Далия Трускиновская – Млечный Путь № 3 2021 (страница 53)

Исследователи в Университете Колорадо в Боулдере создали квантовый кристалл, уловив 150 заряженных частиц или ионов бериллия с помощью системы электродов и магнитных полей, которые помогли преодолеть их естественное отталкивание друг от друга.

Когда Рей и ее коллеги захватили ионы своей системой полей и электродов, атомы самоорганизовались в плоский лист, вдвое толще человеческого волоса. Этот организованный коллектив напоминал кристалл, вибрирующий при воздействии какой-либо внешней силы.

"Когда вы возбуждаете атомы, они не двигаются по отдельности, - сказала Рей. - Они движутся как единое целое". Когда этот "кристалл" бериллия сталкивался с электромагнитным полем, он двигается в ответ, и это движение можно преобразовать в измерение напряженности поля.

Но измерения любой квантово-механической системы подчиняются ограничениям, установленным принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что определенные свойства частицы, такие, как ее положение и импульс, не могут быть известны одновременно с высокой точностью. Команда придумала способ обойти этот принцип с помощью запутанности, когда атрибуты квантовых частиц неразрывно связаны друг с другом.

"Используя запутанность, мы можем почувствовать вещи, которые иначе были бы невозможны", - сказала Рей. В этом случае она и ее коллеги запутали движения ионов бериллия с их спинами. Квантовые системы напоминают крошечные вершины, а вращение описывает направление, скажем, вверх или вниз, куда указывают эти вершины. Когда кристалл вибрирует, он перемещается на определенное расстояние. Но из-за принципа неопределенности любое измерение этого смещения или количества перемещенных ионов будет зависеть от пределов точности и содержать много того, что известно как квантовый шум. Чтобы измерить смещение, нужно смещение больше, чем квантовый шум. Запутанность между движениями ионов и их спинами уменьшает шум, позволяя исследователям измерять сверхмалые флуктуации в кристалле.

Ученые протестировали систему, послав через нее слабую электромагнитную волну и увидев ее вибрацию. Работа описана в журнале Science. Кристалл уже в 10 раз более чувствителен при обнаружении сверхмалых электромагнитных сигналов, чем предыдущие квантовые датчики. Но команда считает, что с большим количеством ионов бериллия они могли бы создать еще более чувствительный детектор, способный искать аксионы.

Аксионы - это сверхлегкие частицы темного вещества с массой в миллион или миллиард раз меньше массы электрона. Некоторые модели аксиона предполагают, что он может иногда превращаться в фотон, и в этом случае он перестанет быть темным и будет производить слабое электромагнитное поле. Если бы какие-либо аксионы пролетели через лабораторию, содержащую этот кристалл бериллия, кристалл мог бы уловить их присутствие.

"Я думаю, это прекрасный результат и впечатляющий эксперимент", - сказал Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, который не принимал участия в исследовании. Карни считает, что, помимо помощи в поисках темного вещества, эта работа может найти множество применений, таких как поиск паразитных электромагнитных полей от проводов в лаборатории или поиск дефектов в материале.

Можем ли мы остановить время?

Адам Манн

Рис.

Неумолимое движение времени может быть источником беспокойства. Кто не желал хотя бы изредка "остановить" счастливое мгновение или не дать исчезнуть любимому человеку. Время от времени в научно-фантастической книге, фильме или телешоу персонажи могут делать то, что мы все хотим: останавливать время. Но возможно ли такое?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо погрузиться в самые глубокие области физики, философии и человеческого восприятия. Во-первых, мы должны дать определение времеми. "Для физика это не так уж и загадочно, - сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. - Время - просто ярлык для разных частей Вселенной. Оно сообщаетт нам, когда что-то происходит".

Кэрролл добавил, что во многих физических уравнениях мало различий между прошлым, настоящим и будущим. Согласно теории Эйнштейна, время измеряется часами. Поскольку части часов должны двигаться в пространстве, время запутывается с пространством в более крупную концепцию, известную как пространство-время, которая лежит в основе Вселенной.

Теория относительности показала, что время может сильно колебаться в зависимости от того, насколько быстро один наблюдатель движется относительно другого. Если вы отправите человека с часами на космический корабль со скоростью, близкой к скорости света, время будет течь для него медленнее, чем для неподвижного друга, оставшегося на Земле. А космонавт, падающий в черную дыру, огромная гравитация которой может исказить время, может казаться замедляющимся по сравнению с удаленным наблюдателем.

Но на самом деле это не способ остановить время. Двое часов могут не совпадать в теории относительности, но каждые часы по-прежнему будут фиксировать обычный ход времени в своей системе отсчета.

"Если бы вы приближались к черной дыре, вы бы ничего не заметили, - сказал Кэрролл. - Вы бы посмотрели на свои наручные часы, и они показывали бы одну секунду в секунду".

Для него бессмысленно говорить об остановке времени.

"Мы знаем, что машина движется, потому что в разные моменты времени она находится в разных местах пространства. Движение - это изменение относительно времени, поэтому само время не может двигаться".

Другими словами, если бы время остановилось, остановилось бы и все движение. Хотя научная фантастика иногда дает нам главных героев, которые могут приостановить время для всех остальных, такие ситуации вызывают множество вопросов.

Кэрролл добавил, что персонаж, останавливающий время, вероятно, не сможет ничего увидеть, потому что световые лучи больше не будут достигать глазных яблок. На самом деле нет никакого последовательного сценария, при котором время останавливается.

Вот и все о физике. Но время - это больше, чем просто чтение по часам. Это также чувство, которое есть у нас в голове и теле, а также естественные ритмы мира. Однако в таких случаях время может стать зависящим от личных прихотей.

"Интересно размышлять о субъективном времени", - сказал Крейг Каллендер, философ, специализирующийся на времени в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Он описал хорошо известную психологическую иллюзию, известную как "хроностаз", при которой человек помещает часы на край поля зрения, а затем на мгновение смотрит на что-то еще. Если взглянуть на часы и сфокусироваться на секундной стрелке, они остановятся. (Это может быть необычным способом развлечься во время пятого урока математики в старшей школе.) "Секундная стрелка определенно висит здесь неподвижно, - сказал Каллендер. - Вы можете сделать так, чтобы время застыло".

Иллюзия связана с крошечными движениями глаз, называемыми саккадами, при которых ваши глазные яблоки быстро бегают вперед и назад, чтобы постоянно воспринимать окружающее. По словам Каллендера, чтобы предотвратить появление хаотичного размытия, ваш мозг фактически редактирует то, что видит в реальном времени, и создает впечатление непрерывного поля зрения.

Тогда возникает вопрос: какова взаимосвязь между нашим восприятием времени и временем, о котором говорят физики? Каллендер написал ряд книг, в которых пытается исследовать связь между разными временами, и пока нет единого мнения по поводу окончательного ответа. Что касается окончательного течения времени, Каллендер предпочитает картину, "где ничего не течет, но течет ваша история".

А что он думает относительно возможности остановки времени?

"Если мы подумаем о нашем субъективном ощущении времени, то мы можем остановить его части с помощью хроностаза, - сказал Каллендер. - Но это, наверное, самое большее, что мы можем сделать".

Какая самая маленькая частица во Вселенной?

(А как насчет самой большой?)

Джоанна Вендель

Рис.

Вселенная огромна, но состоит из маленьких частиц. Таблица Менделеева включает такие элементы, как кислород, углерод и другие строительные блоки, из которых состоят звезды, кошки или чашки кофе. Но с начала ХХ века ученые находили все меньшие и меньшие фундаментальные частицы - те, которые мельче атомов, заполняющие Вселенную.

Итак, какая из элементарных частиц самая маленькая? И, наоборот, какая самая большая? Дон Линкольн, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Ферми, - один из ученых, пытающихся ответить на этот вопрос. В Фермилабе ученые используют ускоритель частиц, чтобы разбивать отдельные частицы и смотреть на выходящие обломки - или возможные новые фундаментальные частицы. Линкольн сказал, что есть два способа измерить размер частиц: исследовать их массу и измерить их физический размер, например, вычислить диаметр шара.

С точки зрения массы, на эти вопросы относительно просто ответить. Самая мелкая из известных нам частиц ненулевой массы - это нейтрино. Однако Линкольн указал, что у нас нет точного измерения массы нейтрино, потому что инструменты, используемые для вычисления массы элементарных частиц, недостаточно чувствительны.

"Нейтрино - это своего рода призрак субатомного мира", - сказал Линкольн. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом и является второй по численности частицей после фотонов (которые ведут себя больше как волны, чем настоящие частицы). Фактически, в эту самую секунду через вас проходят триллионы нейтрино.