Современные открытия физики техника

10 потрясающих открытий в физике

Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее. Иногда мир ведет себя очень странно, и возможно, вы должны быть настоящим энтузиастом, чтобы разделить с нами радость по поводу этого списка. Перед вами десять самых удивительных открытий в новейшей физике, которые заставили многих и многих ученых ломать головы не годами — десятилетиями.

На скорости света время останавливается

Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.

Квантовая запутанность

Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.

Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). Квантовая запутанность — это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них — скажем, измените спин — второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее — вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.

Гравитация влияет на свет

Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.

Темная материя

На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю — таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.

Наша Вселенная быстро расширяется

Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам лучше не знать.

Любая материя — это энергия

Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу E = mc 2 . E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.

Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет — это волна, и свет — это частица. Свет — это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.

Все объекты падают с одинаковой скоростью

Квантовая пена

Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное — на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.

Эксперимент с двойной щелью

Эксперимент с двумя щелями — это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет — это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.

Но частицы должны реагировать иначе — пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет — это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение — но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу — измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.

Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.

Источник

Уму непостижимо. Топ-8 открытий в физике 2019 года

2019-й был богатым на новости из мира науки. Представляем вам открытия, которые нельзя было оставить без внимания.

2019-й был богатым на новости из мира науки. Представляем вам открытия, которые нельзя было оставить без внимания.

З апутались с новостями из мира квантовой механики? Пропустили самое громкое открытие в истории астрофизики? Не беда, — специально для вас НВ вспоминает самые громкие открытя в науке в 2019 году.

Пока Грета Тунберг собирает молодежь по всему миру на восстание против мировых политических лидеров, физики борются за жизнь кота Шредингера и разбирают на кусочки пространство-время во всей Вселенной.

В уходящем году появилось еще больше научных исследований, которые доказывают, что наше представление о мире может быть ложным, и подчеркивают изъяны в трудах Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.

Современные ученые пока не придумали новую теорию относительности и не разоблачили обманчивые законы гравитации, но они, как минимум, движутся в этом направлении, и дают нам возможность понять, что люди еще очень мало знают о своей природе и природе всего, что их окружает.

От фотографии горизонта событий черной дыры до проверки теории о невозможном двигателе EmDrive, от создания квантовых компьютеров до решения дилеммы кота Шредингера, — НВ собрало восемь самых интересных открытий из мира науки в уходящем году.

Фотография черной дыры

На самом деле увидеть черную дыру невозможно, поскольку эти сверхтяжелые объекты являются буквально невидимыми и поглощают любые виды электромагнитного излучения. Поэтому ученые получили изображение только ее очертаний — так называемого горизонта событий. Тем не менее, это одно из самых громких научных открытий не только в 2019-м, но и в целом за всю историю исследований.

Прорыв случился благодаря работе восьми телескопов проекта Event Horizon Telescope ( EHT) или « Горизонт событий», которые последние несколько лет исследовали ближайшие к Земле черные дыры.

Ученые анализировали данные о наблюдениях за сверхмассивными черными дырами в галактике M87 и Стрелец А* в галактике Млечный путь, которые расположены на расстоянии примерно в 55 млн и 26 тыс. световых лет от Земли соответственно.

После расшифровки около 500 терабайт данных в начале апреля 2019-го руководители проекта EHT впервые показали фотографию отражения горизонта событий черной дыры в центре галактики Messier 87 в созвездии Девы. Горизонт событий — это условная линия за внешними границами черной дыры, после которой любой свет, попадающий туда, навсегда исчезает из нашего поля зрения.

«Сфотографировать тень, которую отбрасывает горизонт событий черной дыры — это все равно, что сфотографировать DVD-диск на поверхности Луны из Земли» — говорил астрофизик из Университета Аризоны Димитриос Псалтис. Отражение горизонта событий демонстрирует искривленный свет и всю окружающую среду, которую поглощает черная дыра, в прямом смысле изменяя известные человеку законы физики.

Несмотря на получение изображения горизонта событий, сегодня существуют только гипотезы о природе формирования и характеристиках черных дыр, поскольку приблизиться к ним практически невозможно. «Для меня большой вопрос, сможем ли мы когда-нибудь преодолеть эту границу. Возможно, нет. Это расстраивает, но мы должны принять это», — заявил председатель научного совета проекта EHT Хейно Фальке.

«Невозможный» двигатель возможен

Ровно 20 лет ученые со всего мира пытаются доказать, что двигатель EmDrive, проект которого предложил британский инженер Роджер Шойер в 1999 году, является невозможным, поскольку он противоречит фундаментальным законам физики.

Шойер предложил свою силовую установку как один из вариантов « вечного» двигателя для гипотетических межзвездных путешествий. В качестве движущей силы в EmDrive используется магнетрон, который генерирует микроволны, и, по заявлениям автора, накапливает энергию колебаний в резонаторе, создавая тягу.

Идея о том, что электромагнитные волны производят разное давление на стены двигателя и могут постоянно создавать тягу, противоречит закону Ньютона о сохранении импульса. Но, на практике, никому не удалось это опровергнуть, поскольку разные проекты EmDrive доказывали, что двигатель все же создает незначительную тягу в несколько микроньютонов. Этот эффект списывали на воздействия внешних сил, погрешности и плохое экранирование корпуса двигателя.

Летом этого года представители Немецкого Технического Университета Дрездена провели свой эксперимент, чтобы точно установить, работает ли двигатель EmDrive. Команда физиков под руководством Мартина Таймара разработала проект SpaceDrive, — «чрезвычайно чувствительный и невосприимчивый к вмешательству инструмент, который раз и навсегда положит конец дискуссии о EmDrive».

Авторы исследования создали точную копию двигателя EmDrive, с которым ученые NASA Пол Марч и Гарольд Уайт достигли незначительной тяги пару лет назад. Конструкция двигателя — это медный конус с обрезанным верхом, который помещен в вакуумную камеру. Источник микроволнового сигнала находится за пределами камеры и передается с помощью кабелей на антенны внутри конуса.

Чтобы засечь реальную тягу без каких-либо погрешностей, физики использовали маятниковые весы, которые измеряют силу крутящего момента, приложенного к оси маятника, а также лазерный интерферометр, который нивелирует физическое смещение маятниковых весов. Команда Таймара назвала свое устройство « самым чувствительным балансом тяги из когда-либо существовавших в мире».

Несмотря на создание специального экрана, который блокирует EmDrive от любых помех, включая действие магнитных полюсов Земли, сейсмические колебания планеты и тепловое расширение из-за нагрева от микроволн, ученые все же зафиксировали тягу в 3,4 микроньютона, что подтверждает дееспособность « невозможного» двигателя.

Теперь физики сетуют на нагревание меди, которое могло вызвать расширение конструкции и смещение центра тяжести двигателя, что, в теории, приводит к появлению тяги из-за внешнего воздействия. Как бы там ни было, Мартин Таймар собирается доказать, что сам EmDrive не может создавать тягу, и его команда уже разрабатывает два других измерительных прибора, которые должны исключить любое внешнее воздействие, включая термальную погрешность.

Квантовое превосходство Google

Как только квантовые компьютеры смогут производить вычисления, которые не под силу обычным компьютерам — человечество достигнет квантового превосходства. Это событие сулит нам настоящую революцию во всех сферах жизни, поскольку первый эффективный квантовый компьютер поможет создать буквально фантастические композитные материалы для новых видов транспорта, электронных устройств, не говоря уже о потенциальных изменениях в цифровых системах.

Пару месяцев назад в Google заявили, что их квантовый процессор Sycamore за три минуты и 20 секунд выполнил вычисления, которые классический суперкомпьютер будет производить около 10 тыс. лет.

Технически Sycamore создали из алюминия, индия ( очень мягкий металл) и кремния. Объединить эти материалы удалось благодаря эффекту Джозефсона — протекания сверхпроводящего тока через два сверхпроводника. Чтобы достичь квантового состояния кубитов — минимальных единиц информации в квантовом компьютере, — процессор охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю ( 20 милликельвинов), что примерно равняется минус 273 градусам Цельсия.

С помощью так называемых аттенюаторов — устройств, которые снижают интенсивность электромагнитных колебаний — и дополнительных фильтров, суперохлажденный Sycamore подключили к обычной электронике, которая работает при комнатной температуре. Считывать информацию из квантового компьютера можно было благодаря цифро-аналоговым преобразователям. Вся система поддерживала квантовое состояние кубитов и смогла доказать « случайность чисел, которые созданы генератором случайных чисел» за три с лишним минуты.

Но, на заявление о квантовом превосходстве сразу же отреагировали главные конкуренты Google на поле квантовых компьютеров — компания IBM. Представители корпорации объяснили, что произведенные вычисления квантовым процессором Google Sycamore имеют лишь технический характер, и их суперкомпьютер Summit сможет провести аналогичные вычисления всего за два с половиной дня.

«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Источник