Физика – Основы устройства мира

Физики сделали важный шаг к созданию технологий будущего, способных передавать информацию не только с помощью света или электричества, но и при помощи управляемого квантового звука. Исследователи из Университета Макгилла и Национального исследовательского совета Канады разработали устройство, которое генерирует фононы — квазичастицы, связанные со звуковыми колебаниями вещества, — в условиях экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю.

Несмотря на потрясающую точность Стандартной модели физики элементарных частиц, она не может объяснить фундаментальные явления Вселенной — от природы тёмной материи до преобладания материи над антиматерией. В поисках более широкой теории учёные всё чаще обращаются к экспериментам, выходящим за рамки привычного, и одним из таких методов стал анализ изотопного сдвига с помощью диаграммы Кинга. Этот подход может выявить следы гипотетической пятой силы — взаимодействия, не описываемого Стандартной моделью.

Стандартная модель физики элементарных частиц более полувека остается главным инструментом для описания устройства материи и фундаментальных взаимодействий. Именно она объясняет поведение кварков, лептонов, бозонов и трех из четырех фундаментальных сил природы. Однако ученые давно понимают, что эта теория неполна. Она не учитывает гравитацию, не объясняет природу темной материи и не отвечает на ряд вопросов о происхождении Вселенной. Теперь физики, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, получили новые данные, которые могут стать одним из самых серьезных намеков на существование «новой физики» за последние годы.

Исследователи MIT установили новый рекорд точности флюксониевых кубитов в 99,998%, преодолев ограничения декогеренции и встречного вращения. Новые методы управления откроют путь к более надежным квантовым вычислениям. Развитие квантовых вычислений достигло новой вершины благодаря прорыву ученых из Массачусетского технологического института. Команда исследователей разработала флюксониевые кубиты с рекордной точностью в 99,998%, что представляет собой значительный шаг вперед в устранении ошибок и создании более надежных квантовых систем. Использование новых методов управления позволяет добиться исключительной стабильности кубитов, что является ключевым элементом для масштабирования квантовых вычислений и внедрения квантовой коррекции ошибок.

Современная космология традиционно рассматривает пространство как гладкую трёхмерную среду, в которой разворачиваются все физические процессы. Однако в последние годы все больше внимания привлекает альтернативный подход, получивший название фрактальной космологии. Согласно этой концепции, привычная трёхмерность может быть лишь крупномасштабным приближением, тогда как на фундаментальном уровне пространство-время обладает дробной, или фрактальной, размерностью. Иными словами, геометрия Вселенной зависит от масштаба наблюдения и перестает быть обычной евклидовой структурой.

Турбулентность — одно из самых загадочных и сложных явлений физики. Она проявляется везде: в облаках, океанских волнах, промышленных реакторах и даже в пенящемся стакане газированного напитка. Но если турбулентные вихри воздуха и воды уже давно изучаются на основе фундаментальной теории Андрея Колмогорова, то оставался открытым вопрос: применима ли эта теория к турбулентности, вызванной пузырьками газа в жидкости?

В бескрайних просторах Солнечной системы скрывается необычный объект — Хирон. Этот кентавр, расположенный за орбитой Юпитера, поражает своей двойственной природой, сочетая черты как астероидов, так и комет. Новые наблюдения, проведённые с помощью телескопа JWST, позволили учёным раскрыть некоторые из его тайн и показали, насколько этот объект отличается от других тел в нашей планетной системе. Хирон представляет собой удивительное явление, сочетающее в себе активность, характерную для комет, с кольцами материала, которые больше напоминают миниатюрные планетарные кольца.

В центре Млечного Пути, в зоне, где бушует раскалённая плазма, а температура достигает миллионов градусов, учёные неожиданно обнаружили нечто, чего не должно было существовать: плотные, холодные облака нейтрального водорода. Эти «кубики льда» внутри «космического вулкана» находятся в структуре, известной как пузыри Ферми — гигантские образования, простирающиеся на 25 000 световых лет вверх и вниз от плоскости Галактики.

Межзвездная пустота кажется царством вечного холода. Температура космоса — около 2,7 кельвина выше абсолютного нуля. Это остаточное дыхание Большого взрыва, слабый шепот древнего огня, растянутого на миллиарды световых лет. Но в земных лабораториях физики создают области в миллионы и даже миллиарды раз холоднее космоса. Температуры там настолько низкие, что атомы начинают терять индивидуальность, словно люди, растворившиеся в тумане. Зачем ученые строят эти ледяные ловушки? Ответ звучит почти мистически: чтобы поймать привидение квантового мира и заставить его заговорить.

Массачусетский технологический институт вновь удивляет мир. В попытке ответить на один из самых провокационных вопросов современной науки — является ли гравитация квантовой, — команда исследователей разработала уникальный эксперимент, который сочетает достижения атомной физики с глубокой теоретической механикой. Используя лазеры для охлаждения зеркала почти до абсолютного нуля, ученые предприняли попытку раскрыть квантовую природу гравитации — фундаментальной силы, которая до сих пор остается загадкой.

Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом адронном коллайдере, остаётся одной из главных загадок физики элементарных частиц. Именно он отвечает за то, что фундаментальные частицы приобретают массу. Взаимодействие бозона Хиггса с тяжёлыми кварками уже подтверждено экспериментально и соответствует предсказаниям Стандартной модели. Но то, как он взаимодействует с более лёгкими кварками, до сих пор оставалось почти неизученным. Особенно сложно исследовать связь Хиггса с очарованными кварками, которые относятся ко второму поколению и формируют переходное звено между тяжёлыми и лёгкими компонентами материи. От ответа на этот вопрос зависит понимание того, действительно ли бозон Хиггса одинаково формирует массу всех кварков, включая те, что составляют атомные ядра.

Один из самых глубоких вопросов современной науки звучит удивительно просто: было ли у времени начало? Согласно стандартной космологической модели, наблюдаемая Вселенная возникла около 13,8 миллиарда лет назад в результате события, известного как Большой взрыв. Если проследить историю космоса назад во времени, плотность и температура вещества растут, а пространство сжимается до состояния, которое в рамках классической общей теории относительности превращается в сингулярность — точку, где известные физические законы перестают работать.

В квантовой физике частица не всегда обязана оставаться частицей в привычном смысле. Пересекая особую границу между двумя эквивалентными описаниями квантового мира, она может полностью изменить свою форму: пройти сквозь препятствие без отражения и превратиться в нелокальное возбуждение, связанное с границей невидимой квантовой «нитью».

В феврале 2023 года в глубинах Средиземного моря произошло событие, которое уже называют новым рубежом астрофизики. Детектор KM3NeT, расположенный на глубине 3450 метров, зафиксировал сигнал от нейтрино с энергией 220 петаэлектронвольт (ПэВ) — более чем в 20 раз превышающей предыдущий рекорд в 10 ПэВ. После тщательного анализа учёные подтвердили, что речь идёт не об ошибке или техническом сбое, а о реальном попадании частицы, получившей обозначение KM3-230213A.

Межзвездные объекты, подобные Оумуамуа и комете Борисова, напомнили ученым, что Солнечная система не является изолированной — по галактике путешествуют миллиарды объектов, и некоторые из них, возможно, уже давно присутствуют в нашей системе. Новое исследование предполагает, что частицы, происходящие из системы Альфа Центавра, уже скрываются в Облаке Оорта и, вероятно, приближаются к нам, принося с собой ценную информацию о наших ближайших звездных соседях и межзвездных процессах.

Представьте две микроскопические частицы, каждая из которых сама по себе совершенно не способна куда-либо плыть. Теперь соедините их — и пара неожиданно начинает двигаться. Добавьте тысячи таких частиц, и вместо неподвижного скопления возникает постоянно меняющаяся структура: одни группы собираются, другие распадаются, частицы перестраиваются и снова приходят в движение.

Идея существования червоточин, известных также как кротовые норы, уходит корнями в научные теории начала XX века. Хотя концепция путешествий сквозь пространство и время присутствовала в мифах и философии задолго до появления науки, именно открытия в области общей теории относительности (ОТО) позволили предположить их возможное существование.

Млечный Путь часто рассматривается как эталон в изучении структуры и эволюции галактик. Находясь внутри него, астрономы могут исследовать его с беспрецедентной детализацией. Однако новое исследование программы Satellites Around Galactic Analogs (SAGA) выявило, что наша галактика существенно отличается от аналогичных по массе и строению систем.

Черные дыры — одни из самых загадочных и экстремальных объектов космоса, чья гравитация настолько велика, что даже свет не способен покинуть их пределы. Они формируются при коллапсе массивных звезд и продолжают расти, поглощая газ, пыль и другие объекты, а также сливаясь друг с другом. Однако новая находка астрономов ставит под сомнение привычные законы физики. Черная дыра RACS J0320–35, расположенная на расстоянии около 12,8 миллиарда световых лет, по оценкам, имеет массу, в миллиард раз превышающую солнечную. Её скорость роста оказалась в 2,4 раза выше теоретического предела, называемого пределом Эддингтона. Этот предел основан на балансе между гравитацией, которая притягивает материю внутрь, и излучением, которое отталкивает её наружу. По сути, он определяет максимально возможную скорость аккреции, и до сих пор считалось, что черные дыры не способны его превышать.

Вселенная излучает неисчерпаемый поток энергии, часть которого достигает Земли в виде электромагнитных волн, нейтрино и космических лучей. Эти лучи представляют собой не световые потоки, а мельчайшие частицы, чаще всего атомные ядра, которые разогнаны до скоростей, близких к световым. Многие из них возникают в экстремальных процессах, сопровождающих жизнь и смерть звезд, однако самые мощные частицы, открытые ещё в 1960-х годах, до сих пор остаются загадкой. Их энергия в миллионы раз превышает ту, что мы способны воспроизвести в земных ускорителях, и их происхождение десятилетиями оставалось спорным вопросом в науке.