Вселенная внутри вселенной: размышления о структуре бытья и масштабах космоса

Фото: на каком изображен мозг, а на каком вселенная? Наука не враг духовности, напротив: научное знание — глубочайший источник духовного. Когда мы осознаем свое место в бесконечности световых лет и сменяющих друг друга эпох, когда постигаем красоту, тонкость и сложность жизни, нас охватывает восторг, в котором гордость сочетается со смирением — это ли не парение духа! — Карл Саган, «Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме». Во время изучения Вселенной я ощущал подобные духовные моменты, описанные Саганом – когда укреплялось моё понимание связей с обширным миром. Как, к примеру, в тот раз, когда я впервые узнал, что буквально состою из пепла звёзд – что атомы моего тела распространились по бесконечному эфиру благодаря сверхновым. В другой раз я ощутил это возвышенное чувство, впервые увидев это изображение. Нейрон в мозге сопоставим со скоплениями галактик и соединяющими их нитями из обычной и тёмной материи. Их схожесть видна сразу. Что это означает? У вас в голове может существовать целая вселенная. Но схожесть изображений может оказаться и примером апофении – восприятия схожести там, где её нет. Ведь как две этих системы могут быть похожими, учитывая огромную разницу в их масштабах?

Читать далее

Почему в основе геологической науки лежат кубы: рассказ о создании масштабной теории об устройстве мира

Упражнения в чистой математике привели к созданию масштабной теории об устройстве мира. Где-то в середине лета 2016 года венгерский математик Габор Домокош взошёл на крыльцо дома Дугласа Джерольмака, геофизика из Филадельфии. С собой у Домокоша были дорожные чемоданы, сильная простуда и жгучая тайна. Чуть позже двое мужчин гуляли по гравийной дорожке на площадке за домом, где жена Джерольмака держала тележку для продажи тако. Под их ногами хрустел измельчённый известняк. Домокош указал под ноги. «Сколько граней у каждого из этих камушков?» – спросил он. Затем он ухмыльнулся. «Что, если я скажу вам, что их количество обычно равно шести?» А затем он задал ещё более общий вопрос, который, как он надеялся, надолго поселится в мозге его коллеги. Что, если мир состоит из кубов? Джерольмак сначала возразил: может, дома и строятся из кирпичей, но Земля состоит из камней. А форма у камней, очевидно, разная. Слюда крошится на чешуйки, кристаллы ломаются по жёстко определённым осям. Однако Домокош утверждал, что из одной лишь чистой математики следует, что любые камни, ломающиеся случайным образом, будут порождать формы, имеющие в среднем по шесть граней и восемь вершин.

Читать далее

Притягивание льдинки к воде объяснили переносом заряда из-за температурного градиента в льдинке

Иллюстрация: Ranit Mukherjee et al. / American Chemical Society Nano, 2021. Американские физики объяснили притягивание льдинки к воде — все дело оказалось в переносе заряда из-за температурного градиента в льдинке. За несколько миллисекунд отрицательно заряженная крошечная льдинка преодолевала расстояние в 5 миллиметров с максимальной скоростью в 0,9 метра в секунду. Результаты исследования, опубликованные в журнале American Chemical Society Nano, помогут описать образование молний и развить электростатическое удаление льда. Если поднести заряженный предмет (например, расческу после причесывания) к струе воды, то она отклонится. Так проявляется дипольная природа молекул воды, которые стремятся выстроиться вдоль электрического поля. Даже если столкнуть или потереть льдинки друг с другом — из-за контактной разности потенциалов на каждой из них появится заряд. Продувание обледеневших поверхностей потоком воздуха или приложение внешнего электрического поля позволило наблюдать заряженные льдинки микрометрового размера.

Читать далее

Создан стабильный при комнатной температуре магнонный кристалл времени с периодической структурой

Иллюстрация: Joachim Grafe et al. / Physical Review Letters, 2021. Физики создали магнонный кристалл, обладающий периодической структурой во времени. Для этого они использовали пластинку из ферромагнитного пермаллоя, помещенную в электромагнитное поле. Это первый временной кристалл микрометрового масштаба, созданный при комнатной температуре. Динамику магнонов в нем удалось заснять на видео с помощью рентгеновского микроскопа. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Не любое твердое вещество можно назвать кристаллом, эти структуры обладают отличительным свойством — периодичностью. То есть решетка кристалла повторяется через строго определенные расстояния. Такая неоднородность является нарушением пространственной симметрии. В 2012 году физик-теоретик Фрэнк Вильчек предположил, что могут существовать кристаллы, нарушающие симметрию не пространства, а времени. Он представлял себе их как системы, которые пульсируют в состоянии равновесия, периодически возвращаясь в одну и ту же конфигурацию.

Читать далее

Обнаружена асимметрия верхних и нижних антикварков внутри протона

Иллюстрация: J. Dove et al / Nature, 2021. Группа физиков представила результат обработки большого количества данных, полученных в рамках эксперимента SeaQuest по рассеянию пучка протонов на водородных и дейтериевых мишенях. Цель эксперимента — исследование асимметрии в распределении верхних и нижних антикварков внутри протона. В результате физики обнаружили, что нижних антикварков в среднем почти в полтора раза больше, чем верхних. Работа опубликована в Nature. Отличительной чертой сильного взаимодействия — одного из четырех фундаментальных взаимодействий, которое ответственно за формирование протонов, нейтронов и других адронов — считается его общая непертурбативность, то есть такая ситуация, когда попытка построить теорию с помощью разложения в ряд по некоторому малому параметру невозможна. Этим сильное взаимодействие отличаются от, например, электромагнитного, где таким параметром выступает постоянная тонкой структуры. Малость этой константы обеспечивает хорошую сходимость в квантовой электродинамике, что делает эту теорию одной из самых точных в физике.

Читать далее

Обнаружена левитация облучаемого светодиодами медного диска при экстремально низком давлении

На иллюстрации: Левитация облучаемого светодиодами диска при давлении воздуха 30 паскалей. Диаметр диска — около 6 миллиметров, вес в воздухе — около 0,3 микроньютона. Mohsen Azadi et al. / Science Advances, 2021. Ученые изготовили сантиметровые полимерные диски, противоположные поверхности которых по-разному взаимодействуют с налетающими молекулами газа при нагреве со стороны излучения, и пронаблюдали их левитацию в вакуумной камере при давлении порядка 10 паскалей и интенсивности облучения около 0,5 ватт на квадратный сантиметр (того же порядка, что у солнечного света). Результаты опыта и предсказания теоретической модели помогут в создании компактных аппаратов для полетов в мезосфере — например, предназначенных для изучения погодных и климатических явлений. Статья опубликована в журнале Science Advances. На сегодняшний день мезосфера (слой атмосферы на высоте 50–80 километров) — проблемная зона для летательных аппаратов. Воздух на такой высоте уже недостаточно плотный, чтобы надежно удерживать воздушные шары и самолеты, но в то же время слишком плотный, чтобы мешать орбитальному движению космических аппаратов, нагревая и затормаживая последние.

Читать далее

В поисках темной материи ученые расширяют методы ее обнаружения: между электроном и протоном

Физики планируют не пропустить ни одной возможности: не воздействует ли тёмная материя на разные виды детекторов, не изгибает ли свет звёзд, не разогревает ли ядра планет и не откладывается ли в камнях. С тех пор, как в 1980-х согласились с тем, что большая часть массы Вселенной невидима для нас, и что эта «тёмная материя» должна удерживать галактики от разрушения и формировать посредством гравитации облик всего космоса, экспериментаторы охотились за этими несветящимися частицами. Сначала они начали поиски тяжёлой и медленной формы тёмной материи под названием слабовзаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particle, WIMP) — вимпы. Этот ранний кандидат был одним из самых предпочтительных вариантов, подходящих на роль потерянной космической материи – он мог решить ещё одну, отдельную загадку из физики частиц. Десятилетиями физики строили всё более крупные мишени в виде кристаллов и многотонных резервуаров с экзотическими жидкостями, надеясь уловить редкое мельтешение в атомах, происходящее после столкновения с вимпами.

Читать далее

Создано “нанозеркало” с индексом отражения выше 99,9% для новых оптоэлектронных устройств

Фото: VCSEL solutions & photodiodes. Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что такое “нанозеркало” способно улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика. Изобретение американцев называется “Контрастная решётка с высоким индексом преломления и шагом, меньше длины волны” (high-index contrast sub-wavelength grating – HCG). Создали её Конни Чан-Хаснейн (Connie J. Chang-Hasnain), директор Центра оптоэлектроники, наноструктур и полупроводниковых технологий Университета Калифорнии в Беркли (CONSRT), и её аспиранты Майкл Хуан (Michael Huang) и Е Чжоу (Ye Zhou). Однако, прежде, чем рассказать о сути, необходимо сделать небольшое отступление. Ранние версии полупроводниковых лазеров использовали в качестве зеркал кристаллы, которые обеспечивали коэффициент отражения в 30%. Это не слишком много, если учесть, что зеркала в лазере обеспечивают многократный пробег фотонов через рабочую среду, где они вызывают генерацию новых фотонов, вся эта лавина накапливается и, в конечном счёте, выходит через одно из зеркал (полупрозрачное) в виде лазерного луча.

Читать далее

Впервые с помощью метода абсорбционной спектроскопии удалось очень точно измерить соотношение масс протона и электрона

Иллюстрация: I. V. Kortunov et al. / Nature Physics, 2021. Физики провели сверхточное измерение частоты колебательного перехода в молекулярном ионе водорода HD+ с помощью метода абсорбционной спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне. Полученное значение они сопоставили с теоретической формулой, благодаря чему удалось уточнить величину отношения массы протона к массе электрона. Работа опубликована в Nature Physics. История развития физики неразрывно связана с улучшением точности спектроскопии атомов и молекул. Так, на становление квантовой механики повлияли попытки интерпретации линейчатого спектра атома водорода, в особенности его тонкой структуры. А открытие более тонкого зазора между энергетическими уровнями — лэмбовского сдвига — привело к созданию квантовой электродинамики. На пути к росту точности неизбежно возникают различные трудности. Среди них — допплеровское уширение спектральных линий, вызванное хаотическим движением атомов и молекул.

Читать далее