростатичної сили контролювати зазор між об'єктами.

Коли цей зазор ставав зовсім крихітним, вчені підтвердили, що мембраною насправді можна керувати за допомогою сили Казимира. За допомогою цього ефекту можна буде сконструювати дуже точні програмовані пристрої, які дозволять творити нові метрологічні системи і навіть розробити нові інструменти для аналізу гравітаційних хвиль в астрономії.

5

Надпровідність у вашій кімнаті

Без будь-яких перебільшень, справжній прорив у фізиці кілька місяців тому зробили вчені з Університету Рочестера в штаті Нью-Йорк: дослідники досягли протікання електричного струму без опору за кімнатної температури. Якщо бути точним, — за температури +15 градусів за Цельсієм.

Попередній лабораторний рекорд надпровідності становив мінус 23 градуси за Цельсієм, тому нове відкриття вчених із США стало величезним кроком вперед. «Через низькі температури матеріали з такими незвичайними властивостями не змінили світ так, як багато хто міг собі уявити. Однак наше відкриття зруйнує ці бар'єри і відкриє двері для багатьох потенційних застосувань цього явища», — заявив фізик Ранга Діас з Університету Рочестера.

Ефективне використання надпровідності може привести до революційних технологічних змін, — від транспорту на магнітній підвісці до передачі даних і електричних мереж без втрат.

Проблема полягає в тому, що надпровідні матеріали зазвичай створюються і зберігаються тільки за надзвичайно низьких температур, набагато нижчих за ті, які трапляються в природі. Зберігати матеріали в таких умовах надзвичайно складно і дорого.

Тому наступним кроком у дослідженні надпровідності має стати створення надпровідника, який зможе працювати за кімнатної температури і тиску навколишнього середовища.

6

Новий тип квантової заплутаності

Повертаючись до теми квантової механіки: на початку осені 2020-го вчені з Інституту Нільса Бора при Копенгагенському університеті заявили про досягнення стану квантової заплутаності між об'єктом з макросвіту, а саме — мембрани з нітриду (з'єднання азоту і металу) завтовшки 13 нанометрів і завдовжки кілька міліметрів і хмарою атомів.

Цю мембрану обстрілювали фотонами (частками світла), випущеними з хмари атомів цезію, які перебували в невеликій холодній «клітці». Автори відкриття заявили, що ці об'єкти — міліметрова мембрана з нітриду і хмара з атомів цезію — є представниками двох світів, але водночас між ними встановилася квантова заплутаність, що розсуває межі наших уявлень про квантову механіку.

«Після нашого експерименту стає зрозуміло, що заплутаність між дуже різними об'єктами можлива», — заявив провідний автор дослідження Юджин Ползік.

Як і у випадку зі спостереженням переходу «дивного металу» в стан квантової заплутаності, відкриття данських вчених може привести до прориву в розробці квантових комп’ютерів, побудованих на прорахунках ймовірності, яка виникає, коли одні квантові частинки взаємодіють з іншими.

За прорахунки цієї ймовірності відповідають кубіти — мінімальні одиниці інформації у квантових комп’ютерах, які можуть перебувати в кількох станах простору-часу одночасно.

7

Нобелівська премія з фізики

Звісно, одним з головних відкриттів у 2020-му стало нагородження лауреатів Нобелівської премії з фізики. Як і торік, цієї осені премію присудили за суміжні відкриття в астрономії і фізиці, — астрофізиці.

Цього разу лауреатами Нобелівської премії стали вчені Роджер Пенроуз, Райнхард Гензель і Андреа Гез, які досліджували чорні діри. Британський фізик Роджер Пенроуз отримав половину грошової винагороди премії за «відкриття того, що утворення чорної діри є надійним прогнозом Загальної теорії відносності».

Другу половину премії розділили німецький астрофізик Райнхард Гензель і американська астрономка Андреа Гез за «відкриття надмасивного компактного об'єкта в центрі нашої галактики».

Роджер Пенроуз математично довів можливість формування чорних дір і докладно описав їх у січні 1965-го, через десять років після смерті автора Загальної теорії відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна. Його стаття про «надважких монстрів, які приховують сингулярність, порушують всі відомі закони природи і поглинають все, що розташовується навколо них, включно зі світлом», досі вважається найважливішим внеском в ЗТВ.

Рейнхард Гензель і Андреа Гез натомість приблизно 30 років очолювали групу астрономів, які досліджували надмасивний компактний об'єкт у центрі галактики Чумацький Шлях — чорну діру Стрілець A*. За допомогою найсучасніших телескопів у світі та нових методів спостереження за об'єктами в глибокому космосі, Гензель і Гез надали найпереконливіші докази існування надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики.

8

Початок виготовлення термоядерного реактора

У 2020-му також відбувся серйозний крок в одному з найамбітніших енергетичних проєктів в історії: на півдні Франції стартувало виробництво міжнародного проєкту термоядерного реактора ITER, загальна вартість якого становить понад 20 млрд євро.

До виготовлення гігантського реактора буде залучено мільйони компонентів, а загальна вага конструкції становитиме майже 23 тис. тонн. Керівники ITER називають цей проєкт найскладнішим інженерним рішенням в історії.

Принцип створення термоядерної реакції полягає в нагріванні важких атомів водню до температури понад 100 млн градусів за Цельсія, — в кілька разів вище, ніж температура ядра Сонця. Під час цього має утворитися гаряча плазма, яка забезпечить викид величезної кількості енергії. Такий спосіб має бути значно ефективнішим і безпечнішим, ніж процес створення енергії за допомогою ланцюгової реакції ядерного розпаду, як у діючих атомних реакторах.

Найближчими роками вчені мають вирішити проблему підтримки стабільного стану плазми, щоб термоядерний реактор був ефективним і виробляв більше енергії, ніж споживав. Старт ITER заплановано на 2025 рік.

9

Новий тип АЕС

І ще одна новина зі світу атомної енергетики — проєкт ядерного реактора на розплавах солей, який має бути сильнішим, дешевшим і безпечнішим, ніж всі відомі типи АЕС. Проєкти таких реакторів розробляли в середині минулого століття в США, але пізніше від них відмовилися на користь легководних реакторів.

Нещодавно американський стартап Elysium Technologies вирішив повернутися до старих розробок і заявив про створення невеликої версії свого реактора як пілотного екземпляра для Комісії з ядерного регулювання США. На відміну від легководних реакторів, основою охолоджувальної рідини реакторів на розплавах солей є суміш розплавлених солей, яка може працювати за високих температур.

У Elysium Technologies припускають, що саме ця особливість подібних реакторів дасть можливість зробити їх ефективнішими і безпечнішими, ніж сучасні найпопулярніші реактори на АЕС.

Засновники стартапу — Карл Перес і Ед Фейл — впевнені, що фактична відсутність тиску в їхньому реакторі і робота за високих температур значно знизять витрати на встановлення захисних конструкцій і закупівлю палива, в ролі якого в Elysium Technologies планують використовувати ядерні відходи. Керівники проєкту кілька десятків років розробляли реактори для атомного флоту і тепер працюють над власним проєктом електростанції нового типу.

Крім використання ядерного палива, в Elysium Technologies заявляють, що їхній реактор перероблятиме до 95% всього палива, а його залишок буде менш токсичним, ніж у традиційних реакторів. «Ці продукти ділення зазвичай розпадаються до фонового рівня приблизно за 300 років, на відміну від більш ніж 10 тис. років для традиційних відходів твердопаливних реакторів», — розповіли в компанії.

10

Вимірювання зептосекунд

І останнє, радше технічне відкриття в 2020-му році — вимірювання найкоротшої одиниці часу вченими з Німеччини. Ця одиниця становить 247 зептосекунд — час, за який легка частинка перетинає молекулу водню.

У 1999-му Нобелівську премію вручили за вимірювання фемтосекунди, — однієї квадрильйонної або однієї мільйонної однієї мільярдної частки секунди.

Автори відкриття — фізик Рейнхард Дернер з Університету Гете в Німеччині і його колеги встановили енергію рентгенівських променів у прискорювачі часток так, щоб один фотон або частка світла вибили два електрони з молекули водню.

Ці взаємодії дозволили створити інтерференційний візерунок. Дернер і його колеги змогли виміряти його за допомогою реакційного мікроскопа для реакційної спектроскопії іона імпульсу віддачі з холодною мішенню (COLTRIMS). Цей інструмент по суті є дуже чутливим детектором часток, який може реєструвати надзвичайно швидкі атомні і молекулярні реакції.

Мікроскоп COLTRIMS реєстрував як інтерференційну картину, так і положення молекули водню протягом усієї взаємодії.

«Оскільки ми знали просторову орієнтацію молекули водню, ми використали інтерференцію двох електронних хвиль, щоб точно розрахувати, коли фотон досяг першого і другого атома водню», — заявив Свен Грундманн, співавтор дослідження в Університеті Росток у Німеччині.

Цим часом і стали 247 зептосекунд.