Последние несколько лет я рассказывал на Хабре про самые интересные достижения из мира физики. Все они были по-своему прорывными, но предсказать, какое будущее ожидает тот или иной результат, было непросто. По-моему сейчас настал отличный момент, чтобы оглянуться назад и посмотреть, что же стало с достижениями прошлых лет и как они изменили наш мир за эти годы.

Credit: E. Kulaeva / Shutterstock

Фавориты

Про них вы точно слышали, и наверное не раз. Мне больше всего нравится то, что они не остались фундаментальными открытиями в себе, а сразу же пополнили арсенал инструментов современной физики, и сейчас ими пользуются сотни ученых по всему миру.

Гравитационные волны

Проекту LIGO вообще невероятно повезло: сразу же после долгой пятилетней модернизации, еще до официального начала сеанса измерений, два сверхточных интерферометра впервые задетектировали колебания пространства-времени, излученные при слиянии двух черных дыр. Всего через три месяца они поймают сигнал от очередного события, а еще через два года принесут основателям Нобелевскую. На сегодня коллаборация LIGO (США), VIRGO (Италия) и KAGRA (Япония) зарегистрировала уже 90 слияний и черных дыр, и нейтронных звезд всевозможных масс:

а триангуляция направления на источник не раз позволила рассмотреть последствия этих событий во всевозможных спектральных диапазонах:

Вот так всего лишь за пять лет новейшая технология стала привычной реальностью. Сейчас все три лаборатории проходят очередной этап модернизации и планируют начать следующий сеанс наблюдений в концу 2022 года.

Двуслойный графен

Главную особенность двуслойного графена предсказали еще лет десять назад. Дело в том, что его зонная структура очень сильно зависит от угла между слоями. При "магическом угле" 1.06 градуса две из зон становятся почти плоскими:

и, говоря простым языком, электроны в ней обладают одной и той же потенциальной энергией вне зависимости от их скорости или положения. То есть "перепад высот" становится пренебрежимо мал по сравнению с энергией взаимодействия между электронами, которая теперь определяет поведение структуры. Изучать такие сильно коррелированные системы раньше было непросто: подходящих платформ, в которых наблюдаются такие эффекты, было очень мало. А вот двуслойный графен подошел просто идеально: его параметры можно легко настраивать, поворачивая слои на разные углы, прикладывая напряжение или меняя температуру. Началось все с открытия сверхпроводимости в 2018 году, ну а потом понеслось: Моттовские изоляторы, странные металлы, хитрые ферромагнитные состояния и множество других интересных вещей.

Еще одна приятная особенность: два слоя графена образуют муаровый узор с периодом порядка десятков нанометров. Это на порядки больше, чем решетка графена, поэтому с ним гораздо проще работать. Можно просканировать ее туннельным микроскопом, можно внедрить локальный дефект, можно легко создать огромную плотность магнитного поля на одну ячейку. Все это сделало двуслойный графен стал новой рабочей лошадкой физики твердого тела. На подходе муаровые сверхрешетки из других двумерных материалов, многослойные структуры, взаимодействие со светом и многое-многое другое.

Квантовое превосходство

Плавный, но уверенный прогресс привел квантовые компьютеры от разложения числа 15 на простые сомножители до бесспорного превосходства над классическими суперкомпьютерами на определенном классе задач. Фаворитами квантовой гонки все еще остаются компьютеры на сверхпроводящих трансмонных кубитах: IBM недавно представила 127-кубитный процессор. Не отстают и другие платформы: модели на одиночных ионах достигли 32 кубитов, а в ближайшее время на арену выйдут и компьютеры на одиночных нейтральных атомах, более перспективные в плане масштабируемости. Параллельно развиваются фотонные процессоры (около 140 кубитов у университета Хефея в Китае): у них есть проблемы с квантовой памятью, зато проще реализуются некоторые операции.

В мире квантовых симуляторов числа еще впечатляющей: D-Wave может похвастаться 5000 трансмонными кубитами. Правда, симуляторы отличаются от универсальных компьютеров примерно как ASIC от процессора: они не могут реализовывать произвольные операции между кубитами. Впрочем, и универсальные компьютеры пока что показали квантовое превосходство лишь на синтетических задачах, которые не имеют практических применений (хороший обзор). Но похоже, что прогресс не за горами.

Наконец, квантовые вычисления дошли и до облачных платформ. Лидерами остаются пионеры этого направления, IBM Quantum. Недавно к ним присоединились канадская Xanadu и голландская Quantum Inspire с процессорами собственной разработки, а также Amazon Braket с бэкендами от D-Wave, IonQ и Rigetti. А в конце января в MIT уже третий раз пройдет ежегодный квантовый хакатон. Если вы хотели пощупать квантовые вычисления своими руками, то может быть сейчас самое время? ;)

Портрет черной дыры

Event Horizon Telescope, сделавший исторический снимок черной дыры в соседней галактике М87 — это радиоинтерферометр со сверхдлинной базой на самых мощных стероидах, доступных человечеству. Это не только десять обсерваторий, самолеты с петабайтами данных на жестких дисках из Гренландии и Антарктиды, два сверхмощных кластера на двух континентах, но и невиданная ранее коллаборация сотен участников из семидесяти организаций (!), сделавшая все это возможным. В прошлом году EHT добавил новые штрихи к изображению черной дыры, измерив его поляризацию:

и прояснил природу магнитных полей в окрестности черных дыр. Параллельно EHT наблюдает за черной дырой в центре Млечного пути. Она гораздо меньше черной дыры в М87 и вращается вокруг своей оси гораздо быстрее. Поэтому ее сложнее наблюдать, и мы все еще ждем новых результатов.

К сожалению, рядом с нами нет других черных дыр сопоставимого размера, и поэтому основная миссия EHT может вскоре закончиться. Но опыт создания такой огромной коллаборации будет бесценным для новых сетей телескопов по всему миру.

Великие закрытия

Инерциальный термоядерный синтез

National Ignition Facility в Калифорнии, основанная четверть века назад, стоит перед амбициозной целью: получить управляемую термоядерную реакцию, облучая сверхмощными лазерами капсулу с дейтерий-тритиевой смесью. В ушедшем году они стали к ней еще на шаг ближе: энергетический выход реакции составил 70% от затраченной энергии. С одной стороны, коллектив NIF можно было бы искренне поздравить. Но на фоне успехов других технологий этот результат выглядит, мягко говоря, неоднозначно. Положительный выход на токамаках был получен почти 30 лет назад, и сейчас вовсю идет сборка ITER, на котором будет изучаться не только физика, но и технологические нюансы производства энергии. А за последние 20 лет появилась и масса новых подходов, многие из которых — стеллараторы, ARC, FRC, Z-pinch — уже реализованы и даже смогли привлечь частные инвестиции.

Вообще cверхмощные лазеры NIF — это уникальные устройства. У этой технологии есть масса применений, например, изучение экстремальных состояний вещества. Но вполне вероятно, что для инерциального термоядерного синтеза результат NIF станет лебединой песней.

Темная материя

Сразу скажу: темная материя — одна из самых актуальных загадок современной физики, ее никто не закрывал. Просто за последние годы ничего похожего на нее так и не смогли обнаружить. Успеха не принесли ни попытки создать частицы темной материи на CERN, ни поймать их напрямую нейтринными, газовыми или жидкостными детекторами. Какой-то слабый сигнал уловил итальянский эксперимент XENON1T, но он не сходится с существующими моделями темной материи. За это время появился принципиально новый подход: спектроскопия тяжелых атомов, ядра которых чувствительны к частицам темной материи, но и он пока не дал четких результатов. Астрономические наблюдения, способные косвенно указать на природу темной материи, тоже не принесли значимых новостей.

Впрочем, это не повод отчаиваться, а вполне конкретный результат: все эти эксперименты закрыли огромную область параметров, которыми темная материя обладать не может. Например, максимальная энергия столкновения частиц на CERN надежно ограничивает снизу возможную массу гипотетических частиц: если бы темная материя была легче, мы бы её уже увидели. Все это разнообразие экспериментов позволяет уверенно отбросить устаревшие представления о темной материи и приступить к новым, более перспективным моделям.

Скандалы, интриги, расследования

Ну а куда же без них. К счастью, в науке они встречаются нечасто.

Пыльная история

Команда BICEP2, изучавшая поляризацию реликтового космического излучения на антарктическом телескопе, заявила об обнаружении поляризационной B-моды еще в 2014 году. Этот результат мог бы свидетельствовать о гравитационных волнах в первые мгновения жизни Вселенной, позволял бы оценить их силу и поэтому имел небывалое значение для космологии. Ажиотаж в сообществе был невероятный: специалисты говорили о возможной революции в квантовой гравитации и пророчили авторам Нобелевскую премию. Но всего лишь через несколько месяцев стало понятно, что наблюдения BICEP2 полностью объясняются рассеянием реликтового излучения на межзвездной пыли.

С тех пор телескоп BICEP и соседнюю с ним Keck Array уже успели усовершенствовать несколько раз. На сегодня поляризация реликтового излучения измерена с гораздо большей точностью, и B-мода в ней все еще отсутствует. Не так давно один из участников событий написал книгу с говорящим названием Losing the Nobel Prize

Алмазные страсти

А вот сейчас будет небольшой детектив.

После получения степени PhD Ранга Диаз приехал в Гарвард для работы над созданием сверхвысоких давлений при помощи алмазных наковален. В 2017 году он получил священный Грааль для физики высоких давлений — первый в мире образец металлического водорода! Но несмотря на то, что статья успешно прошла рецензирование в Science, у сообщества возникла к ней масса вопросов. Многие использовали ее, чтобы показать студентам как не надо готовить публикации: из тридцати измеренных значений давления эффект наблюдается только при одном, максимальном; что там происходит в его окрестности и почему эта точка не может быть ошибкой эксперимента, остается загадкой:

Хотя лично мне больше понравились донельзя размытые фотографии водорода с подписью, которой мог бы гордиться сам Стив Джобс:

А вот претензии специалистов были серьезней. Редакции Science пришлось опубликовать целых два письма с детальной критикой работы: авторы игнорируют общепринятые способы измерения давления, калиброванная шкала давлений кардинально отличается от других экспериментов, а некоторые наблюдаемые особенности противоречат предыдущим результатам самих авторов. Наконец, авторы не озаботились мониторингом того, что водород вообще оставался между наковальнями. Он мог улетучиться задолго до максимальных давлений, о чем косвенно свидетельствует изменившийся размер "образца водорода" на фотографиях.

Как ни странно, статья в Science устояла. А вот металлический водород — нет: при попытке провести еще один эксперимент одна из алмазных наковален не выдержала давления в 400 гигапаскалей и просто лопнула. С уникальными образцами такое случается. Тем не менее, с тех пор прошло несколько лет, но никто так и не смог продемонстрировать металлический водород еще раз.

Впрочем, Диазу это не помешало: он получил профессорскую позицию и свою группу в университете Рочестера. А уже в 2020-м его прорывная работа о сверхпроводимости при комнатной температуре и давлении в 270 ГПа вышла уже в Nature. Казалось бы, все идет замечательно… но в ушедшем году серьезные вопросы появились и к ней. В двух словах, наблюдаемый переход в сверхпроводящее состояние происходит слишком резко для подобных структур, и гораздо более вероятно, что где-то в очень неоднородном образце замыкается металлический контакт. Наконец, вишенкой на торте, недавно под этой статьей появилась любопытнейшая заметка от редактора:

Суть в том, что при публикации любой статьи авторы соглашаются предоставлять необработанные экспериментальные данные по запросу. Однако Диаз и его команда отказались раскрыть данные, когда их об этом попросили. Почему? Хотят ли авторы что-то скрыть? Пока что мы не знаем. В любом случае, наш герой умудрился всего за пять лет попасть в целых три этических конфликта, и как это скажется на его репутации и карьере, пока непонятно.

Сколько волка ни корми

Подводить итоги года стало сложнее. Нет, интересных работ стало только больше. А вот их доступность становится все хуже и хуже. Причина та же, что и раньше: хищническая политика научных издательств. В последние годы им стало явно недостаточно максимальной доходности среди всех легальных сфер бизнеса:

и даже самые топовые издательства решили пробить очередное дно освоить новые рубежи. Nature решила спрятать за пейволл не только сами научные статьи, но и популярные рассказы о них! Как вам такое: научная работа лежит в открытом доступе, потому что за него заплатили авторы, а вот популярный рассказ о ней — за пейволлом, потому что его опубликовала сама Nature! Ну или вот этот пример, говорящий сам за себя:

Science перешел эту черту еше раньше (он в принципе рассматривает себя как смесь научных и популярных статей) и теперь дает доступ только к пяти новостям каждый месяц. После этого даже топовые материалы — включая итоги года! — уходят за пейволл. Это контролируется не только через cookies браузера, поэтому чтение из-под приватной вкладки не поможет.

Пока что прорывные научные работы все еще публикуются в Nature и Science. Но для научпопа они стали откровенно непригодны. Я дичайше рекомендую избегать хищников и смотреть в сторону или традиционных издательств вроде APS Physics, или популярных изданий типа Quanta Magazine. И не забывать про качественный научпоп на русском языке: Элементы, N+1, Постнаука.

Загадки

Пару раз за последние годы разные исследования одного и того же явления давали противоречащие результаты. Например, так произошло с постоянной Хаббла, измерения которой по данным молодой Вселенной и по ее нынешнему состоянию сходятся к разным значениям. На сегодня эта загадка остается неразрешенной: и новые измерения с Атакамского телескопа в Чили, и улучшенный метаанализ данных с телескопа Хаббла подтвердили расхождение между результатами. Безуспешными остались и попытки объяснить этот эффект новой физикой, например, изменяющейся во времени темной энергией или новыми релятивистскими частицами.

Credit: A.G.Riess et al.

Остается неразрешенной и нейтринная аномалия, которая может косвенно указывать на существование новой элементарной частицы, стерильного нейтрино. В 2018 году на нее указал эксперимент в Фермилабе, а вот измерения на Калининской АЭС ее не подтвердили. В ушедшем году география поменялась: более точные измерения в Фермилабе больше не видят аномалии, зато теперь на нее четко указывают эксперименты на АЭС в Димитровграде и в подземной нейтринной обсерватории на Кавказе.

А вот загадка радиуса протона успешно разрешилась. Пять независимых экспериментов, использующих несколько разных подходов, привели к одному и тому же результату, и в 2018 году CODATA изменила рекомендуемое значение для радиуса протона с 0.88 фм на 0.84 фм (фиолетовая точка):

Credit: К. Хабарова, Н. Колачевский

Откуда же появились три результата, использовавшие те же самые экспериментальные подходы, но подтвердившие старое значение? Мы не знаем. Но вероятно, что свою роль сыграли психологические причины, когда авторы — возможно, подсознательно! — стремились получить результат поближе к "правильному" значению (например, отбрасывая точки, кажущиеся неправильными). По всей видимости, это должно стать хорошим уроком на будущее: CERN и LIGO уже давно используют слепую обработку данных и ложные сигналы; возможно, пришло время озаботиться чем-то подобным и для небольших экспериментов.

Технический прогресс

Многие научные идеи успели дорасти до технической зрелости. Здесь я точно буду субъективен, но похоже, что дальше всех продвинулись квантовые технологии. Если вам кажется, что в этом списке не хватает еще чего-то, добавляйте в комментариях.

Многоканальная астрономия

Мы уже давно наблюдаем за Вселенной во всем диапазоне электромагнитных волн, от радио до гамма-лучей, поэтому идея изучать один и тот же объект в разных диапазонах появилась довольно давно. Сложность в том, что самые интересные события — взрывы сверхновых, гамма-вспышки и другие катастрофы галактического масштаба — происходят довольно быстро, и информацию об их расположении хотелось бы получить как можно скорее. Чем грандиознее взрыв, тем больше энергии он выделяет в первые мгновения, поэтому самыми ранними его предвестниками будут наболее высокоэнергетические частицы. Поэтому еще в 90-х годах прошлого века появилась Gamma-ray Coordinate Network (GCN), собиравшая данные со спутниковых гамма-обсерваторий и рассылавшая алерты о свежих гамма-вспышках. Чуть позже образовалась Supernova Neutrino Early Warning System, объединившая сеть нейтринных детекторов по всему миру.

Все изменилось несколько лет назад, когда мы научились слышать отголоски еще более грандиозных событий. В 2013 году обсерватория IceCube на Южном полюсе засекла первую мощную вспышку высокоэнергетичных нейтрино космического происхождения, а еще через два года LIGO поймала первые гравитационные волны. Это и стало толчком к полноценному развитию многоканальной астрономии, позволяющей уведомлять в автоматическом режиме обсерватории по всему миру о самых свежих и интересных событиях на небе. Сейчас свои алерты работают и у LIGO, и у IceCube. А в 2017 появилась сеть AMON, объединяющая телескопы во всех диапазонах частот. Она не только автоматически предупреждает участников о новых событиях, но и позволяет отслеживать "подпороговые", замеченные только при пост-обработке данных. Ну и не стоит забывать про Astronomer's Telegram, стену сообщений, где поделиться свежими наблюдениями могут не роботы, а живые астрономы.

Credit: I. Bartos, M. Kowalski

Сжатые состояния

Квантовая запутанность бывает разная. Самый известный пример — ЭПР-пары запутанных фотонов — уже давно используется в квантовой криптографии. Другой известный тип запутанности, сжатый свет, проявляется как корреляция между амплитудой и фазой световой волны и позволяет подавить дробовый шум света и улучшить точность оптических измерений. За последние годы эта идея нашла свое место во множестве применений: сейчас сжатый свет используют и для повышения чувствительности LIGO и VIRGO, и в фотонном квантовом компьютере из Хефея, и даже пытаются применять к клеточной микроскопии. Сжатие работает не только в оптике, но и в других квантовых системах: например, мы недавно проапгрейдили топовые атомные часы, сжимая состояние ансамбля атомов. Из новых интересных направлений — поиск более хитрых запутанных состояний на основе сжатия, позволяющих получить максимальный выигрыш в чувствительности при минимальных затратах на создание запутанности.

Credit: American Physical Society

Si-V центры

То, что этот дефект кристаллической решетки алмаза крайне интересен для квантовых применений, стало понятно где-то к 2014 году. Такие дефекты часто называют искуственными атомами из-за схожей структуры электронных уровней. Самые известные из таких систем — N-V центры, но в отличие от них Si-V центр обладает симметрией (на картинке справа) и нечувствителен к электрическим и магнитным полям. Поэтому из N-V центров получаются замечательные сенсоры, зато Si-V центры могут отлично хранить хрупкие квантовые состояния, не боясь возмущений. Вдобавок ко всему Si-V центры слабо взаимодействует с фононами (колебаниями кристаллической решетки), что, говоря простым языком, позволяет сделать их излучение гораздо ярче. Сейчас на их основе разрабатывают квантовые репитеры для сетей квантовых коммуникаций.

Credit: American Physical Society

Микроскопы для атомов

Холодные атомы — это одна из самых популярных платформ для изучения квантовой физики, принесшая как минимум четыре Нобелевских премии. Как ни странно, управлять облачком атомов оказалось гораздо проще, чем рассмотреть каждый из атомов по отдельности. Паззл сложился не сразу. Сначала атомы научились захватывать в стоячую волну, образованную лазером, так что в каждой пучности поля сидел ровно один атом. Потом научились проектировать сложные объективы для работы в сверхглубоком вакууме: для достижения разрешения в полмикрона (период стоячей волны) объектив должен располагаться максимально близко к атомам, прямо в вакуумной камере, в которой происходит эксперимент. В итоге только к 2009 году научились фотографировать бозоны, а к 2015 — фермионы. Зато сегодня эта технология работает в десятках лабораторий по всему миру. Последний писк моды — захватывать атомы в кучу оптических пинцетов, которые генерируются программно и создаются цифровым зеркалом, и манипулировать ими в произвольном порядке. В частности, так будет работать квантовый компьютер на нейтральных атомах, про который я упоминал выше.

Credit: Y. Wang et al.

Вместо заключения

Вау. Даже удивительно как далеко мы шагнули за эти годы. Будущее наверняка готовит нам не менее интересные загадки, надеюсь, они нам понравятся.