Ядерные часы, новый тип магнетизма и другие важные события физики и астрономии

Наука и жизньНаука

Десять значимых событий 2024 года в физике и астрономии

Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

Система изначально находится в состоянии A, которое соответствует ложному вакууму, поскольку не обладает абсолютным минимумом энергии (энергетический профиль показан жирной линией). Туннелирование происходит к состоянию B, которое имеет пузырь в центре. Пересечение барьера может быть вызвано либо квантовыми, либо тепловыми флуктуациями. Затем пузырёк растёт, и система достигает состояния истинного вакуума C. Источник: Zenesini A. et al. Nat. Phys. 20, 558—563 (2024)

1Распад ложного вакуума обнаружен

Одно из самых фундаментальных и загадочных понятий в квантовой теории поля — это ложный вакуум. Обычно люди считают, что вакуум — пространство без частиц вещества. Однако пространство не может быть свободно от материи, в роли которой выступают поля, тем более что, по современным представлениям, частицы — тоже кванты соответствующих полей. Физики под вакуумом подразумевают состояние, в котором энергия полей внутри данного объёма пространства минимальна. Но из-за поля Хиггса вакуум нашей Вселенной может быть ложным, то есть обладать не самой минимальной энергией. Это означает, что состояние, в котором находится Вселенная, не имеет абсолютной стабильности, ведь любая физическая система стремится к минимуму энергии.

Если вакуум — ложный, всегда существует вероятность, что он в некоторый момент времени в результате туннельного перехода превратится в истинный стабильный вакуум. Это явление получило название «распад ложного вакуума». Выглядеть распад может так. В какой-то момент в ложном вакууме появляется пузырь истинного вакуума. Если это энергетически выгодно, то пузырь начнёт расширяться, постепенно разгоняясь до скорости света. Результат будет катастрофическим для «старой» Вселенной, поскольку выделится много энергии, которая ранее была «запасена» в ложном вакууме. Теоретически это может иметь кардинальные последствия для физики и космологии. Например, привести к изменению фундаментальных констант и законов природы и даже стать причиной Большого взрыва, подобного тому, из которого возникла наша Вселенная. Однако до сих пор не было никаких экспериментальных доказательств существования распада ложного вакуума.

И вот группа итальянских и английских физиков объявила, что зарегистрировала распад ложного вакуума в ферромагнитной сверхтекучей жидкости. Статья об эксперименте опубликована в «Nature Physics». Для его проведения исследовали сверхохлаждённый газ, состоящий из атомов натрия-23, который был помещён в магнитную ловушку. При температуре менее микрокельвина газ переходил в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, когда атомы ведут себя как одна большая квантовая волна. Это состояние можно рассматривать как аналог квантового поля. Физики добились, чтобы спиновое состояние атомов соответствовало локальному минимуму энергии. Затем на конденсат было наложено внешнее магнитное поле, меняющее его свойства. В определённых областях газа возникали условия, при которых он становился нестабилен и мог распадаться. При этом в газе появлялись пузырьки, и в них газ имел другие характеристики, чем в основном объёме. Эти пузырьки были зарегистрированы с помощью лазерного излучения, которое отражалось от них.

Но паниковать пока рано. Доказана лишь возможность распада системы, аналогичной ложному вакууму. Это не означает, что такая возможность есть у нашей Вселенной.

2Ядерные часы

Самые точные в настоящее время — атомные часы, которые для измерения времени используют энергетические переходы электронов в атомах. В качестве стандарта сейчас выбраны атомы цезия, хотя созданы и более точные часы на стронции. Они отстают или спешат всего на секунду за 30 миллиардов лет! Но ещё на порядок точнее могут стать часы, использующие энергетические переходы в ядре атома. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, и когда одна из этих частиц поглощает фотон, ядро на некоторое время переходит в возбуждённое состояние с большей энергией. Однако силы взаимодействия нуклонов в ядре очень велики, и, чтобы вызвать эти энергетические скачки, требуется, как правило, гамма-излучение крайне высокой частоты, которое трудно получить с помощью современных технологий.

Физики из немецкого Национального института метрологии в Брауншвейге Эккехард Пейк и Кристиан Тамм ещё в 2003 году предложили часы на основе тория-229, ядро которого имеет наименьший известный энергетический скачок, требующий примерно в 10 000 раз меньше энергии, чем типичное ядерное возбуждение, — для него достаточно всего лишь ультрафиолетового света. Однако потребовалось двадцать лет, чтобы реализовать это на практике. В первую очередь нужно было определить точную энергию (частоту), которая требуется лазеру для возбуждения рассматриваемого ядерного состояния.

Установка для точного измерения энергии, необходимой для возбуждения ядра тория-229. Фото: Chuankun Zhang/JILA

В 2024 году сразу три группы исследователей сообщили об успехе. Первой стала команда CERN, в её работе принял участие и сам Пейк. Но наибольших результатов добилась международная исследовательская группа под руководством учёных из JILA, объединённого института Университета Колорадо в Боулдере (США) и Национального института стандартов и технологий (NIST, США). Участники этой группы смогли измерить частоту в миллионы раз точнее других и создать, по сути, все основные части ядерных часов. Недаром их статья в журнале «Nature» 5 сентября 2024 года стала заглавной и была вынесена на обложку. Кроме того, они установили первую прямую частотную связь между ядерным переходом и атомными часами, которые используют стронций. Всё это — важнейшие шаги в разработке функционирующих ядерных часов и их интеграции с существующими системами хронометража.

Ядерные часы на тории-229 будут иметь несколько преимуществ перед атомными. Они более надёжны, поскольку ядро защищено от внешнего мира электронными облаками и невосприимчиво к большей части фоновых помех, которые преследуют даже лучшие атомные часы. Более высокая частота возбуждающего лазера напрямую связана с большим количеством «тиков» часов в секунду и, следовательно, приводит к более точному измерению времени.

Устойчивость ядерного состояния зависит от точного баланса между двумя фундаментальными силами природы: электромагнитная сила между положительно заряженными протонами пытается разорвать ядро на части, в то время как сильное взаимодействие удерживает нуклоны вместе. Благодаря этому ядерный часовой переход чрезвычайно чувствителен к изменениям этих сил и способен выявить изменчивость многих фундаментальных констант физики, входящих в уравнения, описывающие законы природы и свойства материи. Эти числа, такие как скорость света, гравитационная постоянная или элементарный заряд, определяют, как всё работает в нашей Вселенной. Физики полагают, что, несмотря на название, некоторые из постоянных могут всё же зависеть от времени. Поэтому исследователи планируют использовать ядерные часы как инструмент для изучения фундаментальных сил. Возможно, они помогут обнаружить тёмную материю или проверить теорию струн без необходимости использования крупномасштабных ускорителей частиц.

Для обычных людей создание ядерных часов будет означать ещё более точные навигационные системы, более высокую скорость Интернета, более надёжные и безопасные сетевые соединения и цифровую связь.

3Гравитация для микрочастицы

Квантовая физика описывает наш мир в микромире, а теория гравитации Альберта Эйнштейна — на огромных космических масштабах. За прошедшие 100 лет обе теории прошли множество экспериментальных проверок, но, несмотря на все успехи, они «отказываются» объединяться. Остальные три фундаментальные силы: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие уже имеют квантовое описание, а вот для четвёртой силы — гравитации — его не существует. А ведь создание квантовой гравитации, возможно, позволило бы разгадать некоторые загадки нашей Вселенной и объединить все силы в одно взаимодействие.

Проблема экспериментального исследования гравитационного взаимодействия в микромире, где доминируют квантовые эффекты, заключается в его крайней слабости. Заметным оно становится лишь в макроскопических масштабах при больших взаимодействующих массах. Соответственно, мы не знаем, проявляются ли в микромире квантовые эффекты гравитации.

Однако в этом году международная группа учёных из Саутгемптонского (Великобритания) и Лейденского (Нидерланды) университетов и Института фотоники и нанотехнологий в Тренто (Италия) сделала важный шаг в решении этой проблемы, успешно обнаружив гравитационное притяжение крошечной частицы массой 0,48 мг. Это наименьшая масса, которую когда-либо пытались исследовать таким образом.

Частица была изготовлена из магнитного неодимового сплава (Nd2Fe14B), что позволило ей левитировать в сверхпроводящей магнитной ловушке при температуре всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Эта было необходимо, чтобы до минимума ограничить колебания частицы. Исследователи измеряли силу её притяжения к латунным брускам с массой 2,48 кг. Для исключения влияния механических вибраций на ход эксперимента вся установка была закреплена на бетонном блоке весом 25 тонн, находящемся на пневматических демпферах. Кроме того, внутренняя часть установки с магнитной ловушкой была подвешена на системе пружин, гасящих вертикальные и боковые вибрации. В итоге физикам удалось измерить гравитационное притяжение всего в 30 аттоньютонов (1 аН = 10-18 Н)!

Сверхпроводящая магнитная ловушка и многоступенчатая система «масса-пружина» для изоляции экспериментальной камеры от внешних вибраций. Источник: Fuchs T. M. et al. Science Advances, 10, 8, 2024

Этот эксперимент прокладывает путь для измерений с ещё меньшими массами, что, возможно, позволит обнаружить эффекты квантовой гравитации. Данный метод лучше подходит для измерений гравитационных взаимодействий малых масс, чем оптические ловушки, из-за отсутствия проблем с нарушением когерентности и шума из-за нагрева системы лазером.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Взять кредит и подумать Взять кредит и подумать

Банки будут выдавать кредиты от 50 000 рублей с «периодом охлаждения»

Ведомости
Ленинский враг с нелестной репутацией Ленинский враг с нелестной репутацией

Мало кто так хорошо понимал ленинскую доктрину и практику, как Алексинский

Дилетант
Как запустить посудомоечную машину первый раз — инструкция и советы Как запустить посудомоечную машину первый раз — инструкция и советы

Как правильно запускать посудомоечную машину первый раз?

CHIP
Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера Советские солдаты возле убитого двойника Гитлера

В мае 1945 года по Берлину распространился слух, что обнаружен труп Гитлера

Дилетант
Ксения Хаирова Ксения Хаирова

О Валентине Талызиной, актрисе поистине уникальной

Караван историй
Позитивные вибрации: плюсы и минусы дизельной модификации пикапа JAC T9 Позитивные вибрации: плюсы и минусы дизельной модификации пикапа JAC T9

JAC T9: настоящие внедорожники еще выпускают

ТехИнсайдер
Нехимические зависимости: что это такое, как их распознать и победить Нехимические зависимости: что это такое, как их распознать и победить

Вы просыпаетесь и сразу тянетесь к телефону?

Maxim
Жизнь без гаджетов Жизнь без гаджетов

Как прекратить сидеть в телефоне: 9 шагов к цифровой свободе

Лиза
Цветовые ошибки: как один оттенок способен испортить весь интерьер Цветовые ошибки: как один оттенок способен испортить весь интерьер

Какие ошибки в выборе цвета стен способны испортить весь интерьер?

VOICE
Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком

Какое кино сейчас интересно зрителям в России?

Inc.
Чьим голосом вы говорите с собой? Чьим голосом вы говорите с собой?

Тест: как часто вы точно понимаете, чего на самом деле хотите

Psychologies
Пушки или масло Пушки или масло

Как технологии двойного назначения помогли послевоенной конверсии

Эксперт
Гений, садовник и киноман: 10 эпизодов из биографии Кодзимы Гений, садовник и киноман: 10 эпизодов из биографии Кодзимы

Что вы знаете о Хидео Кодзиме?

Правила жизни
Напиши мне, напиши: как сервисы e-mail будут бороться с мессенджерами Напиши мне, напиши: как сервисы e-mail будут бороться с мессенджерами

Как сервисы электронной почты будут удерживать пользователей?

Forbes
Нейробиолог назвал привычку, объединяющую гениев. А у вас она есть? Нейробиолог назвал привычку, объединяющую гениев. А у вас она есть?

Настоящий прорыв мысли начинается в тишине и одиночестве

Maxim
«Партизанская культура»: глава из книги Александра Кушнира «Кинооблучение» об истории группы «Кино» и Викторе Цое «Партизанская культура»: глава из книги Александра Кушнира «Кинооблучение» об истории группы «Кино» и Викторе Цое

Отрывок из книги «Кинооблучение» о самом начале карьеры Виктора Цоя

Правила жизни
Молодой Цезарь Молодой Цезарь

Карьера Цезаря могла бы оборваться, едва начавшись, равно как и его жизнь...

Знание – сила
Первый среди неравных: дизайнер Ясухиро Михара Первый среди неравных: дизайнер Ясухиро Михара

Ясухиро Михара: как японский дизайн кроссовок покорил мир

Правила жизни
«Если никто не спрашивает, то и отвечать не нужно» «Если никто не спрашивает, то и отвечать не нужно»

Карл Густав Юнг о том, что он узнал о людях

Weekend
Роман Михайлов: Страна в то время быстро лепила себя, как из пластилина Роман Михайлов: Страна в то время быстро лепила себя, как из пластилина

Режиссер Роман Михайлов — о снах и сказочных 90-х

Ведомости
Генетики подтвердили личность жестоко убитого в Венгрии Рюриковича Генетики подтвердили личность жестоко убитого в Венгрии Рюриковича

Палеогенетики проанализировали геном жестоко убитого венгерского феодала

N+1
Зонд NASA использовал Марс как тестовую площадку при полете к Европе Зонд NASA использовал Марс как тестовую площадку при полете к Европе

Ученые успешно протестировали радарную систему зонда Europa Clipper

ТехИнсайдер
Когда ещё был лес… Когда ещё был лес…

Рассказ Саши Тэмлейн «Когда ещё был лес…»

Наука и жизнь
Человек из одуванчиков: чего вы не знаете о Рэе Брэдбери Человек из одуванчиков: чего вы не знаете о Рэе Брэдбери

Малоизвестные факты об американском писателе Рэе Брэдбери

Правила жизни
Та еще задачка: сколько лет Вселенной и как ученые это вычислили Та еще задачка: сколько лет Вселенной и как ученые это вычислили

Хитрые ученые даже вычислили возраст самой Вселенной! Но как им это удалось?

ТехИнсайдер
Что такое отложенный налог на прибыль и зачем его учитывать Что такое отложенный налог на прибыль и зачем его учитывать

Как работает отложенный налог на прибыль

Inc.
Социология утопии, или Почему у Стругацких в их «Мире Полудня» нет котиков и попугайчиков Социология утопии, или Почему у Стругацких в их «Мире Полудня» нет котиков и попугайчиков

Почему на Прекрасной Земле Будущего полностью отсутствуют домашние питомцы

Знание – сила
Феноменальная память и «кошачьи» повадки: удивительные факты о выдрах Феноменальная память и «кошачьи» повадки: удивительные факты о выдрах

Выдры – очаровательные озорники водного мира

ТехИнсайдер
«Покажи ручку!» 3 причины приучить себя подавать сигналы рукой «Покажи ручку!» 3 причины приучить себя подавать сигналы рукой

Несколько важных причин подавать сигналы рукой, когда едешь на велосипеде

ТехИнсайдер
Открыть в приложении