интересное в науке новое

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Что такое фотон



На сегодня физике известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами в природе: сильное (не дает ядрам атомов распадаться), слабое (ответственное за бета-распады атомных ядер и некоторые распады элементарных частиц), гравитационное (универсальное взаимодействие между всеми материальными телами) и электромагнитное (взаимодействие между заряженными частицами).
Взаимодействия между частицами в физике происходят не напрямую, а при помощи частиц переносчиков взаимодействия — бозонов. При этом для каждого вида взаимодействия имеется свой. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, слабого — ±W и Z бозоны, гравитационного — гипотетические гравитоны, а электромагнитного — фотоны.
Многие воспринимают фотон, как частицу света. Однако свет является лишь малой частью спектра электромагнитного излучения, квантом которого и является фотон.


Спектр электромагнитного излучения
Волна или частица?

Долгое время, вплоть до конца XVIII века, свет рассматривался как поток отдельных частиц. Однако последующие опыты показали, что свет может рассматриваться как волна, что впоследствии подтвердилось Генрихом Герцем, обнаружившим радиоволны.
В XIX веке был обнаружен фотоэлектрический эффект — процесс передачи энергии от электромагнитного излучения электронам вещества, с последующим "вырыванием" этих электронов. Однако физически описан этот эффект был только в 1905 году Альбертом Эйнштейном. За эту работу в 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии.


Внешний фотоэффект Эта работа ознаменовала появление концепции квантовой природы света, то есть концепции того, что свет является потоком фотонов с определенными значениями энергии, однако это не исключает волновую природу света. При распространении фотоны проявляют волновые свойства, а при взаимодействии с веществом — свойства частиц.

Свойства

Современная физика рассматривает фотон как элементарную частицу, которая не имеет структуры, массы и заряда. Также фотон является стабильной частицей, то есть спонтанно не распадается в вакууме.
Отсутствие массы у частицы говорит о том, что ее скорость в вакууме равна скорости света в любой системе отсчета. Поэтому фотон существует только в движении. Также не смотря на отсутствие массы у частиц электромагнитное излучение может оказывать давление, поскольку фотоны обладают энергией, а следовательно и импульсом.
Фотон является истинно нейтральной частицей, то есть фотон тождественен своей античастице.
Фотоны излучаются во многих процессах: при движении заряженной частицы с ускорением, при переходе частиц в состояние меньшей энергии, при распадах и аннигиляции частиц. В обратных же процессах фотоны поглощаются.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Академик не исключил существование мира, где живут создания из темной материи

Сейчас ученые ищут способ, который позволит ее обнаружить
вчера в 15:05, просмотров: 41834

Совсем недавно мир облетела новость: сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре нашей галактики, проявляет аномальную активность. Что это означает? Почему вдруг такое поведение? Чем это нам грозит? Не засосет ли всех нас внутрь этого грандиозного космического «пылесоса»? Об этом и многом другом — наш разговор с одним из ведущих мировых космологов, главным научным сотрудником Института ядерных исследований РАН академиком Валерием Рубаковым.

Валерий Рубаков. Фото Наталии Лесковой



— Валерий Анатольевич, еще совсем недавно черные дыры называли гипотетическими объектами, спорили об их природе и вообще о самом факте их существования… Означает ли последнее наблюдение, что вопрос снят?
— Черные дыры, безусловно, существуют. И этот факт подтверждает недавнее наблюдение, сделанное российско-германской космической обсерваторией Спектр-РГ, когда в центре Млечного Пути удалось зафиксировать необычно высокую активность этого объекта. Никакой угрозы для нас это не представляет. Но это очень важное для фундаментальной науки наблюдение, проливающее свет на природу черных дыр. Они имеют довольно своеобразные свойства. Чем дальше их теоретики изучают, тем они интереснее. Знаменитый немецкий астрофизик Карл Шварцшильд нашел для этого объекта решение, хотя в то время, а это было более ста лет назад, существование черных дыр было под большим вопросом. Однако оно и сейчас остается правильным. В наши дни происходят интереснейшие наблюдения гравитационных волн, которые не так давно были обнаружены, и они интерпретируются именно как слияния такого рода объектов. Совсем недавно пришло очередное сообщение о слиянии черной дыры и нейтронной звезды, когда звезда была почти полностью поглощена. Все это также хорошо ложится на теоретические расчеты и подтверждает правоту теоретиков, хотя, к сожалению или к счастью, так происходит далеко не всегда.
— Хотела бы задать несколько «детских» вопросов, на которые у меня ответов нет. Например, действительно ли бесконечна Вселенная? Если да — как это? Если нет — что в конце?
— Тут есть разные возможности. Какая из них реализуется, мы по-настоящему не знаем, потому что видим не всю Вселенную, а лишь небольшую ее часть, которая и доступна для нашего изучения. Поэтому говорить о том, что находится за пределами наблюдаемой области, можно только гипотетически. Это первое. Второе. Есть разные возможности для реализации безграничности. Например, предположим, что Вселенная замкнута. Известная аналогия — воздушный шарик. Только воздушный шарик имеет двумерную поверхность, а у нас измерений, как известно, три. И если вы будете долго идти по какому-то направлению этой сферы, то рано или поздно вернетесь назад. Опишете полный круг и придете туда же, откуда начали свое движение. Чем не бесконечность?
— Но такая Вселенная конечна по своему объему. И за пределами шарика тоже что-то находится.
— Аналогия с шариком плоха вот в каком смысле: вы представляете себе шарик, вложенный в трехмерное пространство. А наша Вселенная никуда не вложена. Ее надо воспринимать как поверхность шарика, выйти за пределы которой нельзя в принципе, потому что там ничего нет. Некуда выходить. Такая немножко абстрактная картинка. Но с точки зрения условных жуков, которые живут на этом шарике, — им и так хорошо, им никуда ходить не надо. Но вы правы: поверхность этого шарика конечна. В этом смысле Вселенная тоже может иметь конечный объем. Но очень большой. Насколько большой, мы не знаем. Есть разные на этот счет мнения. Есть устоявшаяся идея, что объем этот настолько гигантский, что наша область Вселенной — это маленький кусочек той Вселенной, которая есть на самом деле.
— Знаю, вы сторонник гипотезы многовариантности Вселенной. У вас даже есть концепция отщепляющихся от нашей Вселенной мини-вселенных.
— Такие работы у меня с коллегами действительно были. Возможность эту мы обсуждали, картинки какие-то рисовали, выводили теоретические формулы. Это, конечно, очень интересно и вроде бы вполне возможно — отщепление дочерних вселенных от нашей или, наоборот, может быть, наша Вселенная появилась как дочерняя, отщепившись от чего-то еще. Но важно понимать, что все это пока теории.
— А ведь есть еще теория академика Маркова, гласящая о том, что весь мир построен по типу матрешек, вложенных друг в друга. Такое может быть?
— Умозрительно такую картинку можно себе представить: это те же воздушные шарики, только один в другом, а между ними тоненький тоннель. Проход. Из одного шарика в другой.
— Кротовая нора?
— Да, кротовая нора. С точки зрения наблюдателя, находящегося, скажем, в нашей Вселенной — та вселенная выглядела бы почти как элементарная частица. Если размер тоннеля, который соединяет нас и их, очень маленький, то для нас масса такого объекта была бы ничтожной, крошечной, и он выглядел бы похожим на частицу. Но если попытаться такую картинку реализовать на формулах, то сталкиваешься с трудностями. И это одна из задач, которую мы с моими коллегами прямо сейчас и пытаемся решить. Мы хотим построить непротиворечивую модель кротовой норы. Над решением этой проблемы ученые бьются уже давно. В качестве решения должна возникнуть устойчивая геометрия кротовых нор. Так вот, выясняется, что сделать это невероятно трудно. Даже непонятно, можно ли. Все найденные решения пока неустойчивы.
Черная дыра

— Если вернуться к вашей аналогии с шариком, то наша Вселенная представляет собой шарик, который все время надувается, причем все быстрее. Но ведь это не может продолжаться вечно. Шарик когда-нибудь лопнет?
— Сейчас мы знаем, что наше пространство растягивается и не собирается лопаться. Мы твердо не можем сказать, чем закончится эволюция нашей Вселенной, но вполне может оказаться так, что она будет вечно расширяться. Это ничему не противоречит.
— Но ведь понятие вечности противоречит нашему пониманию природы времени. Ничто не вечно.
— На Земле — да. Но в масштабах Вселенной могут быть совершенно иные варианты. Она может расширяться бесконечно. Мы имеем дело с временами конечными, но для Вселенной это может не работать.
— Насколько я понимаю, за ускоренное расширение Вселенной отвечает такая субстанция, как темная энергия. А есть еще темная материя, которая также весьма загадочна. Что здесь нового удалось выяснить?

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

— Как и с черными дырами, мы теперь точно знаем, что темная материя существует и что она состоит из неких частиц, скорее всего, элементарных. Мы не очень хорошо понимаем, что это за частицы, но это совершенно новые частицы, которых мы пока прямо не зарегистрировали. Мы про них знаем только то, что они нормально гравитационно взаимодействуют, так же, как обычные частицы. Они притягиваются друг к другу, взаимодействуют с нашей материей, так же искривляют пространство, как наше вещество. В плане гравитационного взаимодействия они очень похожи на то, что нам известно. Но больше мы про них ничего не знаем. Идут очень активные поиски, делаются попытки их зарегистрировать самыми разными способами. Но пока этого не сделано.
— То есть темная материя остается темной?
— Да, хотя появляются все новые данные. Мы знаем, что эти таинственные частицы проявляются как масса в самых разных объектах в космосе. Мы видим, что в галактике есть дополнительная масса, значительно больше нашей. В среднем по Вселенной она раз в пять больше, чем масса нашего обычного барионного вещества. И очень важно, что они имеют космологические проявления. То есть весь процесс образования структур — галактик, их скоплений, который все время длится и до сих пор не закончился, в значительной степени обусловлен тем, что есть темная материя, и она образует комки-протогалактики, собирается в сгустки, и эти сгустки являются зародышами галактик. Потом туда попадает обычное вещество, и запускается процесс образования звезд и всего прочего. Темная материя очень существенна для образования всех этих структур.
— У вас есть концепция, объясняющая природу темной материи? Знаю, что некоторые ваши коллеги придерживаются аксионной теории…
— Да, есть много моделей, пытающихся объяснить природу темной материи. Но если говорить о предпочтениях, то я стараюсь держать глаза открытыми. Аксионы — гипотетические элементарные частицы, обладающие совершенно иными свойствами, чем уже известные нам, — это возможность, но далеко не единственная. Возможностей море. Теоретики — народ изобретательный. Но с чем мы имеем дело на самом деле — должен подсказать эксперимент.
— Я слушала вашу лекцию, где вы говорите о том, что раньше Вселенная расширялась значительно быстрее, чем сейчас. А как же тогда ускорение?
— Темп расширения Вселенной был очень высоким в первые секунды или доли секунды после Большого взрыва. Это была эпоха, когда расширение Вселенной было таким, что все расстояния за секунду удваивались. Представьте себе — сейчас вы здесь, а через секунду уже находитесь в дальнем углу. В таком темпе расширялась Вселенная. Пространство стремительно растягивалось. Шарик раздувался бешеными темпами. Сейчас это происходит гораздо медленней — удвоение расстояний произойдет за десяток миллиардов лет. Но вообще Вселенная начала расширяться с ускорением сравнительно недавно — миллиардов 6–7 лет назад. А возраст у нее — почти 14 миллиардов. Именно с этого момента она вдруг начала расширяться с ускорением, что удивительно.
— Удивительно?
— Для теоретика это удивительно. Я очень долго привыкал к тому, что она расширяется с ускорением. Но факт наблюдательной космологии говорит нам о том, что скорость расширения Вселенной все время растет. Но что значит растет? Растет, оставаясь все еще маленькой.
— Означает ли это, что она вырастет до тех значений, которые были в самом начале?
— Нет, такого не будет. Есть абсолютный темп расширения, а есть относительный. Относительный держится более-менее постоянным. А абсолютный темп растет. Время, за которое удваивается расстояние, в обозримом будущем будет более-менее постоянной величиной. Раньше относительный темп расширения был гигантским, а сейчас он вышел на постоянное значение, и все расстояния будут увеличиваться потихонечку — в два раза за 10 миллиардов лет.
— Наверняка это все какие-то неслучайные вещи, некие закономерности, благодаря которым наша Вселенная такая, какая она есть?
— Ну, вообще-то наша Вселенная довольно странная. Можно сравнить ее с капризной женщиной. Такая вот вздорная красавица. Если бы мы не знали экспериментально наблюдаемых фактов и начали умозрительно придумывать, как должна быть устроена Вселенная, сидя в башне из слоновой кости, то мы бы совсем другую Вселенную придумали. Удивительного немало. Например, тот факт, что темп расширения Вселенной растет, но очень медленно. Плотность темной энергии, которая заставляет ее ускоренно расширяться, чрезвычайно маленькая. Именно из-за этого темп расширения растет очень медленно. Это странно, потому что в природе есть разного рода взаимодействия — сильные, слабые, электромагнитные, гравитационные — и они характеризуются своими масштабами энергии. Так вот, масштаб энергии, который характерен для темной энергии — он безумно, необъяснимо маленький. На много порядков меньше, чем все остальные масштабы энергии, которые мы имеем в природе. Это необъяснимо.
— Что еще вас удивляет в поведении Вселенной?
— Еще одна удивительная вещь — то, что масса обычного, барионного вещества и масса темной материи не сильно отличаются. Барионная часть меньше, чем темная материя, но всего-навсего в пять раз. Думается, что барионная материя и темная материя — это все реликты очень ранних эпох, свидетели ранней эволюции Вселенной. При этом механизмы образования темной материи и барионного вещества, скорее всего, совершенно разные. Значит, в ранней Вселенной были совершенно разные причины, по которым появилась темная материя и барионное вещество. Казалось бы, эти две фракции должны иметь совершенно разные плотности массы. Тем не менее разница небольшая. Отличие могло бы быть на 10 порядков или на сто. И никаких правдоподобных объяснений этому факту у нас нет. Конечно, мы обсуждаем разные модели, в которых такое могло быть более или менее объяснимо, но все это тоже писано вилами на воде.
— Как вы себе представляете мир темной материи? Там могут быть совершенно иные, чем наш, миры, которые населяют некие «темные» существа? Можем ли мы вступить в контакт?
— Такое возможно. Никто этого не запретил. Есть предположения о существовании темного мира, где живут темные человечки. Но для того чтобы объяснить темную материю, не обязательно иметь темную химию или темную физику. Это, на мой взгляд, слишком сложно. Знаете, есть такой методологический принцип — бритва Оккама, гласящий, что «не надо множить сущее без необходимости». То есть не надо перебарщивать с введением новых сущностей. Это тот самый случай. Когда вы пытаетесь что-то понять, не надо искать очень сложное объяснение. Чем проще — тем лучше. Когда вы что-то новое обнаруживаете, то самое простое объяснение оказывается в конечном счете самым правильным.
— Существует так называемый антропный принцип — сочетание тех факторов, в результате которого возможно появление жизни. Как вы считаете, жизнь на нашей планете — это нечто уникальное или таких вариантов может быть много?
— Тут тоже есть множество точек зрения. У меня даже статья была с Михаилом Шапошниковым в свое время. Мы написали, что жизнь уникальна. У нас были теоретические аргументы, говорящие о том, что мы находимся в такой области значений параметров — констант связи, масс частиц и так далее, — что стоит их чуть-чуть изменить — и все исчезнет. Нас не будет. А при существующих значениях вероятность образования жизни очень мала. Хотя, конечно, и это утверждение дискуссионно. Конечно, для возникновения жизни должно сойтись множество факторов, но кто знает, не сошлись ли они где-то еще?
— А вы не рассматриваете вариант, что мы — результат некоей программы?
— Маловероятно. Я не очень понимаю, как можно виртуально создать реальный мир. Такое в принципе тоже нельзя исключить, но было бы странно, если бы то, что вокруг нас — стол, компьютер, шкаф, доска — это все существовало бы только у нас в голове. Для меня это не соответствует здравому смыслу и слишком похоже на фантастический сюжет.
— Как вы думаете, астрофизика, космология способны познать все, ответить на все свои вопросы?
— Думаю, нет. Это процесс бесконечный. Чем ближе к цели, тем она дальше. Это закон удаляющегося горизонта. Чем больше мы узнаем, тем больше мы не понимаем. И тем больше нам хочется узнать.
Баксанское ущелье. Внизу находится Баксанская высокогорная нейтринная обсерватория. Фото В. Б. Петкова, ИЯИ РАН

— А как вы оцениваете состояние российских наук о космосе?
— У нас есть проекты очень интересные и реализуемые, в том числе в нашем институте. Прямо сейчас идет глубоководный проект «Байкал» по наращиванию мощности уникального нейтринного телескопа, который тоже имеет и астрофизические, и космологические задачи. Продолжается реализация научной программы Баксанской подземной нейтринной обсерватории. Это очень интересный эксперимент по поиску стерильных нейтрино — новых частиц, которые могут быть кандидатами на темную материю. Если удастся их зафиксировать, это может стать настоящим научным прорывом.
— Что бы из многочисленных загадок вы бы хотели разгадать в первую очередь?
— Наверное, как началась Вселенная. Узнать, какова ее самая ранняя эволюция. Ведь с так называемым Большим взрывом до сих пор остается много вопросов. Именно это меня больше всего сейчас занимает. Вот вы спросили — узнаем ли мы когда-нибудь все? Наверное, этого и не должно быть, потому что это означало бы конец интереса, конец познания, а значит, и конец человечества. Бесконечность интригует куда больше.

Беседовала Наталия ЛЕСКОВА

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Другая Вселенная, возможно, натолкнулась на нашу

https://zen.yandex.ru/media/differen...bba500af19254f



Вопрос не в том, одиноки ли мы во Вселенной, а одинока ли наша Вселенная? В соответствии с космическим микроволновым фоновым излучением у нас может быть сосед.
Это космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение является остатком от Большого взрыва. Это самый дальний свет от нас в видимой Вселенной.
На самом деле это излучение везде, куда бы вы не посмотрели. Однако нашему глазу реликтовое излучение недоступно, поскольку оно находится в микроволновом спектре. Реликтовое излучение постоянно окружает нас, но оно очень низкоэнергетичное, потому что, опять же, оно берет начало практически с самого старта Вселенной. Со временем нам удалось измерить температуру микроволнового фона.


Спектр электромагнитного излученияНанеся данные на карту удалось обнаружить кое-что любопытное... Видите ли, обычно реликтовое излучение довольно однородно с температурой около 2,73 Кельвина с погрешностью всего нескольких микроКельвинов... за исключением одного места: "Холодное пятно".
По какой-то причине этот участок несколько холоднее, чем средняя температура, на несколько микрокельвинов. Казалось бы, ничего страшного для крошечной области, однако этот участок составляет миллиард световых лет!


Реликтовое холодное пятноЭта аномалия бросает вызов тому, что мы знаем о Вселенной. Что это за область? Как она там образовалась? Астрономы боролись за Холодное Пятно в течение многих лет, и они выдвинули несколько гипотез...
Гипотеза космической текстуры говорит, что если вы проанализируете микроволновый фон определенным образом, то обнаружите что холодное пятно является лишь ухабистой частью космоса.
Гипотеза кластеров говорит, что есть скопления галактик, которые могут влиять на реликтовое излучение, которое мы получаем.
Это похоже на гипотезу супервоидов, которая утверждает, что с нашей точки зрения эта область холоднее только потому, что между фоновым излучением и Землей находится «супервоид» — огромная пустая область космоса, в которой нет практически ничего.
Наиболее банальная теория состоит в том, что пятно существует, потому что у спутниковых инструментов или анализа есть некоторая математическая ошибка.
Но самым фантастическим и одним из наиболее вероятных предположений является, что этот участок холодный, потому что именно там край нашей Вселенной коснулся края другой Вселенной! Причина, по которой гипотеза получила определенное обоснование, заключается в том, что теория супервоидов была опровергнута в мае 2017 года.
В любом случае, ни одна из этих теорий не нашла стопроцентного подтверждения...
Итак, давайте вернемся к сумасшедшему экзотическому ответу физики: что в какой-то момент наша Вселенная могла столкнуться с другой Вселенной, оставив некий след. Это основано на идеях теории Мультивселенной.


Мультивселенная в представлении художникаВ 1920-х годах известные физики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг подтолкнули нас к теории квантовой физики «суперпозиции». Идея заключается в том, что возможно бесконечное количество вселенных... накладываемых друг на друга. Но поскольку мы находимся внутри нашей Вселенной, мы можем наблюдать только ее.
Так что подумайте о коте Шредингера — коте в коробке с пузырьком с ядом, который может разбиться в любое время с вероятностью 50%. Этот мысленный эксперимент не будет проблемой из-за суперпозиции. Там нет наблюдателя, поэтому кошка жива и мертва в двух разных Вселенных! Это рядовая ситуация для квантовой механики — но потрясающая для классической физики в наблюдаемой Вселенной.
Очевидно, мысленный эксперимент упрощен, поскольку это очень сложная и запутанная тема для объяснения в одном абзаце. Достаточно сказать, что математика работает.


Кот остается жив в одной Вселенной, но умирает в другойНо если есть бесконечные Вселенные, как одна может физически коснуться другой? Здесь много вопросов, а ответов пока что нет. Некоторые ученые говорят, что это невозможно доказать. И все же другие утверждают, что это просто маловероятное естественное событие.
По словам физиков, если это не супервоид или мультивселенный "синяк", то наши предположения о Вселенной, основанные на нашей стандартной модели физики, могут быть просто… немного ошибочными!
Согласно одному исследованию, «среди самых сумасшедших из экзотических моделей для объяснения холодного пятна… Мультивселенная на самом деле является самой стандартной с точки зрения нашей нынешней модели Вселенной». В конце концов, мы не можем на 100 процентов сказать, что это не другая Вселенная...
Вселенная расширяется во всех направлениях одновременно, что мы знаем из наблюдений за реликтовым излучением... но что на другой стороне? Что за пределами Вселенной? Как вы думаете, что такое холодное место? Напишите в комментариях, что вы думаете на счет этого.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://www.youtube.com/watch?list=P...&v=T6mQoSZ6sEI

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://nplus1.ru/blog/2019/12/19/gl...zen.yandex.com

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Ученые нашли доказательства того, что Вселенная — это голограмма

9 июня
151 тыс. дочитываний
2 мин.
204 тыс. просмотров. Уникальные посетители страницы.
151 тыс. дочитываний, 74%. Пользователи, дочитавшие до конца.
2 мин. Среднее время дочитывания публикации.




Канадские, итальянские и британские ученые заявили, что нашли первые существенные доказательства того, что Вселенная – сложнейшая голограмма. Для этого они изучили неоднородность реликтового излучения («послесвечение» Большого взрыва), пишет Science Daily.


На иллюстрации, представленной исследователями, изображена временная лента. Слева, в самом ее начале, находится мутная и нечеткая голографическая фаза. Нечеткость обусловлена тем, что время и пространство еще не сформированы. Здесь Вселенная максимально приближена к моменту Большого взрыва — она якобы плоская. Это своего рода матрица, из которой потом возникает объем.



К концу голографической фазы пространство обретает геометрические формы — показано на 3 эллипсе — и уже описывается уравнениями Эйнштейна. Спустя 375 000 лет появилось реликтовое или космическое микроволновое фоновое излучение. Оно содержало в себе шаблоны для развития звезд и галактик более поздней версии Вселенной — крайнее правое изображение. Другими словами, есть плоская 2D-вселенная в другом измерении, которая «проецирует» нашу.
Теория о том, что Вселенная является голограммой высокого разрешения, появилась в 1997 году. Один аргентинский математик придумал объединить теорию относительности с квантовой физикой. Согласно его гипотезе, модель всей нашей трехмерной реальности вместе со временем содержится в плоских 2D-границах.
Профессор математических наук Костас Скендерис объясняет: «Представьте, все, что вы видите, слышите и чувствуете в этом трехмерном мире, на самом деле содержится в плоском двумерном шаблоне. Идея похожа на голографические карточки, где на плоскости закодировано трехмерное изображение. Только в нашем случае закодирована целая вселенная».
Также явление можно не совсем корректно сравнить с просмотром 3D-фильмов. Зритель видит ширину, глубину, объем объектов, но при этом понимает, что их источником является плоский экран кинотеатра. Только в нашей реальности мы не только наблюдаем за глубиной объектов, но можем чувствовать их.
За последние десятилетия развились технологии: телескопы и телеметрическое оборудование стало точнее и эффективнее. Это позволило найти огромное количество информации в «белом шуме» или том микроволновом излучении, что осталось еще со времен «сотворения» Вселенной. Используя эту информацию, команда ученых провела сложное сравнение особенностей, найденных в этих данных, с квантовой теорией поля. Им удалось отыскать то, что они назвали первым существенным доказательством того, что Вселенная — голограмма. Оказалось, что простейшие постулаты квантовой теории поля объясняют все, что ученым удалось узнать о ранней Вселенной за время всех космологических исследований.

Профессор Скендерис говорит: «Голограмма — это огромный прыжок вперед в осмыслении структуры вселенной и момента ее создания. Общая теория относительности Эйнштейна отлично работает, когда речь идет о больших масштабах. Когда исследования спускаются на квантовый уровень, то она начинает разваливаться. Ученые десятилетиями работали над примирением квантовой теории и теории гравитации Эйнштейна. Некоторые верят, что этого можно достичь с помощью голографического представления. Надеемся, что мы приблизились к этому моменту».

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Что, если электронов не 10^80 в нашей Вселенной, а всего один? Как это возможно

21 июня
10 тыс. дочитываний
2,5 мин.
12 тыс. просмотров. Уникальные посетители страницы.
10 тыс. дочитываний, 82%. Пользователи, дочитавшие до конца.
2,5 мин. Среднее время дочитывания публикации.




К 1940 году будущий нобелевский лауреат Ричард Фейнман уже успел закончить Массачусетский технологический институт и продолжал учебу в Принстоне в качестве аспиранта. Его, как и многих ученых в те годы, интересовало, почему нельзя однозначно идентифицировать элементарную частицу — речь конкретно шла об электронах...


Источник изображения: scitechdaily.comЕсли, к примеру, взять 2 одинаковых кирпича, то используя различные физические методы, каждый из них можно конкретно идентифицировать — оба будут иметь хоть незначительные отличия по массе и форме, и всегда они будут иметь различные неоднородности и несплошности. А вот с электронами подобный фокус не проходит — все частицы одинаковы, их масса и заряд индентичны.
В один прекрасный весенний день 1940 года между Ричардом Фейнманом и его научным руководителем Джоном Уилером состоялся весьма любопытный телефонный разговор. Уилер заявил, что ему стало понятно, почему нельзя различить между собой отдельные электроны. Фейнман поинтересовался - в чем же дело? На этот вопрос Уилер дал простой до гениальности ответ — потому что это один и тот же электрон.

«Однажды в аспирантуре Принстона я получил звонок от профессора Уилера, он мне сказал: «Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковые заряд и масса». — «Почему?» — «Потому что это один и тот же электрон».

© Ричард Фейнман

Суть идеи Уилера сводилась к тому, что во Вселенной существует только один-единственный электрон, который попеременно находится в разных точках пространства-времени. Фейнман возразил практически сразу — если Вселенная в целом электронейтральна, то почему число позитронов просто ничтожно по сравнению с числом электронов? На что Уилер вполне логично ответил - а вы знаете, где «прячутся» позитроны? Может быть в протонах. Что ж, вполне может быть…
Чтобы объяснить теорию Уилера, позднее математически развитую Фейнманом, придется воспользоваться моделью двумерной Вселенной.
Возьмем прямоугольную Декартову систему координат (ПДСК), одна из осей которой будет пространство (x), а другая — время (t). На этой ПДСК нарисуем непрерывную гладкую (это такой математический термин) замкнутую кривую, причем постараемся, чтобы у этой линии имелось приличное количество изгибов и поворотов. Зададим на нашей кривой направление — пусть против часовой стрелки. Тогда участки кривой слева направо (синие) будут представлять собой различные ипостаси нашего единственного электрона, а участки, где кривая идет в обратном направлении (красные) представляет собой позитронные ипостаси нашего единственного электрона.

Но как частица может свободно перемещаться в пространстве времени? Дело в том, что в квантовом мире элементарных частиц время не содержит в себе различий между прошлым, настоящим и будущим.

Позже Фейнман проанализировал систему уравнений Максвелла относительно позитрона. Никаких противоречий обнаружено не было, но Фейнман убедился, что позитрон можно трактовать, как электрон движущийся назад во времени. Математическую разработку теории Фейнман, в сотрудничестве с Уилером сделал в 1948-49 годах, причем все выглядело вполне логично.
Физик Йоитиро Намбу такую концепцию позитрона-электрона применил к возникновению и аннигиляции пар частиц-античастиц. Он в своей статье заявил, что выброс энергии при аннигиляции частицы и античастицы происходит не из-за их столкновения, а из-за изменения движения единственной частицы из будущего в прошлое или наоборот.
Хотя теория одноэлектронной Вселенной довольно широко обсуждалась в научных кругах, особого резонанса она не вызвала. Связано это было с противоречиями, которые в рамках данной теории не решались. Некоторые реакции элементарных частиц так и остались необъяснены, а количество наблюдаемых позитронов исчезающе мало по сравнению с электронами.
Но что, если теория одноэлектронной Вселенной верна?

Тогда вполне вероятно, что и все другие элементарные частицы: нейтроны, протоны даже нейтрино — также являются одной и той же частицей, которая перемещается туда-сюда во времени. Это значило бы, что и мы, и все вещество во Вселенной не только состоит из одинаковых частиц, а фактически, из одного протона, одного нейтрона и одного электрона.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Учёные, в целях эксперимента, хотят уничтожить жизнь на Земле

3 дня назад
1,5 тыс. дочитываний
40 сек.
1,7 тыс. просмотров. Уникальные посетители страницы.
1,5 тыс. дочитываний, 87%. Пользователи, дочитавшие до конца.
40 сек. Среднее время дочитывания публикации.




Ничего другого не приходит в голову, когда читаешь про такие успехи "Ученые впервые создали устойчивую полусинтетическую форму жизни":
"Биохимики из США, Франции и Китая создали жизнеспособный организм с измененным генетическим кодом.
Авторы исследования добавили к существующим четырем типам нуклеотидов (A, C, G, T — аденин, цитозин, гуанин и тимин соответственно), последовательности которых, триплеты, кодируют вырабатываемые аминокислоты, еще два, созданные ими и названные X и Y.


Пока ученым удалось добиться лишь жизнеспособности организма с измененным генетическим кодом. Однако в дальнейшем они надеются получать, например, новые виды белков, не существующие в природе. Как говорится в исследовании, изменение микроорганизма открывает путь к «созданию организмов с искусственно выбранными свойствами и характеристиками, которые нельзя встретить в природе»".
С одной стороны, всё прекрасно - шесть типов нуклеотидов позволят запрограммировать больше вариантов белков, чем четыре. Есть где развернуться фантазии.
Однако, про другую сторону открытия - чего это стоило - они упомянули только вскользь, не особенно углубляясь в объяснения:
"Ранее исследователям удавалось изменять генетический код организмов, однако те вскоре погибали. Чтобы избежать такого исхода, ученые повлияли на работу иммунной системы микроорганизма, научив ее разрушать любую ДНК, не содержащую нуклеотиды X и Y".
А много вы знаете белков из таких нуклеотидов? Ну кроме тех, что создали эти учёные. Вот именно. Значит эти организмы будут уничтожать любую отличную от них форму жизни, а их белки и они сами будут смертельным ядом для всего живого. Какая может быть польза от таких организмов мне пока не понятно.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://zen.yandex.ru/media/energofi...de73791ddd088a

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Физики подтвердили, что квантовый мир еще страннее, чем казался

8 сентября
30 тыс. дочитываний
2 мин.









Новые экспериментальные доказательства необычного поведения и без того странных частиц энионов нашли ученые из США. Они обладают характеристиками, которых нет у других субатомных частиц, в частности, дробным зарядом и дробной статистикой, а также сохраняют «память» о взаимодействиях с другими квазичастицами, включая квантово-механические фазовые переходы.
Своим названием эти частицы обязаны физику-теоретику Фрэнку Вильчеку, а также собственному странному поведению, поскольку, в отличие от прочих типов частиц, энионы могут приспособиться к любой (англ. any) квантовой фазе, когда их позиции меняются.
До появления доказательств существования энионов в 2020 году физики разбивали частицы на две категории: бозоны и фермионы. Электроны – пример фермионов, а фотоны – бозонов. Одно характерное отличие фермионов от бозонов – то, как частицы ведут себя, когда сплетаются друг вокруг друга. Энионы же действуют так, будто у них есть дробный заряд. Еще любопытнее, что они создают нетривиальный фазовый переход, когда сплетаются друг вокруг друга. Из-за этого у энионов может возникнуть нечто вроде памяти взаимодействий, пишет Phys.org.

«Энионы существуют только как коллективное возбуждение электронов в особых обстоятельствах, - сказал профессор Майкл Манфра, один членов исследовательской группы. – Но у них есть эти несомненно классные свойства, например, дробный заряд и дробная статистика. Это забавно, потому что, казалось бы, как у них может быть заряд меньше, чем элементарный заряд электрона? Но так и есть». Когда бозоны или фермионы возбуждены, они генерируют фазовый фактор либо плюс один, либо минус один, соответственно.

Есть у энионов еще одно топологическое свойство – их свойства более стабильные, чем у других квантовых частиц. Команда физиков из Университета Пердью смогла продемонстрировать это поведение, направив электроны через наноструктуры интерферометра, напоминающие лабиринт. Они охладили устройство до 10 милликельвинов и воздействовали на него мощным магнитным полем силой 9 Тл. Электрическое сопротивление в интерферометре сгенерировало интерференционную картину, в которой ученые обнаружили присутствие энионов.
«Это определенно одна из самых сложных и комплексных вещей в экспериментальной физике», - сказал Четан Найак, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Следующим шагом исследователей станет применение еще более сложных интерферометров, с помощью которых они смогут контролировать местоположение и число квазичастиц внутри интерферометра, а также менять по желанию картину интерференции.
Недавно ученые из проекта NA62 ЦЕРН получили первые значимые свидетельства ультраредкого распада заряженного каона. Точное измерение процессов, предсказанных в теории, открывает дорогу для поиска свидетельств существования новой физики частиц.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Петлевая квантовая гравитация: пространство-время, сшитое из кусочков


В конце XX века группа физиков-теоретиков разработала теорию, описывающую пространство-время как квантовый феномен. Наряду с теорией струн теория петлевой квантовой гравитации пытается примирить квантовую механику с гравитацией.


©Wikipedia В современной физике есть две теории, невероятно точно описывающие крупномасштабные явления и то, что происходит в микромире: Общая теория относительности и Стандартная модель квантовой механики соответственно. Но насколько бы точной и удивительной каждая из этих двух теорий ни была, они не очень хорошо сотрудничают друг с другом.
Сам Альберт Эйнштейн — автор Общей теории относительности — до конца жизни был занят работой над теорией, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию. Как известно, у него ничего не вышло. Многие современные физики-теоретики — от Шона Кэрролла до Брайана Грина — считают, что разработка тестируемой, фальсифицируемой и доказуемой теории квантовой гравитации откроет новые горизонты для науки и поможет ответить на множество вопросов: например, что происходит за горизонтом событий черных дыр?
Среди множества подходов к квантовой гравитации самыми успешными направлениями считаются теория струн и петлевая квантовая гравитация. Если о теории струн знают и о ней говорят, то ее главный конкурент — петлевая квантовая гравитация — пока не получил такой широкой огласки.


Ли Смолин / © Karol Jarolchowski/Polityka Петлевая квантовая гравитация представляет собой теорию, пытающуюся выразить современную теорию гравитации (то есть Общую теорию относительности, ОТО) в квантованном формате. Подход этой теории заключается в восприятии пространства-времени как чего-то разбитого на дискретные части. Немало ученых рассматривают петлевую квантовую гравитацию как самую органично разработанную, не считая теории струн.
Как появилась теория петлевой квантовой гравитации

Принято считать, что петлевая квантовая гравитация берет начало в 1986 году, когда Абэй Аштекар разработал квантовую формулировку уравнений поля Общей теории относительности. В 1988-м физики Ли Смолин и Карло Ровелли расширили этот подход — и в 1990 году показали, что при помощи него гравитация квантуется и это можно увидеть при помощи спиновых сетей Роджера Пенроуза.


Карло Ровелли на лекции в Риме / © Marco Tambara/Wikipedia Вкратце: подход к петлевой квантовой гравитации через спиновую сеть показывает пространство-время как набор частей, соединенных друг с другом. Это можно представить в виде точек (или узлов), представляющих части пространства-времени, соединенные линиями. Иначе говоря, пространство-время можно рассматривать как сеть квантовых узлов. Гладкая структура пространства-времени, описываемая ОТО, становится такой, когда вы «отдаляетесь» от квантовых масштабов до достаточно крупных.
К чему приводит петлевая квантовая гравитация

Как и со всей теоретической физикой, исследующей этот вопрос, физика и математика на этом уровне невероятно сложны. Относительно ценности петлевой квантовой гравитации ведется немало споров, особенно если сравнивать ее с другими подходами — вроде той же теории струн.
Петлевая квантовая гравитация достигла успеха в следующем:
1. Квантование трехмерной пространственной геометрии ОТО;
2. Возможность вычислить энтропию черных дыр;
3. Предсказание Большого отскока в момент Большого взрыва вместо бесконечной сингулярности.


Энтропия черной дыры в петлевой квантовой гравитации / © John Baez Однако пока что это успехи в области математической физики, так как экспериментально они еще не были подтверждены. А в случае с Большим отскоком — об экспериментальных подтверждениях не может быть и речи.
Предсказание, связанное с энтропией черных дыр, считается самым большим достижением теории. Считается, что петлевая квантовая гравитация предоставляет точный способ описания квантовых состояний черной дыры, а также совпадает с предсказаниями об энтропии черных дыр, сделанными Стивеном Хокингом и другими физиками в 1970-х.


Абэй Аштекар во время лекции / © University of Pittsburg Преимущества петлевой квантовой гравитации

В пользу петлевой квантовой гравитации есть серьезный аргумент. Дело в том, что ее сторонники рассматривают ее как конечную теорию. Другими словами, сама теория петлевой квантовой гравитации не допускает бесконечностей. Один из главных ее исследователей Ли Смолин в своей книге «Неприятности с физикой» описывает конечность теории тремя пунктами:
• Области и объемы в петлевой квантовой гравитации — всегда конечные дискретные единицы;
• В модели петлевой квантовой гравитации Бэрретта — Крейна (пространство-время как квантовая пена) вероятности развития квантовой гравитации в разные истории всегда конечны;
• Включение гравитации в теорию петлевой квантовой гравитации с теорией вещества — вроде Стандартной модели — не содержит бесконечных выражений. Если гравитацию исключить, придется потрудиться, чтобы избежать их.
Проблемы петлевой квантовой гравитации

Многие недостатки петлевой квантовой гравитации — те же, что и у теории струн. Их предсказания чаще всего связаны с явлениями, которые пока что нельзя протестировать (хотя по части петлевой квантовой гравитации возможность испытать ее экспериментально представляется несколько более вероятной, чем в случае с теорией струн).
Кроме того, не понятно, можно ли утверждать, что петлевая квантовая гравитация более фальсифицируема, чем теория струн. Например, открытие суперсимметрии или дополнительных измерений не станет опровержением петлевой квантовой гравитации, как и их отсутствие не докажет ошибочность теории струн.


Кванты пространства в представлении Карло Ровелли / © Carlo Rovelli/Class.Quant.Grav. 28 (2011) Самая большая проблема петлевой квантовой гравитации заключается в том, что этой теории еще предстоит показать, каким образом можно взять квантованное пространство и извлечь из него гладкое пространство-время. К тому же некоторые критики теории считают сам способ добавления времени в спиновую сеть надуманным.
Квантовая теория пространства-времени в петлевой квантовой гравитации, по сути, — квантовая теория пространства. Спиновая сеть, описанная теорией, не способна включить в себя время.
Некоторые ученые, занимающиеся этой теорией, вроде того же Ли Смолина, считают, что время в итоге станет необходимым и фундаментальным компонентом теории. В то же время Карло Ровелли уверен, что она в итоге покажет, что времени как такового не существует и что, по сути, это возникающий феномен.
Остается запастись терпением и ждать

Некоторые физики-теоретики, включая Брайана Грина и Ли Смолина, высказывали предположение о том, что петлевая квантовая гравитация и теория струн окажутся двумя способами описания одной и той же фундаментальной физической структуры. Ученые надеются, что исследование двух этих областей в итоге поможет разработать более полную фундаментальную теорию, описывающую основополагающую квантовую теорию, которая, в свою очередь, приведет к успешной единой теории поля, способной полностью примирить ОТО со Стандартной моделью квантовой механики.
Источник: Naked Science.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Петлевая квантовая гравитация: пространство-время, сшитое из кусочков

1 ноября 2020
8,4 тыс. дочитываний
4,5 мин.







В конце XX века группа физиков-теоретиков разработала теорию, описывающую пространство-время как квантовый феномен. Наряду с теорией струн теория петлевой квантовой гравитации пытается примирить квантовую механику с гравитацией.


©Wikipedia В современной физике есть две теории, невероятно точно описывающие крупномасштабные явления и то, что происходит в микромире: Общая теория относительности и Стандартная модель квантовой механики соответственно. Но насколько бы точной и удивительной каждая из этих двух теорий ни была, они не очень хорошо сотрудничают друг с другом.
Сам Альберт Эйнштейн — автор Общей теории относительности — до конца жизни был занят работой над теорией, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию. Как известно, у него ничего не вышло. Многие современные физики-теоретики — от Шона Кэрролла до Брайана Грина — считают, что разработка тестируемой, фальсифицируемой и доказуемой теории квантовой гравитации откроет новые горизонты для науки и поможет ответить на множество вопросов: например, что происходит за горизонтом событий черных дыр?
Среди множества подходов к квантовой гравитации самыми успешными направлениями считаются теория струн и петлевая квантовая гравитация. Если о теории струн знают и о ней говорят, то ее главный конкурент — петлевая квантовая гравитация — пока не получил такой широкой огласки.


Ли Смолин / © Karol Jarolchowski/Polityka Петлевая квантовая гравитация представляет собой теорию, пытающуюся выразить современную теорию гравитации (то есть Общую теорию относительности, ОТО) в квантованном формате. Подход этой теории заключается в восприятии пространства-времени как чего-то разбитого на дискретные части. Немало ученых рассматривают петлевую квантовую гравитацию как самую органично разработанную, не считая теории струн.
Как появилась теория петлевой квантовой гравитации

Принято считать, что петлевая квантовая гравитация берет начало в 1986 году, когда Абэй Аштекар разработал квантовую формулировку уравнений поля Общей теории относительности. В 1988-м физики Ли Смолин и Карло Ровелли расширили этот подход — и в 1990 году показали, что при помощи него гравитация квантуется и это можно увидеть при помощи спиновых сетей Роджера Пенроуза.


Карло Ровелли на лекции в Риме / © Marco Tambara/Wikipedia Вкратце: подход к петлевой квантовой гравитации через спиновую сеть показывает пространство-время как набор частей, соединенных друг с другом. Это можно представить в виде точек (или узлов), представляющих части пространства-времени, соединенные линиями. Иначе говоря, пространство-время можно рассматривать как сеть квантовых узлов. Гладкая структура пространства-времени, описываемая ОТО, становится такой, когда вы «отдаляетесь» от квантовых масштабов до достаточно крупных.
К чему приводит петлевая квантовая гравитация

Как и со всей теоретической физикой, исследующей этот вопрос, физика и математика на этом уровне невероятно сложны. Относительно ценности петлевой квантовой гравитации ведется немало споров, особенно если сравнивать ее с другими подходами — вроде той же теории струн.
Петлевая квантовая гравитация достигла успеха в следующем:
1. Квантование трехмерной пространственной геометрии ОТО;
2. Возможность вычислить энтропию черных дыр;
3. Предсказание Большого отскока в момент Большого взрыва вместо бесконечной сингулярности.


Энтропия черной дыры в петлевой квантовой гравитации / © John Baez Однако пока что это успехи в области математической физики, так как экспериментально они еще не были подтверждены. А в случае с Большим отскоком — об экспериментальных подтверждениях не может быть и речи.
Предсказание, связанное с энтропией черных дыр, считается самым большим достижением теории. Считается, что петлевая квантовая гравитация предоставляет точный способ описания квантовых состояний черной дыры, а также совпадает с предсказаниями об энтропии черных дыр, сделанными Стивеном Хокингом и другими физиками в 1970-х.


Абэй Аштекар во время лекции / © University of Pittsburg Преимущества петлевой квантовой гравитации

В пользу петлевой квантовой гравитации есть серьезный аргумент. Дело в том, что ее сторонники рассматривают ее как конечную теорию. Другими словами, сама теория петлевой квантовой гравитации не допускает бесконечностей. Один из главных ее исследователей Ли Смолин в своей книге «Неприятности с физикой» описывает конечность теории тремя пунктами:
• Области и объемы в петлевой квантовой гравитации — всегда конечные дискретные единицы;
• В модели петлевой квантовой гравитации Бэрретта — Крейна (пространство-время как квантовая пена) вероятности развития квантовой гравитации в разные истории всегда конечны;
• Включение гравитации в теорию петлевой квантовой гравитации с теорией вещества — вроде Стандартной модели — не содержит бесконечных выражений. Если гравитацию исключить, придется потрудиться, чтобы избежать их.
Проблемы петлевой квантовой гравитации

Многие недостатки петлевой квантовой гравитации — те же, что и у теории струн. Их предсказания чаще всего связаны с явлениями, которые пока что нельзя протестировать (хотя по части петлевой квантовой гравитации возможность испытать ее экспериментально представляется несколько более вероятной, чем в случае с теорией струн).
Кроме того, не понятно, можно ли утверждать, что петлевая квантовая гравитация более фальсифицируема, чем теория струн. Например, открытие суперсимметрии или дополнительных измерений не станет опровержением петлевой квантовой гравитации, как и их отсутствие не докажет ошибочность теории струн.


Кванты пространства в представлении Карло Ровелли / © Carlo Rovelli/Class.Quant.Grav. 28 (2011) Самая большая проблема петлевой квантовой гравитации заключается в том, что этой теории еще предстоит показать, каким образом можно взять квантованное пространство и извлечь из него гладкое пространство-время. К тому же некоторые критики теории считают сам способ добавления времени в спиновую сеть надуманным.
Квантовая теория пространства-времени в петлевой квантовой гравитации, по сути, — квантовая теория пространства. Спиновая сеть, описанная теорией, не способна включить в себя время.
Некоторые ученые, занимающиеся этой теорией, вроде того же Ли Смолина, считают, что время в итоге станет необходимым и фундаментальным компонентом теории. В то же время Карло Ровелли уверен, что она в итоге покажет, что времени как такового не существует и что, по сути, это возникающий феномен.
Остается запастись терпением и ждать

Некоторые физики-теоретики, включая Брайана Грина и Ли Смолина, высказывали предположение о том, что петлевая квантовая гравитация и теория струн окажутся двумя способами описания одной и той же фундаментальной физической структуры. Ученые надеются, что исследование двух этих областей в итоге поможет разработать более полную фундаментальную теорию, описывающую основополагающую квантовую теорию, которая, в свою очередь, приведет к успешной единой теории поля, способной полностью примирить ОТО со Стандартной моделью квантовой механики.
Источник: Naked Science.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

62










Naked Science51 723 подписчика





Что такое квантовая биология

6 ноября 2020
3,7 тыс. дочитываний
4 мин.







Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология.


«Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял».
© Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики
Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать.
Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии.
Квантовое туннелирование

Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.
Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности.
Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК — это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так (см. картинку).


Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание.
Квантовая когерентность

Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его.


Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.
Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация — изменение в структуре фотонного рецептора — происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют.
Квантовая запутанность

Запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии».


Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li Что же дальше?

Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки.
В любом случае квантовая биология — молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Главное в физике в 2020 году

6 января
5,8 тыс. дочитываний
4,5 мин.







Вы наверняка уже слышали историю о том, как Исаак Ньютон, сбежав от чумы, произвел революцию в математике и переосмыслил физику. Это естественно: надеяться, что и в 2020 году произошло нечто настолько же по-хорошему важное и масштабное.
К сожалению, со времен Ньютона наука так изменилась, что вряд ли сегодня один ученый сможет найти ответ на самые главные вопросы науки, пусть даже теоретически.
Сегодня такие революционные открытия совершаются командами ученых. И в прошлом году несколько таких команд значительно продвинулись в своих исследованиях.
О них и пойдет речь.
На шаг ближе к разгадке парадокса исчезновения информации в чёрной дыре

Парадокс исчезновения информации в черной дыре остается одной из самых привлекательных и при этом непокорных задач в теоретической физике.


Ashley Mackenzie for Quanta MagazineЕсли кратко, материя падает в черную дыру, а дыра медленно “испаряется” и со временем должна “испариться” полностью. Что же произошло с материей? Если следовать законам классической физики, информация потерялась навсегда. А вот по законам квантовой физики, этого не может происходить, так как информация никогда не теряется. В этом и парадокс.
В этом году ученые с помощью серии сложных вычислений показали, что информация все же способна вырываться из оков черных дыр. Но мы пока не понимаем, как ей это удается.
“Теперь в теории черных дыр нет логического противоречия, которое делало ее парадоксальной, — комментирует главный автор исследования Джордж Массер (George Musser). — А что касается самих черных дыр, мы, в лучшем случае, прошли первый отрезок большого пути.”
На шаг ближе к созданию сверхпроводника, не требующего экстремальных условий

Летающие поезда, электричество без потерь, идеальные хранилища энергии пока что остаются недостижимой мечтой. Но в 2020 году ученые сумели избавиться от одного из экстремальных условий работы сверхпроводников.
Команда из Рочестерского университета в Нью-Йорке создала материал, который остается сверхпроводником при 15 градусах Цельсия — почти при комнатной температуре!


J. Adam Fenster / University of RochesterВот только он требует сильнейшего давления двух алмазов — давления, сопоставимого с давлением в ядре Земли.
Новый ответ на загадку времени

Спросите любого физика-теоретика о природе времени, и он, скорее всего, скажет, что течение времени — это иллюзия.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, измерение времени сплетает воедино три измерения пространства, создавая “блок вселенной”, который охватывает и прошлое, и настоящее, и будущее.


artfromolgaВ этом году шведский физик Николас Гисин (Nicolas Gisin) предложил размышлять в времени в терминах интуиционистской математики, в которой отрицается существование чисел с бесконечным числом цифр.
По словам Гисина, при использовании такой математики становится очевидно, что “время действительно течет, и новая информация создается”.
Коллеги-математики продолжают активно обсуждать новый подход. Все-таки и у Ньютона ушло более 20 лет на написание и публикацию Principia.
Источник быстрых радиовсплесков

Впервые быстрые радиовсплески из глубин космоса были замечены в 2007 году. С тех пор астрономы искали им объяснение и предложили немало разных теорий. Но радиовсплески не повторялись, и это усложняло проверку их источника.


Maciej Rebisz for Quanta MagazineПока в апреле 2020 года не произошел всплеск, который “зажег наш телескоп как новогоднюю ёлку”, вспоминает один из астрономов.
Этот всплеск позволил ученым отследить его источник. Им оказался магнетар — сильно намагниченная нейтронная звезда. Подтвердилась одна из теорий!
Твердые доказательства существования третьего царства частиц

Вселенная состоит из двух типов частиц: бозонов и фермионов, носителей энергии и частиц вещества. Но если создать вселенную всего с двумя пространственными измерениями вместо привычных нам трех, правила изменятся.
В этой двумерной вселенной правила топологии допустят существование третьего типа частиц — анионов.


David S. Hall, Amherst College, using code developed by Niles JohnsonСуществование анионов было предсказано в 1980-х годах, но лишь в этом году удалось экспериментально доказать их существование.
Всеохватывающее магнитное поле

Одной из главных загадок космологии остается вопрос скорости расширения Вселенной. Наблюдения за ранней вселенной дают нам одно значение, а наблюдения за современной вселенной — иное значение. Чем вызвано несоответствие?
У космологов, конечно, есть множество идей и теорий по этому поводу. Но одно предположение почему-то часто забывают — существование в молодой вселенной магнитных полей.


Pauline Voß for Quanta MagazineИ в прошлом году астрономы обнаружили крупнейшее известное нам магнитное поле в космосе. Оно простирается на 10 миллионов световых лет, пронизывая пустоты между скоплениями галактик.
Откуда же оно там появилось, если не осталось после Большого взрыва?
Нобелевская премия по физике

В этом году Нобелевскую премию по физике получили те, чья работа косвенно подтвердила существование черных дыр. Награду получили Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Миа Гез.
Английский физик-математик Роджер Пенроуз получил награду за свою работу 1965 года, в которой показал, что “формирование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности.”
Немецкий астрофизик Райнхард Генцель и американский астроном Андреа Миа Гез получили награду за революционные наблюдения за поведением звезд вблизи центра Млечного пути, которые позволили выдвинуть предположение о наличии невидимого сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики.


Фримен Дайсон (1923–2020)

В феврале 2020 года мы простились с Фрименом Дайсоном, американским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой электродинамики.
Большинству из вас он известен по сфере Дайсона (он предложил идею, название ей дали позже в честь создателя) — гипотетической мегаструктуре, которая собирает всю энергию звезды в ее центре. Пока что мы не нашли следов существования такого объекта во Вселенной. Но кто знает, на что способны инопланетяне!


Image credit: Jon Naso/NY Daily News Archive via Getty Images