10 невозможных вещей, которые физики сделали возможными
В странном мире физики невозможное всегда возможно. Но в последнее время многим учёным удалось обойти даже эту оговорку и добиться впечатляющих успехов.
Нарушающая законы холодность
В прошлом учёные не могли охладить объект ниже предела, называемого «квантовая граница». Для того чтобы что-то заморозить, лазер должен уменьшить скорость движения атомов и их генерирующие тепло колебания. По иронии судьбы, лазерный свет вносит здесь теплоту. Несмотря на снижение температуры, он также не дает ей опуститься ниже квантовой границы. Однако физики сконструировали барабан из вибрирующего алюминия и смогли снизить его температуру до 360 микрокельвин, что в 10000 раз холоднее, чем в глубинах космоса. Диаметр барабана составлял 20 микрометров (диаметр человеческого волоса равен 40–50 микрометров) и в этом эксперименте удалось преодолеть знаменитую границу.
Этим прорывом была новая лазерная технология, которая некогда считалась невозможной и которая может «выдавливать» свет, направляя частицы с более высокой стабильностью в одном направлении. Это устраняет колебания лазера, которые добавляют теплоту. Этот барабан является самым холодным известным механическим объектом, но не самым холодным материалом - им является конденсат Бозе-Эйнштейна. Тем не менее, это достижение однажды может сыграть свою роль в сверхбыстрых электронных устройствах и помочь понять странные поведения в квантовом мире, которые появляются, когда материалы приближаются к своим физическим пределам.
Самый яркий свет
Яркость нашего солнца уже заслуживает внимания. Теперь представьте объединённый свет миллиарда солнц. Это почти эквивалентно тому, что физики недавно создали в лаборатории. Официально являясь самым ярким светом на Земле, этот свет также вёл себя неожиданным образом. Он менял внешний вид объектов.
Чтобы понять это, необходимо посмотреть, как работает зрение. Фотонам нужно отталкиваться от электронов, прежде чем зрение станет возможным. В нормальных условиях электроны отталкивают по одному фотону. Когда что-то становится ярче, форма обычно остаётся такой же как при менее ярком свете. Лазер, использовавшийся в эксперименте, рассеивал 1000 фотонов. Поскольку рассеивание равно видимости, интенсивность, с которой это происходило, изменило поведение фотонов и, следовательно, восприятие освещаемых объектов. Этот необычный эффект становился более заметным, когда этот суперсолнечный свет усиливался. Поскольку нормальная энергия и направление движения фотонов были изменены, свет и цвета представлялись необычными способами.
Молекулярная чёрная дыра
Команда физиков недавно создала нечто похожее на чёрную дыру. Они использовали самый мощный в мире рентгеновский лазер, LCLS (Linac Coherent Light Source - Линейный источник когерентного света), для разбивания молекул йодметана и йодбензола. Исследователи ожидали, что лазерный луч удалит большую часть электронов атома йода в молекуле и оставит пустоту. В экспериментах с менее мощными лазерами эта пустота затем заполнялась электронами из наиболее удалённой от центра части атома. При включении LCLS ожидаемое случилось, а затем произошло нечто удивительное. Вместо того чтобы остановиться на себе, атом йода начал поглощать электроны соседних атомов водорода и углерода. Он превратился в крошечную чёрную дыру внутри молекулы.
Последующие лазерные лучи выбили украденные электроны, но пустота затянула ещё несколько электронов. Цикл повторялся, пока не исчезла вся молекула. Только атом йода вёл себя таким образом. Являясь больше других, он поглотил огромное количество рентгеновской энергии, теряя свои электроны. Это дало атому достаточно большой положительный заряд для притягивания электронов меньших атомов.
Металлический водород
Это называлось «священным граалем физики высокого давления», но до настоящего времени учёным не удавалось получить металлический водород. В качестве возможного суперпроводника, это является наиболее востребованной формой газообразного в обычном состоянии элемента. Возможность превращения водорода в металл была впервые предложена в 1935 году. Физики выдвигали предположения о том, что высокое давление может вызвать это превращение. Проблема заключалась в том, что никто не мог создать такое большое давление.
В 2017 году группа американских учёных подкорректировала старый метод и впервые получила теоретический элемент. Предыдущие эксперименты проводились внутри приспособления под названием алмазный пресс (или камера высокого давления с алмазными наковальнями). Давление создаётся двумя синтетическими алмазами, расположенными друг против друга, но они всегда трескались в критический момент. Физики использовали эту же камеру, но разработали новую технологию обработки и полировки алмазов, которая предотвращала появление трещин. После этого приспособление смогло создать потрясающее давление: более 32,5 тонны на 6,45 квадратных сантиметров. Даже в центре Земли не существует такого давления.
Компьютерная микросхема с мозговыми клетками
Что касается «крови» электроники, однажды свет сможет заменить электричество. Физики поняли потенциал света в этом отношении несколько десятков лет назад, когда стало ясно, что его волны могут перемещаться друг возле друга и тем самым одновременно выполнять массу задач. В традиционной электронике используются транзисторы для открывания и закрывания путей для электричества, что ограничивает выполняемые задачи. Недавним примечательным изобретением была компьютерная микросхема, имитирующая человеческий мозг. Она быстро «думает» с помощью световых лучей, которые взаимодействуют друг с другом, как это делают нейроны.
В прошлом создавались более простые нейронные сети, но требовавшееся им оборудование занимало несколько столов, и уменьшение их размеров считалось невозможным. Эта новая микросхема, которая изготовлена из кремния, имеет размер пару миллиметров в поперечнике и работает с 16 нейронами. Лазерный свет вводится в микросхему и затем разбивается на лучи, каждый из которых передаёт цифры или информацию с помощью разной яркости. Мощность лазерных лучей, которые выводятся из микросхемы, даёт ответы на числовые задачи или другие решения.
Невозможная форма материала
Поприветствуйте сверхтвёрдые материалы. Этот необычный материал не является таким ужасно твёрдым, как подразумевает название. Вместо этого, этот материал имеет жёсткую кристаллическую структуру твёрдых веществ и в то же время является жидкостью. Этот парадокс должен был остаться нереализованным, потому что это противоречит известным законам физики. Однако в 2016 году две независимых группы учёных создали материал, похожий на описанный выше сверхтвёрдый материал. Более того, обе группы использовали разные подходы, чтобы сделать то, что многие считали невозможным.
Швейцарские учёные создали конденсат Бозе-Эйнштейна (самый холодный материал в мире) путём вакуумного охлаждения рубидиевого газа до максимума. Затем этот конденсат переместили в аппарат с двумя камерами, в каждой из которых были небольшие расположенные друг против друга зеркала. Лазеры побуждали к превращению, а частицы реагировали, принимая кристаллическую структуру твёрдого вещества, в то время как материал сохранял своё жидкое состояние. Американцы получили такой же необычный гибридный материал, но они создавали свой конденсат, подвергая атомы натрия действию испарительного охлаждения и лазеров. Затем они с помощью лазеров изменяли плотность атомов, пока в их жидком образце не появилась кристаллическая структура.
Жидкость с отрицательной массой
В 2017 году физики создали потрясающую вещь: материал, который движется в направлении силы, которая его отталкивает. Хотя это не совсем бумеранг, он имеет так называемую отрицательную массу. Большинство людей привыкли к положительной массе: вы толкаете предмет, и он ускоряется в направлении, в котором его толкнули. Впервые была создана жидкость, которая ведёт себя так, как никто никогда не видел в физическом мире. Если её толкают, она ускоряется назад.
Опять был получен конденсат Бозе-Эйнштейна из замороженных атомов рубидия. В этот раз учёные получили супержидкость с нормальной массой. С помощью лазеров они уплотнили её атомы. Затем с помощью других лазеров было изменено направление вращения атомов. После прекращения действия первых лазеров нормальная жидкость растекалась бы в сторону от своего центра, что, в сущности, представляет собой процесс толкания. Изменённая рубидиевая супержидкость, при достаточно большой скорости, не растекалась при высвобождении, а стояла на месте, демонстрируя отрицательную массу.
Временные кристаллы
Когда Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике, предложил временные кристаллы, эта идея казалась безумной, особенно в плане того, что они могли бы создавать движение в основном состоянии, самом низком уровне энергии в материи. В этом состоянии движение является теоретически невозможным из-за практически полного отсутствия энергии. Вильчек считал, что вечного движения можно было бы добиться путём ввода и вывода атома в основное состояние. Такая атомная структура предмета будет повторяться во времени, обеспечивая постоянное переключение без затрат энергии. Это противоречило законам физики, но в 2017 году, через пять лет после Вильчека, физики поняли, как это сделать.
Одна группа учёных манипулировала десятью взаимосвязанными ионами иттербия с помощью двух лазеров. Один создавал магнитное поле, а другой регулировал вращение атомов, пока не произошло предсказанное Вильчеком переключение. В Гарварде временной кристалл был получен путём переключения состояний атомов в примесях азота в алмазах. Однако, несмотря на то, что сейчас временные кристаллы не считаются безумной теорией, их нужно периодически возбуждать для обеспечения переключения. Они могут не быть вечными устройствами Вильчека, но временные кристаллы не похожи ни на что из того, что учёным когда-либо приходилось изучать.
Брэгговские зеркала
Брэгговское зеркало не может много отражать и состоит всего из 1000-2000 атомов. Но оно может отражать свет, что делает его полезным там, где необходимы очень маленькие зеркала, как внутри современных электронных устройств. Форма не является традиционной; атомы висят в вакууме, напоминая нить из бусинок. В 2011 году группа немецких учёных создала зеркало с самым большим отражением (80%), с помощью лазера внеся десять миллионов атомов в решётчатую структуру.
С тех пор датские и французские учёные смогли произвести существенную конденсацию необходимого числа атомов. Вместо воздействия лазером на собранные вместе атомы, они располагали их рядом с микроскопическими оптическими волокнами. При правильном размещении выполнялось брэгговское условие, отражение луча света обратно в его источник. При передаче света некоторая его часть проходила через волокно и ударялась об атомы. Датские и французские нити отражали около 10 и 75 процентов, соответственно, но обе возвращали свет по волокну в противоположном направлении. Помимо обещания безграничных технологических возможностей, это может со временем оказаться полезным в более необычных квантовых устройствах, поскольку атомы дополнительно использовали световое поле для взаимодействия друг с другом.
Двухмерный магнит
Физики пытались создать двухмерный магнит с 70-х годов прошлого века, но им всё время это не удавалось. Настоящий двухмерный магнит будет сохранять свои магнитные свойства даже после того, как его вернут в состояние, которое делает его двухмерным — слой толщиной всего один атом. Учёные начали сомневаться в возможности получения такого магнита.
В июне 2017 года исследователи попытались создать двухмерный магнит из трехйодистого хрома. Это соединение было привлекательным по нескольким причинам: это был многослойный кристалл, что делает его идеальным для удаления слоёв, с постоянным магнитным полем и предпочтительным направлением вращения электронов. Это были важные плюсы, которые помогли трехйодистому хрому сохранить свои магнитные свойства даже после того, как в кристалле остался один слой атомов.
Первый в мире настоящий двухмерный магнит появился при удивительно высокой температуре –228 градусов Цельсия. Он перестал быть магнитом, после удаления второго слоя, но восстановил свои свойства при добавлении третьего и четвёртого слоев. В настоящий момент он не работает при комнатной температуре и повреждается кислородом. Несмотря на свою хрупкость, двухмерные магниты позволят физикам провести эксперименты, которые ранее считались невозможными.
