Новости науки

Ученые Американского Космического Агентства NASA хотят создать самую холодную точку во Вселенной на борту МКС.

В принципе все, даже те, кто мало интересуется космосом, знают, что он очень холодный. Температура огромного пространства между звездами и галактиками может достигать всего лишь 3 градусов Кельвина (или 454 градуса ниже нуля по Фаренгейту).

Ученые Американского Космического Агентства NASA хотят превзойти этот результат, создав внутри Международной Космической Станции еще более холодную температуру, то есть самую холодную точку во Вселенной.

"Мы собираемся изучать материю при температурах намного ниже естественных температур" - сказал Роб Томпсон (Rob Thompson) из Лаборатории Реактивного Движения (NASA), - "Для этого нам надо добиться снижения температуры до 100 пикокельвинов". Роб совместно со своими коллегами работает над созданием атомного "морозильника". Планируется, что он будет запущен к МКС в ходе научного проекта Cold Atom Lab где-то в 2016 году.

 Ученые объясняют, что температура в 100 пикокельвинов практически равна абсолютному нулю. Она едва превышает это значения на какую-то малую долю. Согласно законам физики, при такой температуре любая термальная активность атомов теоретически полностью останавливается. При таких низких температурах рождаются новые формы материи - такие как квант. В квантовом мире ничего не наверняка. Все базируется на вероятности. Объекты ведут себя как частицы и как волны, а одна и та же материя может быть одновременно в двух разных местах.

Источник

Поведение электрона в ответ на действие магнитного монополя, другими словами, магнита с одним полюсом, было отображено при проведении эксперимента в ультрахолодном веществе, подражающем природной магнитной системе. Система электрона и монополя ведет так, как и было описано английским физиком Полем Дираком в 1931 году.

Несмотря на то, что новый эксперимент, детали которого были опубликованы 29 января 2014 года в журнале «Природа» (Nature), не в состоянии доказать, что такие монополи существуют вне пределов лаборатории в других магнитных системах, он может помочь физикам выделить наиболее важные детали их происхождения, говорит соавтор исследования Дэвид Холл (Амхерстский колледж, Массачусетс).

Магнитные монополи

Все известные магниты имеют северный и южный полюс: разломите стрелку магнитного компаса на две части, и у вас в руках окажутся два магнита меньших размеров, каждый из которых будет вновь иметь два полюса.

«Вы можете ломать стрелку на столько частей, сколько вам будет угодно, можете добраться даже до атомарного уровня, и все равно каждый новый магнит будет иметь по два полюса», говорит Холл. Даже у электронов и протонов имеется по два полюса.

Это представляет собой загадку, поскольку многие физики считают, что магнитный монополь (магнит с одним полюсом) должен существовать. Монополи могут объяснить, к примеру, почему электрический заряд субатомных частиц, таких как электроны и протоны всегда имеет форму дискретной единицы основного заряда.

Если же такие магнитные монополи существуют, они должны были возникнуть сразу же после Большого Взрыва, когда космическое пространство было намного более горячим и плотным, чем оно есть на данном этапе. В то время энергии могло быть достаточно для образования таких причудливых магнитных частиц.

В 1931 году Дирак попытался совместить монополь со Стандартной Моделью, господствующей физической теорией, которая описывает поведение крошечных частиц.

Он предполагал, что магнитный монополь, проходя сквозь электрон, оставляет после себя след в виде крошечного завихрения. Внутри электрона во время такого движения будет оставаться свободное место, указывающее на окончание монополя (в квантовой теории электроны не являются твердыми массами с фиксированными границами, а довольно неопределенными по форме «каплями», сквозь которые могут проходить другие объекты).

Демонстрация вихря

Поиски монополей в природной среде с целью проверки теории Дирака закончились неудачей.

Для достижения поставленной цели Холл и коллеги охладили атомы рубидия до миллиардной части градуса выше нуля. При такой температуре атомы демонстрируют необычное квантовое поведение, когда их движение напоминает одиночные волны, а не цельное скопление частиц.

Один атом рубидия был использован для подражания электрону. Далее, исследователи создали магнитное поле монополя, нарушив выравнивание миллионов других атомов рубидия, каждый из которых действует подобно крошечному компасу, указывая направление немного по-другому.

Потом они сделали снимки «электрона», взаимодействующего с «магнитным полем». Действительно, когда синтетический монополь встретился с электроном, он оставил за собой завихрение и «коридор», не содержащий в себе атомов, как и предполагал Дирак.

Источник

Для описания процессов, происходящих в человеческом мозге нужна новая физика

Создатели теории работы человеческого мозга и сознания Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф утверждают, что текущее положение квантовой физики не в состоянии описать процессы, происходящие в мозге, и считают, что для этого нужна некая новая физика. В недавней своей статье ученые утверждают, что им удалось найти весомые аргументы в пользу своей гипотезы. Однако хотя оба они пользуются большим уважением в научных кругах, их предположения пока что воспринимают скептически.

fr.wikipedia.org

Источник

Понятие телепортации хоть и пришло в мир науки из фантастических литературных произведений и фильмов, но всё же плотно укоренилось в заголовках научных статьей. Чаще всего термин "телепортация" применяется для описания экспериментов с так называемыми запутанными частицами. К примеру, два фотона (частица света) разведены по разным концам Вселенной. Они никак не контактируют физически, но абсолютно единовременно меняют состояние на противоположное своему партнёру. Сила, которая их связывает, до сих пор не изучена до конца, однако этот эффект вызвал массу значимых научных открытий.

В представлении научных фантастов телепортация есть мгновенное перемещение в пространстве без непосредственного движения. Человек или любой другой объект исчезает в одном месте и возникает в другом. В реальной жизни, конечно же, такого не происходит. Передаётся информация (от одной запутанной частицы к другой), и она явно переправляется быстрее, чем может идти сквозь пространство любой известный нам сигнал и уж тем более материальное тело. Физики уже научилисьтелепортировать информацию на огромные расстояния.

Передачи энергии при этом не происходит. С 2008 года команда учёных из университета Тохоку в Японии во главе с Масахиро Хотта (Masahiro Hotta) занимается исследованием феномена телепортации энергии.

Первичная теория физиков подразумевала использование преимуществ так называемых вакуумных состояний. Если говорить упрощённо, в случае телепортации энергии одна частица передаёт другой информацию о том, как извлечь энергию из вакуума. Но как достать энергию из ничего?

Хотта, основываясь на законах квантовой физики, предположил, что на самом деле вакуумные состояния не являются по-настоящему пустыми, в них то появляются, то возникают виртуальные частицы, некоторые из которых пребывают в состоянии той самой квантовой запутанности.

Напомним, согласно законам квантовой механики, количество значений в системе (например, в вакууме), которые могут быть измерены, ограничены. Но Хотта определил, что за счёт роста неопределённости одного значения уменьшается неопределённость другого значения в той же системе.

Чтобы проще было понять все эти сложные слова, представим себе, что связанные частицы — это некие Алиса и Боб, которые могут пообщаться по телефону и таким образом передать информацию. Если они находятся достаточно близко, то Алиса может провести измерение параметров окружающего пространства. Из этих данных можно с определённой долей вероятности определить, каковы параметры пространства, окружающего Боба. Алиса передаёт собранную информацию Бобу по классическим каналам связи (звонит по телефону). При этом Бобу уже не понадобится проводить свои собственные измерения, чтобы извлечь энергию из окружающего его вакуума.

Энергия, которую в результате получит Боб, всегда будет меньше, чем та энергия, которую потратит Алиса на измерения. Если рассматривать этот процесс с точки зрения термодинамики, то получается, что Алиса "телепортирует" энергию Бобу в форме информации, которая ему пригодится для извлечения энергии из окружающего вакуума.

Несмотря на всю правдоподобность, данная теория Хотта показала, что при попытке такой телепортации на большие расстояния "количество" энергии, которую можно передать, ощутимо падает. Чем дальше Алиса от Боба, тем сложнее ей оценить ситуацию вокруг него, да и телефонная связь начинает работать плохо (в реальности степень запутанности частиц уменьшается по мере роста расстояния между ними). Выходит, что на дальние расстояния энергию по тому же принципу не отправишь. Слишком уж велики будут первоначальные затраты энергии.

Однако в своей последней работе команда теоретиков дополнила свою идею новыми расчётами. Увеличить предполагаемое расстояние можно, по словам Хотты, путём использования свойств так называемого сжатого состояния.

При возникновении этого эффекта теоретически должно возникать больше пар частиц, движущихся сквозь вакуум. Среди них в свою очередь должно быть больше тех, что находятся в "прочном" состоянии квантовой запутанности. То есть их связь будет устойчивее, несмотря на большое разделяющее их расстояние. Главное, правильно выбрать сжатое состояние.

Учёные полагают, что подобная телепортация энергии имела место в ранней Вселенной, когда происходило её быстрое расширение.

На данном этапе работа находится исключительно на стадии теоретических расчётов, которые можно изучить, ознакомившись со статьёй, вышедшей в журнале Physical Review A (или её препринтом). Но исследователям не терпится проверить свои выкладки в лаборатории, что можно будет осуществить в ближайшие годы, например, при использовании двумерных полупроводников. Насколько практически значимой будет данная технология, покажет время. Вполне вероятно, что однажды она пригодится при разработке квантовых компьютеров.

Источник

Желто-оранжевый объект, изображенный на снимке WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer/Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь) - это туманность Трифид (Тройная Туманность, M 20, NGC 6514) – звездные ясли, где взрываются, зарождаясь, новые звезды. Туманность, представленная сразу тремя видами основных туманностей, - эмиссионной, отражающей и поглощающей, - как бы разделена на три лепестка, отсюда и ее название. 

Различные цвета на этом снимке – это различные длины волн инфракрасного цвета, зафиксированные камерами Wise. Главное зеленое облако состоит из водорода. Внутри этого облака находится туманность Трифид, где излучение и ветры от массивных звезд создали полость в окружающих пыли и газе, и, предположительно, запустили процесс рождения новых поколений звезд. Пыль светится в инфракрасном свете, поэтому три линии, кажущиеся темными в оптическом диапазоне, - именно они создают туманность, -инфракрасные камеры WISE видят яркими.

Голубые звезды, «разбросанные» тут и там, это более старые звезды, которые расположены между Землей и туманностью Трифид. В конечном итоге зарождающиеся звезды туманности будут выглядеть так же, как эти звезды на переднем плане. Красное облако справа вверху – это газ, который нагревается благодаря группе молодых звезд.

Тройная туманность расположена на расстоянии 5400 световых лет от нас в созвездии Стрельца.

Синий – это свет, которые испускается на длине волн 3.4 микрона, а неоновый голубой - 4.6 микрона. Этот свет в основном исходит от горячих звезд. Относительно холодные объекты, такие, как пыль туманности, на этом изображении представлены зеленым и красным цветом. Зеленый – это свет 12 микрон, а красный – 22 микрона.

Источник

Ученым при помощи данных, полученных телескопом VLT (Very Large Telescope /Очень Большой телескоп), смогли впервые создать карту поверхности и на ее основе составить «прогноз погоды» ближайшего к Земле коричневого карлика - WISE J104915.57-531906.1B, более известного как Luhman 16B. 

Этот объект является одним из объектов двойной системы коричневых карликов, которые находятся на расстоянии всего шесть световых лет от Солнца. Результаты этой работы опубликованы в издании Nature от 30 января.

Коричневые карлики в астрономической шкале величин находятся между гигантскими газовыми планетами, такими как Юпитер и Сатурн, и бледными относительно холодными звездами. Их массы недостаточно для того, чтобы началось слияние ядер, поэтому за счет энергии, накопленной ими при сжатии их вещества, они могут слабо светиться в инфракрасном свете. Первый коричневый карлик был открыт лишь двадцать лет назад; известно лишь несколько сотен таких объектов. 

Самыми близкими к Солнечной Системе коричневыми карликами является пара, которая называется Luhman 16AB и находится на расстоянии шесть световых лет от Земли в южном созвездии Паруса. Это – третья ближайшая к Земле система, после Альфа Центавра и звезды Барнарда (Barnard"s Sta), однако она была открыта лишь в начале 2013 года. Было замечено, что более бледный компаньон, Luhman 16B, немного меняет яркость каждые несколько часов, по мере своего вращения, - это может говорить об определенных свойствах поверхности. 

Для того, чтобы составить карту поверхности, астрономы использовали особую технику, так называемое доплеровское картографирование, которое позволяет оценить рельеф карлика и структуру верхних слоев атмосферы карлика по тому, насколько искажен спектр светила в разных точках его поверхности. Это позволило им получить грубую карту Luhman 16B и составить прогноз погоды, сопоставимый по качеству с результатами работы первых искусственных спутников.

Ян Кроссфилд (Ian Crossfield) (Институт Макса Планка, Хайдельберг, Германия), ведущий автор работы, говорит: "Скоро мы сможем наблюдать за тем, как формируются, развиваются и рассеиваются на этом коричневом карлике атмосферные рисунки облаков, - в конце концов экзометеорологи смогут составлять прогноз погоды для Luhman 16B".

Источник

Источник

 Американские физики разработали особое устройство-циркулятор, которое способно передавать звуковые волны лишь в одном направлении.

 Изобретение окажет помощь в создании системы безопасной коммуникации, мощной звуковой изоляции и интересных научных приборов.

 «Если посмотреть на данное открытие шире — мы продемонстрировали в нашей статье, что имеется физический механизм, который позволяет нарушать симметрию физических законов в процессе инверсии времени, что дает возможность по использованию подобных приборов за пределами акустики. Применяя ту же самую концепцию, можно разработать дешевые электронные циркуляторы и, кроме того, однонаправленные световоды для целей оптоволоконной связи», сказал Андреа Алу, университет Техаса, Остин.

Алу и его соратники изучали так называемый эффект Зеемана —это расщепление спектра атома на ряд составляющих под воздействием очень сильного магнитного поля. Такой эффект возникает за счет того, что взаимодействие и внешнего магнитного поля, и электронов, что движутся по орбиталям вокруг ядра атома, обычно препятствует движению некоторой части вырабатываемых ими фотонов в каких-то направлениях.

Авторы статьи считают, что подобный же эффект «избирательной пропускаемости» можно использовать и для акустических волн в случае, если создать громадный „атом“ с набором из ряда „электронов“. Реализация данной задачи оказалась на удивление очень простой — физики смогли собрать подобное устройство из емкости-резонатора с тремя звуководами, что была поделена на три сегмента с помощью микровентиляторов.

Источник

 Ученые из Великобритании сделала заявление, согласно которому за последние двадцать лет магнитное поле нашей планеты ослабело на пятнадцать процентов.

 Некоторые знают, что магнитное поле образуется за счет движение электропроводящей жидкости во внешнем ядре, глубоко внутри земной коры. Оно распространяется на значительное расстояние в космос и защищает Землю от ужасных и разрушительных солнечных ветров. Магнитное поле оказывает свое влияние и на земную жизнь: ему подвластны миграция животных и погода.

И если исследования показали, что за двадцать лет магнитное поле нашей планеты ослабело на пятнадцать процентов, то это может грозить смещением магнитных полюсов. Если подобное начнет происходить, то климат на Земле полностью изменится, а также произойдет потеря электроэнергии. Кроме того, при смещении поля солнечные ветра смогут серьезно повредить озоновый слой планеты, а мы все знаем, что озоновые дыры крайне опасны для форм жизни.

Источник

Физики создали магнитный монополь, существование которого было предсказано более 80 лет назад

Это открытие важный шаг на пути обнаружения аналогичных естественных частиц, что было бы сравнимо с открытием электрона.

	фото: youtube.com

Источник

NASA планирует миссии, которые покажут, как добывать воду на Луне и кислород на Марсе.

Эти инициативы являются частью стратегии развития космических исследований, которая предполагает использование местных ресурсов, для того, чтобы «на месте» добыть ракетное топливо на обратную дорогу домой. Исследования показывают, что для успеха пилотируемых миссий на Марс, а так же для миссий, которые предполагают забор образцов, - необходимо «использование местных ресурсов» (in-situ resource utilization / ISRU). 

Первый космический тест программы запланирован на 2018 год. NASA планирует запустить миссию под названием Resource Prospector (Исследователь Ресурсов), которая предполагает использование ровера с буром для «высверливания» образцов, нагревания их и сканирования для поисков водного пара и других летучих веществ на Луне, а так же возможную конденсацию пара для получения воды в жидкой форме.

“Луна расположена достаточно удобно для того, чтобы протестировать технологию ISRU”, - говорит Джейсон Крусан (Jason Crusan), директор отдела Передовых Исследовательских Разработок (Advanced Exploration Systems) NASA.

Второй эксперимент ISRU планируют отправить вместе со следующим марсоходом, запуск которого назначен на 2020 год. Это устройство, с конструкцией которого еще только предстоит определиться, будет «вытягивать» двуокись углерода из атмосферы планеты, отфильтровывать пыль и другие частицы и готовить газ к химической обработке для получения кислорода.

Источник

Хокинг предлагает пересмотреть одно из основных положений теории черных дыр - существование «горизонта событий», который не позволяет ни энергии, ни материи вернуться во внешний мир.

Черные дыры уже давно привлекают внимание физиков и астрономов, поскольку в них находятся гравитационные эффекты, которые невозможно наблюдать на Земле. Основным элементом при изучении черных дыр является понятие «Горизонт событий» – замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг черной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие частицы не могут выйти из-под этой поверхности.

Однако предположение о том, что гравитация черной дыры не позволяет сбежать ни одной частице, несовместимо с квантовой физикой, так как в классической теории из черной дыры выхода нет, а квантовая теория позволяет энергии выйти из черной дыры.

Тем не менее в 2012 году физик-теоретик Джо Полчински (Joe Polchinski) и его коллеги из Института теоретической физики в Санта-Барбаре провели мысленный эксперимент, в результате которого возник так называемый парадокс огненной стены, или «парадокс файервола» (firewall paradox). Эксперимент заключается в выяснении того, что было бы с космонавтом, который попадает в черную дыру.

Классическая теория гласит: космонавт пересекает незаметно для себя «горизонт событий» и находится в состоянии свободного падения, после чего его начинает засасывать внутрь, растягивая в длинную «макаронину», все ближе к центру черной дыры – точки сингулярности.

Однако после проведения этого эксперимента Полчински обнаружил совершенно другой вариант развития событий. Квантовая теория превращает «горизонт событий» в высокоэнергетическую зону – «стену огня», и любой, кто упадет на эту стену, сгорит, не достигнув сингулярности.

Многие физики не согласились с «парадоксом огненной стены», так как он перечит общей теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории космонавт должен одинаково подчиняться законам физики, как в свободном падении, так и вблизи черной дыры. Кроме того, «горизонт событий» должен быть конкретной границей, и тем более не может быть стеной.

Стивен Хокинг выложил статью на сайте arXiv.org, в которой он предлагает третий, весьма простой вариант, который не противоречит ни теории относительности, ни квантовой механике. Суть его идеи заключается в том, что «горизонта событий» и «огненной стены» просто не существует в том виде, в котором предполагалось ранее, поскольку квантовые эффекты, которые возникают вблизи черной дыры, вызывают очень сильные пространственно-временные колебания, из-за которых не могут существовать какие-либо резкие границы.

Наряду с понятием «горизонта событий» Хокинг вводит альтернативное понятие «видимый горизонт» – размытая граница, которая сдерживает лучи света, пытающиеся покинуть черную дыру. Но в теории относительности эти два явления не разделяются, так как и то и другое явление сдерживает свет внутри черной дыры.

Тем не менее Хокинг полагает, что эти два явления нужно разделить, поскольку, если черная дыра поглотит большое количество материи, ее «горизонт событий» будет расти больше, чем «видимый горизонт». Однако черные дыры могут извергать так называемое излучение Хокинга, сокращаясь при этом, а значит «горизонт событий» становится меньше «видимого горизонта».

Новая теория Хокинга вызывает ряд вопросов. Во-первых, по своей природе «видимый горизонт» может исчезнуть, и вся накопленная черной дырой материя и энергия выйдет в открытый космос, хоть и не в том виде, в котором была поглощена.

Во-вторых, отсутствие «горизонта событий» ставит под сомнение существование сингулярности в центре черной дыры. Если предположения Хокинга верны, то материя внутри черной дыры находится лишь временно, медленно двигаясь к центру черной дыры под воздействием гравитации, но при этом никогда не будет сжата в бесконечно плотную сингулярность. При этом сохраняется понятие «горизонта событий», из которого материя может вырваться, хотя и в измененном виде.

Данная теория Хокинга пытается объединить в себе две противоречащие теории: классическую теорию черных дыр и теорию квантовой физики. Хотя, как заявляет сам ученый, это будет не так просто, так как для этого необходимо объединить гравитацию с другими силами природы, а это пока ученым сделать не удалось.

Источник

Три японских физика из Университета Тохоку предсказали возможность передачи энергии на большие расстояния по средствам экзотической квантовой телепортации, пишет Phys.org.

Квантовая телепортация позволяет двум изначально связанным частицам обмениваться информацией каким-то необъяснимым пока образом вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет, — если квантовое состояние одной частицы меняется, то меняется и квантовое состояние другой.

Изучение возможности телепортации изучается давно. Так, в 2008 году один из исследователей Масахиро Хотта в составе другой научной группы разработал теорию, согласно которой телепортировать можно не только информацию, но и энергию. Теоретически это обосновывается свойствами вакуума, который, как известно, не пуст — в нем постоянно возникают и тут же исчезают так называемые виртуальные частицы, среди которых есть некоторое количество связанных пар.

Однако этот метод позволяет передавать энергию только на очень небольшие расстояния, что для практического применения интереса не представляет, поскольку законы физики гласят, что чем больше энергии передается, тем меньше расстояние передачи. Хотта на этот раз обосновал способ обойти это ограничение: нужно сжать вакуум, тогда он будет порождать, тут же уничтожая большее количество виртуальных пар, что позволяет телепортировать энергию уже на практические расстояния.

В том же 2008 году, был найден способ сжимать свет, а значит, и сжимать вакуум. Таким образом, чисто теоретическая идея вполне может быть воплощена в реальности уже сейчас.

Источник

Что происходит, когда запас водорода в галактике заканчивается, и она не имеет возможности продолжать процесс звездообразования? Тогда она начинает «высасывать» его из соседей, действуя, как настоящий космический вампир. Свидетельство этого процесса обнаружили ученые при помощи телескопа GBT (Green Bank Telescope), в форме бледных «холодных потоков», которые, подобно мостам, соединяют межгалактическое пространство между галактикой NGC 6946 и ее компаньонами меньших размеров.

“Мы знали, что топливо для формирования звезд должно откуда-то приходить. Одна из самых популярных теорий: реки водорода – которые мы называем холодными потоками – могут перегонять водород через межгалактическое пространство, поддерживая звездообразование. Однако, до сих пор этот водород был слишком разреженным, чтобы мы могли его заметить”, - говорит автор исследования астроном Д. Дж. Пизано (D.J. Pisano) из Университета Восточной Вирджинии. 

NGC 6946 так же называют “Галактика Фейерверк”, из-за большого количества сверхновых в ее рукавах,- только за последние сто лет их было открыто восемь. Галактика расположена на расстоянии 22 миллиона световых лет между созвездиями Цефей и Лебедь. Высокий уровень звездообразования в NGC 6946 заставил астрономов задуматься над тем, как она (и другие галактики, похожие на нее) получают топливо. 

Одна из гипотез – что NGC 6946 пополняет запасы водорода, «отбирая» газ у менее массивных компаньонов. Благодаря возможностям GBT удалось провести наблюдения за очень слабым радио-излучением, которое идет от потоков нейтрального водорода, соединяющих NGC 6946 с галактиками-спутниками.

Еще одним возможным источником холодных потоков может являться столкновение с другой галактикой в прошлом. Однако в этом случае звезды должны были бы формироваться внутри этих волокон, чего до сих пор не наблюдалось. 

Источник

Группа ученых при помощи телескопа Subaru (Субару) открыла, что по крайней мере одна из сверхмассивных черных дыр (СМЧД), которые часто находятся в центрах галактик, остается «активной и светящейся», поглощая окружающее ее вещество. При это исследователи отмечают, что этот тип черных дыр встречается далеко не во всех сливающихся галактиках. Это может означать, что ближайшее окружение самой черной дыры влияет на ее активность больше, чем общие свойства галактики. Однако, что конкретно в окружении может оказывать такое влияние на СМЧД, пока неизвестно. 

Сверхмассивные черные дыры, - те, масса которых равна миллиону масса Солнца или больше, обитают в центрах галактик. “Слияние богатых газом галактик с СМЧД в центрах становится причиной не только активного звездообразования; но так же стимулирует аккрецию массы существующей СМЧД”, - говорится в пресс-релизе.

“Когда вещество поглощается СМЧД, аккреционный диск, окружающий черную дыру, становится очень горячим благодаря высвобождению энергии гравитации, дыра начинает ярко светиться. Этот процесс называется деятельностью активного ядра галактики; он отличается от генерирования энергии реакцией слияния ядер внутри звезд”. 

Если бы ученые смогли понять принцип, по которому различаются эти виды активности, они бы смогли узнать, как галактики сходятся вместе, однако процесс увидеть трудно из-за пыли и газа, которые блокируют обзор оптическим телескопам. Здесь помогают наблюдения в инфракрасном свете. 



Ученые использовали IRCS (Infrared Camera and Spectrograph / Инфракрасную камеру и спектрограф) телескопа Subaru и его систему адаптивной оптики в двух разных диапазонах инфракрасного света. Они наблюдали за 29 светящимися богатыми газом сливающимися галактиками в инфракрасном свете и обнаружили, что, по крайней мере, одна активная сверхмассивная черная дыра имеется во всех исследуемых галактиках, кроме одной. Однако, лишь в четырех из этих сливающихся галактик были обнаружены многочисленные активные черные дыры. 

Ученые пришли к выводу, что нужно больше знаний об окружении сверхмассивной черной дыры для того, чтобы понимать, как происходит поглощение массы. Эти знания помогут создать более точные модели слияния галактик. Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal .

Источник

Три года назад было обнаружено, что материал титанат диспрозия при низких температурах содержит коллективные электронные состояния необычного типа — в виде магнитных монополей. До сих пор концентрация монополей внутри материала была очень небольшой, что ограничивало круг задач и возможности экспериментаторов. В статье, вышедшей на днях в журнале Nature Physics, сообщается о новой методике, которая позволяет резко увеличить эту концентрацию и делает доступными для изучения многие динамические эффекты, основанные на «магнитричестве» — магнитном аналоге электрического тока.

Магнитные монополи в спиновом льду

Чем замечательны конденсированные среды — твердые тела и жидкости, — так это поразительным богатством структурных возможностей. Казалось бы, всё состоит из атомных ядер и электронов — что такого особенного из них можно создать? Оказывается, много чего! Коллектив из очень большого числа однотипных частиц, тесно расположенных в пространстве и взаимодействующих друг с другом, удобнее всего при низких температурах описывать не как набор атомов, а как коллективные возбуждения — квазичастицы — на фоне основного состояния кристалла. Несмотря на то что квазичастицы на микроскопическом уровне составлены из тех же ядер и электронов, в целом они ведут себя совсем не так, как свободные электроны или ядра в вакууме. У них даже могут появиться характеристики, которые для электронов и ядер (да и вообще для всех известных частиц) попросту невозможны.

В 2009 году семейство необычных квазичастиц пополнилось магнитными монополями. Сразу три экспериментальные группы сообщили об открытии магнитных монополей в кристаллическом материале необычного типа — в спиновом льду. Сразу же подчеркнем: речь не идет о новых элементарных частицах! Магнитные монополи в веществе — это коллективные возбуждения тех же электронов. Просто эти возбуждения устроены так, что они создают вокруг себя магнитное поле, очень напоминающее поле от отдельных магнитных зарядов, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу. Опять же, не надо думать, что эти монополи — это локализованные «кусочки» материи определенного типа. Перемещение коллективных возбуждений — это такие синхронные изменения электронов, которые издали выглядят как перескок монополя от одного атома к другому (рис. 1).

На рис. 2 показана очень приблизительная картина этого явления. Представьте себе квадратную кристаллическую решетку; в ее узлах находятся ионы, а звеньями решетки служат валентные электроны, которые обеспечивают связь между соседними ионами. Каждый такой электрон имеет спин, который может быть направлен от одного атома к другому. Взаимодействие между электронами и атомами может быть таким, что самая энергетически выгодная конфигурация — это когда в каждом узле два спина смотрят вовнутрь и два — наружу (рис. 2, слева).

Рис. 2. Простейшая схема с узлами-ядрами и электронами-звеньями, иллюстрирующая магнитные монополи в кристалле. Слева: в энергетически выгодном состоянии электроны организованы так, что в каждом узле два электронных спина смотрят внутрь, а два — наружу. В центре: если один спин развернуть, возникнут два спиновых дефекта противоположного типа. Справа: эти дефекты порождают вокруг себя магнитное поле, похожее на поле от монополя и антимонополя, которые в дальнейшем могут разойтись далеко друг от друга

Теперь представим себе, что один из спинов развернулся (рис. 2, в центре). Тогда у двух соседних узлов возникает спиновый дефект: в одном узле три спина смотрят внутрь, один — наружу, а в другом ровно наоборот. Но спин электрона связан с его магнитными свойствами, поэтому эта пара дефектов создает вокруг себя дополнительное магнитное поле. Это поле выглядит так, словно оно порождено магнитным диполем, или, условно говоря, парой монополь–антимонополь (рис. 2, справа).

И последний шаг. Если у нас уже есть пара дефектов, то можно без проблем перевернуть еще несколько спинов в соседних ячейках. Дополнительной энергии это не требует, ведь количество «дефектных» узлов не изменилось, но зато магнитное поле от всей этой группы выглядит так же, как от разошедшихся друг от друга монополя и антимонополя. Получается, монополи в этом случае — это не просто игра слов; это реально перемещающиеся по кристаллу коллективные возбуждения спиновых цепочек.

Рис. 3. Аналогичная картина спинов в более реалистичной кристаллической решетке. Вверху: переворот одного спина порождает пару монополь-антимонополь, внизу: разошедшиеся дефекты создают магнитное поле, которое вблизи каждого из них выглядит как поле от монополя. Рисунок из статьи C. Castelnovo et al. 2007. Magnetic monopoles in spin ice

В реальном спиновом льду — по крайней мере в титанате диспрозия Dy₂Ti₂O₇, классическом примере спинового льда, — кристаллическая структура чуть сложнее (рис. 1 и 3). Она напоминает не квадратную решетку, а ажурную структуру обычного льда; отсюда и берется название. Однако тут тоже между соседними узлами имеются электроны со своими спинами, и наиболее выгодное их состояние — это два спина вовнутрь, а два — наружу. Переворот спина приводит к созданию монополь-антимонопольной пары; переворот соседних спинов позволяет этой паре разойтись. Когда таких монополей и антимонополей в веществе много, они все начинают перемещаться, либо самостоятельно из-за ненулевой температуры, либо под действием внешнего поля. Всё выглядит так, словно внутри кристалла появился условный газ из монополей и антимонополей. Можно изучать термодинамику этого газа, его теплоемкость, его магнитную восприимчивость, его взаимодействие с другими характеристиками вещества и так далее. В общем, открывается совершенно новый класс задач.

Всё бы хорошо, но только до сих пор все эксперименты с магнитными монополями в спиновом льду ограничивались стационарными явлениями. Никаких динамических процессов, связанных с перетеканием магнитных зарядов (то есть с магнитным током — «магнитричеством»), напрямую обнаружено не было. Причина заключается в ограниченности экспериментальных методик. До сих пор в эксперименте получали только равновесный и очень разреженный газ магнитных монополей. Для наблюдения новых интересных эффектов нужно монополи в веществе не просто создать, а создать в неравновесном состоянии и в больших количествах.

Именно это удалось осуществить международному коллективу исследователей, чья статья появилась на днях в журнале Nature Physics. Главная изюминка их работы — это новый метод, с помощью которого удалось получить образец титаната диспрозия с очень существенной и настраиваемой концентрацией магнитных монополей. Это позволило не только обнаружить и аккуратно измерить магнитный ток, вызванный движением монополей (см. рис. 1), но и изучить его зависимость от температуры и концентрации. Тем самым открылась возможность экспериментальной проверки теорий, описывающих на атомарном уровне перемещение монополей и их взаимодействие как друг с другом, так и с другими дефектами решетки.

Магнитотепловая лавина

Сами исследователи назвали свой метод остужением за счет «магнитотепловой лавины» — еще одно непривычное для неспециалиста словосочетание, которыми пестрит эта тема. Чтобы объяснить смысл термина и обрисовать суть метода, начнем издалека — с металлургии.

Есть такое широко известное понятие — закалка стали. Раскаленную докрасна сталь опускают в холодную воду, и сталь с шипением резко остывает. Смысл этой процедуры в том, что при очень быстром охлаждении многочисленные структурные дефекты, которые есть в горячей кованой стали, не успевают сгладиться и исчезнуть, а застревают в веществе. Из-за того что концентрация структурных дефектов очень высока, они мешают друг другу перемещаться по металлу. Даже при серьезной внешней механической нагрузке эти дефекты держатся, не ползут и тем самым обеспечивают повышенную твердость и прочность всего куска стали.

Если бы сталь остывала постепенно, то эти дефекты в течение долгого времени могли бы еще перемещаться по веществу, постепенно самоустраняясь и упорядочивая кристаллическую решетку. В результате концентрация дефектов была бы не столь велика, так что они уже могли бы свободно ползти под нагрузкой и приводить к пластической деформации. Разумеется, если бы нам удалось совсем устранить все дефекты, то есть получить макроскопический монокристалл металла, это тоже было бы хорошо для повышения твердости, но опыт показывает, что в технологических процессах этот идеал недостижим.

То, что удалось сделать в новой работе, — это спиновый аналог такого процесса. Тут проблема в том, что кристалл спинового льда уже и так находится при низкой температуре (десятые доли кельвина), поэтому ни в какую воду его не засунешь. Его можно сначала нагреть, а потом охладить путем отвода тепла, но при низких температурах эта процедура довольно медленная.

Авторы новой статьи придумали вот что. Вначале они берут образец вещества с низкой температурой (0,075 К), который находится в сильном внешнем магнитном поле (рис. 4, b). Все спины в таких условиях упорядочены, дефектов практически нет. Затем исследователи быстро, примерно за секунду, меняют полярность магнитного поля. Отдельные спины не успевают подстроиться под такой быстрый переворот поля. С точки зрения взаимодействия с магнитным полем образец сначала находился в наиболее энергетически выгодном состоянии, а потом резко очутился в наиболее невыгодном состоянии. Эта лишняя магнитная энергия, которая вдруг появилась у всех спинов, тут же превращается в колебание решетки, то есть в тепловую энергию. Образец резко нагревается примерно до 0,9 К, а общая намагниченности при этом пропадает (рис. 4, c). Поскольку превращение магнитной энергии в тепловую происходит не сразу во всем объеме образца, а распространяется в виде «горячего фронта», этот эффект называется магнитотепловой лавиной.

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая остужение методом магнитотепловой лавины (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи

Образец находится в постоянном контакте с очень холодной средой, и среда эта от переполюсовки поля совершенно не нагревается. Поэтому сразу после быстрого нагрева образец умудряется так же быстро остыть (рис. 4, d). Спины при этом снова выстраиваются по полю или против поля, но поскольку остывание быстрое, они оставляют в веществе много магнитных дефектов.

Однако образец по-прежнему находится в сильном поле, а это значит, что через некоторое время все дефекты исчезнут. Поэтому следующим шагом исследователи столь же резко выключают магнитное поле. Весь цикл быстрого нагрева и охлаждения повторяется (рис. 4, e, f). На выходе получается холодный образец вещества с большой концентрацией более-менее неподвижных магнитных монополей — что и требовалось получить.

Для того чтобы этот процесс стал еще более интуитивно понятным, взгляните на рис. 5, где показана простая механическая аналогия цикла магнитотеплового нагрева и охлаждения. Если взять коробку с шариками, лежащими на дне (аналог низкой температуры), и резко перевернуть ее вверх ногами (переполюсовка), то шарики вдруг очутятся в ситуации с большой потенциальной энергией. Они начнут хаотично прыгать по коробке (высокая температура), но из-за постепенных потерь энергии, их движение постепенно «остынет». Чем менее упругий отскок, тем быстрее это остывание. К сожалению, в этой аналогии не удается показать, как появляются и замораживаются неупорядоченные состояния; если всё же хочется этого добиться, можно представить себе, что внутри коробки не воздух, а быстро затвердевающая пена, которая запечатлеет состояние прыгающих шариков.

Рис. 5. Механическая аналогия эффекта магнитотепловой лавины. Резко перевернув коробку с шариками, мы сообщаем им повышенную потенциальную энергию, которая затем превращается в беспорядочное движение — в тепло. Неупругие отскоки приводят к тому, что «температура» газа шариков постепенно падает

Дальнейшие эксперименты

Образец вещества с большой концентрацией монополей, полученный магнитотепловым лавинным методом, готов к дальнейшим экспериментам. Самый естественный из них — это измерение магнитного тока, вызванного плавным перетеканием монополей в слабом внешнем магнитном поле (рис. 1, внизу). С микроскопической точки зрения получается этакий магнитный аналог электролита: положительные магнитные заряды дрейфуют к одному краю, отрицательные — к другому. Если же смотреть на образец целиком, то перед нами — обычный процесс постепенного возникновения намагниченности образца с большой магнитной инертностью при его помещении в магнитное поле.

Как можно экспериментально убедиться, что за это намагничивание отвечает именно дрейф магнитных монополей? Нужно поставить однотипные эксперименты с разной концентрацией монополей или с разной их подвижностью и измерить скорость намагничивания образца. Этого добиться несложно. Разную концентрацию можно получить, варьируя скорость охлаждения (быстрое охлаждение — много монополей, медленное — мало), а подвижность — изменяя температуру, при которой проводятся измерения (чем ниже температура, чем меньше подвижность).

Исследователи поставили такой эксперимент и действительно обнаружили существенную зависимость скорости намагничивания от быстроты охлаждения и от конечной температуры. На рис. 6 показана намагниченность образца в расчете на один атом диспрозия в зависимости от времени. Красным цветом показаны последствия магнитотепловой лавины, синим — обычного охлаждения со скоростью 0,3 мК/с (то есть примерно 1 кельвин в час). Красный график поднимается раньше синего, и чем ниже температура, тем сильнее это отличие. Например, при температуре 0,3 К намагниченность для лавинного метода вырастает до половины величины примерно за пару часов, а для обычного метода охлаждения — за треть суток. При 0,2 К разница еще разительнее.

Рис. 6. Зависимость намагниченности от времени при разных температурах и разных вариантах охлаждения. Изображение из обсуждаемой статьи

Такая зависимость имеет вполне естественное объяснение. При лавинном охлаждении в объеме вещества уже присутствует очень много монополей, которые просто перетекают к противоположным торцам образца. При обычном же охлаждении концентрация намного меньше, исходных монополей для полного намагничивания не хватает, и поэтому с течением времени там нарождаются новые монополь-антимонопольные пары, которые постепенно расходятся по краям. Чем ниже температура, тем труднее этот процесс, и поэтому намагничивание обычного образца резко замедляется. А лавинному методу такие дополнительные монополь-антимонопольные пары не нужны, и образец намагничивается намного быстрее.

На том же рис. 6 при температуре 0,5–0,6 К можно разглядеть еще одну особенность. Если охлаждение было обычным, то кривая плавно поднимается с нуля то некоторого предела. Если охлаждение было лавинным, то сначала идет подъем, а под конец — едва заметный спуск к предельному значению. Это указывает на то, что при высокой концентрации монополей магнитный ток сначала «перестарался» с магнитной зарядкой образца, а потом чуть-чуть сбрасывает намагниченность. Какова микроскопическая причина этого эффекта — пока не совсем ясно, но он явно указывает на некую нестационарность состояния с большой концентрацией монополей.

Новая методика открывает широкие перспективы для изучения этого нового необычного состояния вещества. Благодаря ей появилась возможность не просто получать газ из магнитных монополей, которые блуждают по кристаллу, но и управлять их концентрацией, вплоть до того, чтобы этот газ стал неравновесным. Открывается доступ к экспериментальному изучению самых разнообразных нестационарных явлений с отдельными монополями — что до сих пор не было возможно ни в каком виде. Эти исследования могут найти даже практические применения. Сейчас большие усилия тратятся на развитие технологий на основе спинтроники — разновидности информационных технологий, в которых ключевую роль играет не перемещение зарядов, а изменение спинов электронов (см. пример в новости Магнитная память «на беговой дорожке»: быстро, дешево и надежно, «Элементы», 29.04.2008). Магнитными монополями для этих же целей вряд ли удастся воспользоваться в ближайшем будущем — всё-таки температуры порядка кельвина пока не очень удобны для практических применений. Однако новые эксперименты позволят еще лучше понять динамику магнитных дефектов в веществе — а вот в этом аспекте доменные стенки, которые используются в спинтронике, и монополи очень близки.

Источник

Нанотехнологии процветают. Компьютерные компоненты день ото дня становятся всё меньше и точнее. Одна из наиболее перспективных разработок - это так называемый квантовый компьютер. Долгое время это была всего лишь теоретическая модель, рассчитанная по законам квантовой механики. Решающее значение здесь имеет контроль над единичными атомами. И ученые из Кильского университета (Германия) впервые смогли перемещать отдельные атомы по вертикали внутри кристалла. Попутно физики обнаружили метод измерения "транзисторного" поведения индивидуальных атомов.

Одним из наиболее популярных и хорошо изученных материалов для пьезо-, микро- и оптоэлектронных устройств является оксид цинка (ZnO). В качестве полупроводника его используют в светодиодах и жидкокристаллических экранах, в виде нанопроволоки - в электроизмерительных приборах. Некоторые свойства ZnO до сих пор непонятны - например, почему он проводит электричество.

Работая над этой загадкой, доктор Хао Чжэн (Hao Zheng) из Института экспериментальной и прикладной физики при университете анализировал оксид цинка с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Этот прибор показывает атомарную структуру кристаллов.

И там, на неровной поверхности ZnO, обнаружились структуры правильной круглой формы. "Мы выяснили, что это - результат неправильного расположения атомов цинка в кристаллической решетке", - рассказывает Чжэн.

На каждом из обнаруженных атомов имелось два кольца - явный признак того, что они способны отдавать по два электрона. "Мы изучили всю научную литературу - до сих пор никому не удавалось объяснить, почему оксид цинка проводит электричество. Рассуждая логически, мы решили, что причина этого явления - в отдельных атомах цинка, рассеянных по материалу", - говорит ученый.

В ходе дальнейших исследований доктор Чжэн узнал, что размер колец можно менять экспериментальным образом. Он обратился за помощью к своему коллеге Вайсманну, специалисту по математическому моделированию. Построенная им модель указала на то, что диаметр колец сообщает нечто о глубине слоя атомов под поверхностью. Более того, Чжэн открыл способ сдвигать отдельные атомы в кристалле с максимальной точностью (в атомарном масштабе); этот метод пригодится для конструирования новых наноструктур в лабораторных условиях.

Источник

Симметрия — одна из древнейших идей, двигающих науку. Еще Платон связывал основные первоэлементы творения с симметричными телами, которые мы нынче зовем тетраэдром, кубом, октаэдром, додекаэдром и икосаэдром.

Ьез симметрии немыслима кристаллография, да и саму жизнь сложно представить без понятия о симметрии. Ведь хорошо известно, что все аминокислоты» из которых состоят белки нашего тела, хиральны. То есть их молекула не совпадает в пространстве со своим же зеркальным отражением. Это так называемая оптическая изомерия. Все аминокислоты человека — «левые» изомеры. Невнимание к таким молекулам иногда приводит к трагедиям: хорошо известна чалидомидовая трагедия, когда препарат талидомид, прописываемый беременным как снотворное, вдруг вызвал рождение тысяч младенцев с врожденными уродствами, Выяснилось, что молекула талидомида хиральна, при этом один изомер был лекарством, а другой оказывал тератогенное действие на ранних стадиях беременности.

Симметрия всегда интересовала физиков — ведь многие физические законы ею обладали. А когда симме трия нарушалась, это становилось поводом к новому открытию. К примеру, нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, в котором калибровочные бозоны, в отличие от фотонов, вдруг обретают массу, привело Питера Хиггса к созданию механизма нарушения симметрии и введению понятия поля Хиггса и бозона Хиггса, благодаря которым частицы обретают массу. И к Нобелевской премии тоже.

Теперь физики ищут суперсимметрию. Гипотеза о суперсимметрии связывает бозоны (частицы-переносчики взаимодействий е целым спином, такие, как фотон или бозон Хиггса) и фермионы (частицы с полуцелым значением спина, такие как кварки или электроны). Фактически гипотеза суперсимметрии говорит, что фермионы с бозонами могут превращаться друг в друга, вещество может превращаться во взаимодействие — и наоборот.

Согласно этой теории, у частиц есть пока не открытые еще частицы-суперпартнеры, которые должны быть очень тяжелыми. Одна из таких частиц, нейтрально, — вероятный кандидат на роль частиц темной материи, которой в нашей Вселенной гораздо больше, чем видимого вещества.

На Большом адронном коллайдере активно ищут частицы-суперпартнеры, однако эксперименты пока показывают, что сумерсимметрия скорее не подтверждается, чем существует. Но исследования еще продолжаются.

Источник

О том, что это совсем новое веяние в физике, говорит хотя бы то, что у него нет устоявшегося русского названия. Пo-английски всё однозначно: Quantum Entanglement. А вот по-русски,,. Квантовая нелояльность, квантовая сцепленность, запутанные квантовые состояния… Кажется, постепенно побеждает термин «квантовая запутанность».

Известно, что один из главных принципов квантового мира — принцип неопределенности Гейзенберга, по которому нельзя одновременно точно измерить две описываемые некоммутирующими операторами характеристики квантовой частицы, например импульс и координаты. Квантовый мир оказался «размазанным» по вероятностям; частица существует во всех состояниях сразу, а измерение необратимо «охлопывает» эти вероятности до одной, но заранее предсказать точно характеристики частицы невозможно. Помните кота Шрёдингера? В ящике с котом то ли есть, то отсутствует ядовитый газ, поступающий в ящик по команде распадающеюся с вероятностью 50% атома. То есть кот одновременно и жив, и мертв до тех лор, пока мы не открыли крышку ящика. Великий Эйнштейн не мог смириться г таким «зыбким» миром, и в 1927 году в Брюсселе у него случился знаменитый спор г Бором. Именно тогда Эйнштейн бросил свою знаменитую фразу о том, что Бог не играет в кости, а Бор посоветовал ему не указывать Богу, что тому делать. Именно по итогам этой дискуссии восемь лет спустя появился знаменитый мысленный эксперимент Эйнштейна — Подольского — Розена, в котором физики вроде придумали, как завести в тупик принцип неопределенности. В эксперименте рождались две частицы с общими свойствами, а после того как они разлетались на достаточно далекое расстояние, исключающее взаимодействие, измерялись характеристики одной частицы. Поскол ьку вторая частица была связана («запутана») с первой, можно было определить и состояние второй…

Казалось бы, физическое жульничество великого ученого должно было сработать. Но уже в 1970-1980-х годах стало ясно: ничего подобного! В 2011 году швейцарские физики разнесли пару запутанных фотонов на расстояние 18 км, но одна из частиц всё равно мгновенно «чувствовала», что физики измеряют параметры се компаньонки. Если бы взаимодействие между ними происходило, оно распространялось бы в 100 тыс раз быстрее скорости света. Именно квантовое запутывание лежит в основе таких «модных» в физике и технике направлений, как квантовая телепортация, квантовый компьютер и квантовая криптография.

Источник