Источник: Элементы
Оригинал: «Наука и жизнь» #1, 2018

Настало время подвести научные итоги 2017 года вместе с Американским физическим сообществом. На этот раз редакция APS постаралась на славу и подготовила крайне занимательную подборку новейших достижений фундаментальной науки. Сегодня поговорим о них поподробнее.

Источник: ПостНаука

Как были открыты три поколения кварков? Какие теории описывают взаимодействие частиц? Какими свойствами обладают кварки? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Источник: GeekTimes
Оригинал: Nautilus

Современная физика учит нас тому, что масса не является внутренним свойством материи.

Вот вы сейчас сидите и читаете эту статью. Возможно, на бумаге, возможно, в электронной книге, в планшете или на компьютере. Это неважно. Какое бы устройство для чтения вы не использовали, можно быть уверенным в том, что оно состоит из какого-то вещества: бумаги, пластика, крохотных электронных штучек, печатных плат. Что бы это ни было, мы называем это материей, материальным веществом. У него есть прочность, у него есть масса.

Но что такое материя? Представьте себе кубик льда с ребром длиной в 2,7 см. Представьте, что вы держите его в ладони. Он холодный и немного скользкий. Он мало что весит, но какой-то вес у него всё же есть.

Давайте уточним вопрос. Из чего состоит кубик льда? И второй важный вопрос: что отвечает за его массу?

Экстраординарный эксперимент, предпринятый физиками Федерального университета АВС (Бразилия), открывает путь к новому поколению устройств и демонстрирует взаимосвязь между временем, энтропией и запутанностью.

Одним из наиболее любопытных физических феноменов является природа времени. На микроскопическом уровне законы физики в отношении времени работают одинаково хорошо, течет ли время вперед или назад. Но на макроскопическом у всех процессов есть предпочтительное направление. Физик Артур Эддингтон назвал его «стрелой времени».
 

Если вы изымете всю энергию из чего-нибудь, вы достигнете абсолютного ноля, самой низкой температуры во Вселенной (ну или почти абсолютного ноля, чем больше, тем лучше). Но какова самая высокая температура? «Ничто не пропадает. Все трансформируется», — говорил Майкл Энде. Думаю, очень многие задавались вопросом касательно самой высокой возможной температуры и не находили ответа. Если есть абсолютный ноль, должен быть и абсолютный… что?

Мало кто старше 16 лет не знает его имени. Можно плохо учиться в школе и не любить физику, но самый выдающийся ум предыдущего столетия все равно будет тебе известен.


Его имя стало синонимом гениальности, но с жизнью и становлением гения знакомы не все.
Многие знакомы с его теориями относительности — полная и специальная, но что мы знаем о биографии Эйнштейна? Родился 14 марта 1879 года в Германии, потом уехал в Швейцарию и переехал в США. Обычно на это общественно известная биография Альберта Эйнштейна заканчивается.

Сегодня я попробую рассказать о его детстве и становлении и буду сопровождать тематическими изображениями из биографического комикса.
И начну я, пожалуй, с нуля, а точнее с самого рождения.
Приступим!
 

Молнии на реке Кататумбо

Учёные, работающие с проектом LOFAR (LOw Frequency ARray), который представляет собой интерферометрическую решетку из радиотелескопов, распределённых по Европе, совершили сразу два важных экспериментальных подтверждения высказанных ранее гипотез. Во-первых, оказалось, что с помощью радиотелескопов можно изучать грозовые облака. Во-вторых, судя по всему, молнии действительно возникают в результате вмешательства в атмосферу космических лучей.

Вероятнее всего, ты покупал лазерную указку, чтобы играть с котом, и вряд ли планировал превращать ее в луч смерти. Но ведь нужно использовать все возможности!

Лазерные указки, разрешенные к свободной продаже, не могут нанести вред человеку. В классификации лазеров они относятся к типам 1—3 и имеют силу излучения до 5 мВт. Но даже такой прибор можно превратить в суперзлодейское оружие.

Однажды к Эрнеcту Резерфорду, президенту Королевской академии, обратился коллега за помощью. Он собирался поставить самую низкую оценку по физике одному из своих студентов, в то время как тот утверждал, что заслуживает высшего балла. Оба — преподаватель и студент — согласились положиться на суждение третьего лица, незаинтересованного арбитра. Выбор пал на Резерфорда.

Мария Склодовская-Кюри.

— Знаете ли вы, что такое философский камень? — спросила принцесса Дзинтара Галатею и Андрея, перед тем как рассказать им очередную вечернюю сказку. — Нет? Так в Средневековье называли вещество, которое якобы могло превратить свинец и другие металлы в золото. Например, считалось, что с его помощью можно создать эликсир жизни. Средневековые аристократы часто давали деньги придворным алхимикам, чтобы те изготовили философский камень, который сулил господину несметное богатство.

Источник: Naked Science

В Стокгольме объявлены лауреаты 111-й Нобелевской премии в области физики. Ими стали ученые, сделавшие «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн». Обладатели награды — Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Барри Бэриш (Barry C. Barish) и Кип Торн (Kip S. Thorne).

Райнер Вайсс получил 0,56 миллиона долларов за метод, лежащий в основе обнаружения гравитационных волн, хотя и предложил его на десять лет позже коллег из СССР. Как ему это удалось?

Понимание природы жизни является одной из самых сложных и одновременно интересных загадок для человечества. Со временем эта загадка неизбежно вышла за рамки вопроса о том, существует ли жизнь только на Земле, или же она есть где-то еще во Вселенной. Обязано ли появление жизни случайному и удачному стечению обстоятельств, или же она настолько же естественна для Вселенной, как и универсальные законы физики?

Наука это невыносимо круто. Нет, мы говорим не о той тягомотине, которой нас учили в школе, а о той, которой которая похожа на волшебство. "Физика — это реальная магия вселенной" — утверждает страница в Instagram Physics fun, на которой время от времени публикуются всяческие "магические" трюки, которые легко и просто объясняются обычной физикой.

Статуэтка отлита из диамагнитного висмута, а куб из неодимового магнита, который парит в ловушке между руками учёного

Поезда на аккумуляторных батареях в будущем могут запустить в московском метро. Это позволит столичной подземке существенно снизить издержки на электроэнергию — сообщил заммэра Москвы, руководитель Департамента транспорта и развития дорожно-транспортной инфраструктуры Максим Ликсутов, выступая на форуме «Территория смыслов на Клязьме», который проходит во Владимирской области.

Чтобы лучше понять нашу Вселенную и определить роль человека в ней, ученые создают всё более амбициозные инструменты и проводят масштабные эксперименты. Наука давно перешла рубеж, за которым не хватает усилий гениев-одиночек, проводящих опыты в своих частных лабораториях. Сейчас большая наука требует дорогостоящих исследований, годами поддерживаемых научными группами из многих стран.

Чем масштабнее эксперименты, тем более впечатляющие открытия нас ждут. Как определить масштаб? Для этого достаточно знать сумму затрат на строительство, количество персонала и физические размеры самого проекта. Не будем забывать и про научную полезность проекта с точки зрения обычного человека.

Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.


Магниты такой конструкции (резистивные биттеровские магниты) остаются рабочими лошадками лабораторий сильных магнитных полей.

Основным потребителем самых сильных магнитов весь 20 век была наука. Термоядерные установки, ускорители, исследования на базе ядерного магнитного резонанса, нейтронная физика, охлаждение до температур ниже 1 кельвина и много еще чего требует как можно большего значения магнитной напряженности/индукции (для вакуумного поля эти величины равны с точностью до константы).

На 48-й Международной физической олимпиаде IPhO в Индонезии все пятеро российских школьников из национальной сборной завоевали по золотой медали. Это лучший результат страны за историю участия в олимпиаде. В 2016 году российская команда завоевала четыре золотые медали.

В начале 1960-х Ричард Фейнман давал несколько лекций для студентов, позже собранных в книгу "Фейнмановские лекции по физике". В книгу не вошла лекция по планетарному движению, но найденные позднее заметки позволили Дэвиду Гудштейну, коллеге Фейнмана, написать о ней книгу: "Потерянная лекция Фейнмана" [David Goodstein, Feynman’s Lost Lecture]. Цитата из книги, опубликованной в номере журнала Caltech’s Engineering & Science 1996 года:

Фейнман был великим учителем. Он гордился способностью придумывать способы объяснять самые глубокие идеи начинающим студентам. Однажды я сказал ему: «Дик, объясни мне так, чтобы я понял, почему частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака». Фейнман сказал: «Я подготовлю лекцию для первокурсников на эту тему». Но через несколько дней он вернулся и заявил: «Я не смог. Я не смог низвести это до уровня первокурсников. Это значит, что на самом деле мы этого не понимаем».

 

Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

В странном мире физики невозможное всегда возможно. Но в последнее время многим учёным удалось обойти даже эту оговорку и добиться впечатляющих успехов.

15 июня 1985 года спускаемый модуль советского космического аппарата «Вега-2» сел на поверхность Венеры в районе долины Русалки (7.14° ю. ш. 117.67° в. д.) и 56 минут передавал сигнал. Пройдя через атмосферу, он собрал единственный на сегодняшний день её полный температурный профиль.

Как и ожидалось, атмосфера оказалась очень плотной и тяжёлой. Атмосферное давление на поверхности составляет 92 бар, то есть примерно в 92 раза выше, чем на Земле, а температура — 464 °C. Плотность атмосферы у поверхности составляет примерно 6,5% от плотности жидкой воды. На 96,5% она состоит из CO₂, на 3,5% — из N₂ (по объёму).

Плотность атмосферы Венеры настолько высока, что её движение даже могло заставить Венеру остановить вращение, а затем начать медленно вращаться в противоположную сторону (есть такая теория). Сейчас Венера медленно вращается в сторону, противоположную земному, и делает один оборот вокруг оси за 243,02 земных суток.

За последние 115 лет физики обнаружили, что практически всё материальное, включая камни, дождь, солнце и солнечный свет, океанские волны и радиоволны, можно описать в терминах частиц (и соответствующих им полей). Эксперименты обнаружили разнообразие типов частиц, которые на сегодняшний день кажутся нам элементарными (то есть, не состоят из более элементарных частиц). Всё сложное многообразие нашего привычного мира состоит из небольшого набора таких частиц. Остальные частицы мимолётны, они так быстро распадаются, что в обычных условиях мы их не встречаем. Но они могут хранить ключи к секретам Вселенной, остающимся недоступными для нас.



В этой статье вы найдёте небольшой обзор текущего понимания частиц и организации их в классы. Что-то вроде периодической таблицы частиц с парочкой подвохов. Кроме того, вы узнаете, что делает с частицами поле Хиггса и его критичную роль в жизни Вселенной.

Наше текущее понимание, вместе с простейшими гипотезами по поводу работы частицы и поля Хиггса сводится в набор уравнений под названием «Стандартная модель физики частиц», или просто «Стандартная модель». Элементарные частицы в Стандартной модели исторически обладают очень странными названиями, а также большим разбросом масс. На рис. 1:

С тех пор, как в эксперименте LIGO впервые напрямую обнаружили гравитационные волны, испущенные сливающимися чёрными дырами, учёные возобновили свой интерес в изучении этих объектов. При помощи новых данных, новых техник и нового способа изучения Вселенной мы можем стоять на пороге целой плеяды новых открытий, ставших теперь возможными. Одно из фундаментальных свойств чёрной дыры, конечно же, состоит в том, что ничто не может покинуть горизонт событий изнутри, поскольку скорость убегания превышает скорость света. Но, возможно, это ограничение можно обойти?

Там есть чему радоваться. Во время этой симуляции одновременно производятся миллионы вычислительных операций, которые определяют положение каждой частицы в конкретных момент.

Это результат большого исследования программистов из DreamWorks Animation, Jixie Effects и профессоров университетов Калифорнии и Пенсильвании.

Большая проблема в том, что и мы в науке тоже игнорируем факты, как это происходит во всех прочих процессах коллективной деятельности людей. Нет никаких свидетельств тому, что разум ученого обеспечивает иммунитет против социальных предрассудков и вкусовых предпочтений. Иначе говоря, мы по умолчанию должны предполагать наличие таких вещей и в научной работе.

В апрельском номере научного журнала Nature Physics опубликована весьма характерная статья от Сабины Хоссенфельдер, одной из наиболее ярких представительниц мирового физического сообщества на поприще научно-популярной публицистики.

 Умная соковыжималка Juicero выжала $120 млн из воздуха

На что только ни пойдут предприниматели, чтобы добиться успеха и заработать десятки миллионов долларов! Иногда аферистов быстро разоблачают, но иногда им удаётся всё-таки обмануть публику и, главное, инвесторов — и получить заветные инвестиции.

Один из самых перспективных фудтех-стартапов 2016 года под названием Juicero оказался самой высококлассной аферой. Смотрите и учитесь.

Гипотетическая червоточина в пространстве-времени

В теоретической физике, отрицательная масса — это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени.

Звучит как абсолютная фантастика, но сейчас группе физиков из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST (Окинава, Япония) и Шанхайского университета удалось получить вещество, которое проявляет некоторые свойства гипотетического материала с отрицательной массой. Например, если толкнуть это вещество, то оно ускорится не в направлении приложения силы, а в обратном направлении. То есть оно ускоряется в обратную сторону.

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Расскажу о реальных фактах, которые вызвали мое удивление. Разумеется, для кого-то эти факты не станут новостью, но, надеюсь, хоть что-то сможет заинтересовать каждого. И еще надеюсь, что многие, подобно мне, и вопреки заветам Шерлока Холмса, тащат в свой мозговой чердак не только нужное, но и просто интересное. Буду рад, если эта первоапрельская подборка заставит кого-нибудь забраться поглубже в источники и перепроверить мои заявления.

Температура в космосе, на орбите Земли равна +4°С

Источник: Naked Science

Метр является стандартной единицей измерения длины, используемой в большинстве стран мира. Однако как же был определен метр?

Мария Склодовская-Кюри.

— Знаете ли вы, что такое философский камень? — спросила принцесса Дзинтара Галатею и Андрея, перед тем как рассказать им очередную вечернюю сказку. — Нет? Так в Средневековье называли вещество, которое якобы могло превратить свинец и другие металлы в золото. Например, считалось, что с его помощью можно создать эликсир жизни. Средневековые аристократы часто давали деньги придворным алхимикам, чтобы те изготовили философский камень, который сулил господину несметное богатство.

Источник: Кот Шрёдингера
Автор: Сергей Попов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ

Море гораздо разнообразнее суши.
Интереснее, чем что-либо.
Изнутри, как и снаружи.

Иосиф Бродский. Новый Жюль Верн

Океаны всегда пугали и манили людей. Они хранят тайны в своих глубинах. Там обитают существа, которые показались бы нам порождениями галлю­цинирующего сознания художника-сюрреалиста. Когда мы говорим о жизни где-то ещё в Солнечной систе­ме, на ум сразу приходит подлёдный океан Европы — спутника Юпитера. Вот уже несколько десятилетий это едва ли не главный претендент на звание второго пристанища жизни. Недавно к океану Европы добавился океан Энцелада — спутника Сатурна. На снимках с космических аппаратов видно, как из него бьют фонтаны воды.

Открытия экзопланет показали: есть много такого в Галактике, что и не снилось нашим мудрецам. Например, планеты-океаны. Сейчас есть парочка кандидатов: Кеплер‑22b и GJ1214b — они, возможно, целиком ­состоят из воды. Правда, из-за высокого давления в недрах она находится в состоянии горячего льда.

Но речь пойдёт не о них. И не о Солнечной системе. Не об экзопланетах. Представьте, даже не о воде.

Источник: Naked Science

NICA (Nuclotron-based Ion Collider Facility) представляет собой первый российский ускоритель тяжелых ионов и протонов, строящийся в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Московской области. Ключевыми целями комплекса заявлено изучение кварк-глюонной плазмы, сжатой барионной материи, а также проведение экспериментов в области материаловедения, ядерной энергетики, биологии. Разработкой коллайдера занимаются ученые из 32 стран.

Источник: Naked Science

Для объяснения некоторых странных явлений физики элементарных частиц было предположено существование частиц-аксионов, однако обнаружить их не удается уже четвертый десяток лет. Возможно, для этого стоит проследить за гравитационными волнами, которые могут разбегаться от быстро вращающихся черных дыр.

Химик Джон Дальтон предложил теорию, что вся материя и объекты состоят частиц — атомов, — и эта теория до сих пор принята научным сообществом, спустя двести лет. Каждый из этих атомов состоит из невероятно маленького ядра и еще меньших электронов, которые движутся на относительно большом расстоянии от центра. Если представить стол, который в миллиард раз больше, его атомы будут размером с арбузы. Но даже тогда ядро в центре будет все еще слишком маленьким, чтобы его можно было разглядеть, не говоря уж об электронах. Почему же тогда наши пальцы не проходят сквозь атомы? Почему свет не проникает через эти щели?

Потребовалось 13,8 миллиарда лет космической эволюции, чтобы мы оказались здесь. Поколения звезд должны были жить и умереть, чтобы создать тяжелые элементы; крошечные протогалактики должны были слиться, чтобы образовался Млечный Путь; облака межзвездного газа должны были коллапсировать и сформировать новые звезды с твердыми планетами; сложная неорганическая и органическая химия должны были подружиться на одном из таких новых миров; биологическая эволюция — и природные катаклизмы — должны были пойти по одному из извилистых путей, чтобы в конечном итоге всего несколько тысяч лет назад появились люди.

Источник: Naked Science

Чтобы создать копию чего-либо, вам понадобится то, что вы хотите скопировать, материал, из которого вы создадите копию, ну и неплохо было бы знать сам процесс клонирования. Однако возможно ли вообще создать идеальную копию чего-либо на субатомном уровне? К сожалению, квантовая механика убивает мечты многих фантастов и ученых об идеальном клонировании. Давайте же разберемся, почему.

Редакция Naked Science подготовила перевод очередного выпуска передачи Minute Physics. Из нового видео вы узнаете о том, почему идеальное клонирование невозможно.

Перестрелки и взрывы – одни из отличительных черт современного ведения боевых действий – рано или поздно станут пережитком прошлого. Военные институты начинают сосредотачивать свое внимание на разработке нового типа вооружений на базе электромагнитных проводников – рельсотронов. Россию интерес в подобных разработках тоже не обошел.

Выйдите на улицу тёмной безлунной ночью. Посмотрите наверх. Если это декабрь или январь, обратите внимание на Бетельгейзе, горящую красным светом на плече Ориона, и Ригель, ярко-голубую звезду у его колена. Через месяц в созвездии Возничий появится жёлтая Капелла.

Если это июль, отыщите Вегу, голубой сапфир Лиры, или Антарес, оранжево-красное сердце Скорпиона.

Зелёных звёзд нет! В любое время года в небе можно обнаружить разные звёзды. Большинство выглядят белыми, но у самых ярких проявляется цвет. Красный, оранжевый, жёлтый, голубой – почти все цвета радуги… Но, погодите-ка, а где же зелёные? Разве не должны мы видеть и такие?

Нет. Это очень частый вопрос, и никаких зелёных звёзд мы не видим. И вот, почему.

Источник: Naked Science

Знаете ли вы, что существует несколько различных интерпретаций квантовой теории? Физическую реализацию одного из таких толкований можно получить с помощью капель масла в домашних условиях.

Наша Вселенная обладает невообразимыми размерами, но что, если она не единственная? Давайте рассмотрим идею мультивселенной.

4 июля 2013 года европейская команда астрономов под руководством Хонгшенга Чжао из Центра гравитации SUPA в Университете Сент-Эндрюса представила радикально новую теорию. По ней галактики Млечный Путь и Андромеда столкнулись около 10 миллиардов лет назад, и наше понимание гравитации в корне неверно. Что примечательно, это могло бы аккуратно объяснить видимую структуру двух галактик и их спутников.

 Иногда бывает трудно поверить своим глазам. Особенно, когда то, что ты видишь, противоречит всем известным законам физики. И логики. И здравого смысла. Но фотошоп тут ни при чем. Только ловкость рук и никакого мошенничества.

Возможно, ограничения того, что мы можем наблюдать, просто искусственные; возможно, нет предела тому, что находится по ту сторону наблюдаемого.

13,8 миллиарда лет назад Вселенная началась с Большого Взрыва. С тех пор она расширяется и остывает, так было вчера, сегодня и будет завтра. С нашей точки зрения, мы можем наблюдать ее в 46 миллиардах световых лет во всех направлениях, благодаря скорости света и расширению пространства. Хотя это большое расстояние, оно конечно. Но ведь это лишь часть того, что предлагает нам Вселенная. Что находится за этой частью? Может ли Вселенная быть бесконечной?