Законы физики нельзя нарушить. Но их можно изучить. И лучше всего природа поддаётся изучению, когда исследователи испытывают установленные пределы на прочность. Так, известно, что ничто во Вселенной не может быть холоднее абсолютного нуля температуры или двигаться быстрее, чем свет в вакууме. Однако физики постоянно ставят эксперименты, в результате которых наши представления о предельных величинах меняются.
В итоговом материале о главных открытиях физиков за 2014 год мы собрали новости о поставленных или зарегистрированных учёными рекордах. И все они поистине поражают воображение.
Самое длинное эхо в рукотворных объектах
Начнём, пожалуй, с самого "развлекательного" рекорда уходящего года. До 2014-го рекорд по самому длинному эху в построенных человеком помещениях составлял 15 секунд. Именно столько слышатся отголоски в Мавзолее Гамильтон в Южном Ланаркшире, Шотландия. Но в январе 2014 года этот рекорд был побит — впервые за 44 года.
Профессор Тревор Кокс (Trevor Cox), специалист по акустической инженерии, обнаружил помещение, где эхо длится целых 112 секунд. Им оказались подземные туннели с заброшенными топливными складами недалеко Инвергордона.
Этот грандиозный подземный склад был построен ещё до Второй мировой войны — в 1938 году. Протяжённость некоторых коридоров превышает длину сразу двух футбольных полей, а высота потолков составляет 13,5 метров.
Рекордно плотный алмаз
В июле 2014 года физики поставили рекорд плотности, сжав небольшой алмаз до такой степени, что он оказался плотнее свинца. Для этого команда учёных из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии прибегла к помощи сверхмощных лазерных установок.
В рамках эксперимента применялась технология так называемого динамического наклонного сжатия: алмаз обстреляли со всех сторон 176 лучами лазера, в результате чего волны давления сжали камень до плотности, вчетверо превышающей нормальный показатель. Давление, которое было оказано на минерал, в 50 миллионов раз превышало давление на поверхности Земли и составляло 5 терапаскалей.
Все эти усилия были предприняты с одной-единственной целью — понять, как ведёт себя материя в ядрах гигантских планет. В отличие от Земли, в ядре которой давление достигает 361 гигапаскалей, в центре Сатурна (условия которого имитировались в эксперименте) этот показатель существенно выше. Также полученные данные помогут в изучении известных человеку экзопланет, большинство из которых являются как раз газовыми гигантами.
Самые точные и стабильные часы
Ни одни часы в мире не могут похвастаться такой точностью, как новые стронциевые атомные, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США. Этот механизм использует колебания атомов стронция в оптической решётке в качестве маятника.
Частицы охлаждены до температур, близких к абсолютному нулю, благодаря чему исключаются помехи со стороны каких-либо частиц извне. Атомы колеблются между двумя энергетическими состояниями благодаря воздействию красного лазера. Испытания системы показали, что атомы совершают 430 триллионов движений в секунду.
Важное дополнение: новые часы также ставят рекорд стабильности. Стабильность определяется тем, насколько короткий срок требуется прибору для достижения своей максимальной производительности. В отличие от предыдущих рекордсменов, которым требовались минуты, а иногда и сутки, стронциевые атомные часы стабилизируются всего за пару секунд.
Точнейший показатель массы электрона
В феврале уходящего года физики из Института ядерной физики общества Макса Планка в Гейдельберге, Германия, решили измерить массу электрона максимально точно. Для своего эксперимента в качестве весов учёные использовали ловушку Пеннинга.
Это устройство использует однородное статическое магнитное поле и неоднородное электрическое поле для того, чтобы поймать и удержать заряженную частицу. Подопытным электроном был избран тот, что обращался вокруг ядра атома углерода. Атом колебался внутри ловушки Пеннинга со стабильной частотой. Затем физики использовали микроволны для того, чтобы изменить показатель спина электрона, и измерили разницу между колебаниями спина и атома.
На финальном этапе эксперимента учёные провели расчёты по уравнениям квантовой электродинамики и вычислили разницу между массой протона (ядра атома) и электрона. А поскольку масса всего атома была изначально известна, то вывести искомый показатель не составило труда.
В итоге оказалось, что электрон обладает 0,000548579909067 атомных единиц массы. Данные согласуются с результатами предыдущих измерений, но являются в 13 раз более точными, чем самый точный показатель массы отрицательно заряженной частицы за прошедшие годы.
Рекордный показатель магнитного момента протона
Спустя несколько месяцев после того, как стала известна точная масса электрона, физики заинтересовались магнитным моментом протона. В июне 2014 года были опубликованы результаты рекордно точных измерений этой величины.
Эксперимент, так же как и в случае с определением массы электрона, проводился учёными из Института ядерной физики общества Макса Планка, и опять же был основан на размещении частиц в ловушке Пеннинга. Это устройство позволило физикам проследить за тем, как протон изменяет направление своего спина в зависимости от воздействия внешнего магнитного поля.
Загоняя частицу поочерёдно то в одну, то в другую ловушку Пеннинга и сравнивая показатели, исследователи вычислили, частоту, при которой магнитное поле индуцирует смену направленности спина. Так был зарегистрирована рекордно точная величина магнитного момента частицы.
Полученный показатель оказался 760 раз точнее, чем предыдущее измерение. По словам авторов исследования, эти данные помогут разгадать тайну барионной асимметрии Вселенной, то есть преобладания вещества над антивеществом.
"Золотой" рекорд скорости вращения
В июле 2014 года физики заставили вращаться с рекордной скоростью золотые наномоторы. В роли моторчиков выступили микроскопические стержни из чистого золота. Их поместили в воду, смешали с наночастицами из полистирола и поместили между двумя пластинами из кремния и стекла. В движение стержни приводились звуковыми волнами, генерируемыми устройством, похожим на динамик.
Вращающиеся стержни создавали микровихри, которые захватывали частицы полистирола. Измеряя скорость движения этих шариков, учёные смогли определить и скорость вращения стержней. Оказалось, что она равна 150 тысячам оборотов в минуту.
Это достижение может быть использовано при создании нанороботов для доставки лекарств к определённой цели, а также адаптировано под нужды промышленности: такая высокая скорость вращения позволит без труда смешивать материалы.
Рекордное расстояние коммуникации будущего
Физики из Женевского университета передали информацию от света к материи на рекордное расстояние в сентябре 2014 года. Кристалл, принимающий сигналы, был удалён от источника информации на целых 25 километров.
В своём эксперименте учёные создали пару фотонов, находящихся в состоянии квантовой запутанности. Одну частицу отправили "путешествовать" по волоконно-оптическому кабелю, а вторую поместили в кристалл-приёмник из ортосиликата иттрия. Третий фотон, отправленный сверхточным лазером, заставили догнать первый и столкнуться с ним.
Анализ показателей многочисленных приборов показал, что информация о квантовом состоянии третьего фотона, который столкнулся с первым, была не уничтожена, как можно было ожидать, но отобразилась на частице, находящейся в кристалле-приёмнике.
Таким образом, данные о третьем фотоне были переданы в кристалл без непосредственного взаимодействия частиц друг с другом. Этот эксперимент даёт надежду на то, что однажды люди будут общаться мгновенно и безопасно по квантовым коммуникационным каналам.
Почти абсолютный нуль
Как мы уже упоминали, до абсолютного нуля охладить невозможно ничто. Однако физики всё время пытаются достичь рекордно низких температур, максимально приближенных к абсолютному нулю, ведь именно при таких температурах проявляются удивительные квантовые явления. Так, за 2014 год было зарегистрировано два ультрахолодных объекта — медный куб и молекула монофторида стронция.
Эксперимент с медным кубом проводился в Национальном институте ядерной физики в Италии. Четырёхсоткилограммовый кусок металла поместили в криостат — особую охлаждающую камеру. В результате последовательного охлаждения при помощи жидких газов температура объекта достигла минус 273,144 по Цельсию или минус 459,66 по Фаренгейту, а это всего на 6 милликельвинов выше абсолютного нуля.
Так медный куб стал самым холодным макрообъектом во Вселенной из известных человечеству и оставался таковым на протяжении 15 дней.
Что же касается охлаждения отдельных молекул, то здесь необходимо применять несколько иные методы. Напомним, что абсолютный нуль температуры, которого так хотят достичь физики — это состояние, при котором невозможно никакое движение вообще. Поэтому чтобы охладить молекулы, необходимо их максимально замедлить.
Физики из Йельского университета поступили именно таким образом. Они использовали лазерные установки с излучением контролируемой длины волны и магнитооптический захват, чтобы охладить молекулы монофторида стронция. Материал был также выбран неслучайно — у его молекул энергия колебаний намного меньше, чем у любых других.
В результате эксперимента частицы материала оказались охлаждены до 2,5 тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Примечательно, что в данном случае учёные охлаждали сразу целые молекулы, а не отдельные атомы, которые затем собирали в молекулярные структуры, как это делается в большинстве экспериментов.
Рекордная энергия настольного ускорителя
Благодаря сразу нескольким рекордам физиков, достигнутым в этом году, 2014-й может стать одним из последних лет эры гигантских ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер. В будущем в каждой лаборатории будет стоять своя ускорительная установка, и умещаться она будет на почти обыкновенном рабочем столе.
Ещё в июне 2013 года физиками из Техасского университета был создан первый в мире настольный ускоритель частиц, использующий преимущества лазера и плазмы. В ноябре 2014 года исследователи из Департамента энергетики Национальной ускорительной лаборатории США SLAC и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе модернизировали технологию и изучили свойства плазмы, которая позволяет разгонять частицы на дистанциях всего в несколько сантиметров.
А в декабре 2014 года физики из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, США, продемонстрировали миниатюрную ускорительную установку, которая бьёт все рекорды по уровням получаемой энергии. Интересно, что это устройство оказалось не просто самым эффективным среди своих настольных "коллег", но и среди некоторых полноразменых ускорителей заряженных частиц.
Эксперимент заключался в попытке разогнать электроны внутри 9-сантиметровой трубки, заполненной плазмой. Частицы приводились в движение мощнейшим петаваттным лазером, при помощи которого электроны удалось разогнать до скорости, эквивалетной энергии в 4,25 гигаэлектронвольта.
И это, по словам авторов исследования, далеко не предел. В будущем году физики планируют разогнать электроны по плазменному каналу до энергии в 10 гигаэлектронвольтов. Остаётся надеяться, что им это удастся, поскольку будущее, где у каждого физика будет стоять портативная ускорительная установка, позволит существенно сократить срок проведения важнейших исследований.
Итого
В следующем 2015 году учёным предстоит побить новые рекорды. Кто знает, может быть, однажды законы физики придётся переписать в соответствии с результатами новых экспериментов. И тогда, вероятно, науке откроются двери в мир Новой физики.
