physħ — физика и космос

Первая — это проблема радиуса протона. Два разных метода его измерения давали расхождение на приблизительно 5%. Учёные даже начали думать, не проявление ли это неких неизвестных сил и так называемой «Новой физики». Однако новые измерения, проведённые учёными из Института Макса Планка по квантовой оптике и Физического института Российской академии наук показали, что расхождения на самом деле нет. А его причина — неучтённые погрешности измерений.

Вторая проблема связана с измерением времени жизни нейтрона. Как известно, нейтрон — нестабильная частица, и за время около 15 минут распадается. И опять, два разных метода измерения этого времени давали немного разные результаты. В этом году появилось два новых измерения (первое, второе), проведенные по различающимся методикам. Оба они дают близкие значения и поддерживают результат 2005 года, с которого и началась эта проблема.

Уверен, 2018 год принесёт нам не менее замечательные результаты!

Возвращаюсь к ведению канала после долгого перерыва, связанного с отчётным периодом на работе. И начать новый год я решил с того, чем хотел закончить год прошлый — моего личного топ-5 самых ярких и запомнившихся открытий в физике 2017 года.

Гравитационные волны от слияния нейтронных звёзд

Думаю, многие согласятся, что самым значительным событием стала регистрация в августе гравитационных волн от слияния двух нейтронных звёзд. Это достижение замечательно не только тем, что появившаяся всего два года назад гравитационно-волновая астрономия поймала уже пятый сигнал, и даже не тем, что это был первый сигнал, пойманный именно от нейтронных звёзд — до этого фиксировалось слияние только пар чёрных дыр — но главным образом тем, что уже через две секунды после прихода сигнала к наблюдениям подключились космические и наземные обсерватории, которым удалось зафиксировать также и гамма-всплеск, и послесвечение в видимом диапазоне.

В итоге, учёные уточнили свои модели слияния нейтронных звёзд и подтвердили, что именно эти события, которые ещё называют килоновыми, являются источниками некоторых гамма-всплесков, а также большинства тяжёлых элементов — в том числе, например, золота, в нашей Вселенной.

Впервые удалось также и напрямую оценить скорость распространения гравитационных волн — как и ожидалось, она с огромной точностью совпадает со скоростью света. И на этом открытия не закончились. Так, совсем недавно из тех же данных учёные смогли оценить возможность существования дополнительных измерений — и она оказалась мала.

50-кубитные квантовые компьютеры

Об этом давно ходили слухи, но только в июле они получили подтверждение. Учёные впервые создали квантовый компьютер, состоящий из более чем 50 кубит. Об этом на конференции в Москве сообщил профессор Михаил Лукин.

В конце ноября о создании 50-кубитного прототипа сообщила также IBM. И почти тут же вышла статья группы Лукина и одновременно, в том же номере журнала Nature, статья ещё одной группы — возглавляемой Кристофером Монро — о создании 53-кубитного квантового компьютера.

Почему такое внимание к числу 50? Потому что по некоторым оценкам именно с этого числа кубитов начинается пресловутое «квантовое превосходство», и квантовые компьютеры становятся способными решать задачи, не доступные ни для одного обычного компьютера. Число, конечно, несколько условное, но тем не менее, отмечает важный рубеж.

«Кристаллы во времени»

Самым ярким событием начала года было, безусловно, сообщение об экспериментальной реализации так называемых Time crystal — «Кристалла во времени». Эта странная форма вещества была предсказана всего лишь в 2012 году, а в 2017 году о её получении сообщили сразу две группы учёных.

«Кристаллы во времени» получили своё название из-за того, что они напоминают обычные кристаллы — атомы которых образуют строго периодические структуры в пространстве, — но только они совершают периодические движения во времени. И это происходит в термодинамическом равновесии!

Маленький детектор нейтрино

Мы привыкли, что нейтринный детектор — это что-то мегабольшое. Например, Super-Kamiokande заполнен 50 000 тоннами воды, а IceCube задействует кубический километр льда. В 2017 году это убеждение разрушили физики из коллаборации COHERENT. Им удалось построить детектор нейтрино размером с трёхлитровую банку — и продемонстрировать его успешную работу, конечно.

Собственно, идея такого детектора была изложена ещё в 1974 году, но только сейчас удалось преодолеть все технические сложности. Для обнаружения нейтрино используется эффект значительного усиления силы взаимодействия нейтрино с ядрами тяжёлых веществ. Сила его взаимодействия с ядром оказывается приблизительно пропорциональной квадрату числа нейтронов в ядре.

Замечательным является то, что в создании детектора ключевую роль сыграли учёные из российского Института теоретической и экспериментальной физики.

Решение проблем радиуса протона и времени жизни нейтрона

Ну и наконец, отмечу решение сразу двух важных проблем современной физики, связанных со сверхточными измерениями фундаментальных величин.

Игорь Иванов на «Элементах» подвёл итоги года в физике элементарных частиц. Краткое резюме.

LHC увеличил скорость набора статистики и резко отодвинул передний фронт исследований на 1 ТэВ. К сожалению, ничего из теории суперсимметрий он там пока не видит.

По бозону Хиггса новой информации тоже нет. Отчасти потому что данные 2017 года ещё не обработаны.

Отсутствие Новой физики в открытиях LHC заставило учёных сократить размер его наследника — Международного линейного коллайдера ILC, который станет первоклассной «фабрикой бозонов Хиггса», но не более того.

Тем не менее, отклонения от Стандартной модели элементарных частиц всё же на LHC видят. Это постарался детектор LHCb, который изучал в том числе редкие распады так называемых B-мезонов. Твёрдой уверенности, что это не просто случайные выбросы, пока нет, но в наборе новых данных отклонения не исчезли. К тому же, здесь не закончена обработка данных даже за 2016 год, не говоря уж о 2017.

На всё том же LHC в уходящем году открыли сразу несколько новых интересных частиц. Например, пять частиц из семейства Ωc-барионов, а также первый дважды-очарованный барион.

В Фермилабе запустили большой проект Muon g-2 по измерению магнитного момента мюона. Дело в том, что уже больше 15 лет существует неразрешённая проблема: экспериментально измеренное значение и очень точный теоретический расчёт дают сильное расхождение. Возможно, повинна всё та же Новая физика.

Видимо, получили решение ещё две давние проблемы. Обе связаны с расхождением результатов измерений, проведённых разными методами. Первая — это измерение времени жизни нейтрона, а вторая — измерение радиуса протона. Похоже, что и там, и там в течение многих лет меряли с ошибкой, пусть и небольшой.

Появились первые результаты с космической обсерватории DAMPE, которая обнаружила пик в спектре космических электронов на энергии 1,4 ТэВ. Одно из возможных объяснений — это продукт аннигиляции частиц тёмной материи.

Из анализа пространственного распределения галактик удалось определить сумму масс трёх типов нейтрино — 0,11± 0,03 эВ. До этого было известно лишь, что эта сумма не превышает 0,25 эВ.

Болле подробно по ссылке: http://elementy.ru/novosti_nauki/433173/Fizika_elementarnykh_chastits_v_2017_godu

На этой фотографии мы можем видеть, что бывает, когда молодая звезда начинает свою жизнь, имея массу в 25 раз больше, чем у Солнца. Подробнее: https://goo.gl/mh64fd

Атомные интерферометры позволяют проводить сверхчувствительные измерения самых разных величин. Их работа основана на квантовых свойствах атомов, которые при достаточно низких температурах начинают вести себя подобно волнам — и потому могут интерферировать друг с другом.

С помощью атомных интерферометров, например, были проведены самые точные на данный момент измерения одной из фундаментальных констант современной физики — постоянной тонкой структуры. На их основе также построены самые чувствительные детекторы поворота.

В новой работе учёные показали, что атомный интерферометр может также с высокой точностью измерять наклон поверхности по отношению к горизонту — такие инструменты называют инклинометрами. При этом чувствительность инклинометра на основе холодных атомов оказалась достаточной, чтобы измерить изменение наклона земной поверхности, вызванного приливными силами.

В работе около миллиона атомов рубидия, охлаждённых до сверхнизкой температуры, запускались вверх по параболе. Через небольшой промежуток времени после запуска облако атомов разделяли на две части при помощи двух лазерных импульсов. При этом разделение проходило квантово-механически, то есть атомы переводились в когерентную квантовую суперпозицию двух состояний: основного и возбуждённого.

Наконец, в конце пути ещё двумя лазерными импульсами два состояния атомов объединялись обратно. При этом между ними возникала интерференция, по которой и определялся угол между направлением хода лучей лазеров и силой гравитации в данной точке. Это и было искомым наклоном.

Учёные показали, что чувствительность такого инклинометра почти в 1000 раз лучше, чем у предыдущих аналогичных устройств. Это позволило измерить с его помощью изменение наклона земной поверхности, вызванное приливными силами, действующими со стороны Луны. Для этого атомный интерферометр поместили в подземную лабораторию и проводили измерения в течение полутора дней.

Ссылка на работу: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.96.063606

Журнал Science проводит голосование «Прорыв 2017 года». В числе финалистов 3 результат по биологии, и один по физике — детектор нейтрино размером с поллитровую бутылку. В эту работу, кстати, большой вклад сделали сотрудники МИФИ и Курчатовского института. Поддержать один из проектов можно по ссылке http://www.sciencemag.org/news/2017/12/finalists-are-vote-people-s-choice-breakthrough-year

Я, кстати, писал об этом уникальном детекторе полтора месяца назад https://t.me/physh/480

Хорошая статья про антиматерию от канала @bosonhiggs

Выложили видео с лекцией, которую я читал в прошлый понедельник. Так что, если вам не терпелось узнать, как собрать в точку квадриллион ватт энергии и спасти этим чью-то жизнь, то вот вам ответ: https://www.youtube.com/watch?v=huQ0pC1gM8Y

Сегодня в рубрике #ВП у меня не совсем обычная рекомендация. По понятным причинам я подписан далеко не на все каналы из тех, что рекомендую — количество свободного времени ограниченно, и приходится выбирать. Так вот, канал @theworldisnoteasy — из тех, которые я читаю от корки до корки.

Этому способствует несколько обстоятельств. Во-первых, автор канала, Сергей Карелов (Google в помощь тем, кто не знает, кто это) не частит. Во-вторых, пишет исключительно вдумчиво и глубоко. В-третьих, использует большое количество разнородных источников — достаточно заценить его последний пост про квантовые компьютеры. И наконец, хотя и пишет на популярную тему технологий, но не в пример большинству уделяет много внимания гуманитарным аспектам их внедрения.

Всё это делает канал исключительно полезным источником сжатой обзорной информации из мира современных технологий, которая к тому же снабжена нетривиальной экспертной оценкой человека, имеющего большой опыт в технологическом бизнесе.

Так что, предлагаю подписаться и читать: https://t.me/joinchat/AAAAAEEG1TXmRZM90PuRMA

По странному стечению обстоятельств только что в мой ящик упало письмо с платформы Stepik, на которой буквально сегодня стартует курс «Квантовые вычисления». Квантовая революция уже близко, и скоро умение разбираться с квантовыми алгоритмами может стать столь же востребованным, как, например, умение работать с нейронными сетями и машинным обучением сегодня. Так что не упустите возможность самообразоваться и быть в ряду первых специалистов в этой новой области: https://stepik.org/course/3248

В последних новостях про 50-кубитные квантовые компьютеры там и тут авторы упоминают концепцию квантового превосходства. На первый взгляд, термин понятный — при каком-то количестве кубитов квантовые компьютеры станут недосягаемыми для классических. Но если задуматься, то с таким определением есть проблемы. Об этом на страницах Nature рассуждает известный научный журналист и эссеист Филип Болл. Я же решил пересказать основные моменты его текста: https://zen.yandex.ru/media/physh/chto-takoe-kvantovoe-prevoshodstvo-i-kak-ego-dostich-5a21266edcaf8e4fc17bd2b2

На N+1 очередной лонгрид. На этот раз Евгений Гельфер рассказывает о том, чем занимались учёные, создававшие в начале XX века квантовую физику, в годы Первой мировой: https://nplus1.ru/material/2017/11/30/quantum-revolution-wwI

Помните в июле была новость с конференции о создании квантового компьютера из рекордных 51 кубит в группе Михаила Лукина? Только что статья с этим результатом вышла в журнале Nature. А вместе с ней ещё одна — о создании 53-кубитного компьютера в группе Кристофера Монро.

Оба вычислителя были созданы на основе атомов (у Лукина) или ионов (у Монро), пойманных в оптическую ловушку и управляемых с помощью лазерных импульсов. Обе группы для демонстрации возможностей своих компьютеров использовали задачи симулирования — то есть аналоговое моделирование неких физических систем. В группе Лукина исследовали образование ридберговских кристаллов, а в группе Монро — перемагничивание в цепочке из магнитов.

В обоих случаях были получены решения для систем, которые было бы невозможно получить на классических компьютерах просто из-за недостатка необходимой для этого памяти. Теперь перед учёными стоит задача на основе этих систем создать универсальный решатель — который мог бы моделировать не только какую-то конкретную систему, но и решать произвольные уравнения.

По оценкам, 50 кубит — это как раз тот порог, после преодоления которого универсальный квантовый компьютер продемонстрирует «квантовое превосходство» на отдельных задачах. В частности, он должен быстрее любого существующего суперкомпьютера решать задачу о разложении числа на простые множители. Эта задача (вернее сложность её выполнения) лежит в основе всей современной криптографии, поэтому квантовые компьютеры могут в перспективе сделать её устаревшей.

Больше подробностей про вышедшие статьи читайте в N+1: https://nplus1.ru/news/2017/11/29/53-qubit-record

#обои в разрешении 2006×1585

Это активная область звёздообразования Chamaeleon I. Изображение получено при помощи телескопа «Гершель» в дальнем ИК диапазоне. Подробнее: https://goo.gl/GfnhMk

А тем временем IBM обещает вскоре открыть онлайн-доступ к своему новому квантовому компьютеру, состоящему из 20 сверхпроводящих кубитов, и утверждает, что у неё ещё и готов прототип системы из 50 кубитов.

Новая система принадлежит семейству IBM Q и основана на так называемых кубитах-трансмонах. В них информация хранится на небольших кусочках сверхпроводниках в виде куперовских электронных пар.

Впервые доступный через интернет квантовый компьютер IBM запустила в 2016 году, и сейчас доступны для использования 5- и 16-кубитные системы.

Помимо того, что новая система будет иметь большее количество кубитов, по заверению IBM, в ней увеличено время когерентности до 90 микросекунд — это в два раза выше, чем в прошлых устройствах IBM.

Если IBM и вправду создала прототип 50-кубитного компьютера, то по оценкам специалистов он может на некоторых задачах обойти все существующие классические компьютеры, продемонстрировав тем самым «квантовое превосходство».

Подробнее об облачных квантовых компьютерах IBM можно узнать на их сайте: https://www.research.ibm.com/ibm-q/

Свежая статья в Nature. Учёные впервые измерили количество нейтрино со сверхвысокой энергией, поглощаемых нашей планетой каждую секунду. В будущем такие измерения могут стать важным инструментом для геологов, изучающих внутренности Земли.

Рассказывая о нейтрино, популяризаторы часто упоминают такой удивительный факт: около 100 триллионов этих частиц проходят сквозь человеческое тело каждую секунду, однако сила их взаимодействия с остальным веществом столь мала, что мы их никак не замечаем.

Чтобы поймать нейтрино строят специальные детекторы. Один из них — IceCube — расположен в Антарктиде и его рабочим телом является кубический километр льда. Именно на IceCube были проведены измерения, о которых идёт речь.

Когда нейтрино сталкивается с ядром, оно обычно исчезает, а его энергия рождает целый ливень разных частиц. И чем выше энергия нейтрино, и чем плотнее вещество, в котором оно летит, тем выше вероятность такого столкновения. Теория предсказывала, что для нейтрино с энергией выше нескольких ТэВ (то есть 10¹² эВ) вероятность пройти сквозь Землю равна практически нулю. Нейтрино с такой энергией пока что невозможно получить в земных условиях — даже на Большом адронном коллайдере рождаемые нейтрино имеют энергию не больше сотен ГэВ (1 ТэВ = 1000 гэВ).

В общем на IceCube, действительно, таких нейтрино, идущих «из-под Земли», не обнаружили. Правда, были использованы данные только за 2010—2011 годы. Последние шесть лет пока что не обработаны, и, возможно, в них есть какие-то сюрпризы, но это может показать только будущий анализ.

Ссылка на статью для интересующихся: https://goo.gl/ae77M8

Информация для нижегородцев. В понедельник буду выступать с научно-популярной лекцией в гостинице «Ока». Там открывается новый городской лекторий «Академиум».

Рассказывать буду о том, чем мы занимаемся в нашем институте и научной группе.

Начало моей лекции в 19:00, желательно пройти регистрацию.

Подробности на официальном сайте: http://www.akademium.info

А вот и схема, поясняющая цепочку протекающих реакций