Найважливіші відкриття
2019 року
з фізики та астрофізики
Від фотографії горизонту подій чорної діри до перевірки теорії про неможливий двигун EmDrive, від створення квантових комп'ютерів - до вирішення дилеми кота Шредінгера. Це все про найважливіше з галузі науки у 2019 році. Проте найшвидше розвивається астрофізика, що і підтверджують дані повідомлення... І Нобелівську премію 2019 отримали астрофізики.
1. Світлини чорної діри
Насправді побачити чорну
діру неможливо, оскільки ці надважкі об'єкти є буквально невидимими і
поглинають будь-які види електромагнітного випромінювання. Тому вчені отримали
зображення тільки її обрисів — так званого обрію - горизонту подій. Втім,
це одне з найгучніших наукових відкриттів не тільки в 2019-му, але й узагалі за
всю історію досліджень.
Прорив стався завдяки
роботі восьми телескопів проекту Event Horizon
Telescope (EHT) або «Горизонт подій», які останні кілька
років досліджували найближчі до Землі чорні діри.
Вчені аналізували дані про
спостереження за надмасивними чорними дірами в галактиці M87 і Стрілець А* у
галактиці Чумацький шлях, що розташовані на відстані приблизно 55 млн і 26 тис.
світлових років від Землі відповідно.
Після розшифрування
приблизно 500 терабайтів даних на початку квітня 2019-го керівники проекту EHT
вперше показали фотографію
відображення горизонту подій чорної діри в центрі галактики Messier 87 у
сузір'ї Діви. Горизонт подій — це умовна лінія за зовнішніми кордонами
чорної діри, після якої будь-яке світло, що потрапляє туди, назавжди зникає з
нашого поля зору.
«Сфотографувати тінь, яку
відкидає горизонт подій чорної діри — це все одно, що сфотографувати
DVD-диск на поверхні Місяця з Землі» — казав астрофізик з Університету
Арізони Дімітріос Псалтіс. Відображення горизонту подій демонструє викривлене
світло і все навколишнє середовище, яке поглинає чорна діра, у прямому сенсі
змінюючи відомі людині закони фізики.
Незважаючи на отримання
зображення горизонту подій, сьогодні існують тільки гіпотези про природу
формування і характеристики чорних дір, оскільки наблизитися до них практично неможливо.
«Для мене велике питання, чи зможемо ми коли-небудь подолати цю межу. Можливо,
ні. Це засмучує, але ми маємо прийняти це», — заявив голова наукової ради
проекту EHT Хейно Фальке.
2. «Неможливий» двигун
можливий
Рівно 20 років вчені з
усього світу намагаються довести, що двигун EmDrive, проект якого запропонував
британський інженер Роджер Шоєр у 1999 році, є неможливим, оскільки він
суперечить фундаментальним законам фізики.
Шоєр запропонував свою
силову установку як один з варіантів «вічного» двигуна для
гіпотетичних міжзоряних подорожей. Як рушійну силу в EmDrive використовують
магнетрон, який генерує мікрохвилі, і, за заявами автора, накопичує енергію
коливань у резонаторі, створюючи тягу.
Ідея про те, що
електромагнітні хвилі чинять різний тиск на стіни двигуна і можуть постійно
створювати тягу, суперечить закону Ньютона про збереження імпульсу. Але, на
практиці, нікому не вдалося це спростувати, оскільки різні проекти EmDrive
доводили, що двигун все-таки створює незначну тягу в кілька мікроньютонів. Цей
ефект списували на вплив зовнішніх сил, похибки і погане екранування корпусу
двигуна.
Влітку цьогоріч
представники Німецького Технічного Університету Дрездена провели свій
експеримент, щоб точно встановити, чи працює двигун EmDrive. Команда фізиків
під керівництвом Мартіна Таймара розробила проект SpaceDrive,
— «надзвичайно чутливий і несприйнятливий до втручання інструмент, який
раз і назавжди покладе край дискусії про EmDrive».
Автори дослідження
створили точну копію двигуна EmDrive, з яким вчені NASA Пол Марч і Гарольд Уайт
досягли незначної тяги кілька років тому. Конструкція двигуна — це мідний
конус з обрізаним верхом, який поміщений у вакуумну камеру. Джерело
мікрохвильового сигналу перебуває за межами камери і передається за допомогою
кабелів на антени всередині конуса.
Щоб засікти реальну тягу
без будь-яких похибок, фізики використовували маятникові ваги, які вимірюють
силу крутного моменту, прикладеного до осі маятника, а також лазерний
інтерферометр, який нівелює фізичне усунення маятникових ваг. Команда Таймара
назвала свій пристрій «найчутливішим балансом тяги, який коли-небудь
існував у світі».
Незважаючи на створення
спеціального екрану, який блокує EmDrive від будь-яких перешкод, зокрема дію
магнітних полюсів Землі, сейсмічні коливання планети і теплове розширення через
нагрівання від мікрохвиль, вчені все-таки зафіксували тягу в 3,4 мікроньютони,
що підтверджує дієздатність «неможливого» двигуна.
Тепер фізики нарікають на
нагрівання міді, яке могло викликати розширення конструкції і зміщення центру
ваги двигуна, що, в теорії, призводить до появи тяги через зовнішній вплив. Хоч
би там як було, Мартін Таймар збирається довести, що сам EmDrive не може
створювати тягу, і його команда вже розробляє два інші вимірювальні прилади,
які мають виключити будь-який зовнішній вплив, зокрема термальну похибку.
3. Про квантові комп'ютери
Як тільки квантові
комп'ютери зможуть виробляти обчислення, які не до снаги звичайним комп'ютерам
— людство досягне квантової переваги. Ця подія обіцяє нам справжню
революцію в усіх сферах життя, оскільки перший ефективний квантовий комп'ютер
допоможе створити буквально фантастичні композитні матеріали для нових видів
транспорту, електронних пристроїв, не кажучи вже про потенційні зміни в
цифрових системах.
Кілька місяців тому в
Google заявили,
що їхній квантовий процесор Sycamore за три хвилини і 20 секунд виконав
обчислення, які класичний суперкомп'ютер вироблятиме приблизно 10 тис. років.
Технічно Sycamore створили
з алюмінію, індію (дуже м'який метал) і кремнію. Об'єднати ці
матеріали вдалося завдяки ефекту Джозефсона — протікання надпровідного
струму через два надпровідники. Щоб досягти квантового стану кубітів
— мінімальних одиниць інформації в квантовому комп'ютері, — процесор
охолодили до температури, близької до абсолютного
нуля (20 міллікельвінів), що приблизно дорівнює мінус 273 градусів по
шкалі Цельсія.
За допомогою так званих
аттенюаторів — пристроїв, які знижують інтенсивність електромагнітних
коливань — і додаткових фільтрів, суперохолоджений Sycamore підключили до
звичайної електроніки, яка працює за кімнатної температури. Зчитувати інформацію
з квантового комп'ютера можна було завдяки цифро-аналоговим перетворювачам. Вся
система підтримувала квантовий стан кубітів і змогла
довести «випадковість чисел, які створені генератором випадкових
чисел» за три з гаком хвилини.
Але, на заяву про квантову
перевагу відразу ж відреагували головні конкуренти Google на полі квантових
комп'ютерів — компанія IBM. Представники корпорації пояснили, що проведені
обчислення квантовим процесором Google Sycamore мають лише технічний характер,
і їхній суперкомп'ютер Summit зможе провести аналогічні обчислення всього за
два з половиною дні.
«Квантові комп'ютери не
можуть "перевершувати" класичні тільки на базі одного лабораторного
експерименту, який був потрібен, щоб реалізувати одну дуже специфічну процедуру
квантової вибірки поза практичним застосуванням. Насправді, квантові комп'ютери
ніколи не "пануватимуть" над класичними комп'ютерами, а покликані
працювати в тандемі з ними, оскільки у кожного типу комп'ютерів є свої
унікальні переваги», — прокоментував для НВ директор IBM Research
Даріо Гіл.
4. Доля кота Шредінгера
 |
| Живий чи мертвий? |
Одним з найзагадковіших
явищ квантової механіки є квантова суперпозиція — перебування елементарних
частинок у кількох станах одночасно до моменту їх вимірювання спостерігачем.
У першій половині минулого
століття один із засновників квантової механіки Ервін Шредінгер запропонував
уявний експеримент, який пояснює квантову суперпозицію: умовний кіт у коробці з
кислотою є і живим і мертвим одночасно доти, доки ми не відкриємо цю коробку і
не визначимо його стан. Восени 2019-го вчені з Японії та Індії придумали,
як зазирнути в
коробку з котом, не вбиваючи його.
Фізики запропонували
розв'язання проблеми кота Шредінгера завдяки зміні методів аналізу даних про
стан елементарних частинок, а не завдяки їх вимірюванню, як це робили раніше.
За допомогою математичних обчислень вчені змоделювали умовну ситуацію: закриту
коробку з котом Шредінгера потрібно сфотографувати за допомогою камери, яка
встановлена зовні коробки, і водночас може зафіксувати крізь коробку самого
кота.
Після створення такого
фото в камері зберігатиметься два типи інформації: перший про те, як змінився
стан суперпозиції кота (вчені називають це квантовою міткою) і другий
про те, є кіт живим чи мертвим. Уявний експеримент полягає в тому, що таке фото
опиняється в заплутаному стані разом з квантовою системою, і те, як ми
отримаємо інформацію з нього — безпосередньо вплине на долю кота.
У такому випадку
можна «проявити» фото в темній кімнаті і визначити, живий він чи
мертвий, або ж відновити на розмитому фото квантову мітку за допомогою
комп'ютера і повернути кота у стан невизначеності між життям і смертю.
Автори експерименту взяли
за основу своєї математичної моделі здатність фотонів входити в заплутаний стан
разом з квантовою системою. Замість того, щоб визначити стан
частинки (кота) за допомогою її вимірювання, тобто прямого
впливу світла (фотонів) на неї, вони використовували умовну камеру,
яка фотографує кота крізь коробку.
Зафіксовані фотони на
зображенні виявляються заплутаними з квантовою системою, що зберігає обидва
типи інформації — про те, як змінилася суперпозиція і про реальний стан
кота. Зчитуючи дані з цього зображення тим чи іншим чином ми, в теорії, можемо
оживити/вбити кота або відновити його суперпозицію.
5. Таємниці темної матерії
Дотепер вченим невідомо,
чому швидкість обертання зовнішніх об'єктів у космосі постійно збільшується,
незважаючи на те, що відстань між ними зростає. Кілька десятків років тому
фізики списали це протиріччя в загальній теорії відносності Ейнштейна на темну
матерію — гіпотетичну речовину, яка нібито формує приблизно чверть
прихованої маси Всесвіту і відповідає за високу швидкість обертання віддалених
об'єктів.
Темна матерія не бере
участі в електромагнітній взаємодії і є практично невидимою для нас, тому
фізики шукають різні частки, які могли б з нею взаємодіяти. Цьогоріч група
вчених з німецького Інституту хімічної фізики твердих тіл суспільства Макса
Планка і кількох університетів США і Китаю опублікувала дослідження,
яке може значно наблизити нас до розгадки таємниці темної матерії.
Завдяки експериментам з
високими енергіями і конденсованим станом, вчені визначили, що електрони
вейлівського напівметалу поводяться так, ніби у них немає маси: вони не
взаємодіють один з одним і розділені на два типи, — ліві і праві. Ця хімічна
властивість називається хіральність, і вона дозволяє молекулам вейлівского
напівметалу не збігатися в просторі зі своїм дзеркальним відображенням.
Охолоджуючи їх до мінус 11
градусів Цельсія, вчені змусили незвичайні електрони взаємодіяти і конденсуватися
в кристалічні версії самих себе. Отримані частки цих кристалів проявляли ті ж
властивості, які має виявляти гіпотетична темна матерія — аксіон.
Виявилося, що кристали
хіральних електронів напівметалу складаються з квазічастинок — фононів,
які одночасно являють собою хвилі вібрацій. Внаслідок експерименту вчені
виявили такі фонони, які реагують на електричні та магнітні поля так само, як і
запропоновані 40 років тому аксіони.
Це означає, що автори
дослідження не тільки виявили, де можна шукати аксіони, але й, можливо,
відкрили довгоочікувану темну матерію, яка взаємодіє з видимою нам речовиною.
6. Простір не нескінченний
Прийнято вважати, що
Всесвіт нескінченний. Однак, це твердження має фізичний і математичний доказ:
згідно з чинними космологічними теоріями, весь простір навколо нас поступово
розширюється у всіх напрямках, і в ньому дотримується Евклідова
геометрія (паралельні прямі будь-якої довжини ніколи не перетнуться,
а сума кутів будь-якого трикутника дорівнюватиме 180 градусам).
Вчені також доводять
рівномірне розширення Всесвіту в усіх напрямках за допомогою визначення
щільності речовини в ній: концентрація всієї матерії й енергії, зокрема поки не
виявлені нами темні матерію/енергію, має врівноважувати енергії зовнішнього
розширення і внутрішнього гравітаційного тяжіння.
На початку 2000-х
дослідники визначили критичну щільність матерії у Всесвіті — 5,7 атомів
водню на квадратний метр. Цей показник підтверджує, що Всесвіт є відкритим,
пласким і нескінченним. У листопаді 2019-го вчені з Римського університету Ла
Сапієнца з Паризького інституту астрофізики заявили,
що реальна щільність матерії у Всесвіті може бути на 5% більшою, ніж чинний
показник критичної щільності.
Таким чином, в інфляційній
моделі Всесвіту має переважати гравітація, а весь простір навколо нас в якийсь
час мав закритися через його позитивну кривизну. Іншими словами, Всесвіт може
бути не нескінченним, а мати форму замкнутої сфери. Астрофізики впевнені, що
їхні розрахунки позитивної кривизни Всесвіту правильні «більш ніж на
99%».
Гіпотетично, таке
дослідження дозволяє нам навіть визначити розміри Всесвіту, і означає, що
подорожуючи з будь-якої точки в одному напрямку тривалий час, ми все одно
повернемося в самий початок. Така заява ставить під загрозу теорії про
розширення Всесвіту і вміст у ньому темних енергії та матерії.
«Припущення про плаский
Всесвіт може приховувати космологічну кризу, коли непорівнянні спостережувані
властивості Всесвіту здаються взаємно несумісними. Наступні дослідження
допоможуть з'ясувати, чи є спостережувані розбіжності наслідком непоміченої
систематики, нової фізики або просто статистичної похибки», — зазначено в
роботі астрофізиків.
7. Порожнечі не існує
Головною загадкою сучасної
фізики є пояснення процесів, які відбуваються з частинками на субатомному
рівні. НВ не раз писав про гіпотетичну теорію всього,
що могла б пояснити, чому в макро- і мікромасштабах діють різні закони фізики.
Але, на початку 2019-го
вчені з Швейцарської вищої технічної школи в Цюрихху додали в це рівняння ще
більше невідомих. Дослідники провели
експеримент, який не вдавалося здійснити фізикам у всьому світі
кілька десятків років: вперше в історії вони виміряли енергію в умовах
абсолютної порожнечі — вакуумі.
Так, виявляється, що
вакуум також може впливати на елементарні частинки, тому точність експериментів,
які проводять нібито в ідеальних умовах, можна поставити під сумнів. У цьому
випадку фізики використовували частки світла — фотони, — щоб
виміряти, як потенційна енергія у вакуумі може взаємодіяти з ними.
Дослідники пропустили два
лазерні імпульси завдовжки трильйонну частку секунди через суперохолоджений
оптичний кристал, і порожній простір між елементарними частинками у вакуумі
незначно впливав на світло. Пучки фотона запускали кілька разів у різних місцях
і в різний час, щоб переконатися, що на них дійсно щось впливає.
Вчені припустили, що такі
незначні спонтанні зміни в порожнечі зумовлені законом невизначеності
Гейзенберга. Цей закон передбачає деякі відхилення від правила збереження
енергії. Незважаючи на те, що виявлена енергія у вакуумі дуже слабка
— відкриття може довести, що деякі постійні, які використовують у сучасній
фізиці, є хибними.
«Вакуумні флуктуації
електромагнітного поля мають чітко видимі наслідки і, серед іншого, вони
призводять до того, що атом може мимовільно випромінювати світло»,
— пояснювала одна з авторів експерименту фізик Ілеана-Крістіна
Бенея-Хелмус.
8. Структура Всесвіту
Подібно до експериментів з
порожнечею у вакуумі, нещодавно астрофізики з Японії, Європи і США визначили,
з чого складається весь порожній простір у Всесвіті. Вчені підтвердили на
практиці існування галактичних ниток або філаментів, — найбільших
структур, які об'єднують різні галактики.
Фундаментальні
космологічні теорії свідчать, що філаменти почали формуватися одночасно з
розширенням Всесвіту одразу після Великого вибуху. Ці нитки складаються з
газоподібного водню, і, по суті, є поживними трубопроводами для всіх
спостережуваних нами галактик. Ба більше, на перетині філаментів з'являються
чорні діри, що робить галактичні нитки найбільшою відомою нам космічною
структурою, яка є джерелом життя для всього у Всесвіті.
У новому дослідженні вчені
підтвердили існування філаментів, які пов'язують галактики у кластері SSA22 в
сузір'ї Водолія. Виявлені величезні водневі структури простягаються в довжину
на відстань у три мільйони світлових років (більше одного
мегапарсека). Оскільки вони розташовані на відстані приблизно 12 млрд світлових
років від нас, це означає, що нитки були сформовані відразу ж після Великого
вибуху.
Відкриття стало можливим
завдяки спектрометру MUSE, який встановлено на телескопах VLT у Чилі.
Астрофізики вперше зафіксували галактичні нитки за допомогою ультрафіолетового
випромінювання, яке дозволяє побачити процес іонізації нейтрального
газоподібного водню. Цей ефект називають випромінювання Лайман-альфа, і саме
воно дало можливість уперше в історії побачити дуже тьмяні галактичні нитки.
«Спостереження найтьмяніших
і найбільших структур у Всесвіті є ключем до розуміння того, як Всесвіт
еволюціонував у часі, як галактики розвиваються і дозрівають, і як мінливе
середовище навколо галактик створило те, що ми бачимо зараз», — казала
астрофізик з університету Арізони Еріка Хамден.
Як пояснив провідний автор
дослідження Хідекі Умехата з Токійського університету, їхнє відкриття
підтверджує, що джерелом утворення надмасивних чорних дір, галактик і відомої
нам структури Всесвіту є газ, який піддається впливу гравітації в галактичних
філаментах.
За підрахунками вчених, не
менше 60% газу у Всесвіті має перебувати саме в таких філаментах. Тому
виявлення галактичних ниток також може стати відправною точкою для вирішення
проблеми нестачі матерії у Всесвіті.
Натхненник https://nv.ua/ukr
