Исследователи в области квантовой физики изучают удивительные явления, которые бросают вызов нашему пониманию реальности. Среди этих явлений квантовая суперпозиция — одно из самых странных: она позволяет частицам существовать в нескольких состояниях одновременно. Для иллюстрации этой концепции часто используется метафора кота Шрёдингера. Однако состояния суперпозиции чрезвычайно хрупки: как правило, они разрушаются за доли секунды.

Однако недавно китайская команда сумела сохранить состояние суперпозиции в течение 23 минут, установив рекорд и открыв многообещающие перспективы для научных исследований.

В квантовом мире свойства частицы могут существовать отдельно от неё самой, включая её момент импульса.

Новое открытие делает квантовую физику ещё более загадочной. Учёные обнаружили, что спин частицы, то есть её собственный момент импульса, может перемещаться сам по себе, независимо от частицы. Это может изменить наши представления о фундаментальных законах физики.

Результаты нового исследования показали, что свет ведет себя как волна и частица не только в пространстве, но и во времени.

Один из самых странных и известных экспериментов в физике – двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре.

В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный.

Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Пока все это очень сложно для понимания, но очень, очень интересно, заявили исследователи

Квантовый эксперимент, в котором частица света может одновременно двигаться вперед и назад во времени, является еще одним примером странностей квантового мира. Хотя этот эксперимент, продемонстрированный двумя исследовательскими группами, не имеет прямого практического применения, в конечном итоге он может повлиять на прогресс в создании квантовых компьютеров или даже помочь в развитии теории квантовой гравитации.


Котята Шредингера

Оуэн Маруни [Owen Maroney] беспокоится, что физики полстолетия были вовлечены в большой обман.

По словам Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но словами ничего не докажешь. «Если мы рассказываем общественности, что квантовая теория очень странная, нам необходимо проверить это утверждение экспериментально,- говорит Маруни. – А иначе мы не наукой занимаемся, а рассказываем про всякие закорючки на доске».

Именно это навело Маруни сотоварищи на мысль разработать новую серию экспериментов для раскрытия сути волновой функции – загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге, волновая функция – просто математический объект, обозначаемый буквой пси (Ψ) (одна из тех самых закорючек), и используется для описания квантового поведения частиц. В зависимости от эксперимента, волновая функция позволяет учёным вычислять вероятность наблюдения электрона в каком-то конкретном месте, или шансы того, что его спин ориентирован вверх или вниз. Но математика не говорит о том, что на самом деле такое волновая функция. Это нечто физическое? Или просто вычислительный инструмент, позволяющий работать с невежественностью наблюдателя касательно реального мира?

Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию – это попытка взглянуть на нее иначе, например, как на что-то вроде голограммы — трехмерного эффекта, который появляется на плоской двумерной поверхности. Идея заключается в том, что нам лишь кажется, что мы живем в трехмерной вселенной – на самом деле изменений может быть только два. Такой взгляд на мир называется голографическим принципом.

Итак, представим, что некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира, и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая выглядит так, будто у нее есть глубина.

Мы знаем о гравитации со времен Ньютона, но по-прежнему пытаемся ее понять

Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, за миллионные доли секунды после своего рождения Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц – глюонов и кварков. Затем за очень короткий промежуток времени эта плазма остыла, а из ее частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Компанию им составили различные нестабильные частицы неизвестной структуры – так называемые частицы Х, о существовании которых мир узнал в 2003 году.

Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые свидетельства существования X-частиц. Эти частицы, однако, распадались слишком быстро, так что изучить их структуру физикам не удалось. Теперь же ученые смогли воссоздать материю первых мгновений жизни Вселенной и наконец обнаружили загадочные частицы. Здорово, не так ли? Вот только плохо изученные частицы не вписываются в существующие модели формирования вещества.

«Частица Икс» с незапамятных времен обнаружена внутри Большого адронного коллайдера

До начала ХХ столетия считалось, что время – есть величина абсолютная. Но после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), стало понятно, что время – понятие более субъективное и имеет отношение к наблюдателю, который его измеряет. И все же, многие продолжали трактовать время так, словно это прямая железнодорожная линия, двигаться по которой можно только вперед или назад.

Но что, если эта железнодорожная линия ветвится или вовсе имеет окружные пути, двигаясь по которым поезд возвращается на станцию, которую уже проезжал? Иными словами, можно ли путешествовать в будущее или прошлое? Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса «Машина времени», научные фантасты придаются фантазиям во всю. Но в реальной жизни представить нечто подобное невозможно. Ведь если бы кто-то в будущем изобрел машину времени, неужто он бы не предупредил нас об угрозе пандемии COVID-19 или об ужасных последствиях глобального потепления? Но к нам так никто и не прибыл. Быть может, стоит посмотреть на время под другим углом?

Законы квантового мира очень сильно отличаются от тех, что мы можем непосредственно наблюдать

В начале этого года ряд экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) показал удивительные результаты – оказалось, что кварки превращаются в другие частицы под воздействием неизвестной силы. Иными словами, полученные данные свидетельствуют о возможном существовании новой фундаментальной силы природы, что ставит под сомнение основные принципы Стандартной модели – наиболее общепринятой физической теории, описывающей все, что мы знаем о материи, составляющей окружающий мир.

Но так как ученые – люди осторожные, говорить о «крахе Стандартной модели» или новой силе природы рано – необходимо больше исследований и больше доказательств. И все же, работа физиков из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), которая предрекает скорый конец нашим представлениям о физике, вдохновила ученых из Кембриджского университета, да так, что те доказали наличие постоянной аномалии в мире мельчайших элементарных частиц: неизвестная науке сила природа действительно ожидает своего часа, чтобы объяснить квантовую гравитацию, Большой взрыв, темную материю и в конечном итоге создать Теорию всего.

Последние исследования предполагают существование новой фундаментальной силы природы, которая, если будет доказана, приведет к революции в современной физике

Наша планета удивительна. Жизнь на ней настолько разнообразна, что существует множество тел и веществ, как естественных (животные и люди, планеты и звезды) так и искусственных (созданных человеком). Эти вещества и тела бывают твердыми и жидкими, например, вода и кристаллы. Последние особенно интересны, так как представляют собой твердые тела, атомы в которых расположены закономерно, образуя так называемую кристаллическую решетку. По сути, естественное состояние кристалла – это форма правильных симметричных многогранников, которая основана на их внутренней структуре. То есть на одном из нескольких определенных и регулярных расположений, составляющих вещество частиц (ионов, атомов и молекул).

Согласитесь, действительно интересно. Именно так в 1934 году размышлял Юджин Вигнер, один из основателей теории симметрии в квантовой механике. Он предсказал, что электроны в материалах теоретически могут выстраиваться в правильные кристаллические структуры, благодаря тому, что отталкиваются друг от друга. Таким образом, если энергия кристаллического отталкивания между парой электронов больше, чем энергия их движения, то их расположение приведет к тому, что полная энергия будет наименьшей, а мы получим систему, аналогичную твердому телу.

Физики сделали первое в истории изображение кристалла Вигнера — странного материала с ячеистым рисунком внутри другого материала, полностью состоящего из электронов.

Еще в 1961 году физик и нобелевский лауреат Юджин Вигнер изложил мысленный эксперимент, который продемонстрировал один из наименее известных парадоксов квантовой механики. Эксперимент показывает, как странная природа вселенной позволяет двум наблюдателям — скажем, Вигнеру и другу Вигнера — испытывать различные реальности. С тех пор физики используют мысленный эксперимент «друга Вигнера» для исследования природы измерений и споров о том, существуют ли объективные факты.

В одной из серий мультсериала «Рик и Морти» один из главных героев, будучи похищенным инопланетянами, попадает в ультра-высокотехнологичную компьютерную симуляцию и не замечает этого, продолжая заниматься привычными делами. Но может ли нечто подобное происходить с нами? Может ли быть так, что все, что мы видим, чувствуем, и слышим на самом деле нереально? В 2003 году профессор Оксфордского университета, шведский философ Ник Бостром написал статью, в которой привел аргументы в пользу того, что наш мир – компьютерная симуляция.

По мнению Бострома, «если мы живем в симуляции, то наблюдаемая Вселенная – всего лишь крошечный кусочек того, что физически существует. Хотя мир, который мы видим, в некотором смысле «реален», на фундаментальном уровне реальности он не находится». Но неужели все в нашей Вселенной – от мельчайшего атома до самой большой галактики – не более чем компьютерный проект на жестком диске какого-то всемогущего существа?

Кадр из сериала «Черное зеркало», эпизод Playtest.

В квантовом мире измерения с разных позиций дадут различающиеся результаты, но будут одинаково верны — и это привело физиков к весьма любопытным выводам.

Ученые из Великобритании и Дании провели первую в мире квантовую телепортацию — смогли передать квантовое состояние частицы между двумя чипами. Это должно стать краеугольным камнем для технологий квантовой связи. Точность передачи данных составила 91%.

Ученые из Венского университета и Университета Либре де Брюсселя недавно доказали, что мир квантов еще более странный и менее интуитивный, чем мы думали.

Это сложно понять, но мы скоро это объясним.

Никто на самом деле не знает, какие именно процессы происходят внутри атома. Единственное, что остается достоверно известным — это то, что электроны носятся вокруг орбиталей во внешней оболочке атома, образуя большое количество пустого пространства, в центре которого располагается ядро из протонов и нейтронов.

Собираясь вместе, протоны и нейтроны придают атому уникальные свойства, определяющие в дальнейшем те или иные качества вещества, которое может быть как кислородом или водородом, так и железом или ксеноном.

Происхождение сознания всегда было загадкой для ученых и философов, каждый из которых пытался найти свое логическое решение этому вечному вопросу. Хотя некоторые нейробиологические исследования все же смогли выявить определенную мозговую активность, которая однажды может пролить свет на вопрос о происхождении сознательного мышления, ряд электрохимических изменений в клетках головного мозга человека все еще остается загадкой для исследователей в области нейробиологии.

Могут ли квантовые процессы оказывать влияние на сознание человека?

В настоящее время самым тяжелым элементом периодической таблицы является оганессон с атомной массой 294. Он получил официальное название в 2016 году. Как и каждый элемент периодической таблицы, оганессон всю свою массу получает от протонов и нейтронов (типов барионов), которые сами состоят из трех кварков каждый. Важная деталь всей известной барионной материи в том, что ее кварки так крепко держатся за счет сильной силы, что их нельзя разделить. Частицы, созданные связанными кварками (вроде протона и нейтрона), называются адронами, соответственно и барионная материя, ими образованная, называется адронной.

Создав два запутанных фотона в существующей системе, а затем разделив их на большое расстояние, мы сможем получить информацию о состоянии одного из них, измерив состояние другого

Квантовая физика полна загадок, печально известных тем, что они противоречат нашей интуиции. Частицы, кажется, знают, смотрите ли вы на них, или нет, и демонстрируют различное поведение, в зависимости от того, наблюдаете вы за ними, или нет, проходя через двойную щель.

Источник: ПостНаука

Спином называют собственный момент импульса частицы. Момент импульса характеризует количество вращательного движения, то есть спин характеризует тот факт, что частицы ведут себя так, будто бы они вращаются вокруг своей оси. Частицы похожи на маленькие волчки и ведут себя очень похожим образом. Спин задает направление частицы, как бы делает ее ориентированной так же, как ось волчка задает для волчка выделенное направление. Спин может реагировать на толчки так же, как это делает волчок, если толкать его в сторону, и вообще ведет себя подобно миниатюрным гироскопам.

Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями. И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.

Все состоит из волн — и частиц тоже

Давайте подумаем немного о том, может ли наблюдаемая Вселенная являться компьютерной симуляцией? Не в смысле того, что злобные киборги поработили человечество и уложили всех в Матрицу, а чуть глобальнее.

Квантовая реальность: безграничный потенциал во всем

Лауреаты Нобелевской премии в области физики доказали, что, вне всяких сомнений, физический мир — это единый океан энергии, который возникает и спустя миллисекунды исчезает, пульсируя снова и снова.

Нет ничего сплошного и твердого. Таков мир квантовой физики.

Доказано, что только мысль позволяет нам собрать и удержать вместе те «объекты», которые мы видим в этом постоянно изменчивом поле энергии.

Физический реализм — это взгляд, согласно которому физический мир, который мы видим, реален и существует сам по себе. Большинство людей думают, что это само собой разумеется, но с некоторых пор физическому реализму серьезно противоречат некоторые факты из мира физики. Парадоксы, которые сбивали с толку физиков прошлого века, до сих пор не разрешены, и многообещающие теории струн и суперсимметрии никуда этот воз пока не привезли.

Никто в этом мире не понимает, что такое квантовая механика. Это, пожалуй, самое главное, что нужно знать о ней. Конечно, многие физики научились использовать законы и даже предсказывать явления, основанные на квантовых вычислениях. Но до сих пор неясно, почему наблюдатель эксперимента определяет поведение системы и заставляет ее принять одно из двух состояний.

На нынешнем ликбезе мы вынесем мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу оканчивается зависанием над первой же формулой. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка, вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, шаражкиных конторах и нанотехнолохотронах. Пора уже восполнить пробел и немножко врубиться в тему.

1. Самый простой способ объяснить, что такое кванты – это аналогия.
Возьмем расстояние между вашими глазами и монитором. Чисто математически это расстояние можно разделить на несколько отрезков. Вполовину, еще на четыре, на восемь частей. И так, например, до бесконечности. И может показаться, что если вы захотите ткнуть пальцем в монитор, то не сможете это сделать, потому что это расстояние делится до бесконечности. Но вы знаете, что физически вы это сделаете без проблем, потому что существует мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн. Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!

Скачать

Европейцы проявили квантовые эффекты гравитации на субатомном уровне. Учёные сумели произвольно перебрасывать нейтроны между гравитационными квантовыми состояниями, одновременно измеряя параметры этих переходов.

Удивительный эксперимент провели физики-ядерщики из института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Institut Laue-Langevin) и Венского технологического университета (TU Wien). Они получили в реакторе нейтроны и замедлили их до очень малой скорости (всего около пяти метров в секунду). Далее учёные направили эти нейтроны между двумя горизонтальными пластинами, разделёнными зазором в 25 микрометров. При этом верхняя пластина поглощала нейтроны, а нижняя — отражала их.

В квантовой физике движение частиц (от электронов до больших молекул) описывается как распространение волн де Бройля. В определённом смысле это означает, что частицы теряют свою классические чётко определённые позиции. Говоря упрощённо, их волновая функция «размазывается» по большой площади. Это состояние суперпозиции напоминает кота, который является мёртвым и живым одновременно.

Физикам и химикам из Австрии, Германии, Швейцарии и США удалось продемонстрировать квантовое поведение молекул, состоящих из сотен атомов. Рекорд поможет исследовать ту нечёткую границу, что отделяет квантовые объекты от макрообъектов и царство квантовой механики от вотчины классической физики.

Такая характеристика электрона, как спин, может быть свойством не самой частицы, а структурных особенностей пространства.

Как и другие элементарные частицы, электроны обладают спином, который для упрощения описывают, как характеристику вращения частицы в одну или другую сторону. Сложность, однако, состоит в том, что те же электроны вообще-то не могут иметь спина. Если б они имели какую-то ясную поверхность, как шарики, то поверхность эта должна была бы, вращаясь, двигаться быстрее скорости света. Впрочем, как известно, электроны вообще не имеют определенного радиуса; вращаться там попросту нечему.

Физики, работающие на американском коллайдере Тэватрон, сообщили об обнаружении пока необъяснимого явления, которое, возможно, представляет собой рождение новой неизвестной частицы. Об этом сообщается на сайте журнала Nature.

Препринты двух статей исследователей доступны на сайте arXiv.org здесь и здесь. Коротко ученые представили новые данные на сайте Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) — организации, которая курирует работу Тэватрона.