В год, наполненный новыми замечательными наблюдениями в астрономии и дразнящими прорывами в физике конденсированных сред, совершенно новый космический телескоп берет верх.
Год начался как раз в тот момент, когда космический телескоп Джеймса Уэбба разворачивал свой солнцезащитный козырек — гигантское, тонкое и нежное одеяло, от которого кусались ногти, и которое, раскрывшись, погрузило бы обсерваторию в холодную тень и открыло бы ей вид на инфракрасную вселенную. Через несколько часов после падения мяча здесь, в Нью-Йорке, солнцезащитный козырек мог зацепиться за зацепку, разрушив новый телескоп и выбросив в пустоту миллиарды долларов и десятилетия работы. Вместо этого солнцезащитный козырек отлично открылся, что дало отличный старт новому году в физике.
JWST вскоре начал замечать великолепные новые грани космоса. 11 июля президент Байден обнародовал первое общедоступное изображение телескопа — панорамный вид на тысячи галактик, находящихся на разных расстояниях в пространстве и времени. На следующий день были опубликованы еще четыре мгновенно ставших культовыми изображения. С тех пор данные телескопа были распространены среди сотен астрономов и космологов, а космические открытия и статьи сыплются потоком.
Астрономия купается в свежих данных всех видов. Например, в мае телескоп Event Horizon опубликовал первую в истории фотографию сверхмассивной черной дыры в сердце нашей галактики — одно из нескольких недавних наблюдений, которые помогают астрофизикам понять, как работают галактики. Другие телескопы наносят на карту расположение миллионов галактик, что недавно дало неожиданные доказательства асимметрии в распределении галактик.
Прорывы происходят быстро и в физике конденсированных сред. Эксперимент, опубликованный в сентябре, почти доказал происхождение высокотемпературной сверхпроводимости, что может помочь в многолетнем поиске еще более теплой версии этого явления, которая могла бы работать при комнатной температуре. Это также является целью исследования двумерных материалов. В этом году своего рода плоский кристалл, который когда-то помогал смазывать лыжи, превратился в мощную платформу для экзотических, потенциально полезных квантовых явлений.
Физикам элементарных частиц, которые ищут новые фундаментальные составляющие Вселенной, повезло меньше. Они продолжали раскрывать свойства частиц, о которых мы уже знаем, включая протон, предмет замечательного визуального проекта, который мы опубликовали этой осенью. Но у теоретиков почти нет конкретных подсказок о том, как выйти за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц, удушающе всеобъемлющего набора уравнений для квантового мира, который был теорией, которую можно было превзойти на протяжении полувека. Однако надежда — это добродетель, и в этом году в Стандартной модели действительно открылась по крайней мере одна возможная трещина. Давайте начнем список лучших хитов 2022 года.
Дразнящий тяжелый бозон
Коллайдер Тэватрон в Иллинойсе разбил свои последние протоны десять лет назад, но его операторы продолжают анализировать обнаруженные им W-бозоны — частицы, которые опосредуют слабое взаимодействие. В апреле они объявили, что, тщательно отслеживая и устраняя источники ошибок в данных, они измерили массу W-бозона более точно, чем когда-либо прежде, и обнаружили, что частица значительно тяжелее, чем предсказывает Стандартная модель физики элементарных частиц.
Истинное несоответствие Стандартной модели было бы монументальным открытием, указывающим на новые частицы или эффекты, выходящие за рамки теории. Но придержите аплодисменты. Другие эксперименты по взвешиванию W — прежде всего эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере в Европе — измеряли массу, намного более близкую к предсказанию Стандартной модели. Новое измерение Tevatron претендует на точность, но одна или обе группы могли упустить какой-то тонкий источник ошибки.
Эксперимент ATLAS направлен на решение этого вопроса. Как сказал Гийом Унал, член ATLAS, «бозон W должен быть одинаковым по обе стороны Атлантики».
Переосмысление естественности
Вся эта болтовня о смутном намеке на проблему со Стандартной моделью отражает затруднительное положение, в котором оказались физики элементарных частиц. Известно, что 17 элементарных частиц, описываемых Стандартной моделью, не решают всех тайн Вселенной. . Тем не менее, Большой адронный коллайдер не получил 18-го числа.
В течение многих лет теоретики боролись с тем, как действовать дальше. Но недавно открылось новое направление. Теоретики переосмысливают давнее предположение, известное как естественность, — способ рассуждений о том, что является естественным или ожидаемым в законах природы. Эта идея тесно связана с редукционистской, матрешковой структурой природы, где большие вещи объясняются меньшими вещами. Теперь теоретики задаются вопросом, не могут ли глубокие проблемы естественности, такие как отсутствие новых частиц с Большого адронного коллайдера, означать, что законы природы в конце концов не структурированы таким простым восходящим образом. В потоке новых статей они исследуют, как гравитация может кардинально изменить картину.
«Некоторые люди называют это кризисом», — сказала физик-теоретик Изабель Гарсия Гарсия, имея в виду текущий момент в этой области. Но, по ее мнению, это слишком пессимистично: «Это время, когда я чувствую, что мы подошли к чему-то важному».
(Кстати, помимо переосмысления естественности, Гарсиа Гарсия также изучает физику ничего — предмет бесшабашного объяснения, опубликованного в августе.)
2D-физика разблокирована
Тысячи специалистов по физике конденсированного состояния изучали графен — кристаллический лист, состоящий из атомов углерода, обладающий особыми свойствами. Но недавно появилось новое семейство плоских кристаллов: дихалькогениды переходных металлов, или ДПМ. Объединение различных TMD позволяет создавать материалы с разными квантовыми свойствами и поведением.
Почти магические свойства этих материалов известны во многом благодаря Цзе Шань и Кин Фай Мак, супружеской паре, которые совместно управляют лабораторией в Корнельском университете. Профиль Quanta о Шане и Маке, опубликованный прошлым летом, рассказывает историю 2D-материалов на фоне физики конденсированного состояния, а также раскрывает множество захватывающих новых открытий, вытекающих из лаборатории Шана и Мака, от искусственных атомов до долгоживущих экситоны. Короткий документальный фильм об этом дуэте и их открытиях также появился на YouTube-канале Quanta.
Голографическая червоточина
В ноябре физики объявили о первом в своем роде «квантовом гравитационном эксперименте на чипе», по словам руководителя группы Марии Спиропулу из Калифорнийского технологического института. Они запустили «протокол телепортации через червоточину» на квантовом компьютере Google Sycamore, манипулируя потоком квантовой информации в компьютере таким образом, чтобы он был математически эквивалентным или двойственным потоку информации, проходящей через червоточину между двумя точками в пространстве-времени.
Чтобы было ясно, червоточина не является частью пространства-времени, в котором мы живем. Это своего рода симуляция или голограмма — хотя и не из тех, к которым мы привыкли, — и ее геометрия пространства-времени отличается от реального, положительно искривленного четырехмерного пространства-времени, в котором мы живем. Суть эксперимента заключалась в следующем. чтобы продемонстрировать голографическую двойственность, крупное теоретическое открытие последних 25 лет, в котором говорится, что определенные квантовые системы частиц могут быть интерпретированы как изогнутый, гравитационный пространственно-временной континуум. (Пространство-время можно условно рассматривать как голограмму, возникающую из квантовой системы более низкого измерения.) В ходе более продвинутых квантовых компьютерных экспериментов в ближайшие годы исследователи надеются изучить механику голографической двойственности с конечной целью разгадывая, возникает ли «гравитация в нашей вселенной из некоторых квантовых [битов] так же, как эта маленькая одномерная червоточина возникает» из чипа Sycamore, сказал Дэниел Джафферис из Гарвардского университета, который разработал протокол телепортации через червоточину.
Голографическая червоточина породила множество мнений как среди физиков, так и среди обычных читателей. Некоторые физики считали, что квантовая симуляция слишком урезана по сравнению с теоретической моделью, на которой она была основана, чтобы иметь голографическое двойное описание червоточины. Многие считали, что физики, стоящие за этой работой, и мы, журналисты, освещавшие ее, должны были лучше подчеркнуть, что это не настоящая червоточина, которая может переносить людей на Андромеду. Действительно, чтобы открыть червоточину в реальном пространстве-времени, вам понадобится материал с отрицательной энергией, а его, похоже, не существует.
JWST революционизирует астрономию
Самое большое событие в физике в этом году — плавание на расстоянии в миллион миль, в месте под названием Точка Лагранжа 2, где его солнцезащитный экран может одновременно блокировать Землю, Луну и Солнце. Изображения JWST заставляют сердца замирать. Его данные уже меняют наше понимание космоса.
Когда Байден представил первое изображение JWST, исследователи сразу же начали замечать интересные галактики на огромной картине. Научные статьи появились онлайн в течение нескольких дней. Две недели спустя Quanta сообщила, что данные JWST уже дали новые открытия о галактиках, звездах, экзопланетах и даже Юпитере. Одним из самых захватывающих ранних открытий было то, что галактики, кажется, собирались на удивление рано в космической истории — возможно, даже раньше, чем могут легко объяснить космологические модели. Ожидайте услышать больше об этом в 2023 году.
Нам также придется терпеливо ждать долгожданных исследований JWST скалистых планет в соседней звездной системе под названием TRAPPIST-1. Ключевой специализацией JWST является анализ звездного света, который пронизывает атмосферу далекой планеты, когда планета движется по поверхности своей звезды. Это показывает, из чего состоит атмосфера планеты, включая возможные доказательства наличия «биосигнатурных» газов, которые могут указывать на инопланетную биологию. Телескоп уже получил отличные спектры экзопланет. Но потенциально пригодные для жизни миры, такие как планеты TRAPPIST-1, настолько малы, что им нужно будет несколько раз пройти перед своим солнцем в течение следующих нескольких лет, прежде чем проявятся атмосферные особенности.
Увидеть четкие биосигнатуры в их небе вряд ли удастся. Тем не менее, некоторые астрономы ждали начала поиска всю свою карьеру. Лиза Калтенеггер, директор Института Карла Сагана в Корнельском университете и один из ведущих специалистов по компьютерному моделированию потенциально обитаемых миров, достигла совершеннолетия, когда были открыты первые экзопланеты. Она присоединилась к отряду мечтателей, которые начали думать о том, как найти жизнь на одном из них. Наш профиль Калтенеггер описывает, как она и ее поколение экзопланетных астрономов планировали эту эру на протяжении десятилетий, готовя почву для эпохального обнаружения. Подробнее об этом в ближайшие годы.
No comments:
Post a Comment