# Главные прорывы физики: от аномальных мюонов до кристаллов времени

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=FMM7GWnAv0A
Канал: Quanta Magazine
Опубликовано: 22.12.2021

---

Журналисты научного издания Quanta Magazine представили подробный обзор трех крупнейших фундаментальных прорывов в физике, произошедших в 2021 году. В центре внимания оказались масштабные эксперименты с субатомными частицами во Фермилаб, создание принципиально новой фазы материи совместными усилиями ученых из Стэнфорда и Google, а также разгадка древней космической катастрофы в самом сердце нашей Галактики с помощью рентгеновского телескопа eROSITA. Эти открытия раздвигают границы известного и закладывают фундамент для физики будущего.

## 🔬 Аномалия мюона: новая физика или ошибка в расчетах?
[[JUMP:0:00]]

В течение трех лет исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) проводили эксперименты на 50-футовом ускорителе элементарных частиц, управляемом мощными сверхпроводящими магнитами. Ученые разгоняли высокоэнергетические частицы по круговому треку, стремясь подтвердить или опровергнуть крошечное расхождение между существующей теорией и результатами более ранних экспериментов. Объектом их пристального внимания стал мюон — фундаментальная частица, которая во многом похожа на электрон (имеет тот же электрический заряд и свойства спина), но превосходит его по массе примерно в 200 раз. В текущем году Фермилаб опубликовала результаты этих наблюдений, несущие серьезные последствия для современной науки.

Суть физического механизма заключается в следующем:

* **Повышенная энергия:** Из-за того, что мюон существенно тяжелее электрона, он обладает большей энергией, что позволяет ему на мгновение испускать и снова поглощать скрытые виртуальные частицы. Это создает уникальное «окно» в субатомную вселенную, где могут скрываться еще неизвестные науке объекты.
* **Собственное поле:** Каждый мюон за счет своего спина генерирует небольшое внутреннее магнитное поле. При помещении частицы во внешнее магнитное поле в лабораторных условиях частота ее колебаний (прецессии) незначительно меняется.
* **Значение G-фактора:** Сила этого взаимодействия определяется величиной, называемой g-фактором. Измеряя его с высочайшей точностью, физики получают возможность заглянуть в квантовомеханический мир, где на долю секунды материализуются другие частицы.

Стандартная модель, служащая лучшим описанием 17 известных элементарных частиц и их взаимодействий последние 50 лет, строго предсказывает величину g-фактора[1:46]. Однако еще 20 лет назад в Брукхейвенской национальной лаборатории ученые зафиксировали статистическое отклонение экспериментальных данных от теории, составившее 3,7 сигма. Ведущий канала Quanta Magazine приводит наглядную аналогию: такое отклонение сравнимо с тем, как если бы вы подбросили монету 100 раз и получили орла 67 или 68 раз — результат, заставляющий заподозрить, что с монетой что-то не так.

Целью нового эксперимента Muon g-2 во Фермилаб как раз и была проверка брукхейвенских результатов на установке, способной генерировать в 20 раз больше мюонов. Опубликованные данные показали еще более значительный разрыв с предсказаниями Стандартной модели, вплотную приблизившись к значению 5 сигма. По словам автора видео, этот порог считается официальным критерием научного открытия: чтобы получить столь аномальный результат случайно, потребовалось бы повторить оба эксперимента более 40 000 раз.

Подобная аномалия крайне важна для научного сообщества и сводится к двум ключевым сценариям:

* В природе существует гипотетическая 18-я элементарная частица, которую физики пока не смогли обнаружить напрямую.
* В существующих представлениях о 17 известных частицах и силах их взаимодействия кроется фундаментальная ошибка.

Открытие частиц за рамками Стандартной модели помогло бы объяснить давние космические загадки, такие как темная материя — субстанция, существование которой доказано косвенно, но которая до сих пор не зафиксирована датчиками напрямую. Впрочем, радоваться окончательной победе «новой физики» пока рано. Практически сразу после релиза Фермилаб исследовательская группа под названием BMW опубликовала передовые суперкомпьютерные расчеты, нацеленные на коррекцию доминирующего источника теоретической погрешности. Их результаты неожиданно привели предсказания Стандартной модели в полное соответствие с экспериментальными измерениями g-2. По оценкам экспертов, это уточнение само по себе является важнейшим открытием, способным повлиять на множество сопутствующих квантовых расчетов.

## ⏳ Кристаллы времени: «вечный двигатель» в квантовом компьютере
[[JUMP:4:02]]

Создание вечного двигателя — одна из самых давних и стойких иллюзий изобретателей, захватывавшая человеческое воображение со времен Средневековья. На пути этих стремлений всегда стоял фундаментальный второй закон термодинамики, утверждающий, что в изолированной системе энтропия (или хаос) неизбежно возрастает, делая получение энергии «из ниоткуда» невозможным. Тем не менее, исследователи из Стэнфордского университета совместно со специалистами компании Google совершили прорыв, воссоздав некое подобие вечного движения внутри квантового компьютера.

Речь идет о так называемом кристалле времени — квантовом объекте, который способен бесконечно циклически переходить из одного состояния в другое без какого-либо потребления энергии. Кристаллы времени представляют собой принципиально новую фазу материи — первую в истории физики, нарушающую закон временной трансляционной симметрии.

Как объясняет исследовательница Камани, организация фаз материи в физике традиционно опирается на понятия симметрии и ее спонтанного нарушения. Одними из базовых законов природы считаются симметрии трансляции в пространстве и времени: физические законы должны работать одинаково независимо от того, где именно ставится эксперимент и в какой день — сегодня, завтра или вчера. Однако между пространством и временем есть фундаментальная разница: человек может свободно перемещаться взад и вперед в пространстве, но лишен возможности двигаться назад во времени.

Различие между структурами выглядит следующим образом:

* **Обычный кристалл (например, лед):** Миллионы его атомов периодически упорядочены в пространстве. Данная система находится в состоянии термодинамического равновесия, поэтому ее макроскопические свойства стабильны и не меняются со временем.
* **Кристалл времени:** Его структура упорядочена периодически не только в пространстве, но и во времени. Будучи одновременно стабильными и постоянно трансформирующимися, такие кристаллы нарушают симметрию трансляции времени.

На протяжении целого десятилетия физики безуспешно пытались согласовать эту концепцию с законами термодинамики. По мнению Камани, неудачи были связаны с тем, что ученые подходили к проблеме не с того ракурса, поскольку все традиционное понимание физики многих тел базировалось на законах равновесной термодинамики. Ее команда сосредоточилась на совершенно ином направлении — изучении фаз квантовой материи вне термодинамического равновесия. Это особый класс систем, которые навсегда остаются «запертыми» в том состоянии, в котором они изначально стартовали.

В ходе работы исследователи описали фазу, названную ими «pi spin glass» (пи-спиновое стекло), которая обладала уникальным пространственно-временным порядком. Самое примечательное, что само открытие произошло во многом случайно. Авторы статьи детально изложили свойства новой фазы в своей публикации, но изначально даже не связали ее с кристаллами времени. На эту связь указал один из рецензентов научной работы во время проверки статьи. Камани признает: если бы они изначально ставили перед собой цель найти именно кристалл времени, они бы неминуемо натолкнулись на массу теоретических возражений, которые тормозили другие научные группы. В итоге Камани объединила усилия с Google, чтобы успешно смоделировать и создать полноценный кристалл времени на базе одного из квантовых процессоров технологического гиганта. По ее словам, наука перешла от пассивного вопроса о том, что уже существует в природе, к активному исследованию того, что в принципе дозволено законами квантовой механики.

## 🌌 Гигантские пузыри Млечного Пути: открытие рентгеновского телескопа eROSITA
[[JUMP:7:51]]

В 1960-х годах астрономы обнаружили загадочную гигантскую дугу, возвышающуюся над плоскостью Млечного Пути, которую назвали Северным полярным отрогом (North Polar Spur), посчитав ее остатками старых звезд в наших локальных галактических окрестностях. Однако японский астроном Йосиаки Софуэ выдвинул альтернативную гипотезу: он предположил, что эта дуга — лишь малая видимая часть колоссальной скрытой структуры, представляющей собой пару симметричных пузырей в самом сердце Галактики. На протяжении десятилетий его идея отвергалась академическим сообществом как маргинальная, и ученые написали множество теоретических работ, объясняющих, почему подобной южной структуры не может существовать в природе.

Ситуация в корне изменилась благодаря Петеру Пределю, который посвятил 25 лет разработке орбитального рентгеновского телескопа eROSITA, запущенного в космос в 2019 году. Проведя первое масштабное рентгеновское сканирование неба, телескоп зафиксировал поразительную картину — полноценный южный аналог ранее известного северного пузыря. По словам Пределя, японские исследователи оказались абсолютно правы в своих прогнозах: эта структура напрямую связана с галактическим центром.

Анатомия и происхождение космического объекта:

* **Форма и структура:** Наша Галактика похожа на плоский блин, в центре которого две гигантские сферы соприкасаются друг с другом. Изнутри эти пузыри заполнены раскаленным газом.
* **Масштабы:** Диаметр обнаруженных пузырей составляет внушительные 50 000 световых лет, и эта структура продолжает расширяться.
* **Хронология катаклизма:** Скорость расширения газа позволяет математически рассчитать время его происхождения — глобальный выброс энергии случился примерно 15–20 миллионов лет назад.

Виновником этой древней галактической катастрофы ученые называют Стрелец А* — сверхмассивную черную дыру в центре Млечного Пути. В современную эпоху она ведет себя относительно тихо и спокойно, однако миллионы лет назад она, по всей видимости, поглотила гигантское облако горячего газа. Этот процесс сопровождался мощнейшим выбросом энергии в обоих направлениях (перпендикулярно галактическому диску) с силой, эквивалентной одновременному взрыву 100 000 сверхновых звезд. Использование телескопа eROSITA и других передовых космических обсерваторий позволит астрономам продолжить раскрывать самые интригующие тайны устройства Вселенной и нашей родной Галактики.