Новости науки

Новому владельцу книга обошлась в 2,5 миллиона долларов.

С тех пор, как в 1979 году зонду Pioneer 11 удалось получить первые результаты наблюдений за Сатурном, о динамике магнитосферы газового гиганта удалось узнать очень много. Глубинные наблюдения, которыми занимается орбитальный зонд Cassini, кружащий над Сатурном с 2004 года, помогли обнаружить фундаментальную разницу между поведением магнитосфер Сатурна и Земли.

Земная магнитосфера в основном состоит из ионов, пойманных в плен солнечным ветром, в то время как плазма Сатурна – это, по большей части водный пар, который извергается из мощных гейзеров, которые находятся в южной части ледяной луны Энцелада. Ионизированный водный пар от Энцелада устремляется к Сатурну со скоростью от 12 до 250 килограммов в секунду, однако наблюдения показывают, что концентрация плазмы в магнитосфере Сатурна находится на относительно постоянном уровне. Это несоответствие заставляет ученых заниматься поисками механизма, который приводит к потере плазмы. В обзоре Томсен освещает прогресс в понимании этого процесса, которого удалось достичь за последние годы.

Автор считает, что главная сила, которая «уводит» плазму из магнитосферы Сатурна, - это быстрое вращение планеты вокруг собственной оси (она совершает полный оборот всего за 10,7 часов): оно создает течения в магнитосфере, которые выводят плазму за ее пределы. Эти течения не производят общего потока: наблюдения показали взаимосвязанные потоки холодной плазмы внутри магнитосферы, которые идут наружу, и горячие потоки плазмы снаружи, которые занимают их место. Как только этот поток достигает внешней магнитосферы, по словам автора, плазма теряется в солнечном ветре, пересекая границу магнитосферы или же будучи сметенной магнитным шлейфом.

Наблюдения, которые были сделаны при помощи орбитального зонда Cassini, показали, что масса теряется из-за магнитного перезамыкания в магнитном хвосте, однако текущее состояние магнитосферы говорит о том, что этого механизма недостаточно для того, чтобы вывести такое количество плазмы из внутренней магнитосферы.

Источник

В то время миссия Dawn приближается все ближе к своей цели: карликовой планете Церера, «свидание» с которой назначено на начало 2015 года, ученые все с большим жаром обсуждают, что же может увидеть там спутник. 

Вращаясь в кольце астероидов, расположенная в три раза дальше, чем Земля, от Солнца, Церрера, как считается, имеет ледяную мантию, которая составляет приблизительно одну треть ее массы. 

Если смотреть на Цереру через телескоп, она не представляет большого интереса. Ученые могут использовать свет, отраженный от объекта, чтобы изучить его состав. "Церера в основном кажется черной, потому что она отражает большую часть цветов более или менее одинаково, и вообще отражает очень мало света", - говорит Энди Ривкин (Andy Rivkin), Лаборатория Прикладной Физики Университета Джона Хопкинса. 

Даже инфракрасный спектр, который обычно дает больше информации об астероидах, таких, как Веста – первая остановка Dawn — почти не дал никакой информации о составе Цереры. Кое-какие сведения о поверхности карликовой планеты ученым удалось получить при помощи таких приборов, как SpeX, установленный на Комплексе Инфракрасного Телескопа (IRTF) на Гавайях. 

Эти наблюдения позволяют предположить наличие в поверхности Цереры бруситов, гидроксильной группы и еще двух элементов, которые, по словам Ривкина, похожи на углеродные минералы. Это делает Цереру единственной планетой, кроме Марса и Земли, на которой удалось найти карбонаты.

Ученые считают, что вода взаимодействует с минералами, которые формируются из бруситов и карбонатов. Однако вода, в которой, как считается, может зарождаться жизнь, не может существовать на поверхности карликовой планеты в твердой или жидкой форме. 

"Мы не видим свидетельств того, что на поверхности Цереры есть лед. Однако, условия под поверхностью планеты, возможно, благоприятствуют тому, что лед остается там."

В то же время, наблюдения космического телескопа Hubble и теоретические данные, такие, как плотность планеты, позволяют предположить, что лед существует там, и в большом количестве. 

"Получается интересный парадокс. Мы считаем, что там должно быть много льда, но не видим его на поверхности", - говорит Ривкин. 

Когда Dawn приблизился к Весте в середине 2011 года, ученые уже предполагали, что может найти там космический аппарат, благодаря тому, что осколки астероида раскололись и упали на Землю какое-то время назад в форме метеоритов. Сравнивая состав метеоритов в лабораториях с составом космических метеоритов, ученые смогли определить, откуда они взялись. 

"Мы уверены, что у нас еще пока не имеется метеоритов с Цереры, поэтому у нас нет той ниточки, которая была путеводной в случае с Вестой. В этом смысле Dawn ступит на действительно незнакомую территорию", - говорит Ривкин. Однако, космический аппарат не летит вслепую. Несмотря на то, что образцов поверхности Цереры у ученых нет, они используют другие метеориты, чтобы предположить, из чего может состоять карликовая планета. 

Две соперничающие друг с другом теории предлагают две причины, по которым карбонаты оказались на поверхности планеты. 

Первая из теорий строится на том, что когда-то Церера, как все планеты нормального размера, была собранием пыли и газа, которое в диске вращалось по орбите вокруг Солнца. Гравитация собрала вместе различные компоненты, и это собрание выросло в карликовую планету (если бы не разрушительное присутствие Юпитера, Церера могла бы вырасти в полноценную планету). Во время ее формирования лед и скалистые породы разделились, и каменистая кора ушла вниз под лед и воду. Однако Церера расположена слишком близко к Солнцу, чтобы лед мог оставаться на ее поверхности, особенно в области экватора, - в то же время, он все еще может находиться в полярных районах

"Затем этот лед начал сублимироваться, оставив после себя все, что в нем было", - говорит Ривкин, - имея в виду бруситы и карбонаты, которые можно видеть на поверхности. 

Другая теория считает, что отверстия в скалистой поверхности Цереры образовались в результате ударов или естественных стрессов. Ледяная лава, которая выходила на поверхность, тянула за собой бруситы и карбонаты. Когда лед сублимировался, эти вещества остались на поверхности. 

"Надеюсь, мы сможем определить, какой из этих процессов происходит на Церере", - говорит Ривкин.

Источник

Квантовая физика – это увлекательный, однако сложный для понимания предмет, и больше всего сложностей у студентов возникает с пониманием квантовой запутанности. Это свойство элементарных частиц заключается в том, что две частицы синхронно меняют состояние без участия какого либо переносчика взаимодействия; их мир нелокален. 

Может ли квантовая запутанность, которую ненавидел Эйнштейн, называя ее «кошмарным дальнодействием», определять природу гравитации?

Джулиан Соннер (Julian Sonner), исследователь из Массачусетского Института Технологий, руководил исследованием, в основу которого была положена теория струн. Он смог доказать, что запутывание двух кварков создает кротовую нору, которая соединяет эти кварки. 

До сих пор было очень трудно объяснить гравитацию в терминах квантовой механики. Если бы это удалось, можно было бы создать единую теорию.

“В квантовой гравитации существует несколько щекотливых моментов, которые недоступны нашему пониманию,” – говорит Соннер. 

Квантовая запутанность очень сложна для понимания, так как ее скорость превышает скорость света, что очень трудно объяснить, учитывая общую относительность Эйнштейна (пределы скорости до сих пор исследуются, конечно, вот почему ученые были так взволнованы, когда оказалось, что частицы могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в 2011 году; позже результаты этого эксперимента аннулировали, заявив, что датчик был неисправен). 

Вот каким образом проходило новое исследование: 

-Соннер изучил труд, написанный учеными Хуаном Малдацена (Juan Maldacena) и Леонардом Сасскиндом (Leonard Susskind). Физики проводили исследование того, как будут вести себя запутанные черные дыры. “Когда черные дыры запутали, а затем разделили, теоретики обнаружили, что в результате образовалась кротовая нора – туннель во времени-пространстве, который, как считалось, держится за счет гравитации. Было высказано предположение, что в случае с кротовыми норами, гравитация происходит благодаря более фундаментальному феномену запутанных черных дыр,” – утверждает Массачусетский Институт Технологий. 

- Затем Соннер решил создать кварки, чтобы увидеть, сможет ли он наблюдать за тем, что происходит, когда они запутаны друг с другом. Используя электрическое поле, он рассмотрел возникновение пары квантово запутанных частиц (кварков) из вакуума при помощи эффекта Швингера (появления пар частиц «из ничего» под действием электрического поля). 

Затем он «нанёс их на карту» в четырёхмерном пространстве (три измерения плюс время). Однако гравитация, с точки зрения такого подхода, - это пятое измерение, и чтобы увидеть, что за геометрия может возникнуть в пятом измерении от запутанных частиц в четвёртом, ученый использовал концепцию голографической дуальности. Хотя голограмма — объект двухмерный, она содержит всю информацию, важную для воспроизведения трёхмерного объекта.

И именно тогда Соннер обнаружил, что следствия дуальности указывают на то, что между кварками создается кротовая нора. Получается, что сама гравитация может быть следствием запутанности этих частиц, и что само воздействие на Вселенную или ее искривление гравитацией может быть следствием запутывания. 

“На сегодняшний день – это самое фундаментальное описание, в котором запутанность ведет к рождению особого вида геометрии. Что случится, если какая-то часть этого запутывания будет потеряна? Что произойдет с геометрией? Очень много вариантов, которые надо исследовать, и в этом смысле данная работа может оказать большую помощь,” – утверждает Соннер.

Источник

Ученые из Университета Аризоны обнаружили самую удаленную от нас на данный момент из обнаруженных планету, которая вращается по орбите вокруг одной, похожей на Солнце, звезды. 

Масс этой планеты в 11 раз больше массы Юпитера; она вращается вокруг своей звезды на расстоянии, которое примерно в 650 раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Объект HD 106906 b не похож ни на одну из планет Солнечной Системы; его существование не вписывается ни в одну из теорий формирования планет. 

"Эта система вызывает особый интерес, потому что ни одна из моделей образования звезд или планет не объясняет всего, что мы видим," – говорит Ванесса Бейли (Vanessa Bailey), руководитель исследования. 

Считается, что планеты, расположенные близко от своих звезд, как наша Земля, образуются в результате слияния небольших объектов, подобных астероидам, в начальном диске пыли и газа, окружающем формирующуюся звезду. Однако, этот процесс происходит очень медленно для того, чтобы гигантская планета могла образоваться далеко от своей звезды. Еще один предполагаемый механизм: гигантские планеты могут формироваться напрямую в результате коллапса веества диска. Однако, во внешнем досягаемом окружении дисков редко содержится достаточное количество массы для того, чтобы могла сформироваться планета, подобная HD 106906 b. Было выдвинуто еще несколько альтернативных гипотез, в том числе формирование в виде мини-системы двойной звезды. 

"Система двойной звезды формируется, когда два смежных скопления газа сжимаются более или менее независимо друг от друга и формируют звезды, и эти звезды расположены достаточно близко друг к другу, чтобы притягиваться друг к другу силами гравитации, которые связывают их на орбите", - объясняет Бейли. "Возможно, что в случае с системой HD 106906 звезда и планета сжались независимо друг от друга из газовых скоплений, однако по какой-то причине в скоплении газа, из которого позже образовалась планета, не хватило вещества для того, чтобы сформировалась звезда."

Согласно Бейли, единственной проблемой, которая ставит под сомнение данный сценарий, является то, что соотношение масс звезд в двойной системе обычно не превышает 10-к-1, а в данном случае это соотношение больше, чем сто к одному. 

Так же эта система представляет интерес по причине того, что ученые все еще могут обнаружить остаточный «диск осколков» вещества, оставшегося после образования планеты и звезды. 

Возраст планеты около 13 миллионов лет: она еще достаточно молода, чтобы светиться от тепла – остаточный эффект ее формирования. Так как температура около 1500 градусов Цельсия означает, что эта планета намного холоднее, чем ее звезда, большую часть своей энергии она испускает в инфракрасном, а не в видимом свете. Для сравнения, Земля, которая сформировалась 4,5 миллиарда лет назад, примерно в 350 раз старше, чем HD 106906 b.

Источник

Рентген-лучи, которые идут к Земле из области рядом с нейтронной звездой, которая «поедает» звезду, расположенную рядом с ней, помогли открыть самую молодую из известных рентгеновскую двойную звездную систему. Результаты исследования, посвященного ей, были опубликованы на этой неделе в еженедельном выпуске Astrophysical Journal.

С помощью данных рентгеновской обсерватории Chandra X-ray ученые смогли определить возраст этой пары, которую назвали Circinus X-1.

"Меня привело в замешательство необычно сильное развитие орбиты Circinus X-1 с того момента, как я закончил школу. Открытие, которое удалось сделать сегодня – о том, насколько «юной» является эта звездная система, - все объясняет: судя по всему, система стабилизируется после своего взрывного рождения", - говорит Нил Брандт (Niel Brandt), Почетный Профессор астрономии и астрофизики. 

Команда исследователей, которой руководил Себастьян Хайнц (Sebastian Heinz) из университета Висонсина-Мэдисона, определила, что возраст Circinus X-1 –менее 4600 лет. "Двойные рентгеновские звездные системы дают нам возможность изучить материю в экстремальных условиях, которые невозможно воссоздать в лаборатории. Впервые мы можем изучить молодую нейтронную звезду в рентгеновской двойной," – говорит Хайнц.

Рентгеновские двойные – это звездные системы, которые состоят из двух частей: компактных звездных останков – нейтронной звезды или черной дыры, и звезды-компаньона: нормальной звезды, подобной нашему Солнцу. Новое открытие, которое было сделано параллельно при помощи радиотелескопа в Австралии, дает ученым уникальный шанс заглянуть внутрь формирования нейтронных звезд и сверхновых, и понаблюдать за эффектом, который взрыв сверхновой оказывает на ближайшую к ней звезду. Так как два объекта вращаются по орбите друг вокруг друга, нейтронная звезда или черная дыра тянет газ из звезды-компаньона, нагревая его до температуры в миллионы градусов и испуская интенсивное рентген-излучение; таким образом, эти звездные системы становятся самыми яркими источниками рентген-лучей в космосе. 

Чтобы определить возраст Circinus X-1, астрономам нужно было исследовать вещество вокруг пары звезд. Однако, слишком сильная яркость нейтронной звезды затрудняла наблюдения за межзвездным газом. Однако, недавно ученым повезло, - они поймали нейтронную звезду, когда ее яркость уменьшилась настолько, что ученые смогли обнаружить рентген-лучи, которые испускала ударная волна сверхновой; - эти лучи пробивались через окружающий межзвездный газ. 

Юный возраст Circinus X-1 объясняет частые и сильные изменения ее яркости и необычную орбиту двух звезд, которая в течение многих лет приводила в недоумение Брандта и других астрономов: "В такой молодой системе, в которой совсем недавно произошел взрыв сверхновой, орбита и должна быть эксцентричной: угол наклона оси вращения нейтронной звезды и орбитальных осей двойной системы, скорее всего, будет довольно сильно смещен. Это смещение с течением времени вызовет изменения, которые, возможно, помогут объяснить особенности сильных долговременных изменений рентген-излучения, которые мы наблюдаем в системе Circinus X-1."

Это исследование помогает понять почему орбитальный период двух звезд Circinus X-1 уменьшается на несколько минут с каждым годом. Брандт объясняет, что эта динамика, возможно, и является поведением, нормальным для молодой двойной рентгеновской двойной, на которую повлиял взрыв сверхновой: в данном случае у звезд просто не было достаточно времени, чтобы полностью стабилизировать орбиты.

Источник

В центре отдаленной галактики две черные дыры, связанные друг с другом силой притяжения, возможно, начинают сливаться, - именно к такому заключению пришли астрономы, изучая загадочное поведение объекта, известного как WISE J233237.05-505643.5, - по имени Широкоугольного Инфракрасного Обзорного Исследователя NASA – WISE, благодаря которому удалось его обнаружить. Последующие наблюдения велись с помощью сети австралийских радиотелескопов ATCA (Australian Telescope Compact Array) и оптического телескопа Gemini South telescope , который находится в Чили. 

“Мы считаем, что одна черная дыра раскачивает джет другой, - похоже на танец с лентами. Если это на самом деле так, тогда две дыры находятся действительно близко друг от друга и связаны гравитацией,” – утверждает руководитель исследования Ча-Вей Цай (Chao-Wei Tsai), который работает в Лаборатории Реактивного Движения NASA Jet Propulsion. 

“Танец этого дуэта черных дыр начинается медленно, два объекта кружат на расстоянии около нескольких тысяч световых лет. Пока совсем небольшое количество сверхмассивных черных дыр удалось поймать на этой ранней стадии слияния. Продолжая двигаться по спирали друг к другу, черные дыры сближаются, постепенно расстояние между ними достигает несколько световых лет”, - добавляет NASA в пресс-релизе.

Источник

Ученым Института ядерной физики имени Будкера (ИЯФ) Сибирского отделения РАН удалось разогреть термоядерную плазму до рекордных показателей - 4,5 миллиона градусов Кельвина (400 электрон-вольт). "Это примерно в 1,5-2 раза больше, чем удавалось достигнуть на похожих установках в мире до сих пор", - цитирует ИТАР-ТАСС заместителя директора института Александра Иванова.

Новосибирские физики подтвердили возможность создания нейтронных генераторов и реакторов ядерного синтеза. Иванов добавил: "Это некий пропуск в дебри температурной плазмы. В ближайшей перспективе при такой температуре, которая достигнута, можем говорить о сооружении очень мощного нейтронного генератора. Сейчас это не под силу ни одной другой установке в мире". Получается, что этот результат - важный шаг на пути к термоядерной энергетике.

Рекордная температура была достигнута в ИЯФ в ходе экспериментов в ноябре. Достижение многократно повторили, убедившись в правильности результатов, и затем сибирские ученые посчитали возможным рассказать об успехах.

"Достигнутая электронная температура дает возможность достичь главного компонента - удержания тяжелых ионов, которые участвуют в реакции (термоядерного) синтеза", - пояснил заведующий лабораторией ИЯФ Петр Багрянский, руководитель работ на установке. Он отметил, что разогреть плазму удалось благодаря разработке нижегородского Института прикладной физики РАН - мощному источнику микроволнового излучения, передает "Интерфакс".

Багрянский отметил, что в результате экспериментов удалось достичь времени удержания плазмы около 10 миллисекунд. В свою очередь, Иванов подчеркнул, что мощность нейтронного пучка составляет 1 МВт на 1 кв. м, что эквивалентно параметрам строящегося реактора ITER. ITER, общая стоимость которого составляет около 10 млрд долларов, сооружается во Франции, он призван доказать научно-техническую осуществимость использования энергии термоядерного синтеза в промышленных масштабах.

В проекте ITER участвуют: страны ЕС, Китай, Индия, Россия, США, Южная Корея и Япония. Евросоюз должен обеспечить 40% стоимости проекта, остальные страны вкладывают по 10% каждая. Основная часть вложений осуществляется в натуральной форме - поставками оборудования.

ИЯФ СО РАН - крупнейший академический институт страны. Там ведутся исследования в области физики высоких энергий, элементарных частиц, плазмы и управляемого термоядерного синтеза, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах.

Источник

Самая холодная частица во Вселенной – бозон. Ученые давно пытаются изучить ее свойства и процессы, происходящие с ней.

Когда частица “бозон Хиггса“ охлаждается почти до абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию), они образуют газ. Это изменение состояния известно как конденсат Бозе-Эйнштейна.

Исследователи из Ноттингемского университета создали компьютерную программу, которая показывает, что происходит во время этого процесса. Они надеются, что новые данные помогут при изучении газа и атомных процессов, способствуют продвижению квантовых вычислений и точности измерения.

В связи с прорывом в методах визуализации вскоре можно будет внимательно изучить одни из самых холодных во Вселенной частиц. До сих пор заниматься изучением вопроса о температурах, близких к абсолютному нулю, было сложно, так как энергия света от камер вызывала нагревание.

Физики из Ноттингемского университета впервые создали программу, которая показывает, как ведут себя частицы, при этом не нагреваясь. Когда частицы бозон охлаждаются почти до абсолютного нуля, они превращаются в газ. Исследователи впервые смоделировали, как вещество ведет себя при этом и разработали способ дольше изучать его, не подвергая даже минимальному воздействию тепла.

Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой новое состояние материи и является краеугольным камнем в квантовой физике. Он, по мнению ученых, сможет повысить точность некоторых детекторов, изучающих вращение, ускорение, гравитацию.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна имеют нулевую вязкость. Их образцы были созданы вручную в середине 1990-х годов. Новый способ их визуализации – офф-резонансный свет, энергия лазера отбивается от атомов и не нагревает их. Но это дает ученым очень мало времени для изучения частиц, поэтому сейчас идет работа над созданием еще более совершенных методов визуализации. Теперь ученым легче изучать атомные процессы.

Исследование космоса имеет большое будущее. Например, изучение частиц нейтрино откроет новую эру в астрономии. Эти частицы рождены за пределами Солнечной системы и настолько высокоэнергетичны, что могут пронизать Землю насквозь. Ученым из нейтрино-обсерватории на Южном полюсе удалось “поймать“ эти неуловимые частицы: при столкновении с молекулами воды (то есть со льдом) они издают слабое синее свечение. Уже зафиксировано 28 случаев прохождения нейтрино в толще льда, в которой находится обсерватория.

Источник

Космический телескоп Hubble (Хаббл) обнаружил воду в атмосферах пяти планет, находящихся за пределами Солнечной Системы. 

Все эти экзопланеты являются очень горячими объектами, размеры которых сравнимы с Юпитером, - на таких, как нам известно, жизнь не может существовать. Однако тот факт, что ученые смогли обнаружить воду в их атмосферах, означает значительный шаг вперед в поиске планет, пригодных для жизни.

"Мы совершенно твердо уверены в том, что нашли сигнатуры воды. Эта работа означает, что теперь мы сможем начать сравнение: сколько воды присутствует в атмосферах разных типов экзопланет: например, противопоставляя более горячие более холодным", - говорит Эйви Мэнделл (Avi Mandell), сотрудник Центра Космических Полетов Годдарда и ведущий автор одного из исследований. 

Две команды ученых использовали Широкоугольную Камеру 3 телескопа Hubble для того, чтобы анализировать звездный свет, который проходит сквозь атмосферу пяти «горячих Юпитеров», - планет, известных как WASP-17b, HD209458b, WASP-12b, WASP-19b и XO-1b.

В атмосферах всех пяти ученые обнаружили признаки воды, самые сильные сигнатуры показали атмосферы WASP-17b и HD209458b.

"Изучить атмосферу экзопланеты – очень трудная задача. Однако нам удалось получить очень четкие сигналы, - это вода", - заявляет Дрейк Деминг (Drake Deming), автор второго исследования. Считается, что вода обычно присутствует в атмосферах экзопланет; до этого ее уже удавалось обнаружить в воздухе некоторых удаленных миров. Однако в новой работе ученые впервые детально измерили и сравнили ее присутствие в атмосфере нескольких планет одновременно. Во всех случаях сигнатуры воды были не такими заметными, как ожидалось, возможно, из-за того, что «горячие Юпитеры» окружены пылью. 

"Эти исследования и другие наблюдения Hubble показывют нам, что существует немало систем, в которых сигналы присутствия воды мало заметны или вовсе отсутствуют. Это позволяет предположить что облачные или туманные атмосферы типичны для горячих Юпитеров", - приходит к заключению соавтор Деминга Хизер Настон (Heather Knutson), сотрудница Технологического Института Калифорнии. 
Источник

Расколотая надвое современная физика описывает мир субатомных частиц и мир гигантских космических объектов разными теориями, которые никак не соотносятся друг с другом, но идеально подходят для своих целей. Великий Альберт Эйнштейн, который был ярым противником квантовой физики, бывшей в его времена ещё экстравагантной новинкой, создал знаменитую Теорию относительности, которую впоследствии дополняло не одно поколение учёных.

Эйнштейновскими теориями исследователи описывают явления, которые разворачиваются в макромире — то есть в космическом пространстве. Модель, составленная легендарным физиком, предполагает, что некоторые небесные тела столь массивны, что гравитационно искривляют пространство-время. А всё, что способно хоть минимально изменить привычный нам ход событий, наталкивает на идеи о фантастических путешествиях во времени, которые действительно в один прекрасный день могут стать реальностью.

В другом "углу ринга" стоит квантовая механика и её сторонники. Это невероятно точный раздел современной физики, описывающий поведение не гигантских звёзд и чёрных дыр, а микроскопических элементарных частиц. Несмотря на то, что обе теории верны, они совершенно не соотносятся друг с другом: квантовая механика не способна предсказать поведение галактик, а Эйнштейн не сумеет описать поведение субатомной частицы в квантовой системе.

На протяжении долгих десятилетий многие поколения физиков пытаются примирить враждующие теории и создать некую единую модель. Ведь природа играет по каким-то одним правилам и просто не может подстраивать их под размеры взаимодействующих тел, будь то чёрная дыра или протон.

Некоторые исследователи в определённой степени достигли успеха в объединении макро- и микромира. Новейшая работа физиков-теоретиков из США является математической, то есть гипотетической моделью, но всё же вполне убедительно объединяет ОТО и квантовую механику.

Чтобы понять, о чём написали физики в свой статье, которая вышла в журнале Physical Review Letters, необходимо разобраться с несколькими понятиями. Первое из них пришло из квантовой механики и называется квантовой запутанностью.

Здесь проще начать с примера. Представьте себе, что вы берёте в руки монетку и подбрасываете её в воздух. У монетки две стороны — "орёл" и "решка". Спустя пару секунд, вы ловите монетку и приземляете её у себя на ладони, затем смотрите и видите лишь одну сторону.

Примерно то же самое происходит и с элементарными частицами в квантовой системе. Допустим, частица вращается в двух направлениях одновременно, назовём их направлением "орёл" и направлением "решка". Когда вы решаете "взглянуть" на частицу, то есть измерить её квантовое состояние, то окажется, что она находится лишь в одном состоянии, хотя до того, как вы вмешались, их было два.

Теперь чуть сложнее. Специалисты в области квантовой физики запросто могут себе представить две частицы (в некоторых случаях, две части одной частицы), разделённые миллиардами световых лет, но связанные некой таинственной квантовой связью — запутанностью. Пусть они обе находятся на разных концах Вселенной и обе вращаются в двух направлениях одновременно. В какой-то момент некий физик измеряет квантовое состояние одной из них и определяет, что оно эквивалентно "орлу". С уверенностью можно заявить, что частица на противоположном конце Вселенной находится в квантовом состоянии "решка".

В действительности, частицы в квантовой системе больше напоминают не двухсторонние монетки, а шестигранные игральные кости. По этому поводу Эйнштейн когда-то сказал, "Бог не играет в кости". Спустя много лет другой, не менее известный физик Стивен Хокинг ответил: "Бог не только играет в кости, но и забрасывает их туда, где их не видят".

Другое явление, важное для понимания новой модели, называется червоточиной или кротовой норой. Этот термин пришёл из макромира и существует лишь благодаря Теории относительности Эйнштейна, предполагающей гравитационное искривление пространства-времени.

Если некий объект, к примеру, чёрная дыра, достаточно массивен, то он способен создать в пространстве-времени туннель, который ничто не может покинуть. Две чёрные дыры, удалённые друг от друга на большое расстояние, создают между собой трубу, по которой гипотетически можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени.

На первый взгляд, оба этих явления (квантовая запутанность и червоточины) создают опровержение знаменитому убеждению, что ничто не может двигаться быстрее света. Тем не менее, проверять это на практике физики не рекомендуют. Квантовую запутанность невозможно применять для передачи сигналов, а путешествовать по кротовой норе бессмысленно, ведь в конце вы всё равно попадёте в чёрную дыру.

И всё же, явления настолько похожи, что этого трудно не заметить. В июне 2013 года два теоретика, Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Принстона и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфорда, представили, как будто две чёрные дыры находятся в состоянии квантовой запутанности друг с другом. В результате выяснилось, что при таких условиях между ними образуется пространственно-временной канал, всеми свойствами похожий на червоточину.

Теперь же учёные заговорили об обратном: нужно попытаться создать червоточину между двумя субатомными частицами — например, кварками, составляющими протоны и нейтроны. Необычным математическим экспериментом занимались Кристан Дженсен (Kristan Jensen) из Университета Виктории в Канаде и Андреас Карч (Andreas Karch) из Вашингтонского университета.

Учёные представили себе пару частиц кварк-антикварк, которые разлетаются в разных направлениях со скоростью, близкой к световой, и находятся в состоянии квантовой запутанности. Трёхмерное пространство, в котором "живут" кварк и антикварк, по словам Дженсена и Карча, является границей четырёхмерной Вселенной. И если в нашем мире связь между частицами есть всего лишь проявление квантовой запутанности, то в четырёх измерениях она предстанет в виде червоточины.

Данную гипотезу подтвердил своими вычислениями другой физик, Джулиан Соннер (Julian Sonner) из Массачусетского технологического института. Он представлял пару кварк-антикварк, возникшую в сильном электрическом поле и направленную с ускорением в противоположные точки. Об аналогичных выводах Соннер сообщил в своей статье, также опубликованной в журнале Physical Review Letters.

В своих вычислениях физики использовали так называемый голографический принцип, ранее подробно описанный Мальдасеной. Этот принцип гласит, что квантовая теория, включающая гравитацию, в данном пространстве эквивалентна квантовой теории, исключающей гравитацию, в пространстве на одно измерение меньше.

"Червоточина и квантовая запутанность не могут существовать в одной Вселенной, но математически они полностью идентичны", — поясняет Карч в пресс-релизе Вашингтонского университета.

А раз мы наблюдаем оба явления, то возникает ещё более интересный вопрос, чем о возможности путешествий во времени: возможно, где-то существует и четырёхмерная, и двухмерная Вселенные?

Источник

Физики ЦЕРНа впервые зафиксировали следы распада бозона Хиггса в фермионы — в b-кварки и тау-лептоны.

Таким образом были подтверждены предсказания главной физической теории – Стандартной модели.

Бозон Хиггса – это последний недостающий элемент Стандартной модели, частица, которая обеспечивает массу всех других элементарных частиц. Он был открыт летом 2012 года в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК). Однако детекторы коллайдера не могут непосредственно зафиксировать рождение бозона Хиггса, поскольку он слишком быстро распадается на другие частицы. Приборы могут заметить только эти вторичные частицы.

Известно, что Хиггс может распадаться на разные частицы. В 2012 году детекторы ATLAS и CMS «поймали» бозон Хиггса, отслеживая его распад на пары Z-бозонов, и на гамма-фотоны. Достоверность полученных результатов была крайне высока. К примеру, детектор CMS фиксировал рождение бозона Хиггса со статистической значимостью 7 стандартных отклонений (сигма) только в Z-канале, при том, что физики говорят об открытии на уровне 5 сигма, вероятность того, что наблюдаемый эффект вызван статистической флуктуацией, равна всего лишь 1 на 3,5 миллиона.

Источник

04 декабря 2013 UEFIMA.RU :  Новое исследование установило, что мощные электрические поля, возникающие во внешней части радиационных поясов Земли, могут разгонять высокоэнергетические электроны почти до скорости света. Предполагается, что подобное явление характерно для многих планет Солнечной системы и для космических объектов за ее пределами. Исполинские электрические поля в пределах радиационных поясов Земли, по мнению ученых, могут объяснить, почему электроны, окружающие планету, в своем движении достигают почти скорости света. Результаты нового исследования, опубликованные 2 декабря 2013 года в журнале «Записки Физического Обзора» (Physical Review Letters), могут пролить свет на характеристики радиационных поясов вокруг Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также на поведение Солнца в период его повышенной активности и объектов за пределами нашей солнечной системы (космические «ясли», нейтронные звезды и высокоэнергетические черные дыры, известные как квазары).

Первым значительным открытием в истории исследований космоса стало обнаружение в 1958 году радиационных поясов Ван Аллена, зон, заполненных высокоэнергетическими заряженными частицами, которые удерживаются вместе благодаря магнитному полю.

В целом эти пояса состоят из двух колец: внутренней зоны, содержащей как высокоэнергетические электроны, так и позитивно заряженные ионы, которые могут находиться в стабильном состоянии до нескольких десятков лет; внешней зоны, заполненной преимущественно высокоэнергетическими электронами, уровень активности которых меняется в пределах от нескольких часов до нескольких дней, что, вероятно, зависит от влияния солнечного ветра. Ранее в этом году ученые обнаружили еще и третий радиационный пояс, окружающий Землю на временной основе.

Огромный объем излучения, генерируемый поясами Ван Аллена, представляет опасность для спутниковых аппаратов. Для исследования поясов летом 2012 года НАСА запустила сдвоенный космический зонд «Ван Аллен», оснащенный множеством высококачественных сенсоров для анализа плазмы, энергетических частиц, магнитных полей и плазменных волн.

Найдены «по воле случая»

Сейчас же при помощи зонда «Ван Аллена» ученые обнаружили структуры, которые то появляются, то исчезают во внешнем поясе. Эти структуры могут объяснить присутствие в этой зоне и высокоэнергетических электронов.

Явления, обнаруженные учеными, получили название «двойных наслоений». Каждое из них состоит из параллельных слоев частиц с противоположным электрическим зарядом, движущихся вдоль магнитного поля Земли. Зонд зафиксировал большое число двойных наслоений во внешнем поясе, возникающих с частотой 7000 в минуту.

По словам ведущего автора исследования Форреста Мозера (Университет Калифорнии, Беркли), «эти двойные наслоения были обнаружены случайно, когда зонд «Ван Аллен» пролетал в данной области космического пространства и сделал всего один снимок».

Релятивистские скорости неподалеку от Земли

Комбинация двойных наслоений может генерировать мощные электрические поля (более миллиона вольт каждое). Исследователи считают, что этой мощности достаточно, чтобы разогнать электроны до релятивистских скоростей (скорости света, в первую очередь).

Предполагается, что двойные наслоения идентичным образом действуют на электроны и в других областях космического пространства.

Источник

Американские астрофизики вместе с коллегами из Бразилии и Индии исследовали процесс охлаждения коры нейтронных звезд и пришли к выводу о том, что в них должен быть некий неизвестный источник тепла. Подробности со ссылкой на статью в Nature и пресс-релиз Мичиганского университета приводит Phys.org.

Исследователи смоделировали верхний слой нейтронной звезды, так называемую кору. Этот сравнительно тонкий слой толщиной около 150 метров (диаметр звезды при этом меньше 25 километров) состоит из ионов.

По теоретическим моделям, ближе к ядру нейтронная звезда состоит из спрессованных вместе нейтронов, а в коре возможно протекание ядерных реакций: именно эти реакции рассматривали астрофизики в новой работе.

Ученые уточнили тепловой баланс коры, описав как процессы с выделением тепла (ядерные реакции и теплоперенос из центра звезды), так и явления, из-за которых кора охлаждается.

Расчеты показали, что вклад нейтринного охлаждения серьезно недооценивался. Практически не взаимодействующие даже со сверхплотным веществом частицы уносят большую часть энергии. Поэтому кора должна остывать намного быстрее, чем считалось ранее.

Слой ионов с очень высокой плотностью, как пишут исследователи, превращает в нейтрино идущее снизу тепло. Энергия, полученная ионами снизу, достаточно для запуска термоядерной реакции, а она, в свою очередь, отдает энергию уже преимущественно вместе с нейтрино.

Новые теоретические расчеты, по словам самих авторов, скорее ставят новые вопросы, чем позволяют найти ответы на уже существующие.

Наблюдения указывают на достаточно высокую температуру поверхности нейтронных звезд, а из новой работы следует то, что она должна быть более холодной за счет нейтринного охлаждения. Разрешить противоречие, по словам авторов, можно только в случае какого-то дополнительного процесса с выделением тепла. Однако какова природа этого процесса - пока неясно.

Нейтронные звезды образуются в конце эволюции не слишком массивных звезд. Модели строения нейтронных звезд основаны на результатах наблюдения (прежде всего радиоастрономических) и фундаментальных физических законах, однако детали таких моделей все еще требуют уточнения.

По некоторым данным, вещество в центре нейтронных звезд может существовать в виде кварк-глюонной плазмы.

 Источник

Группа ученых из университета Техаса при помощи компьютерного моделирования, которое провели сотрудники института Макса Планка (Max Planck) в Германии создала компьютерную модель, которая объясняет необычное строение поверхности луны Юпитера – Европы. В этом научном труде, опубликованном в журнале Nature Geoscience, ученые высказывают предположение, что необычный рисунок поверхности спутника, возможно, появился благодаря внутренней конвекции. 

Космический зонд NASA Voyager (Вояджер) пролетел мимо Юпитера и его лун в 1979 году. После изучения полученных данных у ученых возникло множество вопросов относительно поверхности его луны, Европы. Эти дебаты не прекращаются по сегодняшний день: почему поверхность такая гладкая, почему около 40 процентов поверхности Европы покрыто странными, беспорядочными на вид структурами? Ученые сходятся во мнении, что общая гладкость поверхности, скорее всего, означает наличие воды под слоем льда, – небольшое количество кратеров говорит о том, что поверхность может восстанавливаться после столкновений. А вот по поводу того, что касается тех частей, где поверхность представляет собой нагромождение равнин, возвышенностей и долин, - их назвали «беспорядочным рельефом», - ученые пока не пришли к единому мнению. В новой работе ученые использовали данные существующих на Земле гидросистем и данные двух космических экспедиций - Voyager и Galileo (Галилео) - космического аппарата, открывшего существование магнитного поля, - чтобы создать модель, которая могла бы объяснить процесс конвекции, который происходит под ледяной поверхностью Европы.

Некоторые ученые предполагают, что уникальные характеристики поверхности Европы обусловлены силой гравитации Юпитера, другие высказывают мнение, что главную роль здесь играет Солнце, - однако ни одна из этих теорий не имеет достаточных свидетельств для ее подтверждения. Вместо этого, в данном исследовании ученые исходили из того, что поверхность Европы – результат того, что жар идет изнутри самой планеты. Их модель показывает, что течения подо льдом высвобождают жар в основном в экваториальных областях поверхности, что, в свою очередь, приводит к постоянному нагреву, таянию и новой заморозке, - в результате чего, по их словам, образуется тот хаотичный рельеф, который мы наблюдаем.

Конечно же, эта модель – всего лишь теория, подтвердить или опровергнуть которую человечество сможет, лишь отправив на Европу зонд, который будет исследовать поверхность спутника.

Источник

Исследование, которое было проведено командой ученых, руководил которыми физик Государственного Университета Мичигана Хендрик Шатц (Hendrik Schatz), позволяет по-новому взглянуть на свойства нейтронных звезд, - сверхплотных звезд, которые образуются, когда большая звезда взрывается и сжимается в процессе, называемом коллапс. 

Хендрик Шатц (Hendrik Schatz) и его коллеги, статья которых опубликована в журнале Nature, описывают вновь обнаруженный процесс, который происходит внутри коры звезды, прямо под ее поверхностью. До сих пор ученые считали, что ядерные реакции внутри коры нагревают поверхность звезды. "Раньше мы думали, что сила этих реакций достаточно велика, чтобы нагревать кору. Это – не тот случай", - говорит Шатц. 

Команда ученых обнаружила, что в коре звезды рядом с поверхностью есть слой, где в результате ядерных реакций происходит быстрое охлажение нейтрино. Нейтрино – самые элементарные частицы, которые образуются благодаря радиоактивному распаду и очень быстро проходят сквозь материю. 

"Эти охлаждающие слои находятся прямо под поверхностью. Если жар из более глубоких слоев звезды поднимается вверх, он нагревает один из этих слоев и никогда не доходит до поверхности", - говорит Шатц, и добавляет, что это открытие скорее ставит новые вопросы, чем дает ответы. 

"Это полностью меняет дело, - все теории, которые были у нас относительно нагревания поверхности, должны быть пересмотрены. Это настоящая головоломка", - говорит он.

Источник

После нескольких дней постоянных наблюдений за кометой Исон (ISON), можно сказать с уверенностью лишь то, что комета значительно уменьшилась в размерах, совершив оборот вокруг Солнца, но, в то же время, все еще жива. Открытым остается вопрос: яркое пятно, которое движется теперь по направлению от нашего светила – это просто осколки, или же небольшое ядро, - остаток начальной глыбы льда. Многие склоняются ко мнению, что сейчас от кометы осталась лишь пыль. 

Комета Исон, которая начала свое путешествие из Облака Оорт около 3 миллионов лет назад, 28 ноября 2013 года приблизилась к Солнцу на максимально близкое расстояние. Комету можно было наблюдать при помощи коронографов обсерватории NASA STEREO и совместного проекта NASA и Европейского Космического Агентства – Обсерватории Солнца и Гелиосферы, - SOHO. Коронографы блокируют солнечный свет для того, чтобы лучше наблюдать за тусклыми структурами в атмосфере Солнца. Был период – несколько часов, когда комету невозможно было наблюдать на этих изображениях, - она была скрыта из вида вместе с Солнцем. В это время Обсерватория Солнечной Динамики (Solar Dynamics Observatory) не видела комету, что привело многих ученых к заключению, что комета полностью распалась. Однако, некоторое время спустя нечто появилось на в объективах коронографов SOHO и STEREO – несомненно, яркость этого объекта была значительно меньше яркости кометы Исон перед перигелием.

Было ли это пятно света просто облаком пыли – останками кометы, - или там все еще присутствовало ядро – небольшая глыба начального ледяного вещества, - до сих пор неясно. По результатам наблюдений, которые велись 1 декабря, можно сделать вывод, что ядро распалось. Наблюдая за изменениями яркости объекта, можно будет чуть позже более уверенно сказать, цело ядро или нет, однако лучшие шансы узнать это наверняка у нас будут в том случае, если позже в декабре будут проводиться наблюдения при помощи космического телескопа Hubble (Хаббл).

Источник

Рис. 1. Экспериментально измеренное время жизни нейтрона и его погрешности с течением времени. На этом графике показаны не результаты отдельных измерений, а усредненное «общепринятое» значение, которое коллектив Particle Data Group выдает раз в два года. Самый драматичный скачок — более чем на 5 сигма — произошел после 2010 года. Изображение с сайта pdg.lbl.gov

Группа исследователей из Американского национального института стандартов и технологий обновила свои результаты измерения времени жизни нейтрона в эксперименте с нейтронным пучком. Их значение стало еще сильнее отличаться от результатов, полученных в нейтронных ловушках. В чем причина этого расхождения — пока неясно.

Нестыкующиеся измерения

Экспериментальная физика занимается не только изучением каких-то сложных эффектов, но и аккуратным измерением простых и универсальных параметров. Эти параметры характеризуют то или иное свойство нашего мира, они могут встречаться в описании разных явлений, поэтому очень полезно их знать как можно точнее. Такие измерения, вследствие своей важности, часто проводятся несколькими группами исследователей и разными экспериментальными методами.

К сожалению, иногда возникает ситуация, когда измерения разных групп или измерения разными методами дают существенно отличающиеся результаты. Сразу же подчеркнем: речь идет не о расхождении теории с экспериментом, а о расхождении между разными результатами измерений. Для физика-экспериментатора такие ситуации — источник постоянной головной боли («где же я ошибся, что же я не углядел?»), для теоретика-оптимиста — повод поупражняться в придумывании новых физических явлений, которые могли бы тоже играть тут роль. Такие ситуации, конечно, происходят регулярно и являются частью естественного процесса экспериментального изучения нашего мира. Они могут оказаться очень полезными с точки зрении истории физики — по крайней мере после того, как физики наконец-то разберутся в источниках проблем. Но при взглядеизнутри ситуации, когда проблема еще не решена, они всё же неприятны: непонятно, что именно и где именно сбоит, непонятно, какому методу можно доверять, а какому — нет, да и внимание теоретиков иногда отвлекается от других задач.

Конечно, никто не требует, чтобы результаты измерений буквально совпадали друг с другом. Совершенно нормально, когда они различаются в рамках заявленных погрешностей измерений — на одну-две величины погрешности (на научном языке, на одну-две «сигмы»). Такое расхождение может произойти чисто случайно, и нет никаких оснований видеть тут серьезное отличие. Когда измеренные величины различаются на 3 сигмы — это уже повод для беспокойства, на 5 сигм — повод для очень серьезного беспокойства (см. подробности на страничке Что такое «сигма»?). И снова подчеркнем: это беспокойство относится не к самой величине, а к методам измерения, к (не)пониманию экспериментаторами своей установки либо метода измерения и обработки данных.

Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.

Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая — это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013. Другой пример — недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» — это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла статья, подливающая масла в огонь.

Время жизни нейтрона: предыстория

Нейтрон — самая долгоживущая из нестабильных элементарных частиц. В свободном состоянии он живет очень долго, почти 15 минут, и распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Внутри ядра он может стать как совершенно стабильным, так и очень нестабильным; эти ядерные эффекты мы здесь не обсуждаем. Еще подчеркнем, что речь тут идет о времени жизни в системе отсчета самой частицы; если частица движется с околосветовой скоростью, ее время жизни может сильно увеличиться (см. по этому поводу задачу про время жизни фотона). Время жизни нейтрона — величина, очень важная как для физики частиц и атомного ядра, так и для астрофизики. Неудивительно, что его принялись измерять почти сразу после того, как экспериментаторы научились получать и регистрировать свободные нейтроны, ну и, конечно, отвлеклись от задач, связанных с военными применениями — всё же происходило это в 40-е годы.

Поначалу все эксперименты делались только с нейтронами, вылетающими из реактора. Из-за того что нейтроны живут долго, а летят из реактора быстро, измерить их уменьшение с течением времени нереально. Зато можно убедиться, что нейтроны распадаются, поскольку датчики, установленные поодаль от реактора, регистрировали иногда приходящие почти одновременно протоны и электроны. Если знать нейтронный поток, измерить частоту таких срабатываний и разобраться с угловыми характеристиками, то можно оценить и время жизни нейтрона. Первые оценки 1950 года давали время жизни от 13 до 40 минут; год спустя было было опубликовано первое настоящее измерение с результатом 1110 ± 220 с.

В течение последующих трех десятилетий измерения становились всё более и более точными (см. рис. 1) и постепенно сошлись на значении около 900 секунд с погрешностью 1–2%. В схему эксперимента было внедрено много усовершенствований, но общий подход оставался неизменным: измерялось не уменьшение количества нейтронов со временем, а радиоактивность пролетающего мимо нейтронного пучка. Такой метод так и называется — пучковый.

Последнее обновление датировалось 2005 годом. Исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) провели измерения времени жизни нейтрона в пучковом эксперименте, схема которого показана на рис. 2. Нейтронный пучок идет сквозь установку справа налево. Пока пучок летит через магнитную ловушку для протонов, некоторые нейтроны успевают распасться на лету. В закрытом состоянии ловушка удерживает все протоны, получившиеся от этих распадов. После стадии накопления ловушку открывают, и она выпускает накопленные протоны, которые следуют за линиями магнитного поля и попадают в протонный детектор (этот этап и показан на рис. 2). Так удается сосчитать количество актов распадов за время набора статистики. Поток нейтронов измеряется отдельно, путем поглощения нейтронов в мишени и регистрации продуктов инициированных ими распадов. Измерения дали результат 886,3 ± 1,2 ± 3,2 с (здесь два последних числа обозначают статистическую и систематическую погрешности).

Рис. 2. Схема пучкового эксперимента по измерению времени жизни нейтрона, выполненного в Национальном институте стандартов и технологий в США. Как старое, так и новое измерение этой группы существенно расходятся с нынешним «общепринятым» значением, которое было получено совсем по другой методике. В чем источник этого расхождения — пока не ясно. Изображение из статьи J. S. Nico et al., 2004. Measurement of the Neutron Lifetime by Counting Trapped Protons in a Cold Neutron Beam

В 70-х годах стал доступен новый метод изучения свойств нейтронов — физики научились получать и долго удерживать в ловушках ультрахолодные нейтроны. Ультрахолодными называют нейтроны с энергиями меньше 100 нэВ (наноэлектровольт). Нейтроны с такой энергией движутся со скоростью всего лишь несколько метров в секунду, им тяжело даже подняться вверх против силы тяжести. Обзор физических исследований с ультрахолодными нейтронами см. в статье: В. К. Игнатович, 1996. Ультрахолодные нейтроны — открытие и исследование. Самое важное свойство таких нейтронов — они практически полностью отражаются от стенок вакуумной камеры; получается, такие нейтроны можно просто держать «в бутылке». Конечно, всегда есть какие-то потери, но если время удержания достаточно велико и потери известны, то можно просто запереть нейтроны внутри, подождать какое-то время, а потом измерить количество выживших нейтронов и вычислить отсюда время их жизни. Ну а если совсем не хочется разбираться с потерями из-за контактов со стенками, то нейтроны можно поместить в магнитную ловушку. Правда, тогда придется разбираться с другими источниками погрешностей.

Эксперименты по измерению времени жизни нейтрона таким методом начались в 80-х годах, причем существенную роль в них играли советские физики. Поначалу точность измерения была невелика, но постепенно улучшалась, и уже в 1986 году был получен результат 903 ± 13 с. Затем на первый план вышли французские исследователи: с помощью своей установки MAMBO в Институте Лауэ–Ланжевена в Гренобле они существенно улучшили точность и в 1989 году опубликовали результат 887,6 ± 3 с. В дальнейшем, благодаря усовершенствованиям установки, погрешность удалось уменьшить, и в 2000 году было получено 885,4 ± 0,9 ± 0,4 с. Это стало первым измерением времени жизни нейтрона с общей погрешностью меньше 1 секунды.

Таким образом, в середине 2000-х годов в задаче измерения времени жизни нейтрона вырисовывалась спокойная ситуация. Два основных метода и несколько независимых друг от друга измерений давали примерно одинаковый результат: 885–886 секунд (см. рис. 3). В выпусках обзоров от коллектива Particle Data Group, который занимается обработкой всех поступающих данных по свойствам элементарных частиц, вплоть до 2010 года фигурировало усредненное значение 885,7 ± 0,8 с (полоска на рис. 3).

Рис. 3. Результаты измерения времени жизни нейтрона с 1988 по 2005 год. Красные квадратыотвечают пучковому методу, кружочки — измерениям в ловушках. Изображение из материалов лекцииДжеффа Нико (Jeff Nico) “Neutron Lifetime Experiments” (PDF, 36 Мб), прочитанной в 2006 году на Летней школе по фундаментальной нейтронной физике

«Революция» 2005 года

В конце 80-х годов новая установка (гравитационная ловушка Gravitrap) по измерению времени жизни нейтрона была создана и в России совместными усилиями физиков из Петербургского института ядерной физики в Гатчине и ОИЯИ в Дубне. Поначалу она работала в ПИЯФе на реакторе ВВР-М, однако потоки нейтронов там были недостаточные, и ее было решено перевезти в Гренобль, в Институт Лауэ–Ланжевена. В 2004 году там было выполнено новое измерение времени жизни нейтрона, которое дало очень точное, но неожиданно маленькое значение — 878,5 ± 0,7 ± 0,3 с. Это значение более чем на 6 сигм отличалось от «общепринятого» на тот момент; оно обведено в кружочек на рис. 3. Подробный рассказ об этом эксперименте см. в статье: А. П. Серебров, 2005. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов.

Несколько лет ситуация оставалась подвешенной. Авторы «революционного» измерения не ограничились предъявлением только своих результатов, но и тщательно рассмотрели методики, использованные в других ловушечных экспериментах, и указали на возможные источники неточностей и систематического смещения результатов. В своей статье 2010 года два ключевых автора провели общий анализ всех имевшихся на тот момент данных и предложили снизить официально среднее значение практически до своего результата. Коллектив Particle Data Group, который занимается такими усреднениями, в этой ситуации воздержался от суждений. В его отчете за 2010 год осталось старое общепринятое число, но оно сопровождалось такой припиской:

Новый результат Серебров и др. (2005) настолько сильно отличается от остальных, что нет смысла пытаться включать его в общее усреднение. Разобраться с этой ситуацией должны эксперты, а до тех пор наше усредненное значение 885,7 ± 0,8 с следует воспринимать с долей скептицизма.

Авторы предыдущих измерений прислушались к критике группы Сереброва, провели новый анализ погрешностей и действительно вынуждены были пересмотреть свои результаты. В их новых публикациях уже фигурируют числа от 880 до 882 секунд. При этом авторы работы 2000 года — той самой, в которой впервые была достигнута общая погрешность меньше 1 секунды, — были вынуждены в 2012 году эту погрешность резко увеличить. Можно сказать, что группа Сереброва в этом вопросе одержала полную и безоговорочную победу. Она не только в одиночку «переборола» несколько результатов других групп, но и способствовала нахождению у них ошибок. В настоящее время это измерение 2005 года является единственным с полной погрешностью меньше 1 секунды.

Завершающим аккордом стал пересмотр общепринятого значения от Particle Data Group в отчете 2012 года. Нынешнее значение равно 880,0 ± 0,9 с. Это редкий случай, когда PDG пересматривает значение какой-то величины, резко и сильно смещая его практически без изменения погрешности.

Текущая ситуация

Можно ли сказать, что ситуация сейчас полностью разрешена? Пока нет. Некоторый консенсус сейчас достигнут между несколькими экспериментами, использующими, по сути, один и тот же инструмент — материальную ловушку нейтронов. Как показала история развития ситуации, в этом методе есть много подводных камней, и никто пока не может гарантировать, что все они обнаружены. Для примера скажем, что в 2009 году вышла статья с указанием на еще один возможный источник погрешности, связанный с диффузным рассеянием нейтронов на шероховатой поверхности ловушки, однако группа Сереброва на эту критику оперативно отреагировала. Впрочем, в последней версии статьи появилась реакция и на этот ответ. Так или иначе, обсуждения продолжаются. А поэтому для большей уверенности, что всё под контролем, желательно убедиться, что такое же значение времени жизни получается в магнитных ловушках, а также в пучковых экспериментах.

С магнитными ловушками ситуация пока не вполне ясна. С одной стороны, еще в 2007 году было получено значение, близкое к нынешнему «официальному», но результаты там, строго говоря, остаются предварительными. Месяц назад в архиве е-принтов появилась статья D. J. Salvat et al. Storage of ultracold neutrons in the UCNτ magneto-gravitational trap, в которой описывается первое измерение времени жизни нейтрона в новой магнитно-гравитационной ловушке, построенной в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США. Первое измерение на очень низкой статистике дало значение 860 ± 19 с, то есть точность тут пока слишком низка для каких-то существенных выводов. Авторы вскоре увеличат статистку и тем самым намереваются достичь точности аж в 0,1 секунды. Существуют и другие нейтронные ловушки, на которых исследователи попробуют добиться сравнимой точности.

Что касается пучковых экспериментов, то здесь расхождение остается невыясненным. На днях в журнале Physical Review Letters вышла статья с улучшенной версией пучкового эксперимента, проводимого в NIST. Новый эксперимент проводился по технологии, описанной в публикации 2005 года (см. рис. 2), только сейчас была усовершенствована методика измерения нейтронного потока, что позволило уменьшить погрешность. Улучшенный результат составляет 887,7 ± 1,2 ± 1,9 с. Он согласуется со старым значением той же группы и существенно расходится с последними ловушечными результатами.

Различие тут пока не столь драматическое, всего 3,8 сигмы, но — как показала вся эта история — отбрасывать его ни в коем случае не следует. Оно является указанием на то, что какой-то из методов принимает во внимание не все тонкости, но какой — пока не ясно. Конечно, в идеале хотелось бы получить аналогичное пучковое измерение и другой, независимой от NIST группы. К сожалению, в последние годы упор в этом вопросе смещается всё больше и больше к ловушечным экспериментам с нейтронами. Так или иначе, ситуация пока требует разъяснения.

Источник

За исключением низинного региона, который носит название Занаду (белый эллипс), ударные кратеры на Титане чаще встречаются на возвышенностях (на рисунке красноватого и оранжевого цвета), чем в низинах (на рисунке – голубой и зеленый цвет). Новое исследование объясняет это несоответствие, выдвигая предположение, что кратеры, которые формировались в заболоченных землях или ниже водных бассейнов, разглаживались почти сразу после того, как были сформированы.

Ученые, занимающиеся изучением планет, долгое время не могли понять, по какой причине на самом большом спутнике Сатурна, - Титане, - в некоторых областях очень мало ударных кратеров. Новое исследование, авторами которого являются Кэтрин Нейш (Catherine Neish) изТехнологического Института в Мельбурне и Ральф Лоренц (Ralph Lorenz) , сотрудник Лаборатории Прикладной Физики Университета Джона Хопкинса, выдвигает теорию, что те области, где кратеров мало или они вовсе отсутствуют, были когда-то болотистыми местностями или неглубокими морями, которые поглотили свидетельства того, что данная территория когда-либо подвергалась ударам астероидов. 

Относительно гладкая поверхность Титана совсем не похожа на поверхность нашей Луны, испещренную отметинами столкновений. К примеру, шрамы от ударов отсутствуют в полярных регионах Титана. А кратеры, которые там все-таки есть, кажутся намного более мелкими, чем можно было бы ожидать, исходя из их диаметра. Титан обладает плотной атмосферой, которая защищает его от столкновений с небольшими небесными телами (проходя через атмосферу, они истираются в порошок, его погодные условия и эрозия поверхности могут «прятать» или разглаживать кратеры, которые все же формируются. С середины 2001 года исследователи насчитали всего лишь 61 кратер на всей поверхности Титана, 11 из них ученые назвали «несомненными» кратерами, а остальные отнесли к разряду «почти несомненных» или «возможных». 

Существует несколько теорий, объясняющих существующее положение вещей. К примеру, некоторые ученые предполагали, что большие количества осадочных пород, которые были вынесены потоками жидкого метана и этана с возвышенностей, могли маскировать низинные кратеры. Однако этот сценарий не объясняет существования нескольких кратеров в Занаду, обширной области рядом с экватором Титана, в которой нет никаких холмов. 

Другие исследователи считают, что кратеры могло занести песком. Но и это объяснение не подходит, потому что большая часть песчаных дюн Титана расположена в холмистых областях, а в полярных регионах, где отсутствуют кратеры, нет и песчаных дюн. Широко распространенный криовулканизм не объясняет присутствия кратеров в одних низинных областях и отсутствия в других. То же самое можно сказать о слабых гидрокарбонных дождях, которые идут благодаря фотохимическим реакциям в небе Титана. 6-метровый слой этих частиц собирается за миллиард лет; этого недостаточно для того, чтобы они могли за 4,56 миллиарда лет, которые существует Солнечная Система, заполнить кратер, глубина которого километр или больше. 

Однако, прежние исследования не рассматривали сценарий, при котором объекты, врезавшиеся в Титан, могли приземляться на слой жидкости, такой, как мелкое море, или в пористую, болотистую осадочную породу – области, подобные той, в которой приземлился зонд Гюйгенс в 2005 году. В таких регионах слои мягкого вещества могли быть толщиной сотни метров или больше. Как мелкие моря, так и болотистые местности – области, где летающие флюиды собираются естественным образом – чаще встречаются в низинах. Если небесное тело ударится о поверхность, покрытую океаном, как на Земле, - это не оставит на поверхности планеты заметных шрамов. А кратер, который образуется от удара, пришедшегося на болотистую местность, вскоре сгладится – влажная поверхность почти мгновенно начинает восстанавливать прежнюю форму. 

Присутствие кратеров в низинах Занаду ученые объясняют возрастом этих кратеров, считая, что они образовались до того, как сформировалась атмосфера Титана, - тогда его поверхность была сухой и кратеры могли оставаться в нетронутом виде. Погода и другие процессы, которые сглаживают большие кратеры, просто не имели достаточно времени, на то, чтобы стереть эти следы столкновений.

Источник