10 невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике
В удивительном мире физики невозможное, хоть и не сразу, но все равно становится возможным. А за последнее время ученым удалось достичь действительно суперневозможных вещей. Наука прогрессирует. Одному лишь макаронному монстру ведомо, что еще нас ожидает в ее самых потаенных недрах. Сегодня разберем десятку нереальных вещей, состояний и объектов, ставших возможными благодаря современной физике.
НЕВЕРОЯТНО НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
В прошлом ученые не могли охладить объекты ниже так называемого порога «квантового предела». Чтобы что-то охладить до такого состояния, необходимо использовать лазер с очень медленно двигающимися атомами и подавить создаваемые ими тепловыделяющие вибрации.
Однако физики нашли нужное решение. Они создали ультракрошечный алюминиевый вибрирующий барабан и смогли охладить его до 360 мкКельвинов, что в 10 000 раз ниже температуры в самых глубинах космического пространства.
Диаметр барабана составляет всего 20 микрометров (диаметр человеческого волоса – 40-50 микрометров). Охладить его до таких сверхнизких температур удалось благодаря новой технологии так называемого «сжатого света», в котором все частицы имеют одно направление. Благодаря этому в лазере исчезают вибрации, генерирующие тепло. Несмотря на то, что барабан охладили до самой низкой из возможных температур, он не является самым холодным видом материи. Это звание принадлежит конденсату Бозе — Эйнштейна. Но даже в этом случае достижение играет важную роль. Так как однажды подобный метод и технологии могут найти свое применение для создания сверхбыстрой электроники, а также помочь в понимании странного поведения материалов квантового мира, приближающихся в своих свойствах к физическим пределам.
САМЫЙ ЯРКИЙ СВЕТ
Свет Солнца ослепительно ярок. А теперь представьте себе свет миллиарда Солнц. Именно его недавно создали физики в лаборатории, фактически сотворив самый яркий искусственный свет на Земле, который к тому же ведет себя весьма непредсказуемым образом. Он изменяет внешний вид объектов. Однако человеческому зрению это недоступно, поэтому остается поверить физикам на слово.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА
Группа физиков недавно создала нечто, что ведет себя как черная дыра. Для этого они взяли самый мощный в мире рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) и столкнули с помощью него молекулы йодметана и йодбензола. Изначально ожидалось, что лазерный импульс выбьет большинство электронов с орбиты атомов йода, оставив вместо них вакуум. В экспериментах с более слабыми лазерами эта пустота, как правило, сразу же заполнялась электронами из самых внешних границ орбиты атома. Когда лазер LCLS ударил, ожидаемый процесс действительно запустился, но затем последовало по-настоящему удивительное явление. Получив такой уровень возбуждения, атом йода начал в буквальном смысле пожирать электроны у рядом находящихся атомов водорода и углерода. Со стороны это казалось крошечной черной дырой внутри молекулы.
Последующие импульсы лазера выбивали притянутые электроны, но пустота затягивала все больше и больше. Цикл повторялся до тех пор, пока вся молекула не взорвалась. Что интересно, атом молекулы йода оказался единственным, который показывает подобное поведение. Так как он в среднем больше других, то способен поглощать огромный объем энергии рентгеновского излучения и утрачивать свои изначальные электроны. Эта утрата оставляет атом с достаточно сильным положительным зарядом, с помощью которого он притягивает электроны от других, более мелких атомов.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ВОДОРОД
Его называли «священным Граалем физики высоких давлений», однако до недавнего времени никто не смог преуспеть в его получении. Возможность превращения водорода в металл была впервые озвучена в 1935 году. Физики того времени предположили, что такую трансформацию можно вызвать с помощью очень сильного давления. Проблема же заключалась в том, что такое давление технологии того времени создать не могли.
В 2017 году американская команда физиков решила вернуться к старой идее, но использовала иной подход. Эксперимент проводился внутри специального устройства, носящего название алмазные тиски. Создаваемое этими тисками давление производится двумя синтетическими алмазами, расположенными с обоих сторон пресса. Благодаря этому устройству удалось добиться невероятного давления: более 71,7 миллиона фунтов на квадратный дюйм. Даже в центре Земли давление ниже.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЧИП С КЛЕТКАМИ МОЗГА
Если вдохнуть жизнь в электронику, то свет однажды сможет заменить электричество. Физики поняли удивительный потенциал света еще десятилетия назад, когда стало понятно, что световые волны способны двигаться параллельно друг другу и благодаря этому выполнять множество одновременных задач. Наша электроника полагается на транзисторы, открывающие и закрывающие пути для движения электричества. Такая схема накладывает множество ограничений. Однако недавно ученые создали удивительное изобретение – компьютерный чип, имитирующий работу человеческого мозга. Благодаря использованию взаимодействующих между собой лучей света, работающих как нейроны в живом мозге, этот чип способен действительно очень быстро «думать».
Раньше ученые тоже могли создавать простые искусственные нейронные сети, но занимало такое оборудование несколько лабораторных столов. Создать нечто, обладающее такой же эффективностью, но при этом гораздо меньшего размера, рассматривалось невозможным. И все же это удалось. Размер чипа, в основе которого используется кремний, составляет всего несколько миллиметров. И вычислительные операции он проводит с помощью 16 интегрированных нейронов. Происходит это так. На чип подается свет лазера, который разделяется на несколько лучей, каждый из которых содержит номер сигнала или информацию, варьирующуюся по уровню яркости. Интенсивность лазеров на выходе дает ответ на числовую задачу или любую информацию, для которой требовалось предоставить решение.
НЕВОЗМОЖНАЯ ФОРМА МАТЕРИИ
Есть такой тип материи, называемый «сверхтекучим твердым телом». И на самом деле эта материя не такая страшная, как это может показаться из названия. Дело в том, что эта весьма причудливая форма материи обладает кристаллической структурой, характерной для твердых тел, но в то же время представляет собой жидкость. Этот парадокс долгое время оставался нереализованным. Однако в 2016 году две независимые группы ученых (американская и швейцарская) создали материю, которой по праву можно приписать свойства сверхтекучего твердого тела. Что интересно, обе команды использовали разные подходы в ее создании.
Швейцарцы создали конденсат Бозе — Эйнштейна (самая холодная из известных материй), охладив до экстремально низких температур газ рубидия. Затем конденсат поместили в двухкамерную установку, в каждой камере которой были установлены небольшие направленные друг на друга зеркала. В камеры были направлены лазерные лучи, которые запустили трансформацию. Частицы газа в ответ на воздействие лазера выстроили кристаллическую структуру твердого вещества, однако в целом материя сохранила свою текучее свойство.
Американцы получили подобную гибридную материю на основе конденсата из атомов натрия, которые тоже сильно охладили и подвергли воздействию лазера. Последние использовались для сдвига плотности атомов до появления кристаллической структуры в жидком виде.
ЖИДКОСТЬ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ МАССОЙ
В 2017 году физики создали реально крутую штуку: новую форму материи, которая движется в сторону силы, ее отталкивающей. Хотя это не совсем бумеранг, но у этой материи есть то, что можно назвать отрицательной массой. С положительной массой все понятно: вы даете ускорение какому-нибудь объекту, и он начинает двигаться в том направлении, в котором это ускорение было передано. Однако ученые создали жидкость, которая работает совсем иначе, чем что-либо в физическом мире. Когда ее толкают, она ускоряется источнику оказываемого ускорения.
И опять на помощь в этом деле пришел конденсат Бозе — Эйнштейна, в роли которого выступили охлажденные до сверхнизких температур атомы рубидия. Таким образом ученые получили сверхтекучую жидкость с обычной массой. Затем они сильно сжали атомы с помощью лазеров. Затем вторым набором лазеров они сильно возбудили атомы, да так, что те изменили свои спины. Когда атомы освободили из лазерных тисков, то реакцией обычной жидкости было бы стремление движения от центра фиксации, что фактически можно интерпретировать как толкание. Однако сверхтекучая жидкость из рубидия, атомам которой придали достаточное ускорение, при освобождении от лазерных тисков осталась на своем месте, продемонстрировав тем самым отрицательную массу.
КРИСТАЛЛЫ ВРЕМЕНИ
Когда Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии, впервые предложил идею кристаллов времени, она показалась безумной. Особенно в той части, в которой объяснялось, что эти кристаллы могут обладать движением, оставаясь при этом в состоянии покоя, то есть демонстрируя низший уровень энергии материи. Это казалось невозможным, так как для движения требуется энергия, а теория в свою очередь гласила, что в таких кристаллах энергии практически нет. Вильчек считал, что вечное движение может быть достигнуто путем изменения основного состояния атома кристалла из стационарного в периодичное. Это шло в противовес известным нам законам физики, однако в 2017 году, спустя 5 лет с того момента, как Вильчек это предложил, физики нашли способ, как это сделать. В итоге в Гарвардском университете создали кристалл времени, где азотные примеси «вращались» в алмазах.
БРЭГГОВСКИЕ ЗЕРКАЛА
Брэгговское зеркало не обладает высокой отражательной способностью и состоит из 1000-2000 атомов. Но оно способно отражать свет, что делает его полезным там, где необходимо использование крошечных зеркал, например, в продвинутой электронике. Форма такого зеркала тоже не совсем обычна. Его атомы подвешены в вакууме и напоминают цепочку из бисера. В 2011 году немецкая группа ученых смогла создать Брэгговское зеркало, обладавшее на тот момент самым высоким уровнем отражения (порядка 80 процентов). Для этого ученые объединили 10 миллионов атомов в одной решетчатой структуре.
Однако позже научные команды из Дании и Франции нашли способ существенно сократить число необходимых атомов, но при этом сохранить высокую отражательную эффективность. Вместо плотного объединения друг вокруг друга, атомы поместили вдоль микроскопического оптического волокна. При правильной расстановке возникают необходимые условия – световая волна отражается прямиком обратно в точку своего начала. При передаче света некоторые фотоны вырываются за пределы волокна и сталкиваются с атомами. Отражательная эффективность, продемонстрированная датской и французской командами, весьма различается и составляет около 10 и 75 процентов соответственно. Однако в обоих случаях свет возвращается (то есть отражается) в точку своего начала.
Помимо перспективных преимуществ в развитии технологий, такие зеркала могут быть полезны в квантовых устройствах, так как атомы дополнительно используют световое поле для взаимодействия друг с другом.
ДВУХМЕРНЫЙ МАГНИТ
Физики пытались создать двухмерный магнит с 1970-х годов, но всегда терпели неудачу. Настоящий 2D-магнит должен сохранять свои магнитные свойства, даже будучи разделенным до состояния, при котором он становится двухмерным, или слоем толщиной всего в один атом. Ученые даже стали сомневаться, что такая вещь вообще возможна.
Однако в июне 2017 года физики, используя трииодид хрома, наконец-то смогли создать двухмерный магнит. Соединение оказалось очень интересным сразу с нескольких сторон. Его слоистая кристаллическая структура отлично подходит для сужения, а, кроме того, его электроны обладают нужным направлением спина. Эти важные свойства позволяют трииодиду хрома сохранять магнитные свойства даже после того, как его кристаллическая структура сокращается до толщины последних атомных слоев.
Первый в мире 2D-магнит смогли получить при относительно высокой температуре в -228 градусов Цельсия. Его магнитные свойства перестают действовать при комнатной температуре, так как его разрушает кислород. Однако эксперименты продолжаются.