Рубрика: ФИЗИКА

Как не обмануться, занимаясь физикой

Специалисты по физике частиц и астрофизики применяют разнообразные инструменты во избежание получения ошибочных результатов

В 1990-х в эксперименте, проводившемся в Лос-Аламосе, примерно в 55 км к северо-западу от столицы Нью-Мексико, вроде бы обнаружилось что-то странное.

Учёные разработали детектор нейтрино с жидким сцинтиллятором [Liquid Scintillator Neutrino Detector] в Национальной лаборатории Лос-Аламоса при Министерстве энергетики США для того, чтобы подсчитывать нейтрино – неуловимые частицы, бывающие трёх типов и редко взаимодействующие с другой материей. На LSND искали свидетельства нейтринных осцилляций – перехода нейтрино из одного типа в другой.

В нескольких предыдущих экспериментах были обнаружены признаки подобных осцилляций, из чего следовало, что у нейтрино имеются небольшие массы, не входящие в Стандартную Модель, главную теорию физики частиц. Учёные на LSND хотели заново проверить те ранние измерения.
(далее…)

“Квантовая атмосфера” может раскрыть секреты материи

Новая теория предполагает, что квантовые свойства объекта простираются на “атмосферу”, окружающую материал

За несколько последних лет некоторые материалы стали игровой площадкой для физиков. Они не состоят из чего-то особенного – в их составе обычные частицы вроде протонов, нейтронов и электронов. Но они представляют собой нечто большее, чем сумму составных частей. У этих материалов есть наборы впечатляющих свойств и явлений, которые даже навели физиков на новые фазы материи – за пределами твёрдого, жидкого и газообразного состояния, с которыми мы все знакомы.

Один класс материалов, особенно интересный физикам, это топологические изоляторы – или, в более общем виде, топологические фазы вещества, теоретические основы которых принесли их первооткрывателям нобелевскую премию в 2016. По поверхности топологического изолятора электроны движутся свободно, а внутри они неподвижны. Поэтому его поверхность служит проводником, похожим на металл, а внутренности похожи на керамический изолятор. Топологические изоляторы привлекли внимание своей необычной физикой и потенциалом для использования в квантовых компьютерах и т.н. устройствах спинтроники, использующих спины электронов, а не только их заряд.
(далее…)

Величайшая ошибка в истории физики


Сегодня мы считаем, что все частицы, от массивных кварков до безмассовых фотонов, имеют двойную корпускулярно/волновую природу. Сотни лет назад люди рассматривали только частицы. Но в 1818 году волнам суждено было совершить триумфальное возвращение на основе исследований природы света.

Все мы любим наши наиболее ценные идеи по поводу устройства мира и Вселенной. Наша концепция реальности часто неразрывно связана с нашим представлением о самих себе. Но быть учёным – значит, быть готовым подвергать сомнению все эти представления при каждой их проверке. Всего лишь одного наблюдения, измерения или эксперимента, противоречащего теории, бывает достаточно для того, чтобы пересмотреть или полностью отказаться от нашего представления о реальности. Если мы можем воспроизвести эту научную проверку и убедительно показать, что она не совпадает с преобладающей теорией, мы закладываем основы научной революции. Но если кто-то не хочет подвергать теорию или предположения проверкам, он, возможно, совершает величайшую ошибку в истории физики.
(далее…)

Физики на БАК применяют метод грубой силы к поиску новых частиц

Мощнейший ускоритель частиц в мире пока что не дал нам никакой новой физики – и некоторые учёные выбирают новую стратегию поисков.


Детектор ATLAS

Когда-то бывший противоречивым, новый подход к поиску частиц на Большом адронном коллайдере становится основным. Один из основных экспериментов БАК, ATLAS, официально принял этот метод на вооружение – альтернативный способ просеивать горы данных, порождаемых машиной – как лучшую надежду на выявление поведения частиц, выходящего за рамки Стандартной модели. Привычные техники до сих пор не дали результатов.

Пока что все исследования на БАК – который расположен в ЦЕРН, в Европейской лаборатории физики частиц близ Женевы – включали в себя “целевые поиски” признаков из наиболее популярных теорий. Теперь же коллаборация ATLAS описывает свой первый “общий” поиск по данным детектора в препринте работы, опубликованной на сайте arXiv, и предложенной журналу European Physics Journal C. Другой важный эксперимент БАК, компактный мюонный соленоид (CMS), работает над сходным проектом.
(далее…)

Учёные смущённо признают, что до сих пор не знают точной величины гравитационного взаимодействия


По легенде, первый эксперимент, показавший, что все объекты падают с одной скоростью, вне зависимости от массы, провёл Галилео Галилей, стоя на вершине Пизанской башни. Два любых объекта, брошенных вниз в гравитационном поле, в отсутствии сопротивления воздуха (или при пренебрежении им) будут ускоряться одинаково. Позже это правило было кратко записано Ньютоном после изучения им данного вопроса.

Впервые начав формулировать законы физики, мы делали это эмпирически: посредством экспериментов. Бросьте шар с башни, как это, возможно, сделал Галилей, и вы сможете измерить, сколько он пролетит и через какое время упадёт. Отпустите маятник, и вы сможете обнаружить взаимосвязь между его длиной и количеством времени на один период. Проделав это с различными расстояниями, длинами и временными отрезками, вы начнёте замечать систему: высота падения объекта пропорциональна квадрату времени, период маятника пропорционален квадратному корню его длины.

Но чтобы превратить пропорции в уравнения, нужно подобрать одну константу.
(далее…)

Двухфазный детектор нейтрино в эксперименте DUNE

Deep Underground Neutrino Experiment [подземный нейтринный эксперимент глубокого залегания] продвинет технологии, часто используемые для экспериментов, связанных с тёмной материей, и масштабирует их до рекордных размеров

В физике частиц настали интереснейшие времена. В ней полно загадок. Имеются намёки на вещи, не укладывающиеся в самые лучшие модели Вселенной, какие только есть у учёных – а исследователи вдохновляются друг другом, изучая все эти намёки.

Один из недавних примеров связан с готовящимся экспериментом Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), международным научным проектом мега-масштаба, в котором участвует 1100 учёных из 32 стран. Им руководит Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (Фермилаб), принадлежащая Министерству энергетики США, и расположенная в г. Батавия, Иллинойс. Фермилаб отправит пучок частиц под названием нейтрино сквозь 1300 км земной породы по направлению к огромному детектору частиц – он будет состоять из четырёх модулей, в сумме содержащих 70 000 тонн жидкого аргона – который приютит Стэнфордская подземная исследовательская лаборатория в Южной Дакоте. Учёные надеются узнать больше о свойствах этих загадочных частиц, возможно, имеющих прямое отношение к существованию самой материи.
(далее…)

Новая охота на тёмную материю проходит под горой

Давид Д’Анджело не всегда интересовался тёмной материей, но теперь он попал на передний край охоты за наиболее неуловимой частицей во Вселенной

Примерно в часе езды от Рима расположилось плотное скопление гор под названием Гран-Сассо-д’Италия. Они известны своей природной красотой и притягивают туристов круглый год, предлагая горнолыжные курорты мирового класса и пешеходные маршруты зимой, а также возможность купаться летом. Для 43-летнего итальянского физика Давида Д’Анджело эти горы – всё равно что второй дом. В отличие от большинства посетителей Гран-Сассо, Д’Анджело проводит большую часть времени под горами, а не на них.

Там, в изобилующем пещерами пространстве в тысяче метров под поверхностью земли, Д’Анджело работает над новым поколением экспериментов, посвящённых охоте за частицами тёмной материи – экзотической формы материи, чьё существование предполагается уже несколько десятилетий, но пока ещё не было доказано экспериментально.

Считается, что тёмная материя составляет до 27% Вселенной, и описание этой неуловимой субстанции – одна из наиболее острых проблем современной физики. Хотя Д’Анджело оптимистично считает, что прорыв произойдёт ещё при его жизни – точно так же думало и предыдущее поколение физиков. В принципе, есть неплохие шансы на то, что частицы, разыскиваемые Д’Анджело, вообще не существуют. Однако для физиков, зондирующих фундаментальную природу Вселенной, возможность провести всю карьеру в “охоте за привидениями”, как говорит Д’Анджело – это цена продвижения науки.
(далее…)

Конец знакомой нам теоретической физики

Компьютерные симуляции и сделанные на заказ квантовые аналогии меняют способы поиска законов природы

У теоретической физики есть репутация сложной науки. Я бы с этим не согласилась. То, что мы вообще можем записывать законы природы в математическом виде, означает, что законы, с которыми мы имеем дело, просты – гораздо проще законов из других научных областей.

К сожалению, решить эти уравнения часто оказывается непросто. К примеру, у нас есть прекрасная теория, описывающая такие элементарные частицы, как кварки и глюоны, но никто не может подсчитать, как они связываются вместе, порождая протон. Уравнения просто не решаются известными нам методами. Точно так же слияние чёрных дыр или даже поток горной реки можно описать в обманчиво простом виде, но при этом сказать, что именно произойдёт в каком-то конкретном случае, ужасно тяжело.

Мы, конечно, без устали раздвигаем границы возможного, и ищем новые математические стратегии. Но в последние годы большая часть успехов была связана не с более сложной математикой, а с компьютерными мощностями.

Когда в 1980-х появились первые математические программы, они мало что делали, кроме того, чтобы спасти человека от поисков ответа в огромных распечатанных списках решённых интегралов. Но когда физики заполучили себе компьютеры, они поняли, что им уже не надо решать интегралы, они просто могут построить решение.
(далее…)

10 физических фактов, которые вы должны были узнать в школе, но, возможно, не узнали

1. Энтропия измеряет не беспорядок, а вероятность

Идея о том, что энтропия – это мера беспорядка, совсем не помогает разобраться в вопросе. Допустим, я делаю тесто, для чего я разбиваю яйцо и выливаю его на муку. Затем добавляю сахар, масло, и смешиваю их до тех пор, пока тесто не становится однородным. Какое состояние является более упорядоченным – разбитое яйцо и масло на муке, или получившееся тесто?

Я бы сказала, что тесто. Но это состояние с большей энтропией. А если вы выберете вариант с яйцом на муке – как насчёт воды и масла? Энтропия выше, когда они разделены, или после того, как вы их яростно потрясёте, чтобы смешать? В данном примере энтропия выше у варианта с разделёнными веществами.

Энтропия определяется как количество “микросостояний”, дающих одно и то же “макросостояние”. В микросостояниях содержатся все детали по поводу отдельных составляющих системы. Макросостояние же характеризуется только общей информацией, вроде “разделено на два слоя” или “в среднем однородное”. У ингредиентов теста есть много разных состояний, и все они при смешивании превратятся в тесто, однако очень мало состояний сможет при смешивании разделиться на яйца и муку. Поэтому, у теста энтропия выше. То же работает для примера с водой и маслом. Их легче разделить, тяжелее смешать, поэтому у разделённого варианта энтропия выше.
(далее…)

Спросите Итана: на самом ли деле пространство-время похоже на ткань?


В Ньютоновской картине гравитации пространство и время – абсолютные, фиксированные значения, а в Эйнштейновской картине, пространство-время – единая, объединённая структура, в которой неразрывно переплелись три пространственных и одно временное измерение

Гравитация, возможно, была первым фундаментальным взаимодействием из открытых, но, во многих отношениях остаётся в наименьшей степени понятой. Мы знаем, что она всегда притягивает, и что две любых массы во Вселенной, вне зависимости от их расположения, будут испытывать её воздействие. Когда Эйнштейн придумал свою Общую теорию относительности, одним из её прорывов было признание того, что пространство и время комбинируются в одну сущность: пространство-время. Другим было то, что присутствие материи и энергии искривляет саму ткань пространства-времени, и что искривлённое пространство-время, в свою очередь, диктует, как двигаться материи. Но точна ли эта картина? Наш читатель настроен скептически:

Мне бы хотелось, чтобы кто-нибудь, наконец, признал и согласился, что демонстрация шаров на простыне не даёт достоверного объяснения реальности.

Я спокойно признаю и соглашаюсь с этим. Сколько бы ни было изображений изогнутых простыней или координатных систем, они не совсем точно отражают населяемую нами реальность.
(далее…)