Научные итоги года: физика

American Physical Society подвело итоги ^[1] уходящего года. Среди интересного в этом году – неведомые частицы из глубин космоса, узлы квантовых компьютеров, термоядерный синтез, шаровые молнии, а также немного статистики и философии.

Возможное обнаружение темной материи

Как известно, значительная часть нашей Вселенной состоит из темной материи – частиц непонятной природы, подверженных только гравитационному взаимодействию. Они не испускают и не поглощают электромагнитное излучение, что не дает наблюдать их напрямую в телескоп.

Одним из кандидатов на роль темной материи являются стерильные нейтрино (на Гиктаймс про них уже писали ^[2]). С очень маленькой вероятностью (10^-21 с^-1) они могут распадаться на обычные нейтрино и гамма-квант. Исходя из предположений об их массе, гамма-квант должен иметь энергию порядка единиц кэВ (рентгеновский диапазон).

Собственно, в этом году аж два орбитальных телескопа («Чандра» NASA и “XMM-Newton” ЕКА) обнаружили ^[3]в излучении двух разных галактик необычный пик с энергией 3.6 кэВ. Выглядит это примерно так (все на пределе возможностей):

При этом интенсивность линии падает при удалении от центра галактики. Разумеется, на доказательство это не тянет, но как минимум не противоречит представлениям (плотность темной материи уменьшается на периферии галактик) и не находит других разумных объяснений. Для уточнения планируется провести измерения с японского телескопа ASTRO-H, который запустят на орбиту в следующем году.

Инфляционная модель

Один из тонких моментов в космологии – это расширение Вселенной в первые моменты после Большого взрыва. Весьма вероятной теорией является инфляционная модель, предполагающая крайне быстрое расширение Вселенной на определенном этапе и позволяющая обойти ряд проблем, появляющихся в других моделях. По идее, если инфляционная модель верна, то это должно как-то отражаться на последующей эволюции Вселенной и на том, что мы видим сейчас.

В частности, мы должны наблюдать некоторые особенности реликтового излучения (микроволнового фона Вселенной, природа которого восходит к Большому взрыву), а именно его вихревую (роторную) поляризацию. Это что-то вроде круговой поляризации света. Правда для измерений понадобится не поляризатор из 3D-очков, а что-то посложнее.

Собственно, засечь ^[4]эту особенность в поляризации удалось в 2014 году. Прибор, сумевший сделать это, называется BICEP2 ^[5]. Это радиотелескоп-рефрактор (здорово, да?), измеряющий реликтовое излучение на частоте 150 ГГц при помощи матрицы хитрых сверхпроводниковых сенсоров. Полиэтиленовые линзы охлаждаются жидким гелием до 4 К, а сама матрица – до 250 мК. Установлен прибор на Южном полюсе для наблюдения за одним и тем же участком неба.

К сожалению, через какое-то время оказалось, что полученный результат мог быть вызван рассеянием излучения на космической пыли. По всей видимости, эксперимент будет продолжаться для накопления статистики.

Прогресс в инерционном термоядерном синтезе

Возьмем маленькую ампулу с дейтерий-тритиевой смесью и резко осветим со всех сторон мощными лазерами. Если излучение будет мощным, оно сожмет ампулу до такой степени, что начнется реакция термоядерного синтеза. Основная проблема здесь — создать сверхмощные импульсные лазеры и подобрать параметры импульса для максимального энергетического выхода реакции.

В частности, крайне важно выбрать оптимальный временной профиль лазерного импульса. Обычно мощность лазера нарастает со временем, причем, ступенчато (для экономии энергии):

Сжатие идет медленно на первой стадии и гораздо сильнее при максимальной интенсивности лазера (такой профиль называют “low-foot”). Проблема в том, что к определенному моменту мишень, по всей видимости, начинает разрушаться, и реакция прекращается.

В 2013 году (статья вышла в начале 2014) в National Ignition Facility ^[6] (Ливермор, США) предложили, что более резкий профиль пучка (“high-foot”) позволит избежать преждевременного распада мишени. Эксперимент показал ^[7], что идея оказалось верной. Более того, это позволило разобраться в неточностях теоретических моделей. Приятным бонусом стало то, что в новом процессе появилась положительная обратная связь: альфа-частицы, образуемые в результате синтеза, дополнительно нагревают смесь, что поддерживает высокую температуру, необходимую для синтеза.

В итоге эффективность реакции выросла (по различным параметрам) примерно на 50 %. Правда, соотношение полученной энергии к затраченной все еще остается ниже единицы.

Первое наблюдение спектра шаровой молнии

А про это на Гиктаймс уже писали ^[8].

SiV центры в алмазе

Иногда оказывается, что дефекты кристаллической решетки обладают очень полезными свойствами. Скажем, если в алмазе один из атомов углерода заменить на азот, а соседний вообще убрать, то получится NV-центр (nitrogen-vacancy). Его энергетические уровни очень похожи на энергетические уровни атома: они узкие, у них приемлемые времена жизни, а переходы между ними лежат в видимом и ИК диапазонах, что очень удобно для манипуляций с ними.

Представьте: у нас есть маленький кусочек алмаза, и мы знаем, что в нем находится ровно один NV-центр. Если мы посветим на него, то он излучит ровно один фотон. Теперь возьмем два кусочка алмаза – они излучат два абсолютно одинаковых фотона. А это уже можно использовать для экспериментов с квантовой информацией.

Еще приятно то, что кусочек алмаза долговечен. С одиночным атомом так бы не получилось: он может улететь, окислиться или еще что-нибудь. Поэтому NV-центры очень любимы в квантовой оптике, хоть и неидеальны.

Собственно, суть открытия в том, что удалось найти ^[9] еще одну подобную систему. Как можно понять из названия, это практически то же самое, только атом азота заменили на кремний. Как оказалось, такой центр превосходит NV-центры по ряду характеристик – а это значит, следующие несколько лет исследования SiV обещают быть плодотворными.

Однофотонные транзисторы

В этом году к однофотонному источнику добавился однофотонный транзистор, и не один, а целых два. Речь идет не об электронном, а об оптическом транзисторе, то есть управлении мощным пучком света при помощи слабого (в идеале — одним фотоном).

Давайте возьмем атом водорода. У него линейчатый спектр: много энергетических уровней электрона, соответствующих разным электронным орбиталям. Чем выше уровень, тем больше радиус орбиты электрона. Так, для уровня с номером в районе 50-70 радиус орбиты составляет десятки микрон. Такой атом называется ридберговским и выглядит очень интересно: крохотное ядро и огромная электронная «шуба» вокруг. А что, если подсунуть под «шубу» еще один атом?

Смотрим на картинку ^[10]: лазерный луч (розовый) возбудил несколько ридберговских атомов (красные ядра и серые электронные облака). Зеленые атомы попали под «шубу» соседей и оказались заэкранированы как в клетке Фарадея – они не чувствуют внешних полей и не взаимодействуют со светом. Если ридберговские «шубы» убрать, то зеленые атомы снова смогут взаимодействовать с окружающим миром – скажем, поглощать фотоны.

Для включения «шубы» достаточно одного фотона. Включили «шубу» — зеленые атомы заэкранировались и не поглощают свет – свет проходит сквозь них. Выключили «шубу» — зеленые атомы активизировались и поглощают свет – свет не проходит. Идея довольно простая, но потребовала немало времени для реализации. В этом году это удалось двум ^[11] группам ^[12]из ФРГ. До полезных моделей тут очень далеко, но для науки этот шаг был очень долгожданным.

Энтропия и диагностика лейкемии

Есть в статфизике такой параметр как энтропия – мера беспорядка. Обычно все (<зануда_mode> замкнутые </зануда_mode>) системы стремятся к состоянию с наибольшей энтропией. Пусть какая-то система описывается двумя переменными A и B, а мы можем померить только А. Мы не знаем ничего про B – но если система живая и эволюционирует, то B стремится к значению, при котором энтропия системы будет максимальна.

Если мы умеем считать энтропию по известным A и B, то решив обратную задачу, мы найдем B, соответствующее максимальной энтропии. Это и будет наиболее вероятное значение В в живой системе.

Теперь то же самое, но в медицине. Живая система – человек, параметров не два, а гораздо больше. Мы можем померить некоторые из них (насколько я понял, что-то типа концентраций белков), придумать как посчитать энтропию и по предложенной схеме восстановить некоторые неизвестные параметры. Эти неизвестные оказываются очень полезны для диагностики лейкемии и, возможно, ряда других серьезных заболеваний. Во всяком случае, как утверждается, первые результаты ^[13] оказались довольно обнадеживающими.

Стрела времени

Итак, энтропия растет со временем. Или наоборот: время течет в ту сторону, в которой энтропия (беспорядок) больше. Это определение термодинамической стрелы времени. Есть еще две стрелы времени: космологическая (в ее направлении расширяется Вселенная) и психологическая (как время чувствуем мы). Один из фундаментальных физических (а также философских) вопросов – почему нам кажется, что направления всех этих стрел совпадают.

Об этом доступно рассуждает Хокинг в «Краткой истории времени». Его объяснение для термодинамической и психологической стрел просто и изящно. Наш мозг ^[14] есть по сути компьютер, обрабатывающий входные данные. Вне зависимости от того, упорядочивает он их или стирает, на это затрачивается энергия, выделяемая в виде тепла. Аккуратный расчет покажет, что при работе компьютера суммарная энтропия памяти и окружающей среды увеличивается – а значит, время для него течет в сторону увеличения энтропии.

В работе этого года ^[15] вопрос стоит о том же, а вот подход к решению немного другой. Авторы предлагают мысленный эксперимент: два сообщающихся сосуда, один с газом, другой без; между сосудами стоит демон Максвелла счетчик и считает, сколько молекул в какую сторону пролетело. Термодинамическая стрела направлена в сторону уравнивания концентраций газов. Если психологическое время течет туда же, счетчик и считает, сколько молекул в какую сторону пролетело. Если же стрела времени направлена в противоположную сторону, то счетчик считает сколько молекул пролетит – этакая память о будущем.

Теперь немного подвинем одну из молекул в начале психологического времени. Если стрелы времени сонаправлены, то ничего не произойдет: конечное состояние системы будет примерно таким же, счетчик будет поначалу отсчитывать проходы в те же моменты времени (может быть, немного другие в будущем). Если же стрелы направлены противоположно, то система не сможет вернуться в состояние «весь газ в одном сосуде», потому что вероятность такого процесса крайне мала и очень чувствительна к начальным условиям. То есть минимальное изменение начальных условий полностью меняет показания счетчика.

Таким образом, память (счетчика) слабо меняется при слабом изменении прошлого для сонаправленных стрел времени, и кардинально перестраивается для противонаправленных. В последнем случае память сложно назвать памятью, потому что она перестает хранить то, что происходило. Авторы на этом не останавливаются, а вводят некие характеристики памяти, обобщают теорию на другие типы памяти и вообще здорово проводят время обсуждают множество других интересных аспектов. Что замечательно, при всем этом на 8 страницах они пишут всего 4 формулы и рисуют одну картинку.

Вместо заключения

Приятно увидеть глубокую философскую публикацию на страницах одного из ведущих физических журналов. Не менее приятно осозновать, что мы стали на несколько шагов ближе к квантовым вычислениям. Будем ждать новых интересных работ в наступающем году.

Автор: qbertych

Источник ^[16]