Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна - и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.
Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.
Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики - в квантовой механике.
Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.
Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). - это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них - скажем, измените спин - второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее - вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.
Гравитация влияет на свет
Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света - путь света не всегда может быть прямым.
Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть - вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.
Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать - но вот незадача, два этих числа не совпадают.
На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю - таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.
Наша Вселенная быстро расширяется
Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.
Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это - темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам .
Любая материя - это энергия
Материя и энергия - это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу E = mc 2 . E - это энергия, а m - масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.
Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.
Корпускулярно-волновой дуализм
Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые - твердые куски материи, вторые - пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием - они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.
Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет - это волна, и свет - это частица. Свет - это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.
Все объекты падают с одинаковой скоростью
Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие - это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации - единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.
Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.
Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное - на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.
Эксперимент с двойной щелью
Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.
Эксперимент с двумя щелями - это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет - это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.
Но частицы должны реагировать иначе - пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет - это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение - но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу - измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.
Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.
Почти уже ушедший 2017 год оказался годом громких открытий - космические агентства стали использовать многоразовые ракеты, пациенты теперь могут бороться с раковыми клетками с помощью собственных кровяных клеток, а группа ученых обнаружила в Южном полушарии потерянный континент под названием Зеландия.
Ниже более подробно описаны эти и другие умопомрачительные открытия и невероятные научные достижения 2017 года.
Зеландия
Интернациональная группа, состоящая из 32 ученых, обнаружила в южной части Тихого океана потерянный континент - Зеландию. Она находится под тихоокеанскими водами, на морском дне, между Новой Зеландией и Новой Каледонией. Зеландия не всегда пребывала под водой, поскольку ученые смогли обнаружить окаменевшие останки растений и сухопутных животных.
Новая форма жизни
Ученым удалось создать в лабораторных условиях нечто, наиболее приближенное к новой форме жизни. Дело в том, что ДНК всех живых существ состоит из естественных пар аминокислот: аденин-тимин и гуанин-цитозин. Из этих азотистых оснований и построена большая часть ДНК. Однако ученым удалость создать неестественную пару оснований, которая вполне комфортно сосуществовала с естественными парами в ДНК кишечной палочки.
Это открытие способно повлиять на дальнейшее развитие медицины и может способствовать более долгому удержанию лекарственных препаратов в организме.
Все золото во вселенной
Ученые узнали, как именно образуется все золото во вселенной (а также платина и серебро). В процессе столкновения двух очень маленьких, но очень тяжелых звезд, расположенных на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли, сформировалось золота на сто октиллионов долларов.
Впервые за всю историю наблюдений за звездами астрономам удалось засвидетельствовать столкновение двух нейтронных звезд. Два массивных космических тела направлялись друг к другу со скоростью, равной трети скорости света, и их столкновение привело к созданию гравитационных волн, ощутимых на Земле.
Секреты великой пирамиды
Ученые по-новому взглянули на Великую пирамиду Гизы и обнаружили там секретный зал. Используя новую технологию сканирования на основе высокоскоростных частиц, ученые обнаружили в глубине пирамиды тайную комнату, о которой раньше никто даже не подозревал. Пока ученые могут только предполагать, для чего было построено это помещение.
Новый метод борьбы с раком
Ученые теперь могут использовать иммунную систему человека, чтобы бороться с некоторыми раковыми клетками. Например, чтобы побороть детскую лейкемию, доктора извлекают клетки крови ребенка, модифицируют их и вводят обратно в организм. Пока этот процесс стоит чрезвычайно дорого, но технология развивается и обладает огромным потенциалом.
Новые показатели с полюсов
Не все открытия 2017 года были положительными. Например, в июле от ледяного покрова Антарктики откололся огромный кусок льда, ставший третьим по величине айсбергом, зарегистрированным за всю историю наблюдений.
Кроме того, ученые утверждают, что Арктика, возможно, уже никогда не вернет себе звание вечно ледяного полюса.
Новые планеты
Ученые НАСА обнаружили еще семь экзопланет, которые теоретически могли бы поддерживать жизнь в той форме, которую мы знаем на Земле.
В соседней звездной системе TRAPPIST-1 было замечено целых семь планет, как минимум шесть из них твердотелые, как и Земля. Все эти планеты находятся в благоприятной для формирования воды и жизни зоне. Что самое замечательное в этом открытии, это близость звездной системы и возможность дальнейшего подробного изучения планет.
Прощание с «Кассини»
В 2017 году автоматическая космическая станция «Кассини», которая изучала Сатурн и его многочисленные спутники на протяжении 13 лет, сгорела в атмосфере планеты. Это было запланированным концом миссии, на который ученые пошли осознанно в попытке избежать столкновения «Кассини» с возможно обитаемыми спутниками Сатурна.
Прямо перед своей гибелью «Кассини» облетела Титан и пролетела сквозь ледяные кольца Сатурна, отправив на Землю уникальные снимки.
МРТ для младенцев
У самых крошечных малышей, находящихся на лечении или обследовании в больнице, появилась собственная магнитно-резонансная томография, безопасная для использования в той же комнате, где находятся младенцы.
Многоразовый ракетный ускоритель
Компания SpaceX изобрела новый ракетный ускоритель, который не падает на Землю после запуска ракеты и который можно использовать несколько раз.
Ускорители являются одной из самых дорогостоящих частей запуска ракеты в космос, и обычно все они оказываются на океанском дне сразу после запуска. Очень дорогое одноразовое приспособление, без которого до орбиты не добраться.
Однако новые тяжелые бустеры компании SpaceX могут быть переоборудованы сравнительно легко и дешево и экономить по 18 миллионов долларов с каждого запуска. За 2017 год компания Илона Маска уже провела около 20 запусков с последующей посадкой бустера.
Новые достижения в генетике
Ученые стали на шаг ближе к возможности редактировать ДНК человека, избавляя его еще до рождения от врожденных дефектов, болезней и генетических аномалий. Генетики из Орегона впервые успешно отредактировали ДНК живого человеческого эмбриона.
Кроме того, компания eGenesis объявила о том, что в скором времени людям можно будет пересаживать крупные жизненно важные органы от доноров-свиней. Компании удалось создать генетический блокиратор вирусов, который не передает человеку вирусы животного.
Прорыв в квантовой телепортации
Возможность телепортации квантовой информации уже давно исследуется учеными. Раньше удавалось телепортировать данные на расстояние в несколько десятков километров.
Впервые в истории квантовой телепортации китайскому ученому удалось передать информацию о фотонах (световых частицах) с Земли в космос с помощь зеркал и лазеров.
Это открытие может кардинально изменить то, как мы передаем информацию по всему миру и транспортируем энергию. Квантовая телепортация может привести к абсолютно новому виду квантовых компьютеров и передачи информации. Интернет скорого будущего может стать быстрее, безопаснее и практически неприступным для хакеров.
Декабрь - время подводить итоги. Редакция проекта "Вести.Наука" (nauka.сайт) отобрала для вас десять самых интересных новостей, которыми нас в уходящем году порадовали физики.
Новое состояние вещества
Технология заставляет молекулы самостоятельно собираться в нужные структуры.
Состояние вещества под названием экситоний было теоретически предсказано почти полвека назад, но получить его в эксперименте удалось только сейчас.
Такое состояние связано с образованием конденсата Бозе из квазичастиц экситонов, представляющих собой пару из электрона и дырки. Мы , что означают все эти мудрёные слова.
Компьютер на поляритонах
Новый компьютер использует квазичастицы поляритоны.
Эта новость пришла из Сколково. Учёные Сколтеха реализовали принципиально новую схему работы компьютера. Её можно сравнить со следующим методом поиска нижней точки поверхности: не заниматься громоздкими вычислениями, а опрокинуть над ней стакан с водой. Только вместо поверхности было поле нужной конфигурации, а вместо воды - квазичастицы поляритоны. Наш материал в этой квантовой премудрости.
Квантовая телепортация "Земля-спутник"
Квантовое состояние фотона впервые "переслали" с Земли на спутник.
И тут в очередной раз на помощь физикам пришёл Большой адронный коллайдер. "Вести.Наука" , чего удалось добиться исследователям и при чём здесь атомы свинца.
Взаимодействие фотонов при комнатной температуре
Явление впервые наблюдалось при комнатной температуре.
У фотонов много разных способов взаимодействовать друг с другом, и занимается ими наука под названием нелинейная оптика . И если рассеяние света на свете удалось наблюдать лишь недавно, то эффект Керра давно знаком экспериментаторам.
Однако в 2017 году его впервые удалось воспроизвести для отдельных фотонов при комнатной температуре. Мы об этом интересном явлении, которое тоже в каком-то смысле можно назвать "столкновением частиц света", и о технологических перспективах, которые в связи с ним открываются.
Кристалл времени
Творение экспериментаторов демонстрирует "кристаллическую" упорядоченность не в пространстве, а во времени.
В пустом пространстве ни одна точка не отличается от другой. В кристалле всё иначе: есть повторяющаяся структура, которая называется кристаллической решёткой. Возможны ли подобные структуры, которые без затрат энергии повторяются не в пространстве, а во времени?
"Звёздные" термоядерные реакции на Земле
Физики воссоздали в термоядерном реакторе условия в недрах звёзд.
Промышленный термоядерный реактор - заветная мечта человечества. Но эксперименты длятся уже более полувека, а вожделенной практически бесплатной энергии нет как нет.
И всё же в 2017 году был сделан важный шаг в этом направлении. Исследователи впервые практически в точности воссоздали условия, царящие в недрах звёзд. , как им это удалось.
Будем надеяться, что и 2018 год будет столь же богат на интересные эксперименты и неожиданные открытия. Следите за новостями. Кстати, мы делали для вас и обзор уходящего года.
Декабрь - время подводить итоги. Редакция проекта "Вести.Наука" (nauka.сайт) отобрала для вас десять самых интересных новостей, которыми нас в уходящем году порадовали физики.
Новое состояние вещества
Технология заставляет молекулы самостоятельно собираться в нужные структуры.
Состояние вещества под названием экситоний было теоретически предсказано почти полвека назад, но получить его в эксперименте удалось только сейчас.
Такое состояние связано с образованием конденсата Бозе из квазичастиц экситонов, представляющих собой пару из электрона и дырки. Мы , что означают все эти мудрёные слова.
Компьютер на поляритонах
Новый компьютер использует квазичастицы поляритоны.
Эта новость пришла из Сколково. Учёные Сколтеха реализовали принципиально новую схему работы компьютера. Её можно сравнить со следующим методом поиска нижней точки поверхности: не заниматься громоздкими вычислениями, а опрокинуть над ней стакан с водой. Только вместо поверхности было поле нужной конфигурации, а вместо воды - квазичастицы поляритоны. Наш материал в этой квантовой премудрости.
Квантовая телепортация "Земля-спутник"
Квантовое состояние фотона впервые "переслали" с Земли на спутник.
И тут в очередной раз на помощь физикам пришёл Большой адронный коллайдер. "Вести.Наука" , чего удалось добиться исследователям и при чём здесь атомы свинца.
Взаимодействие фотонов при комнатной температуре
Явление впервые наблюдалось при комнатной температуре.
У фотонов много разных способов взаимодействовать друг с другом, и занимается ими наука под названием нелинейная оптика . И если рассеяние света на свете удалось наблюдать лишь недавно, то эффект Керра давно знаком экспериментаторам.
Однако в 2017 году его впервые удалось воспроизвести для отдельных фотонов при комнатной температуре. Мы об этом интересном явлении, которое тоже в каком-то смысле можно назвать "столкновением частиц света", и о технологических перспективах, которые в связи с ним открываются.
Кристалл времени
Творение экспериментаторов демонстрирует "кристаллическую" упорядоченность не в пространстве, а во времени.
В пустом пространстве ни одна точка не отличается от другой. В кристалле всё иначе: есть повторяющаяся структура, которая называется кристаллической решёткой. Возможны ли подобные структуры, которые без затрат энергии повторяются не в пространстве, а во времени?
"Звёздные" термоядерные реакции на Земле
Физики воссоздали в термоядерном реакторе условия в недрах звёзд.
Промышленный термоядерный реактор - заветная мечта человечества. Но эксперименты длятся уже более полувека, а вожделенной практически бесплатной энергии нет как нет.
И всё же в 2017 году был сделан важный шаг в этом направлении. Исследователи впервые практически в точности воссоздали условия, царящие в недрах звёзд. , как им это удалось.
Будем надеяться, что и 2018 год будет столь же богат на интересные эксперименты и неожиданные открытия. Следите за новостями. Кстати, мы делали для вас и обзор уходящего года.
«Мы можем анализировать квантовые состояния без их изменения при первом же наблюдении», — комментирует Ляйтенсторфер.
Как правило, когда вы хотите проследить за воздействием квантовых флуктуаций на конкретно взятые частицы света, вам сперва необходимо обнаружить и выделить эти частицы. Это, в свою очередь, удалит «квантовую подпись» этих фотонов. Аналогичный эксперимент проводила команда ученых и в 2015 году.
В рамках же нового эксперимента вместо наблюдения за изменениями в квантовых флуктуациях путем абсорбирования или усиления фотонов света исследователи вели наблюдение за самим светом с точки зрения времени. Может прозвучать странным, но в вакууме пространство и время действуют таким образом, что наблюдение за одним сразу же позволяет побольше узнать и о другом. Ведя такое наблюдение, ученые обнаружили, что при «сжатии» вакуума это «сжатие» происходило ровным счетом так же, как это происходит при сжатии воздушного шарика, только в сопровождении квантовых флуктуаций.
В какой-то момент эти флуктуации стали сильней, чем фоновой шум несжатого вакуума, а в некоторых местах, наоборот, слабее. Ляйтенсторфер приводит в качестве аналогии автомобильную пробку, двигающуюся через узкое пространство дороги: со временем автомобили, стоящие в своих полосах, занимают одну и ту же полосу, чтобы протиснуться сквозь узкое место, а затем снова разъезжаются по своим полосам. Тоже самое в определенной степени, согласно наблюдениям ученых, происходит и в вакууме: сжатие вакуума в одном месте приводит к распределению изменений квантовых флуктуаций в других местах. И эти изменения могут либо ускоряться, либо замедляться.
Этот эффект может быть измерен в пространственно-временном разрезе, как это показано на графике ниже. Парабола в центре изображения отображает точку «сжатия» в вакууме:
Результатом этого сжатия, как можно видеть на том же изображении, являются некоторые «проседания» во флуктуациях. Не менее удивительным для ученых оказалось и наблюдение того, что уровень мощности флуктуации в некоторых местах оказался ниже уровня фонового шума, который, в свою очередь, ниже, чем у основного состояния пустого пространства.
«Поскольку новый метод измерения не подразумевает захват или усиление фотонов, существует вероятность прямого определения и наблюдения за электромагнитным фоновым шумом в вакууме, а также контролируемых девиаций состояний, созданных исследователями», — говорится в исследовании.
В настоящий момент исследователи проверяют точность своего метода измерений, а также пытаются разобраться в том, на что он реально способен. Несмотря на уже более чем впечатляющие результаты этой работы, по-прежнему существует вероятность того, что ученые пришли к называемому «неубедительному методу измерения», который, возможно, и способен не нарушать квантовые состояния объектов, но в то же время не способен рассказать ученым больше о той или иной квантовой системе.
Если метод действительно окажется рабочим, то ученые хотят использовать его для измерения «квантового состояния света» — невидимого поведения света на квантовом уровне, которое мы только-только начинаем понимать. Однако для дальнейшей работы необходима дополнительная проверка – репликация результатов открытия команды исследователей из Констанцского университета и тем самым демонстрация пригодности предложенного метода измерений.