Физика на грани возможного: главные прорывы 2023 года 0:12
Минувший год стал временем фундаментальных открытий, перевернувших наши представления о космосе, квантовой реальности и истории возникновения Вселенной. Журнал Quanta Magazine подвел итоги важнейших научных достижений, которые ставят под сомнение устоявшиеся космологические модели и открывают двери в новые области физики.
🌌 «Гул» Вселенной: открытие гравитационных волн 0:12
Более 100 лет назад Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн — искажений ткани пространства-времени, возникающих при движении массивных объектов. Однако сам ученый считал, что зафиксировать их практически невозможно из-за их невероятной малости. Прорыв произошел лишь в 2015 году, когда обсерватория LIGO впервые зарегистрировала эти сигналы, открыв новую эру в астрономии.
Для изучения наиболее массивных объектов во Вселенной ученым потребовалось заглянуть в диапазон гораздо более низких частот. В течение 15 лет международная коллаборация NANOGrav использовала метод «массивов тайминга пульсаров».
- Что такое пульсары: Это быстро вращающиеся нейтронные звезды, остатки массивных звезд, коллапсировавших в конце своего жизненного цикла. Они излучают радиолучи, подобные свету маяка, что позволяет ученым с высокой точностью измерять время прихода импульсов.
- Детектор размером с галактику: Ученые превратили окрестности Млечного Пути и расположенные в них миллисекундные пульсары в гигантский детектор гравитационных волн. Проходящие волны едва заметно искажают время прихода сигналов от этих пульсаров.
В июне 2023 года NANOGrav опубликовала данные 15-летних наблюдений, представив «дымящийся пистолет» — убедительные доказательства существования низкочастотного фонового «гула» гравитационных волн, пронизывающего всю Вселенную. Физики называют характерный паттерн корреляции между сигналами разных пульсаров «кривой Хеллингса-Даунса» — это настоящий «отпечаток» того, как волны деформируют ткань пространства.
Хотя наиболее вероятным объяснением этого фона являются столкновения сверхмассивных черных дыр, ученые не исключают и более экзотические варианты, выходящие за рамки Стандартной модели физики, такие как космические струны или новые типы темной материи.
⚡ Квантовая телепортация энергии 4:24
В 2008 году японский физик Масахиро Хотта опубликовал протокол, который, на первый взгляд, нарушал законы термодинамики. Согласно протоколу, можно было «телепортировать» энергию в квантовом вакууме. Многие исследователи отнеслись к этому скептически, однако 15 лет спустя независимые эксперименты подтвердили корректность теории Хотты.
Суть открытия заключается в необычных свойствах квантового вакуума:
- В квантовой теории поля частицы не являются «шариками», а представляют собой возбуждения полей, существующих везде.
- Вакуум не является пустотой; он полон движения и обладает так называемой «энергией нулевой точки».
- Квантовые поля в разных точках пространства могут быть запутаны.
Масахиро Хотта предложил способ извлечения этой связи: вместо попытки извлечь энергию напрямую, ученые проводят измерение квантового поля в одной точке. Информация, полученная в ходе измерения, отправляется классическим способом в другую точку пространства. На принимающей стороне, благодаря запутанности, наблюдатель может «увидеть» и использовать энергию вакуума, несмотря на то, что физически сама энергия через пространство не передавалась.
Команда Мартина Мартинеса успешно реализовала этот протокол в лаборатории ядерного магнитного резонанса, телепортировав информацию между двумя атомами углерода. Эксперимент занял всего 37 миллисекунд, что было бы невозможно, если бы энергия перемещалась обычным путем. Это открытие не только доказывает возможность телепортации энергии, но и открывает перспективы для новых квантовых технологий.
🔭 Космический парадокс James Webb 8:52
Запущенный два года назад телескоп James Webb (JWST) стал инструментом, который заставляет астрономов пересматривать фундаментальные основы космологии. Данные, которые он присылает, называют «меняющими парадигму», поскольку они противоречат всем предыдущим прогнозам.
Главная неожиданность заключается в обнаружении чрезвычайно массивных и ярких галактик в очень ранней Вселенной.
- «Красные точки»: Телескоп обнаружил объекты, которые были абсолютно невидимы для предшественника, Hubble. Это сверхмассивные галактики, существовавшие спустя всего несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
- Слишком быстрый рост: Согласно текущим космологическим моделям, галактики ограничены в скорости роста процессами формирования звезд из газа в гало темной материи. Однако найденные JWST галактики размером с наш Млечный Путь, появившиеся так рано, ставят под сомнение все сроки, заложенные в современных теориях.
Кроме того, ученые обнаружили избыточное количество сверхмассивных черных дыр, которые также появились гораздо раньше и в большем количестве, чем предполагалось ранее. Исследователи предполагают, что эти черные дыры могли быть своего рода «семенами», вокруг которых впоследствии сформировались целые галактики. В ближайшие годы астрономы планируют собрать статистику по тысячам подобных объектов, чтобы понять, как на самом деле проходила эволюция космоса, и ответить на вопрос о нашем происхождении.
