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

Апрель: «нашествие» хохлаток Апрель: «нашествие» хохлаток

Хохлатки-эфемероиды — радостный вскрик пробуждающейся природы

Наука и жизнь
Как не выбесить коллег  в рабочем чате: новый цифровой этикет Как не выбесить коллег  в рабочем чате: новый цифровой этикет

Как решить рабочий вопрос в мессенджере, не раздражая коллег?

Inc.
У эволюции нет конкретной цели, но есть результат У эволюции нет конкретной цели, но есть результат

Как происходит видообразование, с чего начинается и через какие этапы проходит

Наука и жизнь
Расписки при ДТП: как пишутся и какими бывают Расписки при ДТП: как пишутся и какими бывают

Как пишется расписка при ДТП и когда этого делать не стоит

РБК
Кто вы, мистер Освальд? Кто вы, мистер Освальд?

В биографии Ли Харви Освальда всё ещё очень много белых пятен и мифов

Дилетант
Одежда-антистресс Одежда-антистресс

Что включить в дофаминовый гардероб

Лиза
Первый среди неравных: дизайнер Ясухиро Михара Первый среди неравных: дизайнер Ясухиро Михара

Ясухиро Михара: как японский дизайн кроссовок покорил мир

Правила жизни
Тренд на тихий бренд Тренд на тихий бренд

Low profile publicity: почему крупный бизнес выбирает стратегию скромности?

Ведомости
Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор

Что влияет на срок службы аккумулятора и как правильно заряжать телефон

CHIP
Что скрывается за модным словом «роялти» ? Что скрывается за модным словом «роялти» ?

Пассивный доход на интеллектуальной собственности: как работает роялти?

Наука и техника
Борьба за наследство Борьба за наследство

Диадохи: наследники Александра Македонского, развалившие его империю

Дилетант
«Рапунцель» и «Румпельштильцхен»: как сказочницы сочиняли совсем не детские истории «Рапунцель» и «Румпельштильцхен»: как сказочницы сочиняли совсем не детские истории

О шести сказочницах, которые говорили о женской судьбе

Forbes
Виниры и люминиры: чем отличаются и что выбрать Виниры и люминиры: чем отличаются и что выбрать

Чем виниры и люминиры отличаются между собой и что из них надежнее

ТехИнсайдер
Контекст советского фотоискусства: отрывок из книги «Время непосредственной фотографии» Контекст советского фотоискусства: отрывок из книги «Время непосредственной фотографии»

Отрывок из истории объединения фотохудожников второй половины 1980-х годов

Правила жизни
Австралиец нашел прижизненные фотографии вымершего почти сто лет назад бандикута Австралиец нашел прижизненные фотографии вымершего почти сто лет назад бандикута

Куратор музея обнаружил в архивах черно-белые фотографии бандикута

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
Мост в небесах Мост в небесах

Некоторые современные мосты сооружают только для того, чтобы заинтриговать

Знание – сила
Можно ли плавать в Apple Watch: разбираемся в нюансах умных часов компании Можно ли плавать в Apple Watch: разбираемся в нюансах умных часов компании

Можно ли плавать в Apple Watch? Давайте разбираться. Нюансов здесь хватает

ТехИнсайдер
Страдания от избытка красоты: что такое синдром Стендаля Страдания от избытка красоты: что такое синдром Стендаля

Что такое синдром Стендаля и в чем он выражается

ТехИнсайдер
Чем закусывать Jagermeister Чем закусывать Jagermeister

Копченое, кислое и сладкое — чем закусывать немецкую знаменитую настойку?

Maxim
Лекарство от уныния: как философия помогает бороться с тревогой и внутренней пустотой Лекарство от уныния: как философия помогает бороться с тревогой и внутренней пустотой

Почему в мире бесконечных возможностей мы все чаще чувствуем тревогу, пустоту?

Forbes
Жизнь и открытия Степана Куторги: от классиков до звероящеров Жизнь и открытия Степана Куторги: от классиков до звероящеров

«Удивительные ошибки» гения: как российский ученый открыл звероящеров

Наука и техника
Едем в Гагры? Едем в Гагры?

Самые популярные курорты СССР, где отдыхали наши бабушки и дедушки

Лиза
Самцы тарантулов, чтобы спастись от самок при спаривании, отрастили очень длинные пальпы Самцы тарантулов, чтобы спастись от самок при спаривании, отрастили очень длинные пальпы

Как эволюция помогла тарантулам спасаться от самок при спаривании

ТехИнсайдер
Как Гарвард придумал систему отбора из-за неприязни к евреям и зачем ему спортсмены Как Гарвард придумал систему отбора из-за неприязни к евреям и зачем ему спортсмены

Какие механизмы ведут к сдвигам в поведении и убеждениях людей?

Forbes
«Хотеть пять звезд, спа и три ресторана — это не стратегия». Президент Cosmos Hotel Group — об ошибках начинающих отельеров «Хотеть пять звезд, спа и три ресторана — это не стратегия». Президент Cosmos Hotel Group — об ошибках начинающих отельеров

Каких ошибок следует избегать отельеру и почему за малыми городами будущее?

Inc.
Рассказ солдата Рассказ солдата

Воспоминания Георгия Немчинова о войне на передовой

Знание – сила
Саша Золотовицкий: Я борец за иронию и прикол Саша Золотовицкий: Я борец за иронию и прикол

Саша Золотовицкий — о том, в чем разница между абсурдом и безумием в театре

Ведомости
Почему блокируют счет ИП: 10 реальных причин и как их избежать Почему блокируют счет ИП: 10 реальных причин и как их избежать

Разберем на примерах основные причины блокировки средств на счете ИП

Inc.
Какое пиво лучше с оливье, борщом, окрошкой: ответ специалиста Какое пиво лучше с оливье, борщом, окрошкой: ответ специалиста

Крайне необычный варианты гастрономической пары к пиву

Maxim
Открыть в приложении