Пользователь
0,4
рейтинг
28 декабря 2015 в 00:45

Физические итоги года



Привет, Гиктаймс! На дворе последние дни декабря, а значит самое время подвести итоги уходящего года вместе с Американским физическим сообществом. Кроме открытия пентакварка и неравенств Белла, в шорт-лист вошли мимивирусы, темная материя и лопающиеся воздушные шарики. Добро пожаловать под кат.


LHC, дай пять!




Согласно Стандартной модели, кирпичиками мироздания являются шесть элементарных частиц под названием кварки (и еще несколько других, но речь сегодня не о них). Из-за особенностей взаимодействия кварки не наблюдаются поодиночке, а собираются в группы из двух или трех. Например, протон и нейтрон состоят из трех кварков.

А есть ли частицы, состоящие из большего числа кварков? Этим вопросом задавались еще полвека назад, а окончательный ответ «да» от коллаборации LHCb прозвучал лишь в августе этого года. Для открытия понадобилась экспериментальная хитрость: Большой адронный коллайдер сталкивает две частицы с такой дикой энергией, что вокруг образуется облако из гигантского количества продуктов распада. Отследить траектории отдельных продуктов в этой каше практически нереально.

К счастью, большинство из продуктов распада живет очень мало. Самые долгоживущие из них успевают отлететь от точки столкновения, где наблюдать за их траекториями гораздо проще. Например, так ведут себя лямбда-барионы: их времени жизни достаточно, чтобы отлететь на значительное расстояние и там распасться на заветный пентакварк и К-мезон. Поэтому авторы работы целенаправленно отслеживали лишь распады лямбда-бариона, что позволило им обнаружить даже не один, а целых два пентакварка.

Конец локального реализма




Согласно современной квантовой механике, манипуляции с частицей А могут мгновенно изменять состояние сколь угодно далекой частицы В без каких-либо каналов связи. В каком-то смысле это свидетельствует о сверхсветовой передаче информации. С этим никак не мог смириться Эйнштейн: ведь в специальной теории относительности скорость любого взаимодействия в природе жестко ограничена скоростью света. Чуть позже Белл предложил эксперимент, позволивший разрешить противоречие. Идеей было создать две запутанных частицы, совершить с ними независимые манипуляции, после чего измерить их состояния. Эксперимент указал на неправоту Эйнштейна; однако в нем оставались некоторые лазейки:

Лазейка локальности: манипуляции с частицами должны быть независимы. Во-первых, они должны быть случайны (понадобится аппаратный генератор случайных чисел); во-вторых, информация от одной манипуляции не должна достигнуть другой до ее завершения (значит, нужно разнести их в пространстве достаточно далеко друг от друга).

Лазейка детектирования: обычно запутанными частицами являются фотоны, а эффективность детектирования одиночных фотонов не очень-то велика. Множество фотонов остаются незадетектированными, и в принципе могут передавать информацию. Для закрытия этой лазейки нужно использовать очень эффективные фотоприемники; или же заменить фотоны на что-то другое.

Обе лазейки по отдельности были закрыты достаточно давно. Нынешний же год ознаменовался одновременным закрытием обеих лазеек в одном эксперименте; причем, этого добились одновременно три группы – из Нидерландов, Австрии и NIST в Колорадо. Это прекрасно соотносится с квантовой механикой. Впрочем, после этого появились новые лазейки, на этот раз связанные с механизмом запутывания частиц; правда, пока непонятно, так ли они существенны.

3D-рентген для вируса




Знаете, как была открыта структура ДНК? Это чудесная история, важную роль в которой сыграла рентгеновская кристаллография. Если посветить на молекулу рентгеновским излучением, то в результате взаимодействия с ней оно образует дифракционную картину, по которой можно восстановить структуру молекулы. Проблема в том, что дифракционная картина от одиночной молекулы очень нечетка. Для усиления контраста много одинаковых молекул собирают в кристалл, чтобы сложить слабый сигнал от каждой из них в один сильный.

Некоторые молекулы легко собрать в кристалл, другие (например, ДНК) – чуть сложнее. А что, если молекула вообще не кристаллизуется? До недавнего времени казалось, что в таком случае ничего сделать не получится. Все изменилось в этом году: коллаборация со всего мира использовала яркий рентгеновский источник, чтобы осветить огромный мимивирус с разных сторон и получить 198 более-менее четких дифракционных картин. Сложный итеративный алгоритм сложил эти данные в трехмерную картинку, из которой удалось определить форму вируса. Получилась 3D-модель (правая нижняя картинка) с разрешением 125 нм. Хоть это и не очень много, основной прорыв этой работы в том, что современные алгоритмы и яркие рентгеновские источники позволяют нам узнать структуру одной единственной молекулы.

Всемирный атлас темной материи




Значительную часть вещества во Вселенной составляет темная материя – невидимая субстанция, подверженная лишь гравитационному взаимодействию. По этой причине ее присутствие можно обнаружить лишь как дополнительную массу, которая, например, объясняет, почему края галактик вращаются быстрее, чем должны. А еще массивные объекты, как известно, искривляют пространство-время. Очень тяжелые объекты (типа черных дыр) приводят к гравитационному линзированию и крестам Эйнштейна; более легкие – как большие области темной материи – слегка «вытягивают» изображения.

Эта особенность была использована крупной международной коллаборацией для составления большой карты темной материи. Астрономы анализировали данные телескопа в Чили, определяя степень вытянутости изображения галактик. Если бы на их пути не было массивных объектов, изображения были бы неискаженными. Присутствие темной материи сжимает изображения и позволяет определить массу темной материи с достаточно большой точностью. Проанализировав изображения двух миллионов галактик, астрономы сумели составить довольно подробную карту распределения темной материи во Вселенной. К слову, эта работа делается в рамках крупномасштабного исследования Dark Energy Survey, и на сегодня обработаны лишь 3% ожидаемых данных – а значит, в ближайшие годы карта будет становиться все детальнее.

Полуметаллы Вейла




80 лет назад математик Герман Вейл предложил уравнение, описывающее элементарные частицы с нулевой массой и отличной от нуля хиральностью. По имени автора они были названы фермионами Вейла. Никаких элементарных частиц обнаружено не было; зато выяснилось, что это же уравнение может описывать поведение электронов в некоторых полуметаллах. В этом году одновременно две группы из Принстона и Пекина выяснили, что именно так ведут себя электроны в арсениде тантала (TaAs). Еще одна группа из MIT исследовала не электроны в периодическом кристалле TaAs, а фотоны в рукотворной периодической структуре – фотонном кристалле. Им также удалось увидеть, что поведение фотонной системы совпадает с предсказанным Вейлом.

В целом поведение электронов в арсениде тантала очень похоже на их поведение в графене: в обоих материалах электроны обладают нулевой эффективной массой. Этим обусловлена перспективность открытия: как и графен, арсенид тантала может быть использован как материал с гигантской мобильностью носителей заряда и крайне низким электрическим сопротивлением.

Кубиты – на орбиту!




Передавать информацию при помощи света легко и удобно. Для классических битов «0» и «1» принято кодировать включением или выключением источника света. Квантовые биты (кубиты) могут представлять собой комбинацию нуля и единицы, и для их передачи обычно используют поляризацию света: вертикальная – «0», горизонтальная – «1», другие состояния отвечают комбинациям «0» и «1». Сегодня кубиты успешно передают по оптоволокнам (квантовые сети под Веной и Женевой длиной 50–80 км) и по открытому воздуху (до 150 км).

А можно ли послать кубит еще дальше? Итальянская коллаборация рискнула отправить фотоны-кубиты на спутник, где они отражались от уголкового отражателя и возвращались обратно на Землю. Целью эксперимента было понять, насколько сильно кубит искажается после такого полета, и можно ли будет его «прочитать». Для сравнения использовали пять разных спутников: один из них заведомо искажал поляризацию и должен необратимо испортить кубит, четыре остальных не должны были вносить искажений. Ожидания подтвердились: канал связи через атмосферу оказался нешумным, и квантовую информацию удалось прочитать после тысячекилометрового полета. А это значит, что квантовая криптография в космосе уже не за горами.

Микроскоп для фермионов




Все известные нам частицы делятся на бозоны (с целым спином) и фермионы (с полуцелым спином). Любое количество бозонов может занимать один и тот же энергетический уровень. Например, бозоны, занимающие состояние с минимальной энергией, образуют конденсат Бозе-Эйнштейна; его открытие было удостоено Нобелевской премии, а многочисленные исследования прояснили массу нюансов в квантовой механике и смежных областях.

С фермионами все не так просто: принцип Паули запрещает занимать один энергетический уровень более, чем двум фермионам. Хотя если фермионы находятся далеко друг от друга (на расстоянии микрона), то они почти не чувствуют друг друга и могут оставаться на одном и том же уровне. В этом году целых три лаборатории из MIT, Гарварда и Глазго сумели охладить много фермионов (атомов лития или калия) до состояния с минимальной энергией; разместить их в узлах прямоугольной решетки, чтобы они не «мешали» друг другу и успешно сфотографировать (это отдельное искусство). В будущих планах заставить фермионы в соседних узлах взаимодействовать друг с другом. Это откроет новую страницу в физике и позволит моделировать поведение электронов (которые тоже фермионы) в разных системах. Например, моделирование сверхпроводников может пролить свет на их особенности и позволить создать новые высокотемпературные сверхпроводники.

Время взрывать шарики




Казалось бы, что может быть интересного в лопающемся воздушном шарике? Оказывается, это может быть важным для понимания процессов распространения дефектов в разнообразнейших структурах; и шарик – идеальная модельная система для такого исследования: он стоит копейки и с ним невероятно просто работать. Это замотивировало исследователей из Парижа, которые выяснили, что шарик взрывается совершенно по-разному в зависимости от того, насколько он надут.

Энергия надутого шарика запасена в виде эластичного натяжения оболочки; прокол позволяет снять это напряжение и вернуть оболочку к первоначальной форме. Оказывается, при проколе шарик стремится избавиться от запасенной энергии максимально быстрым способом. Если натяжение оболочки мало (скажем, если вы ткнули слегка надутый шарик иголкой), то прокол распространяется в две стороны до тех пор, пока весь воздух не выйдет наружу. Если же натяжение оболочки было велико (мы надували шарик, пока он не лопнул), то одного разрыва недостаточно, чтобы энергия высвободилась достаточно быстро. Становится выгодно образовать не один, а несколько разрывов, радиально распространяющихся от прокола:



Чем сильнее был надут шарик, тем больше образуется радиальных разрывов. Этот на первый взгляд курьезный результат оказался очень интересным для изучения фрагментации и поведения разломов и подобных дефектов в разных системах. Ранее исследования (в основном теоретические) были посвящены поведению пересекающихся или сливающихся разрывов. Новая работа открыла глаза на расщепление таких дефектов.

Вот такими открытиями запомнился уходящий год. Надеемся, год наступающий окажется не менее интересным =).
Альберт @qbertych
карма
50,0
рейтинг 0,4
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (37)

  • +1
    А как же распад B-мезона?
    Статистически это одно из самых сильных отклонений от Стандартной Модели.
    • 0
      А разве это не событие 2013 г., а в 2015 его понимание просто более укрепилось?

      https://www.google.ru/search?q=Коллаборация+LHCb+подтверждает+отклонение+в+распаде+B-мезонов
  • 0
    Согласно современной квантовой механике, манипуляции с частицей А могут мгновенно изменять состояние сколь угодно далекой частицы В без каких-либо каналов связи

    Объясните чайнику — в итоге получается, что мгновенная сверхсветовая связь все же гипотетически возможна?
    • +7
      Нет, это традиционное заблуждение. Квантовая запутанность не дает возможности передавать информацию, поскольку во-первых запутываются локальные частицы, а во-вторых никто не знает заранее какое будет значение наперед (а следовательно и договориться о результате нельзя).

      Представьте, что у вас есть две коробки и пара шаров. Один шар черный, другой белый.Все это добро вы складываете в мешок. На ощупь кладете по шару в коробку, не зная какой положили куда. Потом одну коробку отдаете другу и он уезжает с ней на противоположную сторону Земли. Получается, что состояния шаров в коробках оказываются запутанными. По условию опыта.

      Пока вы не вскрыли коробку, вы можете считать, что в коробке могут быть и черный и белый шар (с равной вероятностью). Формально, они как бы существуют оба, пока вы не схлопнете волновую функцию и не откроете коробку. В момент наблюдения волновая функция схлопывается. Причем обнаружив белый шар у себя, вы незамедлительно узнаете, что за 12800 км от вас есть коробка, в которой шар черный (и наоборот).

      Получается, что вторая коробка «узнала», что у вас белый шар? Нет. Дает ли это вам это знание возможность передавать информацию? Нет. Вы не можете влиять на исход эксперимента и не можете привязать к событиям полезную информацию. Это все равно что подбрасывать монетку и пытаться передавать информацию через нее.

      P.S.: Речь только о невозможности передавать полезную информацию, а не о бесполезности запутывания как такового.
      • 0
        Получается, что вторая коробка «узнала», что у вас белый шар? Нет.

        Подождите, но ведь в тексте написано «манипуляции с частицей А могут мгновенно изменять состояние сколь угодно далекой частицы В», фразу «изменить состояние» сложно трактовать как-то иначе. В любом случае получается, что во Вселенной есть механизм, как-то позволяющий мгновенно изменять состояние чего-либо? Значит есть отличный от нуля шанс, что в будущем его как-то можно использовать?

        Если нет, то жаль конечно :)
        • +1
          Да, что-то с примером про шары явно не так. Открыть коробку, тут не равно манипуляции с шаром. А узнать какого цвета у тебя шар — не есть изменение состояния другого шара.
          Либо ошибка в изначальном предложении.
          • +4
            Все дело в том, что в классической интерпретации «открыть и посмотреть» в квантовом мире невозможно, не повлияв на исследуемый объект. С ним нужно провзаимодействовать и по отклику системы можно понять, в каком состоянии система была до момента взаимодействия. Но осуществляется это уже по факту. То есть, игрушку надо сломать, чтобы посмотреть что внутри.

            Квантовое запутывание обеспечивает, что сломав игрушку A и получив результат X, мы можем быть уверены, что сломав B получим Y.
        • 0
          Как написал vanxant, недавно открыли обратимые изменения, которые идут вразрез с копенгагенской интерпретацией, поэтому про них я ничего, к сожалению, сказать не могу.
          • +1
            Слабые измерения не противоречат копенгагенской интерпретации. И даже наоборот, отлично из нее вытекает. Любое измерение вызывает возмущение в состоянии, и это возмущение пропорционально силе измерения: чем больше информации мы получаем о системе, тем больше изменяется состояние системы. Поэтому если произвести бесконечно слабые измерения, состояние системы не изменится. А если измерение будет просто очень слабое, то изменение состояния будет пренебрежимо. Такие измерения можно повторить множество раз, и, хотя в среднем состояние системы останется приблизительно тем же, некоторую среднюю информацию извлечь можно.

            PS открыли их уже давным давно
        • +1
          «Сверхсветовая связь» — это упрощенное объяснение происходящего словами Эйнштейна. Он упорно не верил в смешанные состояния и полуживых-полумертвых котов, считая, что результат квантового измерения определяется какими-то пока неизвестными скрытыми параметрами. Отсюда и недоверие к запутанности: Эйнштейн считал, что если есть скрытые параметры, то результаты измерения для каждой из частиц предопределены. Ведь иначе получается, что один шар успевает передать информацию другому со сверхсветовой скоростью.

          Собственно, оба утверждения оказались ошибочными. Пример с шарами показывает, почему сверхсветовая связь не нужна для объяснения. А эксперимент Белла доказал, что никаких скрытых параметров не существует, и результат любого квантового измерения случаен.

          Говоря про «мгновенное изменение состояния» я имел в виду измерение, то есть определение цвета шара. Не самая удачная фомулировка. А квантовую запутанность уже используют для передачи информации — правда, ничего сверхсветового там нет и не предвидится: параллельно с квантовым каналом передачи данных приходится использовать еще и классический.
          • +1
            Ппавильнее было бы что-то вроде «мгновенная фиксация состояния»
        • 0
          Есть более удачное объяснение парадокса. Представьте женатого астронавта, улетевшего в межзвездную экспедицию. Его жена через 2 года развелась, и он стал холостым в момент решения суда. Его состояние изменилось мгновенно, но никакая информация или материя не достигли мгновенно космического корабля, находящегося, скажем, на расстоянии 0.5 светового года. Здесь сразу видно, что никакого противоречия с теорией относительности нет. Кстати, в статье ошибка — если частицы в смешанном состоянии (запутанный — это дурацкий обратный перевод с английского слова mixed. Впервые описание смешанных состояний с помощью матрицы плотности ввел Ландау, так что русский вариант термина более правильный, слово mixed — это перевод термина, использованного Ландау) не взаимодействуют, то НИКАКОГО мгновенного изменения матрицы плотности второй частицы при воздействии на первую не происходит. Это нетрудно показать простым вычислением.
          • 0
            Похоже, придется написать нормальную статью про «квантовую запутанность», Слишком много народу пишет статьи о квантовой механике, не осилив даже начало 3 тома Ландау и Лифшица.
          • 0
            Запутанный — перевод от tangled, а не mixed.
            • 0
              Mix — это тоже путать. В любом случае состояния, которых идет речь, в учебниках всегда назывались смешанными. Поскольку первым описание таких состояний дал Ландау, то логичным было бы придерживаться его терминологии.
              • 0
                Но здесь конкретно идет речь о entangled, а не о mixed. И это не одно и то же.
                • 0
                  Честно говоря, распутывать бессмысленно. Речь идет о смешанных состояниях по Ландау, которые описываются соответствующим образом. И если это не указано, то значит автор этого не понимает. И отсюда весь этот бред с сверхсветовой скоростью изменения состояния. Кстати, Эйнштейна комментаторы приплели совершенно зря. Никто из копенгагенской школы ему такую ересь не говорил — эти люди в физике разбирались.
                  • +2
                    Ну, знаете, если вы не отличаете mixed (смешанные) от entangled (запутанные) — это вам нужно садиться за основы квантов. Запутанные состояния вполне могут быть чистыми, между прочим. И в статье речь именно о запутанных.
                    • 0
                      Или еще проще: одиночный кубит может быть в смешанном состоянии; а запутанность — это всегда характеристика нескольких кубитов.
                  • 0
                    Покажите мне слово «mixed» в любой из трех статей или в пресс-релизе APS. Ах да, его же нигде нет, потому что общепринятые термины, мягко говоря, отличаются от ваших представлений. Это спор о переименовании Петербурга в Ленинград, не более.

                    Мне вообще глубоко непонятна тяга вроде бы образованных людей спорить с терминологией (и тем более самоутверждаться таким образом) вместо того, чтобы обсуждать суть вещей. Ну а ваш комментарий по поводу скорости света я вынужден проигнорировать: цель научно-популярной литературы — наглядно объяснять материал, в том числе для читателя-неспециалиста. Поэтому сказать «это явно не передача информации — иначе она бы шла со сверхсветовой скоростью» — это совершенно естественно.

                    На мой взгляд, всем было бы гораздо интереснее услышать ваше мнение по поводу вот этого комментария и исходящей из него ветки.

      • +4
        Не вводите в заблуждение — два шара не являются запутанными. Классическая корреляция (именно то, что вы описываете) — не то же, что квантовая запутанность. Отличие именно в том, что когда вы шары положили, вы хоть и не знаете состояния, но оно уже существует, а в квантовом случае — шары одновременно будут и черным и белым, до момента измерения. Это привносит свои особенности в статистику измерений, и именно это отличие классического и квантового было показано в экспериментах.
        • 0
          А можно пример, как на практике проявляется разница между квантовой запутанностью и изначально разноцветными шарами?
          • 0
            На уровне вероятностей. Если состояние частиц изначально фиксированное, то серия измерений особого вида выдаст результат А в определённом проценте случаев. Если не фиксированное, а является настоящей «квантовой смесью» — процент результатов А окажется другим.
          • +1
            Если вы имеете ввиду, как это можно проверить, то для этого нужно провести специальный эксперимент. Советую почитать тут хорошую аналогию. Вкратце, результатом этого эксперимента будет то, что в квантовом случае корреляции между результатами измерения будут сильнее, чем это позволено в классическом случае. И это вполне можно измерить (и было измерено) в эксперименте.

            На самом деле, вопрос о том, в какой именно момент происходит «коллапс состояния» — шарики обретают цвет, относится скорее к философии — интерпретации квантовой механики.

            С практической же точки зрения важна нелокальность такого взаимодействия — измерение одной частицы (шара) изменяет состояние другой. На этом основана, собственно, вся квантовая информатика и криптография.
      • 0
        Пример с шарами в коробках или перчатками в посылках всегда используется, чтобы показать, что запутанность работает не так. То есть общий смысл такой, но изначального состояния, как у макрообъектов, у запутанных частиц нет. То есть левая перчатка в посылке всегда остается левой, как и была изначально, а состояние запутанного фотона изначально не определено.
    • –1
      Возможна, при помощи слабых (обратимых) измерений.
      Впрочем, частицы надо сначала запутать, а потом одну из запутанных частиц заранее доставить адресату классическим способом (с досветовой скоростью).
      Т.е. письмо в конверте надо отправить заранее, но писать его можно прямо перед вскрытием конверта.
      • +1
        Не-а. Слабые измерения можно производить сколько угодно, но их результат нужно отправить собеседнику. По классическому каналу с досветовой скоростью.
        • 0
          Зачем?
          Слабо-измеряем, пока не выпадет нужное значение (0 или 1). Дальше обычная коррекция ошибок на случай «тотальной неудачи».
          • +1
            Но сигнал о том, что мы закончили слабо измерять, и можно вскрывать, как-то доставить надо?
            • 0
              Зачем? Достаточно заранее синхронизировать часы.
              Даже если какой-то бит мы не успеем «намерять» в нужный интервал, ECC спасёт.
              • 0
                Хм, любопытно. Знаете публикации/книги на эту тему?
                • 0
                  Насколько я понимаю, за серьёзную публикацию, а тем более книгу на эту тему (с формулами и действующими прототипами) можно сразу Нобелевку давать.
                  Так что нет, пока не знаю. Ситуация пока на уровне «а что, а вдруг».
              • 0
                Про «синхронизировать часы» вы повеселили.
                Дело в том, что с релятивистскими системами нет понятия одновременности — события могут быть одновременными для одного наблюдателя и неодновременными для другого.
                • +2
                  Да это понятно. Физически — да, синхронности не будет. Но технически ничего не мешает учесть релятивистские поправки, как это уже сейчас для спутниковой связи делается, и получить техническую синхронность с достаточной для передачи данных погрешностью.
          • 0
            В одной из тем уже обсуждалась аналогичная задача. Если я правильно понял и запомнил, то для повтора слабого измерения необходимо «откатить» квантовую систему в исходное состояние (которое было до измерения), но сделать это, оказывается, не так-то просто: для этого требуется прямой доступ ко всей квантовой системе, участвующей в процессе. В частности, к обоим запутанным частицам. То есть смысла в такой передаче информации просто нет.
    • 0
  • 0
    Позвольте поделиться объяснением квантовой запутанности, передачи данных быстрее (?) скорости света и статистике измерений путем ссылки на видео от Veritasium. Это лучшее видео-объяснение из тех, которые я читал/смотрел. Надеюсь, вам понравится.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.