Рус Eng
Новости науки
"Догнать и перегнать": Россия потеснит Европу на рынке квантовой связиВ мире началась вторая квантовая революция. Чтобы не остаться на обочине прогресса, Россия создает Центр квантовых коммуникаций в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ). Здесь сосредоточат силы и ресурсы ведущих исследовательских центров и коммерческих компаний. Участники проекта рассказали, как собираются застолбить для страны место на квантовой арене будущего.
"Фактически все цифровые приборы, окружающие нас сегодня, — компьютеры, телефоны, лазеры и прочие гаджеты — были продуктом первой квантовой революции, случившейся в середине столетия. Увы, сегодня в полупроводниковой индустрии мы сильно отстаем от мировых лидеров. Мы должны ухватиться за вторую квантовую революцию, которая уже началась", — говорит генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
"Вторая квантовая революция"
В среду в стенах НИТУ "Московский государственный институт стали и сплавов" (МИСиС) прошла первая официальная встреча участников Центра квантовых коммуникаций — консорциума по развитию квантовых технологий в целом и систем квантовой связи и криптографии в частности, созданного в рамках НТИ.
НТИ в свою очередь представляет собой долгосрочную программу частно-государственного партнерства по содействию развитию новых перспективных рынков на базе высокотехнологичных решений, которые будут определять прогресс мировой и российской экономики через 15-20 лет. Программа запущена в июне 2015 года, и на ее реализацию планируется выделить несколько триллионов рублей в последующие два десятилетия.
Идея создания подобного консорциума, как отметил Юнусов, зародилась примерно полтора года назад. Недавно она получила одобрение правительства и Российской венчурной компании, отвечающей за реализацию и финансовую поддержку проектов в рамках инициативы.
"В этом году НИТУ МИСиС стал победителем конкурса на реализацию проекта по развитию квантовых коммуникаций. Отрадно, что в России существуют научные организации, способные стать мировыми лидерами в этом направлении и одновременно ориентироваться на получение дохода. В общей сложности в следующие пять лет государство выделит порядка миллиарда рублей на постройку центра и реализацию его программ", — отметил Арсен Гареев, руководитель группы развития региональных экосистем Российской венчурной компании.
Аналогичные расходы на развитие квантовых коммуникаций, добавил директор РКЦ, планируется покрыть за счет внебюджетных средств.
"Подобные суммы сравнимы с тратами европейского квантового консорциума Quantum Flagship, официально начавшего работу на этой неделе, на реализацию отдельных проектов в своей программе. Только в нашем случае этот бюджет покрывает работу большого центра, а не одной лаборатории. Суммарно объемы финансирования в России в десятки раз меньше", — пояснил Юнусов в беседе с корреспондентом РИА Новости.
Помимо РКЦ и НИТУ МИСиС, в консорциуме намерены участвовать и другие исследовательские организации, в том числе Томский государственный университет, Математический институт РАН и прочие академические центры, а также лидеры российского и международного IT-рынка.
Это и компании, непосредственно связанные с квантовыми технологиями, и производители классических систем связи. В первой группе — QRate, Scontel и "ТИН Фотоника", разрабатывающие и производящие системы квантовой криптографии, сверхпроводящие источники одиночных фотонов и квантовые интегральные схемы.
Во второй — крупнейшие производители коммуникационного оборудования: T8, полностью наладившая российское производство систем "плотной" оптической связи, а также два лидера криптографического рынка — S-Terra CSP и КриптоПро.
Решать главные научные задачи консорциума, как отметили Руслан Юнусов и ректор НИТУ МИСиС Алевтина Черникова, будут четыре лаборатории, причем три уже действуют. Еще одну создадут с чистого листа в стенах университета, начало работ запланировано на первый квартал следующего года.
"Центр квантовых коммуникаций будет не только решать важные научные задачи глобального уровня, но и предоставит новые возможности для наших студентов и аспирантов. Их привлекут к работе в каждой лаборатории центра, что поможет им войти подготовленными в завтрашний день", — подчеркивает ректор.
Создаваемые условия будут способствовать возвращению российских ученых, уехавших работать в зарубежные научные центры, а также удерживать от переезда в другие страны новых специалистов, отметил зампред правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс. Руководители всех трех лабораторий — яркий пример того, что эта идея работает.
Квантовое превосходство
Зачем вообще необходимо развитие подобных технологий? Как объяснил руководитель лаборатории квантовых коммуникаций Юрий Курочкин, главным двигателем их эволюции сегодня выступает своеобразный квантовый аналог знаменитого закона Мура, управлявшего прогрессом классической электроники на протяжении почти полувека.
"Создание квантового компьютера — стратегическая задача для всех частных компаний и государств, лидирующих в науке, в частности для Европы и Китая, вкладывающих сотни миллиардов в их развитие. Только за последние годы число кубитов выросло с единиц до семи десятков. Для их работы, а также для защиты от них, нужны линии квантовой связи", — рассказывает физик.
Квантовые вычислительные машины, способные быстро взламывать существующие асимметричные системы шифрации данных, станут реальной угрозой для всех защищенных линий связи, используемых сегодня в подавляющем большинстве банков и государственных органов. Поэтому и те, и другие проявляют огромный интерес к развитию квантовых систем, которые, как гласит теория, невозможно взломать в принципе.
Физики уже несколько десятилетий разрабатывают подобные линии связи и системы квантовой шифрации данных. Около десяти лет назад они начали использоваться правительством Швейцарии, скажем, на муниципальных выборах, а также банковским сектором этой европейской страны, пока занимающей лидирующее положение в этой отрасли.
С точки зрения НТИ, как отметил Курочкин, эта область особенно привлекательна не только перспективой бурного роста в ближайшие годы, но и пока еще отсутствующими стандартами. Квантовый консорциум, как надеются его участники, примет участие в их разработке, что поможет ему занять лидирующие позиции на уже устоявшемся рынке.
"Мне кажется, нам по силам выйти на рынок квантовых систем связи и даже догнать и перегнать его нынешних лидеров. Всего за три года команда Курочкина проделала путь, на который у ID Quantique и Николаса Жизана ушли десятилетия. Вдобавок мы уже превосходим их в некоторых аспектах, к примеру, в качестве алгоритма выработки ключей и в разработке квантовых блокчейнов", — отметил Руслан Юнусов.
По его оценкам, консорциуму по силам заполучить примерно 70 процентов российского рынка квантовой связи к 2022 году и захватить примерно 20 процентов мирового оборота, связанного с сертификацией квантовых технологий и работой другого "возвращенца" — Вадима Макарова, одного из ведущих квантовых "хакеров" в мире.
"Наука передового уровня"
До недавнего времени, как рассказал сам Макаров, он работал не в России, а в Канаде, в университете Ватерлоо, где создал одну из первых лабораторий "квантового хакинга".
"В начале научной карьеры я работал в питерском политехе. В 1998-м грянул кризис, и нашей лаборатории не стало: ее руководитель и все лидеры уехали в Корею, Норвегию и другие страны. Мне тоже пришлось уехать, так как наукой передового уровня здесь уже нельзя было заниматься", — отметил Макаров.
Запуск Центра квантовых коммуникаций в рамках НТИ, по словам физика, позволил ему не только вернуться на родину, но и перевезти с собой всю свою лабораторию, которая сейчас постепенно встраивается в работу НИТУ МИСиС. Как пошутил Макаров, одним из ее членов мог бы быть сам Юрий Курочкин, если бы его несколько лет назад не успел "перехватить" РКЦ.
Макаров получил всемирную известность в 2010 году, когда его команда опубликовала в журнале Nature статью, посвященную первому реальному "взлому" квантовой сети. Этой атаке подверглись устройства сразу двух лидеров этой отрасли в то время — швейцарской ID Quantique и американской MagiQ Technologies.
Как это возможно? Дело в том, что современные системы квантовой связи не совсем идеально реализуют те принципы, на базе которых они построены. Макаров и его команда выяснили, что приемники квантового сигнала можно "ослепить" при помощи мощного лазера, что переведет их в классический режим работы.
Благодаря этому можно перехватывать и считывать сигнал, а затем передавать его расшифрованную версию дальше по линии связи незаметно для отправителя данных и их реципиента.
В рамках консорциума команда Макарова будет заниматься аналогичными исследованиями, разыскивая "дыры" в системах, создаваемых компанией QRate, а также выполняя аналогичную проверку для ID Quantique и ряда других внешних заказчиков, в том числе китайских компаний. Часть из них ведется уже прямо сейчас, а новые высокоскоростные версии устройств QRate проверят в начале следующего года.
В этом ей будет помогать третий научный "кит" программы, лаборатория теории квантовой связи, возглавляемая Алексеем Федоровым, создателем первого в мире "квантового блокчейна". Как отметил сам ученый, после публикации статьи об этом проекте его приглашали на профессорскую должность в Китае, однако он решил остаться в России.
Помимо поиска новых подходов для взлома квантовых сетей, Федоров и его коллеги намерены разрабатывать алгоритмы коррекции ошибок, необходимые для создания квантовых компьютеров и так называемых повторителей квантовых сигналов, а также искать инновационные применения для подобных технологий.
Все эти разработки будут интегрироваться в системы и устройства компаний-участников консорциума. Это, как надеются ученые, бизнесмены и чиновники, поможет России занять лидирующие роли на рынке и на равных конкурировать и с Европой, и с Китаем, который сегодня выглядит главным игроком и локомотивом прогресса в области квантовой связи.
Природные «батареи» являются источником органического углерода на МарсеУглерод, входящий в состав органических соединений, обнаруживаемых на поверхности Марса, может образовываться в результате протекания ряда электрохимических реакций между богатыми солями жидкостями и вулканическими горными породами, согласно новому анализу состава трех марсианских метеоритов, проведенному командой под руководством Эндрю Стила (Andrew Steele) из Института Карнеги, США.
Проведенный этой научной группой анализ трех марсианских камней, упавших на Землю – метеоритов Тиссинт, Нахла и NWA 1950 – показал, что в составе вещества этих объектов присутствует углерод в форме примерно тех же органических соединений, что были обнаружены ровером миссии Mars Science Laboratory.
В 2012 г. Стил возглавлял команду, которая показала, что органический углерод, обнаруженный в составе 10 марсианских метеоритов, происходит именно с поверхности Красной планеты, и его появление не связано с загрязнениями, имевшими место на Земле. Однако в той работе исследователи также показали, что обнаруженный углерод имеет небиологическое происхождение.
«Выяснение механизмов формирования органических углеродсодержащих соединений на Марсе представляет большой интерес с точки зрения оценки потенциальной обитаемости Красной планеты», - сказал Стил.
Он и его соавторы подробно изучили минералогический состав этих трех марсианских метеоритов. Используя современные методы микроскопии и спектроскопии, они смогли определить, что органические соединений, входящие в состав вещества этих метеоритов, были, вероятно, сформированы в результате электрохимической коррозии минералов марсианских горных пород при контакте с богатыми солью жидкостями, или рассолами.
«Открытие, состоящее в том, что в природных системах могут, по сути, формироваться небольшие «батареи», в которых происходит электрохимическая коррозия минералов под действием окружающих их рассолов, имеет большое значение с точки зрения астробиологии», - сказал Стил.
Аналогичный процесс может происходить и на других планетах и иных астрономических объектах в том случае, если имеет место контакт между вулканическими горными породами и богатыми солями жидкостями, включая подповерхностные океаны спутника Юпитера Европы, спутника Сатурна Энцелада и даже некоторые места на Земле, особенно в ее ранней истории, пояснил Стил.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Глава РАН рассказал о роли ФТИ в развитии российской наукиФизико-технический институт имени Иоффе (ФТИ) стал настоящим "стволом" российской науки, от которого "отпочковались" многие крупные исследовательские организации, заявил президент Российской академии наук Александр Сергеев.
Заявление сделано в пятницу в Санкт-Петербурге на совместном заседании президиума РАН и ученого совета Физико-технического института, посвященном 100-летию ФТИ.
"Физтех — это сейчас, как принято говорить, "стволовой" институт для российской науки", — сказал Сергеев. Продолжая это образное сравнение, Сергеев добавил, что ФТИ активно "отпочковывал" от себя различные научные направления и организации.
Сергеев напомнил, что, таким образом, в частности, в годы Великой Отечественной войны на базе части института, эвакуированной в Казань, был создан Казанский физтех.
По словам Сергеева, ФТИ стал базой и для Российской академии наук — в президиуме РАН работали и работают многие представители института.
Президент Академии наук отметил тесную связь разработок института с их внедрением в практику. Глава РАН также подчеркнул и большую роль Физтеха в развитии естественно-научного образования.
Физико-технический институт ведет свою историю от одноименного отдела Государственного рентгенологического и радиологического института, созданного в сентябре 1918 года по инициативе профессоров Абрама Иоффе и Михаила Неменова.
Сразу после создания институт включился в передовые для того времени исследования по физике твердого тела, квантовой физике, физике и технике полупроводников, которые определили мировой технический прогресс во второй половине XX века.
ФТИ по праву считают "колыбелью" российской физики. Здесь начинали свою научную карьеру будущие Нобелевские лауреаты Николай Семенов, Лев Ландау, Петр Капица, Игорь Тамм, Жорес Алферов. При активном участии Физтеха и его ученых в стране были созданы около 20 учреждений науки, образования и предприятий наукоемкой промышленности. Сейчас Физтех работает на многих передовых направлениях исследований.
Ученые наблюдают материал, лежащий экстремально близко к черной дыре ГалактикиСверхчувствительный инструмент под названием GRAVITY Европейской южной обсерватории (European Southern Observatory, ESO) позволил дополнительно подтвердить предположение о том, что в центре нашей галактики Млечный путь лежит сверхмассивная черная дыра. Новые наблюдения демонстрируют движущиеся со скоростью порядка 30 процентов от скорости света сгустки газа, обращающиеся по почти круговой орбите близ горизонта событий черной дыры. Эти наблюдения позволили впервые обнаружить материал, обращающийся настолько близко к «точке невозврата» черной дыры.
Инструмент ESO GRAVITY, установленный на интерферометре Very Large Telescope (VLT) Interferometer, был использован учеными Консорциума европейских научных организаций, включающего ESO, для наблюдения вспышек инфракрасного излучения, идущего со стороны аккреционного диска, окружающего объект Стрелец А* - массивный объект, лежащий в центре Млечного пути. Наблюдения этих вспышек позволили подтвердить гипотезу о том, что объект, лежащий в центре нашей Галактики, представляет собой сверхмассивную черную дыру. Наблюдаемые вспышки были связаны с материалом, обращающимся очень близко к горизонту событий черной дыры.
В то время как некоторая часть материи аккреционного диска – пояса из газа, обращающегося вокруг объекта Стрелец А* с релятивистскими скоростями – может безопасно двигаться вокруг черной дыры, другая часть материи, расположенная за так называемым «горизонтом событий» черной дыры, необратимо притягивается к ней под действием мощнейшей гравитации. В ближайшей к центру черной дыры точке, в которой еще возможно движение материи по стабильной орбите, и были зарегистрированы эти вспышки.
«Просто трудно себе представить, что мы стали счастливыми свидетелями вспышек материала, обращающегося вокруг центральной сверхмассивной черной дыры Млечного пути со скоростью порядка 30 процентов от скорости света, - сказал Оливер Пфухл (Oliver Pfuhl) из Института внеземной физики Общества Макса Планка, Германия, входящий в состав научного коллектива, совершившего это открытие. – Невероятная чувствительность инструмента GRAVITY позволила нам наблюдать процесс аккреции материи в реальном времени в беспрецедентных подробностях».
Ранее эта же команда исследователей наблюдала прохождение в окрестностях сверхмассивной черной дыры Стрелец А* звезды под названием S2 и тогда впервые зарегистрировала эффекты, предсказываемые Общей теорией относительности Эйнштейна для экстремальных условий, поддерживающихся в окрестностях черных дыр.
Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics; главный автор Рейнхард Гензель (Reinhard Genzel).
Физики из России осуществили "разнородную" квантовую телепортациюУченые из МФТИ и Российского квантового центра выяснили, как можно заставить кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера, обмениваться информацией посредством телепортации даже в том случае, если они построены на базе разных принципов работы. Их выводы были представлены в журнале Nature Communications.
"Объединение преимуществ квантовых состояний, закодированных в дискретных и непрерывных переменных, откроет новые горизонты для применения квантово-оптических технологий на практике", — заявил Александр Уланов, аспирант МФТИ и научный сотрудник Российского Квантового Центра, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
"Призрачное действие на расстоянии"
Квантовая телепортация была впервые описана на теоретическом уровне в 1993 году группой физиков под руководством Чарльза Бенетта. По их идее, атомы или фотоны могут обмениваться информацией на каком угодно расстоянии в том случае, если они были "запутаны" на квантовом уровне.
Для осуществления этого процесса необходим обычный канал связи, без которого мы не можем прочитать состояние запутанных частиц, из-за чего такую "телепортацию" нельзя использовать для мгновенной передачи данных на астрономические расстояния.
При использовании стандартной процедуры квантовой телепортации отправитель-"Алиса" и получатель-"Боб" обладают двумя частицами, "запутанными" между собой на квантовом уровне. Если "Алиса" хочет телепортировать какую-то другую частицу "Бобу", то она одновременно замеряет состояние, в котором находились обе ее частицы, и передает их по обычной линии связи "Бобу".
Во время этого замера связь между "запутанными" частицами разрушается, и частица Боба переходит в те состояния, в которых находилась частица Алисы во время телепортации. Чтобы узнать, в каком именно состоянии она находилась, необходимы данные замеров, которые Боб может использовать для получения данных о свойствах частицы.
Уланов и его коллеги под руководством Александра Львовского, одного из главных российских специалистов в области квантовой телепортации, задумались о том, можно ли осуществить телепортацию между квантовыми объектами, чья физическая природа кардинально различается.
Квантовые горизонты
Дело в том, что ученым пока не удалось создать идеального материала или прибора, который бы позволял осуществлять хранение, передачу и обработку квантовой информации с одинаково высокой эффективностью. Все существующие каналы квантовой связи, а также кубиты, элементарные ячейки квантового компьютера, хорошо справляются только с одной или двумя подобными задачами, и плохо подходят для решения остальных.
По этой причине физики сегодня все чаще думают о создании "разнородных" квантовых машин, в которых каждую из этих задач будет решать наиболее приспособленный материал. Их применение, соответственно, потребует создания технологий, позволяющих передавать квантовую информацию из одного типа кубитов в другой.
Львовский, Уланов и их коллеги успешно решили одну из подобных задач, заставив обменяться информацией два типа ячеек памяти, основанных на двух очень разных квантовых характеристиках света – его поляризации и напряженности электрического поля.
Принципиальные различия между этими свойствами фотонов, как объясняют ученые, заключаются в том, что первая характеристика проявляет дискретную, "прерывистую" природу, а вторая – имеет непрерывный характер.
Как показали опыты российских физиков, их разнородная природа не была препятствием для осуществления квантовой телепортации. Ученые смогли запутать между собой два подобных кубита, превратив их в особые аналоги знаменитого "кота Шредингера", и передать информацию на третий квантовый объект, имевший непрерывную природу, используя классическую методику Беннетта и принципы квантовой механики.
Подобную форму телепортации, по словам Львовского и его коллег, можно использовать в качестве усилителей сигналов в квантово-оптических сетях, в качестве одного из компонентов квантовой памяти и для многих других практических целей.
Астрономы наблюдают «медленную смерть» близлежащей галактикиАстрономы из Австралийского национального университета и Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) в мельчайших подробностях наблюдали «медленную смерть» близлежащей карликовой галактики, которая постепенно теряет возможность производить новые звезды.
В новом исследовании, посвященном изучению Малого Магелланова Облака – карликовой галактики, масса которой составляет лишь крохотную долю от массы нашей галактики Млечный путь – были использованы снимки, полученные при помощи мощного австралийского радиотелескопа Australian SKA Pathfinder (ASKAP) Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии.
Главный автор новой работы профессор Наоми МакКлюр-Гриффиц (N. M. McClure-Griffiths) из Австралийского национального университета сказала, что уровень детализации на снимках, сделанных при помощи радиотелескопа ASKAP, более чем в три раза превышает уровень детализации предыдущих снимков Малого Магелланова Облака, что позволило команде исследовать взаимодействия между этой карликовой галактикой и ее окружением с большей точностью.
«Мы смогли наблюдать мощный поток газообразного водорода, вытекающий из Малого Магелланова Облака», - сказала профессор МакКлюр-Гриффиц из Школы астрономических и астрофизических исследований Австралийского национального университета.
«Последствия наблюдаемого нами процесса для этой галактики состоят в том, что она может в конечном счете потерять возможность производить новые звезды, если потеряет весь свой газ. Галактики, которые прекращают производить новые звезды, в конечном счете медленно угасают. Это своего рода «медленная смерть» для галактики».
Профессор МакКлюр-Гриффиц сказала, что это исследование, которое является частью проекта, посвященного изучению эволюции галактик, позволило впервые при помощи наблюдений провести однозначное измерение массы материала, теряемого карликовой галактикой.
«Этот результат также имеет большое значение потому, что он позволяет объяснить происхождение газа, входящего в состав гигантского Магелланова потока, опоясывающего Млечный путь», - сказала она.
«В конечном счете Малое Магелланово облако будет поглощено нашей галактикой Млечный путь».
Соавтор МакКлюр-Гриффиц доктор Дэвид МакКоннел (David McConnell) из CSIRO сказал, что радиотелескоп ASKAP является лучшим в мире научным инструментом для проведения такого рода исследований, благодаря его уникальным радиоантеннам, которые позволяют получить панорамный вид неба.
«Этот телескоп позволяет наблюдать всю галактику Малое Магелланово Облако на одном снимке и рассмотреть находящейся в ней газообразный водород в беспрецедентных подробностях», - сказал он.
Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной и основным компонентом вещества звезд.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
Физики из Австралии создали первую квантовую "интегральную схему"Австралийские ученые создали первую полноценную "квантовую" кремниевую микросхему, способную исполнять все манипуляции с кубитами без помощи "внешних" приборов. Результаты их опытов и перспективы ее применения были представлены в журнале Nature Communications.
"Классические технологии "печати" микросхем позволят нам создавать миллионы кубитов внутри одного чипа. Это крайне важно для создания универсальных квантовых вычислительных машин, способных корректировать свои собственные ошибки и работать неограниченно долго", — заявил Эндрю Дзурак из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).
Дзурак и его коллеги по университету уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного полупроводникового квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.
В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре 2015 года Дзурак и его команда сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ. Недавно им удалось защитить их от помех, сделав большой шаг в сторону создания "рабочей" квантовой машины.
Оставался один шаг – научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это было крайне тяжело, так как "обычные" полупроводниковые кубиты могут взаимодействовать друг с другом лишь на небольшом расстоянии.
Решив эту проблему два года назад, австралийские ученые задумались о том, как можно "склеить" кубиты в единое целое и научиться "печатать" их так, как это делают производители электроники при создании микросхем. Плодом этих размышлений стали первые планы по созданию квантовых "микросхем", представленные командой Дзурака в прошлом декабре.
Эти идеи, как отмечает Дзурак, его команде недавно удалось воплотить на практике, используя так называемую КМОП-технологию – одну из самых распространенных и отработанных методик изготовления микросхем. Ученые применили ее для "печати" всех компонентов кубитов, а также микроволновых излучателей, квантовых точек и транзисторов, необходимых для корректной записи новых данных в квантовую ячейку памяти.
Работу этого чипа ученые проверили, записав и считав произвольные наборы данных в два соседних кубита. Как показал этот эксперимент, время работы ячеек памяти несколько снизилось, упав до четверти микросекунды. При этом они были достаточно стабильными, а манипуляции с индивидуальными кубитами не вносили помехи в содержимое их соседей.
Вероятность появления ошибок в их работе, как отмечают ученые, пока составляет 5%, что достаточно мало для кремниевых узлами квантовых машин, но пока слишком много для создания полноценного универсального квантового компьютера, способного решать любые задачи.
Как надеются Дзурак и его коллеги, дальнейшие опыты и совершенствование технологий "печати" позволит им довести этот показатель до магической отметки в 1%, при достижении которой коррекция ошибок начинает работать даже на небольшом числе кубитов.
Астрономы подтвердили, что у Земли имеются пылевые облака-спутникиКоманда венгерских астрономов и физиков подтвердила существование двух трудно обнаруживаемых облаков пыли, находящихся в условно стабильных точках на расстоянии всего лишь 400000 километров от Земли. Эти облака, первые сообщения о которых были сделаны польским астрономом Казимиром Кордилевским еще в 1961 г., являются экстремально тусклыми, поэтому их существование до сих пор представлялось некоторым астрономам сомнительным.
Система Земля-Луна имеет пять стабильных точек, где гравитационные силы уравновешиваются, и положение находящихся в этих точках объектов не меняется с течением времени. Две из этих так называемых «лагранжевых» точек, L4 и L5, формируют равносторонний треугольник вместе с Землей и Луной и движутся вокруг Земли по мере движения Луны по орбите.
Точки L4 и L5 не являются абсолютно стабильными, поскольку в этих точках на объекты действуют возмущения, обусловленные гравитацией Солнца. Тем не менее, считается, что в этих точках может собираться пыль межпланетного пространства, по крайней мере временно. Кордилевский наблюдал два близлежащих скопления пыли в точке L5 в 1961 г., и с тех пор в научной литературе появлялись дополнительные сообщения на эту тему, однако однозначно подтвердить существование настолько тусклых объектов до сих пор никому не удавалось.
В работе, опубликованной ранее в этом году, одна венгерская команда исследователей смоделировала облака Кордилевского, чтобы оценить вероятность их формирования и возможности обнаружения. Исследователей особенно интересовало то, как будут смотреться облака через поляризационные фильтры, фильтры, пропускающие излучение, которое колеблется только в одном конкретном пространственном направлении. Рассеянный или отраженный свет всегда является в той или иной степени поляризованным.
Затем эти же исследователи решили приступить к обнаружению облаков пыли Кордилевского. Используя линейно поляризующую систему фильтров, связанную с линзой камеры и CCD-детектором, входящими в состав оборудования частной обсерватории Шлиз-Балог, Венгрия, ученые в течение продолжительного времени производили съемку предполагаемого местоположения этого облака в точке L5. В результате наблюдений эти исследователи, возглавляемые Юдит Шлиз-Балог (Judit Sliz-Balogh) из Будапештского университета, зафиксировали поляризацию света в местах предполагаемого расположения облаков, величина которой хорошо согласуется с величиной, предсказываемой построенными командой моделями для рассеяния света на облаках пыли.
Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
МКС и коллайдер: нобелевский лауреат Тинг рассказал о своих экспериментахНобелевский лауреат по физике Сэмюэль Тинг (Массачусетский технологический институт, США) посетил Национальный исследовательский ядерный университ "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) и выступил с рассказом о своей научной деятельности, посвященной проверке фундаментальных гипотез строения материи и происхождения Вселенной. Что он считает своим главным достижением в науке? Можно ли ожидать, что эксперименты рано или поздно дадут ответы на главные вопросы современной физики? Об этом профессор Тинг рассказал корреспонденту проекта "Социальный навигатор" МИА "Россия сегодня" Анне Курской.
- Профессор Тинг, вы получили Нобелевскую премию за открытие тяжёлой элементарной частицы, которая считается элементом Стандартной модели. В последние годы ученые проводили множество экспериментов, чтобы найти отклонения от Стандартной модели, однако пока им это не удалось. Как вы думаете, будут ли найдены такие отклонения в будущем?
— Если эксперименты лишь подтвердят правильность Стандартной модели, это станет большой неудачей для нас, поскольку прогресс физики строится на экспериментах, которые противоречат теории, а не подтверждают ее.
Физика – главным образом, экспериментальная наука. Не подтвержденная экспериментом теория бессмысленна, какой бы элегантной она ни была. Теория никогда не сможет опровергнуть эксперимент, а вот эксперимент может опровергнуть теорию, и тогда мы приходим к новой теории.
Вы упомянули мою работу, которая привела к Нобелевской премии в 1976 году. До этого Стандартная модель утверждала, что существуют три кварка – u, d, s, — и все в это верили, потому что это позволяло хорошо объяснить все известные физические явления.
В 1972 году я задал вопрос: почему кварков только три? И решил поставить очень чувствительный эксперимент для поиска новых явлений. Моя идея не нашла поддержку у сообщества физиков-теоретиков, мне сказали: "Три известных кварка объясняют все". И никто не захотел принять участие в том весьма трудном эксперименте, поскольку я потребовал очень высокой чувствительности. Это все равно как во время дождя среди 10 миллиардов падающих в секунду капель найти одну нужную.
Но все-таки, через два года, я открыл новую частицу. Позднее было открыто целое семейство частиц со сходными свойствами, с продолжительностью жизни в 10 тысяч раз больше, чем ранее известные частицы. Это открытие изменило взгляды ученых, и так я получил Нобелевскую премию.
Сегодня Стандартная модель насчитывает 6 кварков. Конечно, с ее помощью можно объяснить все существующие явления, и до сих пор эксперимент не нашел противоречия. Но это не означает, что модель правильная. Лет через сто будут построены более крупные ускорители и отклонения будут найдены.
- Помимо открытия J/ψ-мезона что вы считаете своим главным достижением в науке?
— Я выполнил несколько экспериментов, и первый из них был посвящен измерению размера электрона.
В 1948 году Ричард Фейнман, Юлиан Швингер и Синъитиро Томонага создали теорию квантовой электродинамики, согласно которой, электрон не должен иметь измеримого размера. Их теория была признана верной, авторы получили Нобелевскую премию в 1965 году.
Тогда я был довольно молод и только что получил степень. Я разработал метод, который подтвердил, что электрон не имеет измеримого размера.
После этого я провел другой интересный эксперимент. Вы знаете, что световые волны не имеют массы. И есть три частицы (ро, омега, фи) с массой 1 миллиард электронвольт и размером с протон. Их спин и другие квантовые числа в точности такие же, как у фотона. От фотона их отличает ненулевая масса, близкая к массе протона.
Возник вопрос: могут ли фотоны переходить в эти частицы, а эти частицы — обратно в фотоны или нет? Масса не должна быть важна. Это был трудный эксперимент. И мне удалось показать, что да, фотон иногда, с шансом один на миллион, может быть как массивная частица.
Еще одну интересную вещь мы сделали вместе с Андрем Куниным, Виталием Чутко и другими российскими учеными из Института теоретической и экспериментальной физики РАН и Курчатовского института. На протяжении 20 лет мы проводили эксперимент в ЦЕРНе на 27-километровом электрон-позитронном коллайдере и сталкивали электроны и позитроны с энергией в 100 миллиардов электронвольт. Образуется свет c энергией в миллиарды электронвольт, яркий и горячий.
В этом эксперименте мы сделали попытку воссоздать возникновение Вселенной, так мы интерпретировали это. Затем мы спросили себя: сколько там кварков, электронов, имеют ли электроны размер? Выполняется ли Стандартная модель?
Спустя 20 лет мы пришли к выводу, что при имеющихся энергиях есть только три типа электронов: те, что приходят извне по проводам, те, которые приходят из космоса (они в 200 раз тяжелее) и те, что существуют в ядрах (они в 4 000 раз тяжелее) [имеются ввиду три типа лептонов – электроны, мюоны и тау- частицы – прим. Ред.].
И электрон не имеет размера. Размер меньше, чем 10-17 см — это очень маленькая величина. Я провел довольно значительную часть своей жизни в поисках размера электрона и так не сумел определить, насколько он мал.
К сожалению, результаты этих 20 лет эксперимента находятся в согласии со Стандартной моделью. Выходит, что мы так и не научились ничему новому.
- На конференции в НИЯУ МИФИ вы рассказали о результатах эксперимента AMS (AMS — альфа-магнитный спектрометр) по измерению заряда космических лучей, который проходит на Международной космической станции. Какова цель этого исследования?
— Существует два типа космических лучей. Лучи первого типа — световые волны и нейтрино – не несут массы, они был исчерпывающе изучены за последние сто лет.
Лучи второго типа – это заряженные частицы — электроны, позитроны, протоны, антипротоны и элементы таблицы Менделеева. Каковы их свойства? До сих пор у нас не было ответа на этот вопрос.
Дело в том, что мы живем под километровым слоем атмосферы, и заряженные частицы из космоса поглощаются или рассеиваются атмосферой, поэтому мы не можем определить их происхождение или свойства.
Чтобы сделать это, необходимо подняться в космос. А так как одни частицы имеют положительный заряд, а другие – отрицательный, чтобы различить их, мы должны использовать магнит, ведь заряды разделяются в магнитном поле.
Правда, поднять мощный магнит в космос – не такая простая задача. Ведь если установить его на ракету или МКС, станция может потерять управление. Но наши российские коллеги нашли решение проблемы, и у нас появился магнитный спектрометр в космосе.
К этому моменту эксперимент AMS проходит на МКС уже 7 лет и будет продолжаться столько, сколько будет существовать сама станция, до 2024-2028 года.
- Что вам удалось узнать с помощью этого эксперимента?
Мы исследовали очень большое количество частиц космических лучей с экстремально высокой энергией, 1020 электрон вольт, и узнали три-четыре интересные вещи.
Во-первых, позитрон ведет себя очень необычно в зависимости от энергии. Позитроны с низкой энергией происходят от столкновений космических лучей в межзвездном пространстве, а с высокой энергией – из источника, которым может быть пульсар или темная материя. Мы зарегистрировали два миллиона событий, которые не оставляют сомнений на этот счет.
Во-вторых, что касается электронов, мы наблюдали 28 миллионов событий, и установили, что электроны с низкой и высокой энергией происходят из разных источников. Электроны и позитроны ведут себя совершенно по-разному в космосе.
В-третьих, мы измерили тяжелые ядра первичных космических лучей, то есть, те, что приходят из источника без взаимодействий и регистрируются детектором на космической станции детектором AMS.
Мы изучили первичные космические лучи, состоящие из гелия, кислорода и углерода. Мы установили, что зависимость потоков от импульса на единицу заряда, т.е. от жесткости, для этих ядер ведет себя совершенно одинаково, несмотря на их различную массу.
И также мы установили, что вторичные космические лучи, которые происходят из взаимодействий первичных космических лучей, — литий, бериллий, бор — имеют совершенно другую зависимость от жесткости.
То есть, в космосе существует два класса космических лучей – первичные и вторичные — с разными закономерностями, и это, по-своему, интересная вещь
- Вы возглавляете коллаборацию, которая объединяет более 500 физиков из разных стран. Вам приходилось сотрудничать с российскими учеными? Сейчас вы участвуете в конференции, организованной НИЯУ МИФИ, связано ли это с вашими планами?
— Я уже во второй раз приезжаю в МИФИ. Исследователи из этого университета очень хорошие, ранее они принимали участие в важном международном эксперименте PAMELA и внесли значительный вклад в успех этого проекта. Сегодняшний эксперимент AMS гораздо более точный, и я хочу предложить ученым из МИФИ продолжить работать вместе с нами. Я надеюсь, что наше сотрудничество состоится.
Вообще российские ученые внесли большой вклад в физику частиц и физику высоких энергий. Я сотрудничаю с Курчатовским институтом с 1983 года. Там работают ученые очень высокого класса, лучше, чем у нас в MIT.
- Можно ли считать участие в подобных крупных научных группах наиболее перспективным на сегодняшний день методом работы для исследователей?
— На мой взгляд, такое явление связано с тем, что мы недостаточно умны. Поэтому нам нужно много людей. Лучше всего, конечно, работать в одиночку – не нужно ни с кем спорить, обсуждать что-то…
Когда я начинал свой путь в физике высоких энергий, в моей группе было только четыре человека. Теперь их несколько сотен. Я часто думаю об этой проблеме. Имеет ли смысл молодому ученому вступать в группу из тысячи человек? Ведь среди стольких сильных исследователей очень трудно проявить себя. Меня это беспокоит.
- Какой главный вопрос на сегодня стоит перед фундаментальной физикой? И когда он может быть решен?
— Люди, которые делали подобные предсказания, часто позднее жалели об этом. Я только хочу сказать, что в 1930-х годах японский физик Хидэки Юкава предсказал существование мезона и сильных ядерных сил между нуклонами. В 1949 году, сразу после войны, он получил Нобелевскую премию по физике. Многие физики после этого взялись за изучение этой темы. Тогда думали, что проблема вот-вот будет решена, но это было только начало. И до сегодняшнего дня мы так и не узнали всего.
Интервью представлено в рамках работы IV Международной конференции по физике частиц и астрофизике, организованной НИЯУ МИФИ.
Астрономы подтвердили столкновение между Большим и Малым Магеллановыми ОблакамиЕсли посмотреть на ночное небо, находясь в Южном полушарии, можно увидеть в нем два ярких облака в стороне от Млечного пути.
Эти облака являются галактиками-спутниками Млечного пути и носят названия Малого Магелланова Облака и Большого Магелланова Облака.
Используя новые научные данные, полученные при помощи мощного космического телескопа, астрономы из Мичиганского университета, США, открыли, что юго-восточная область, или «Крыло», Малого Магелланова Облака удаляется от основной части этой карликовой галактики. Обнаружение этого факта является первым явным доказательством столкновения, произошедшего ранее между Малым и Большим Магеллановыми Облаками.
«Это действительно важный результат, - сказала профессор астрономии Мичиганского университета Салли Ёй (Sally Oey), главный автор нового исследования. – Мы можем видеть, что «Крыло» представляет собой отдельную структуру, которая удаляется от остальной части Малого Магелланова Облака».
Вместе с коллегами из других стран Ёй и ее студент Джонни Дориго Джонс (Johnny Dorigo Jones) изучали Малое Магелланово Облако в поисках «звезд-беглянок», или звезд, которые были вытолкнуты из скоплений звезд Малого Магелланова Облака. Для изучения этой галактики авторы использовали новые данные, полученные при помощи миссии Gaia («Гея») Европейского космического агентства. Миссия Gaia предназначена для получения изображений расположения звезд на небе на протяжении продолжительного времени, чтобы затем составить карту их перемещений в реальном времени.
Основной целью данного исследования было определение механизма выталкивания звезд из скоплений. После анализа скоростей некоторых звезд скоплений галактики Малое Магелланово Облако, Ёй и Дориго Джонс пришли к выводу, что выталкивание звезды происходит преимущественно по двум основным механизмам: при взрыве одной из звезд двойной системы как сверхновой или в результате выталкивания звезды другими звездами из нестабильного скопления звезд. В ходе проведения этого анализа авторы обнаружили, что все звезды «Крыла» - юго-восточной части Малого Магелланова Облака – движутся в одном направлении с близкими скоростями. Моделирование столкновения между Большим и Малым Магеллановыми Облаками, проведенное одним из соавторов данного исследования Гуртиной Бесла (Gurtina Besla) из Аризонского университета в рамках этой же работы, показало, что именно такая картина наблюдается в том случае, если ранее имело место прямое столкновение между двумя этими галактиками-спутниками Млечного пути.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.
Физики из России превратили лазер в карманный детектор ядовФизики из МФТИ, МГУ и Российского квантового центра выяснили, как можно использовать дешевый лазерный диод для создания сверхчувствительного карманного гаджета, способного искать следы ядов, определять химический состав напитков и находить опасных микробов в выдыхаемом воздухе. Принципы его работы были описаны в журнале Nature Photonics.
"Мы обнаружили, что даже в очень небольших оптических резонаторах могут самопроизвольно возникать очень стабильные световые импульсы. Их можно перестроить таким образом, переключая лазер, что останется только один из них. Спрос на такие лазеры будет очень высоким", – рассказывает Михаил Городецкий, научный директор РКЦ и профессор МГУ.
Лазерная карусель
Два года назад Городецкий и его коллеги создали компактное устройство, фотонный чип, который позволяет получать лазерный луч с необычным спектром, похожим на расческу или гребенку, для чего обычно применяется сложная, громоздкая и дорогостоящая система лазеров.
По словам физика, разработанная его группой технология позволит уменьшить этот прибор в "сто тысяч раз". Классическое устройство такого типа представляет собой коробку размерами метр на метр, а объем их компактного резонатора составит всего один кубический сантиметр.
Такие "гребенчатые" импульсы интересны ученым и инженерам из-за того, что они позволяют "конвертировать" сигналы из радиочастотной части спектра в оптический диапазон и наоборот, что поможет в разы улучшить точность GPS-приемников, часов, спектрометров и астрономических приборов. За открытие методики создания этой "гребенки" при помощи лазеров Джон Холл и Теодор Хэнш получили нобелевскую премию по физике 2005 года.
Основой этого прибора стал так называемый микрорезонатор. Если говорить просто, он представляет собой кольцо-"бублик" из особого материала, нитрида кремния или фторида магния, где свет движется по кругу, отражаясь от его стенок. Стенки этого прибора можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие – гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с "гребенчатым" спектром.
Сила самоорганизации
В прошлом, как отмечает Городецкий, его команда экспериментировала с "высококачественными" источниками лазерного излучения, способными вырабатывать очень "одноцветное" излучение. Их миниатюризация – достаточно сложное и дорогое занятие, и поэтому российские физики задумались о том, можно ли заменить их более дешевыми и компактными лазерными диодами.
"Для того чтобы сузить линию диодного лазера, его стабилизируют либо внешним резонатором, либо дифракционной решеткой. Это позволяет сузить полосу, но за это приходится расплачиваться сильным снижением мощности. О низкой цене и компактности тоже можно забыть", – объясняет Городецкий.
Российские физики смогли решить эту проблему, используя тот же самый микрорезонатор и набор линз. Оказалось, что подобные "бублики" могут автоматически стабилизировать излучение даже самых простых лазерных диодов с очень "широким" спектром излучения, если правильно подобрать длину волны и частоту импульсов. При этом мощность лазера не только не падает, но и вырастает за счет уничтожения лишних пиков в спектре и переноса их энергии на "главный" пик излучения.
Комбинация дешевых лазеров и оптических резонаторов, как отмечают ученые, позволит встроить очень чувствительные и надежные газоанализаторы и химические детекторы в смартфоны и другие гаджеты. Этими разработками уже давно заинтересовалась компания Samsung, в чьих телефонах в далеком будущем может появиться подобное устройство.
Помимо химического анализа, такие "гребенки" и производящие их резонаторы можно применять для создания компактных инструментов для орбитальных обсерваторий и прочих спутников, куда установить "обычную" лазерную установку невозможно из-за ее размеров и энергоаппетитов.
Некоторые планетные системы не любят «тяжелый металл»Небольшие планетные системы с множественными планетами не являются поклонниками тяжелого металла – имеется в виду железо, а не рок-группа Iron Maiden – согласно новому исследованию, проведенному учеными из Йельского университета, США.
В этой работе исследователи открыли, что компактные системы, содержащие множественные планеты, чаще формируются вокруг звезд, в химическом составе которых обнаруживается меньше тяжелых элементов, по сравнению с нашим Солнцем. Это исследование противоречит ряду других современных научных работ, объектами которых являются звезды с более высокими значениями металличности.
В этом исследовании астрономы изучили 700 звезд и обращающихся вокруг них планет. Исследователи считали металлами все элементы тяжелее гелия – включая железо, кремений, магний и углерод.
«Мы использовали железо в качестве индикатора, - сказал главный автор новой работы Джон Майкла Брюэр (John Michael Brewer), исследователь-постдок из Йеля, который выполнил эту работу совместно с профессором астрономии Деброй Фишер (Debra Fischer). – Все эти элементы входят в состав горных пород, слагающих небольшие, каменистые планеты».
Брюэр сказал, что концентрация компактных систем с множественными планетами вокруг звезд с невысокой металличностью позволяет сделать несколько выводов.
Во-первых, это означает, что таких планетных систем во Вселенной может оказаться больше, чем считалось. До недавнего времени инструменты наблюдения не обладали достаточной точностью для обнаружения небольших планет, и вместо этого астрономы преимущественно искали более крупные планеты. Теперь, с появлением новых технологий, например, реализованных в спектрометре Extreme Precision Spectrometer (EXPRES), разработанном командой Фишер в Йеле, исследователи могут обнаруживать меньшие по размерам планеты.
Кроме того, добавил Брюэр, это новое исследование свидетельствует о том, что планетные системы, состоящие из небольших по размерам планет, являются наиболее ранним типом планетных систем - что делает их идеальным местом для поисков жизни на других планетах.
«Звезды с низкой металличностью появились во Вселенной раньше, чем звезды богатые металлами, - сказал Брюэр. – Вокруг них мы обнаруживаем первые планетные системы».
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.
Ученые из МФТИ и Нидерландов открыли новый тип сверхпроводниковУченые из России и Голландии выяснили, что один из экзотических "проводников-изоляторов", соединение висмута и сурьмы, одновременно является полуметаллом и сверхпроводником. Их выводы были представлены в журнале Nature Materials.
"Полученный нами результат станет, по мнению научного сообщества, первым шагом к реализации нового типа квантовых алгоритмов. Он должен ускорить проникновение топологических квантовых вычислений в технологии", — заявил Александр Голубов из Московского физтеха в Долгопрудном.
В последние годы физики из России и зарубежных стран активно изучают свойства так называемых топологических изоляторов – относительно нового класса материалов, которые проводят электрический ток только на поверхности, а внутри остаются диэлектриками или полупроводниками.
Подобные вещества привлекают физиков тем, что электроны в этом поверхностном слое ведут себя чрезвычайно стабильно, что позволяет использовать их в качестве сверхнадежного "хранилища" информации в квантовых компьютерах.
Как передает пресс-служба вуза, Голубов и его коллеги открыли еще более удивительные свойства у одного из подобных материалов, состоящего из атомов висмута и сурьмы, изучая то, как ведут себя электроны в его толще.
Данное вещество, как давно подозревают ученые, относится не только к числу топологических изоляторов, но и так называемых "полуметаллов". Так физики называют не "промежуточные" элементы, находящиеся между металлами и окислителями в таблице Менделеева, а особые материалы, избирательно пропускающие электрический ток.
Приставка "полу" в их названии обусловлена тем, что они пропускают лишь те электроны, чей спин повернут или вверх, или вниз. По своей сути, они представляют собой трехмерные подобия топологических изоляторов, которые в теории можно использовать для создания квантовых компьютеров, полностью изолированных от окружающего мира.
Голубов и его команда подтвердили, что это действительно так, вставив пленку из сплава висмута и сурьмы в сверхпроводящее кольцо из ниобия и проследив за движением потоков электронов с разным спином внутри них в присутствии и при отсутствии внешних магнитных полей. Подобные опыты показали, что электроны были "изолированы" от окружающего мира на глубине даже в сотни нанометров.
Эти же эксперименты показали, что данный материал пропускает ток с нулевыми потерями, то есть является сверхпроводником, но при этом он "нарушает" законы квантовой механики, пропуская его лишь в одну сторону. Иными словами, пленки из висмута и сурьмы принадлежат к числу экзотических "топологических сверхпроводников".
"Здесь движение электронов возможно только в одну сторону. В обычном случае, электрон может двигаться и вправо и влево, потому что оба направления спина разрешены. Но когда мы один спин убрали, то электронам ничего не остается, как двигаться в одну сторону. Получается кажущееся нарушение принципа квантовой механики, поскольку при изменении фазы на 360 градусов электрон проходит только полпути, а полный период будет 720 градусов", — заключает физик.
Mars Express наблюдает на Марсе странное облакоУже более месяца автоматическая межпланетная станция Mars Express наблюдает за длинным, похожим на шлейф облаком на Красной планете.
Облако остается на месте над горой под названием Гора Арсия (Arsia Mons), расположенная около марсианского экватора, с 13 сентября, согласно заявлению Европейского космического агентства (ЕКА). Но это место просто совпадение, добавляет агентство. Ученые полагают, что вулканический процесс не создает этого облака - вулкан не был активен около 50 миллионов лет.
Mars Express и его предшественники замечали похожие облака, по крайней мере, три предыдущих раза, и эти структуры сформировались примерно в то же время в течении марсианского года. И это не совпадение, пишет ЕКА.
Облако наполнено водным льдом, сообщает агентство, созданное воздушным потоком вдоль вулкана. Облако меняется в течение дня, когда происходят изменения в атмосфере на Марсе.
Ученые, наблюдающие за облаком, заметили, что оно растет в течение утра, растягиваясь вдоль экватора. На нее может также повлиять пыль, которая все еще находится в атмосфере, от массивной пыльной бури, охватившей Марс в начале этого года.
Физики рассказали, где ожидают революционный прорывНаучной премии Breakthrough Prize, которая в денежном выражении превосходит Нобелевскую, удостоились в этом году физики, чьи работы привели к открытию нового класса веществ — топологических изоляторов. Свойства их обусловлены квантовыми эффектами, и с этим связывают прорыв в микроэлектронике и квантовых вычислениях.
Окно в будущее
Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более скоростные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи дают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за горами.
Топология — это область математики, изучающая, каким образом свойства объектов остаются неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предсказать существование нового класса материалов. Отсюда их название — топологические изоляторы.
Это твердое вещество, которое не проводит электрический ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические изоляторы сохраняют эту удивительную способность независимо от дефектов, коррозии, деформации, повреждений. Именно этим они вызвали интерес ученых.
Под защитой топологии
Открытию топологических изоляторов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых изначально не помышляли.
В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, возникающий в двумерном образце (очень тонком — толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном поле. Если такой проводник поместить между магнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это "перпендикулярное" сопротивление (физики говорят "холловское") изменяется не плавно, а скачками по определенному закону с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте наблюдаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа — топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут — у них нет для этого энергии.
В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.
Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление — спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением движения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.
Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.
Квантовые нанотехнологии
Спин-орбитальное взаимодействие наиболее сильно проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят тяжелые элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.
"Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем сделать микроканавку, на некоторых ее стенках можно наблюдать топологическое состояние. В последние годы открыли еще несколько семейств топологических материалов — вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск продолжается. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния", — рассказывает РИА Новости кандидат физико-математических наук Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем ФИАН.
Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные элементы, измеряют проводимость на поверхности, добавляют в систему примеси. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную структуру и топологическое поверхностное состояние.
Фотоны вместо электронов
"Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке химических соединений, только несколько сот могут быть электронными топологическими изоляторами. Это капля в море", — комментирует РИА Новости Максим Горлач, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО (Санкт-Петербург).
Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами — квантами электромагнитного излучения. Для этого конструируют особые структуры, имитирующие кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон приобретает эффективный спин и даже в некотором смысле массу и, в общем, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
"В топологическом состоянии свет распространяется по краю. Если начнем вносить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает большой интерес исследователей", — поясняет Горлач.
Ученые в ИТМО изготавливают и изучают структуры из керамики, кремния. Выбор материала зависит от диапазона частот электромагнитного излучения — это могут быть микроволновый, инфракрасный или оптический диапазоны.
В отличие от электронных, здесь не требуются редкие соединения. Однако необходима высокая диэлектрическая проницаемость материала и правильное его структурирование. Кроме того, интервал частот, в которых существуют топологические изоляторы слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.
Новые материалы, новые устройства
Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется защищенная от помех передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии связи.
"На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его изгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный кабель сильно перекрутить или переломить, оптический сигнал не пройдет. А топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение", — приводит пример Максим Горлач.
Электронные топологические изоляторы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует спин электронов. В будущем — это спиновые транзисторы и накопители информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, работающие на порядок быстрее обычных.
Топологический изолятор, соединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива — использование в квантовых компьютерах.
Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить сверхпроводник и охладить до гелиевых температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический сверхпроводник. На ее концах, как полагают физики, образуются фермионы Майораны — квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.
"Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых "живут" фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно рассматривать как квантовые биты и производить с ними квантовые вычисления", — объясняет Александр Кунцевич.
Практика отстает от теории
У идеального топологического изолятора на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, — идеальный диэлектрик. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому идеалу не соответствует: все образцы хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их фотонных разновидностей.
Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления примесей пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности кристаллов не удается добиться нужной поверхностной проводимости.
По словам Кунцевича, очень качественные кристаллы умеют выращивать в Институте геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал лауреатом премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического изолятора, предсказанного теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.
Другой путь — вырастить тонкую пленку. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень малый объем, то проблема проводимости частично снимается. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Но разработать технологию получения хороших пленок гораздо сложнее. Для этого требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной промышленности.
"Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы — недостаточно изоляторы. Нужно продолжать искать, трудности не означают, что цель недостижима", — заключает ученый.
Астрономы обнаруживают признаки слияния сверхмассивных черных дырВ новом исследовании представлены наблюдательные данные, свидетельствующие об обнаружении большого числа сверхмассивных черных дыр (СМЧД), которые, вероятно, являются предшественниками высокоэнергетических событий слияния этих СМЧД. Это подтверждает современное видение космической эволюции – согласно которому галактики и связанные с ними черные дыры объединяются с течением времени, формируя все большие по размерам галактики и черные дыры.
Астрономы из Хартфордширского университета, Соединенное Королевство, вместе с международной командой ученых проанализировали карты радиоисточников, соответствующих мощным джетам, и обнаружили признаки, которые свидетельствуют о близком расположении двух черных дыр, обращающихся друг относительно друга.
Сверхмассивные черные дыры излучают мощные джеты. Когда СМЧД движется по орбите, джет, исходящий из ядра галактики, периодически изменяет направление. Астрономы из Хартфордширского университета во главе с доктором Мартином Краузе (Martin Krause) изучили особенности ориентации этих джетов в пространстве и сравнили направления джетов с направлением долей галактики в радиодиапазоне (в пределах которых находятся все частицы, двигавшиеся вдоль джетов), чтобы продемонстрировать возможность использования этого метода для обнаружения присутствия двойных СМЧД.
Прежде чем две черные дыры объединяются, они формируют тесную пару. Обсерватории, настроенные на поиск гравитационных волн, смогли зарегистрировать события слияния пар черных дыр звездных масс, однако слияния СМЧД обнаружить при помощи современных технологий наблюдения до сих пор не представлялось возможным, пояснили авторы.
Доктор Мартин Краузе рассказал: «Мы изучали джеты в различных условиях при помощи компьютерных моделей на протяжении долгого времени. В этом исследовании, впервые систематически сравнив данные моделирования с картами высокого разрешения радиоисточников, мы пришли в настоящее изумление, когда обнаружили признаки, указывающие на прецессию джетов в случае двух третей от числа изученных источников».
Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Российские и зарубежные ученые, работающие в рамках проекта Borexino, впервые точно подсчитали число разных типов нейтрино, возникающих в недрах Солнца в ходе термоядерных реакций. Результаты многолетних наблюдений были представлены в журнале Nature.
"Рождающиеся в различных реакциях на Солнце нейтрино обладают разными энергиями. Следовательно, их изучение не только способствует изучению нейтринных осцилляций, но и позволяет искать эффекты за пределами Стандартной модели физики частиц, такие как, например, нестандартные взаимодействия нейтрино и переходы нейтрино в стерильное состояние", — заявил Александр Чепурнов из НИИ ядерной физики МГУ.
Призраки космоса
Нейтрино представляют собой мельчайшие элементарные частицы, которые "общаются" с окружающей материей только посредством гравитации и так называемых слабых взаимодействий, проявляющихся лишь на расстояниях, существенно меньше размеров ядра атома. В середине прошлого века ученые открыли три вида таких частиц — тау, мюонные и электронные нейтрино и их "злые близнецы"-антинейтрино.
Наблюдения за Солнцем в 1960 годах и эксперименты нобелевских лауреатов Артура Макдональда и Такааки Каджиты раскрыли две важные вещи – то, что нейтрино разных видов умеют периодически превращаться друг в друга – этот процесс ученые называют "осцилляциями" и то, что они обладают ненулевой массой. С тех пор ученые наблюдают за этим процессом, пытаясь вычислить массу нейтрино по тому, как "охотно" разные типы этих частиц превращаются в два других их вида.
Открытие нобелевских лауреатов заставило многих физиков считать, что существует еще и четвертый тип этих частиц – так называемые "стерильные" нейтрино. Они должны обладать чрезвычайно большой массой и не взаимодействовать с другой материей только при помощи сил притяжения. Эти нейтрино, как предполагают космологи, могут быть ключом к объяснению процесса расширения Вселенной, исчезновения антиматерии и ряда других загадок мироздания.
Все эти тайны пытается раскрыть нейтринная обсерватория Borexino, построенная в толще гор в центральной части Италии в 2007 году для наблюдений за осцилляциями солнечных нейтрино и проведения своеобразной "переписи" среди этих неуловимых частиц.
Дело в том, что разные типы термоядерных реакций в недрах, в ходе которых рождается гелий, литий, бор и прочие элементы, порождают свои собственные наборы нейтрино. Если знать долю и число этих частиц, можно точно узнать, что происходит внутри светила, и совпадают ли эти данные с тем, что предсказывает Стандартная модель и теории формирования звезд.
Секреты Солнца
Последние десять лет, как отмечает Чепурнов, команда Borexino проводила подобную "перепись" частиц, замеряя то, как много нейтрино разных энергий, порожденных Солнцем, достигало 300-тонного чана детектора, погруженного в километровую шахту в лаборатории Гран-Сассо.
Эти замеры помогли ученым очень точно вычислить, как много нейтрино рождается внутри в Солнца в целом, с погрешностью примерно в 10%, а также при распадах ядер бериллия, бора, а также в ходе реакций, в которых участвуют пары протонов и электроны.
К примеру, каждый квадратный сантиметр поверхности Солнца будет вырабатывать примерно 61 миллиард этих частиц каждую секунду, а распады бериллия порождают около пяти миллиардов "призраков". В свою очередь, рождение атомов тяжелых элементов сопровождается формированием около 800 миллионов нейтрино.
Почти все "результаты переписи", по словам физиков, были точнее, чем предсказания Стандартной модели, что впервые позволило использовать Солнце для очень точной проверки ее выкладок. Во всех трех случаях, продолжает Чепурнов, она корректно предсказала то, как много подобных частиц должно рождаться в недрах светила и как много из них должно поменяться на пути к Земле.
Как отмечают исследователи, подобные результаты наблюдений не только сужают поле поисков "новой физики", но и подтверждают, что главным источником энергии и света внутри Солнца были и будут оставаться термоядерные реакции.
В дальнейшем, ученые планируют очень точно измерить число нейтрино, возникающих при формировании ядер углерода, азота и кислорода. Эти данные будут крайне важны для оценки того, как много "металлов" – элементов тяжелее водорода и гелия — содержат недра Солнца, что крайне важно для изучения тайн жизни самых крупных звезд Вселенной.
Темная материя может формировать звезды Бозе, выяснили российскиеИсследователи разработали математическую модель, описывающую движение частиц темной материи внутри гало самых небольших галактик нашей Вселенной. Ученые наблюдали, что со временем темная материя может формировать сферические капли квантового конденсата. Ранее это считалось невозможным, поскольку не учитывались флуктуации гравитационного поля, формируемого частицами темной материи.
Темная материя является гипотетической формой материи, которая не испускает электромагнитного излучения. Это свойство затрудняет само доказательство ее существования. Скорость частиц темной материи является относительно небольшой, и поэтому она может удерживаться галактиками. Частицы темной материи взаимодействуют с обычной материей и друг с другом настолько слабо, что возможно обнаружение лишь их гравитационного поля – и никаким другим способом темная материя себя не проявляет. Каждая галактика окружена массивным гало из темной материи.
В новом исследовании российские ученые во главе с Дмитрием Левковым, кандидатом физико-математических наук и старшим научным сотрудником Института ядерных исследований Российской академии наук, наблюдали в ходе сеансов компьютерного моделирования, что если принять частицы темной материи бозонами с достаточно небольшой массой, то эти частицы способны формировать конденсат Бозе-Эйнштейна в гало небольших галактик или еще меньших по размеру субструктурах под действием гравитации.
Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой состояние квантовых частиц, занимающих самый нижний энергетический уровень. Конденсат Бозе-Эйнштейна может быть получен в лаборатории при низких температурах из обычных атомов. Это состояние материи демонстрирует уникальные свойства, такие как сверхтекучесть, способность протекать через крохотные трещины и капилляры без трения.
Согласно построенной авторами этой работы математической модели, со временем легкие частицы темной материи могут превращаться в сферические капли конденсата Бозе-Эйнштейна, формируя гипотетические звезды Бозе. В предыдущих исследованиях с использованием численных моделей указывалось, что этот конденсат уже присутствовал во Вселенной в ее изначальном состоянии, а звезды формировались из него уже впоследствии. Согласно одной из гипотез, конденсат Бозе мог формироваться в ранней Вселенной задолго до формирования галактик или мини-скоплений звезд, однако до сих пор отсутствовали надежные доказательства этой гипотезы. В своей новой работе авторы продемонстрировали, что этот конденсат формировался в центрах небольших гало, и они планируют исследовать конденсацию темной материи в ранней Вселенной в своих дальнейших работах.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Ученые как разведчики у пчел: чем сегодня живет теоретическая физикаПроисхождение Вселенной, темная материя и энергия, черные дыры – это только несколько тем, занимающих умы современных физиков-теоретиков. Какие вопросы сегодня стоят на острие фундаментальной науки, и кто их решает? Какие прикладные разработки появляются в результате, казалось бы, совершенно отвлеченных исследований? Об этом корреспонденту проекта "Социальный навигатор" МИА "Россия сегодня" Анне Курской рассказал профессор кафедры физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Сергей Рубин.
— Сергей Георгиевич, не так давно вы рассказывали нам о происхождении черных дыр. Насколько велика вероятность того, что Земля попадет в поле притяжения черной дыры?
— Очевидно, что, если подлететь к черной дыре на небольшой скорости, она вас в себя втянет, и вы оттуда уже никогда не сможете выбраться. Но нам на Земле бояться особенно нечего.
Наблюдаемые черные дыры бывают двух типов. Первые образуются при взрыве крупных звезд, с массой в десяток раз больше нашего Солнца. Само Солнце взорвется примерно через 5 миллиардов лет, но оно имеет недостаточную массу, чтобы превратиться в черную дыру, поэтому такой тип черной дыры нам не угрожает.
Второй тип – это черные дыры в центрах галактик. Они гораздо более массивные. К примеру, масса черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь – несколько миллионов солнечных масс.
Но это тоже не очень страшно, потому что все, что могло упасть в эту черную дыру, уже упало. А всё остальное, за небольшим исключением, вращается вокруг нее по далеким орбитам с большими радиусами, и, с нашей точки зрения, мы туда никогда не упадем.
Правда, происхождение черных дыр не до конца понятно. На этот счет ученые разработали несколько научных моделей, и некоторые из них говорят, что могут существовать еще очень мелкие черные дыры, с размером меньше атома, но с большой массой, порядка 1016 грамм. Этих черных дыр может быть много, они могут летать в пространстве и, в частности, сталкиваться с Землей. Но это настолько плотные и маленькие объекты, что они пройдут сквозь Землю, и мы с вами их просто не почувствуем. Как придут, так и уйдут.
— Какие вопросы теоретической физики сегодня занимают ученых?
— Происхождение тех же черных дыр. Может оказаться, что они появились раньше, чем галактики, тогда это поставит существующие теории с головы на ноги.
Есть и другие вопросы. Что такое темная материя и темная энергия? Все понимают, что они существуют, но никто точно не знает, что это такое. Каждый уважающий себя космолог может создать модель темной материи, и сейчас их не меньше сотни. Нужны дополнительные экспериментальные события, которые позволят отделить зерна от плевел.
Темная энергия — тоже нечто не очень понятное. Основная модель говорит о том, что в космическом вакууме нет частиц, но есть поля, которые в состоянии равновесия могут иметь энергию — вспомним про энергию электрического поля, запасаемую в конденсаторах. Возможно, энергия гипотетического поля и есть темная энергия. Есть и другие модели, и неизвестно, какая из них подтвердится.
Кроме того, в стандартной модели элементарных частиц масса нейтрино полагается равной нулю. Но некоторое время назад выяснилось, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля, хотя и на несколько порядков меньше массы заряженных частиц.
— И в чем же здесь загадка для ученых?
— Не очень понятно, каким образом природа ухитрилась образовать частицы такой маленькой массы. Потому что, если у вас есть молоток и клещи размером 15 см, то вам будет сложно сделать с их помощью деталь размером 1 мм. Но, похоже, природе это удалось, и хотелось бы понять, как. Может быть, образно говоря, у нее есть не только молотки и клещи, но и плоскогубцы?
Есть еще несколько проблем. На мой взгляд, самая важная и недооцененная — проблема тонкой настройки параметров вселенной. Оказывается, все физические параметры вселенной – массы, плотность темной материи, энергии, заряды частиц и так далее — нельзя сильно менять. Если представить себе, что хотя бы один параметр ненамного изменился, то сразу окажется, что и звезды не смогли бы образоваться и разумная жизнь не возникла бы.
Единственное объяснение для физиков состоит в том, что, по-видимому, существует очень много вселенных разного типа. Мы живем в одной из них. И важно понять, какой механизм, и каким образом может создавать эти вселенные.
Не хочу вдаваться в детали, но помогает в этом идея наличия дополнительных пространств. Предполагается, что мы эти пространства не видим, потому что они очень маленькие по размерам, меньше чем 10-18 см. В частности, их пытаются находить на коллайдере в ЦЕРНе.
Вообще говоря, дополнительные пространства помогают объяснить очень много явлений, например, откуда берутся симметрия, частицы Хиггса, и так далее.
— Вы хотите обнаружить нечто новое в физических законах?
— Это цель фундаментальной физики. Кстати, сейчас перед физиками, теоретиками и экспериментаторами, встал еще один вопрос. Как я уже говорил, стандартная модель не объясняет ни массу нейтрино, ни темную материю, ни темную энергию, ни гравитацию.
Значит, возможны отклонения от этой Стандартной Модели, красивой и относительно простой. На ускорителях в ЦЕРН ученые интенсивно проверяют наличие этих отклонений, но пока ничего не находят.
— Насколько трудно ученым продвигаться в области, где экспериментальная проверка той или иной гипотезы невозможна? Как вы выходите из положения?
— Это замечательный вопрос, при ответе на который расходятся мнения многих ученых. Ведь что означает непосредственная проверка? Если рассуждать поверхностно – если вы посмотрели и увидели, как что-то летит, значит, вы это считаете истиной. Но если рассуждать глубже… Скажите, электрон кто-нибудь непосредственно видел?
— Нет.
— Однако все уверены, что он существует, и он есть в таблицах элементарных частиц. Почему же люди считают, что электрон все-таки существует?
— Потому что его существование дает объяснение многим наблюдаемым явлениям.
— Вот именно! Теория предполагает, что электрон существует, что позволяет сделать различные выводы.
Вначале была высказана идея: "Электрон должен существовать", и большинство ученых стали смотреть на этого человека с недоверием. Но постепенно фактов, опосредованно подтверждающих, что электрон существует, стало появляться все больше и больше, миллионы фактов. Каждый раз, включая электрический ток, мы проверяем эту теорию, и для нас вероятность того, что электрон существует, равна 100%.
С другими теориями то же самое. Например, с черными дырами в центрах галактик. Я высказал мнение подавляющего большинства физиков о том, что они существуют. Но есть и другие физики, которые говорят: "Нет там ничего. У меня своя теория". И так они спорят друг с другом. Однако фактов, подтверждающих наличие таких черных дыр, становится все больше.
Насчет массивных черных дыр тоже не все еще понятно на 100%. Но с годами вероятность точного знания повышается. Ученые предлагают и проводят проверки, которые подтверждают: да, это — черная дыра.
Точность наших приборов все время увеличивается, а диапазон длин волн, которые они могут улавливать, расширяется. Поэтому скоро мы сможем "разглядеть" черную дыру уже совсем близко, "рассмотреть" ее до деталей, и вероятность нашего знания еще повысится. Хотя почти для всех ученых она уже и так близка к 100%.
— Область вашей работы – это исключительно фундаментальные исследования или существует возможность их прикладного использования?
— Тут есть три аспекта. Первый ответ достаточно стандартный: сейчас мы работаем на будущее, и когда-нибудь наши открытия примут осязаемую форму. Правда, интервал между научным открытием и созданием нового прибора на его основе все увеличивается.
Второй момент заключается в следующем: когда ученые на пределе своих возможностей пытаются что-то обнаружить или открыть, они придумывают новые технологии. Например, в нейтринной физике очень нужна была жидкая среда с колоссальной точностью очистки, с предельно малым количеством примесей. Была разработана специальная технология очистки. Сейчас, насколько я знаю, она используется в фармацевтике.
Более известный пример – это интернет. Всемирная паутина была изобретена как средство общения между учеными ЦЕРН. Таких примеров много, сюда можно отнести и развитие ядерной медицины.
— Можно сказать, что это побочные продукты фундаментальных исследований?
— Именно так. И есть еще одна вещь, может быть, наиболее важная. Я понял достаточно давно, что ни одна из групп живых существ, таких как пчелы, муравьи, собаки и люди, не могут жить без разведчиков. У пчел есть разведчики, и у муравьев тоже. Они отправляются в разные места, выискивают что-то съедобное, и рассказывают в улье или в муравейнике, что именно они нашли и, где это находится. Если бы у пчел не было разведчиков, они бы все умерли, когда съели бы все ближайшие ресурсы, и не знали бы, что делать дальше.
То же самое и с людьми. Что гнало в старые времена путешественников на кораблях в далекие моря, в бури, открывать новые земли? Конечно, любопытство, хотя и желание обогатиться тоже.
В любой группе организмов нужны особи разной специализации, в частности, наделенные чрезмерной любознательностью или любопытством. Ученые – как раз такие особи у людей.
Конечно, заниматься наукой — достаточно тяжелое дело. Это только при социализме можно было удовлетворять свое любопытство за счет государства, а сейчас это затруднительно. Поэтому, в среднем, ученые живут менее богато (хотя тут есть варианты), чем другие умные люди, которые пошли в другие профессии.
— Мешает ли это молодым людям избирать науку своей профессией?
— Да, это одна из проблем. Чтобы состояться в науке, есть два обязательных условия: надо быть умным и любопытным.
Раньше умные ребята шли в науку. Сейчас у них есть выбор — можно, например, заняться созданием компьютерных игр, это интересно и прибыльно. Поэтому есть отток молодежи из науки. Но это, может быть, и неплохо: значит, молодые люди не настолько любопытны, как нужно. Поэтому я никого не уговариваю заниматься фундаментальной наукой.
Было несколько раз, когда ко мне приходили за советом: "Стоит ли мне заниматься фундаментальной наукой, ведь мне предлагают пойти директором магазина? ". Я в таких случаях говорю: "Что бы ты ни решил, это будет правильно". Если молодой человек перейдет в коммерческую организацию, значит, он не очень любопытный. Если он останется в науке, это значит, что деньги для него не на первом месте. Поэтому в науке остаются самые любопытные.
Интервью представлено в рамках работы IV Международной конференции по физике частиц и астрофизике (ICPPA-2018), организованной Национальным исследовательским ядерным университетом "МИФИ" (НИЯУ МИФИ).
Гравитационные волны помогут пролить новый свет на темнуюРазрабатываемая в настоящее время новая космическая миссия Laser Interferometer Space Antenna (LISA) будет представлять собой важнейший научный инструмент для изучения различных явлений, включая сталкивающиеся черные дыры и гравитационные волны, движущиеся сквозь пространство-время. Исследователи из Цюрихского университета, Швейцария, также нашли, что миссия LISA может пролить свет на природу неуловимой частицы темной материи.
Частицы темной материи составляют примерно 85 процентов всей материи, находящейся во Вселенной – и несмотря на это, они до сих пор остаются гипотетическими, поскольку ни разу не были обнаружены напрямую. Однако расчеты показывают, что многие галактики вращаются с такими высокими скоростями, что их попросту должно было разорвать на части, если бы галактики не были «скреплены» большими массами темной материи.
Особенно явно этот принцип прослеживается на примере карликовых галактик. Эти галактики имеют небольшие размер и яркость, а кроме того, они широко распространены во Вселенной. Особенно интересным для астрофизиков в этих галактиках является то, что в них часто преобладает темная материя, что делает их прекрасными лабораториями для изучения свойств этой таинственной субстанции.
В новом исследовании группа под руководством Томаса Рамфэла (Tomas Ramfal) из Цюрихского университета провела моделирование формирования карликовых галактик в высоком разрешении. Рассчитав взаимодействие между темной материей, звездами и центральными черными дырами галактик, команда ученых из Цюриха открыла устойчивую связь между скоростью слияния черных дыр и количеством темной материи в центрах карликовых галактик. Таким образом, измерение параметров гравитационных волн, испускаемых объединяющимися черными дырами, может дать информацию о свойствах гипотетической частицы темной материи, делают вывод авторы.
Обнаружение этой связи будет играть важную роль при подготовке миссии LISA, окончательная конструкция которой будет утверждена в ближайшее время. Предварительные результаты, полученные командой Рамфэла, были с оживлением восприняты членами консорциума LISA.
Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal.
- Научные труды...
- Видеоматериалы
- Каталог физических демонстраций
- 1. Механика...
- 2. Колебания и молекулярная физика...
- 3. Электричество и магнетизм...
- 3.1 Электрическое поле
- 3.2 Проводники в электрическом поле
- 3.3 Энергия электрического поля
- 3.4 Постоянный электрический ток
- 3.5 Магнитное поле
- Политика
- Солнечная система
- Эфир
- Ацюковский В.А. Лекции
- Черепенников В.Б. Науке нужна защита от лженаучных мошенников. Монография.
- Российской академии наук фундаментальная наука не нужна. Монография. Черепенников В.Б.
- Псевдонаучные труды (критика)
- Псевдонаучные статьи (обсуждение)
- Полемические статьи (обсуждение)
На сайте:
Интернет-журнал Ньютоновские чтенияНовости наукиПолитикаСолнечная система
07.03.2023 09:50