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.

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!

Кстати, этот топ появился здесь не только потому, что все любят топы, но и по ещё одной причине. Это, фактически, план моего выступления, которое пройдёт в ближайшую субботу, 3 февраля, в Москве, в центре «Архэ». Все подробности по ссылке: http://arhe.msk.ru/?tribe_events=итоги-2017-года-в-физике

Приходите! А если не можете прийти — присоединяйтесь к прямой трансляции. И участие, и трансляция платные, но на мой взгляд, вполне доступные, а собранные деньги помогут возместить мой проезд до Москвы и обратно.

Кстати, пока я тут занимался отчётами и увиливал от научно-просветительской деятельности, вышло моё интервью в газете «ТрВ-Наука», где я в том числе рассказал о том, как завёл этот канал и как его веду. Кому интересно вот ссылка: http://trv-science.ru/2018/01/16/nauka-v-telegrame/

На N+1 крутая, но не очень простая (или не очень простая, но крутая?) статья Дмитрия Трунина, которая приоткрывает завесу того, как физики пытаются строить «теории всего». Из неё можно узнать, что такое «действие» и как можно в красивой и компактной форме записывать очень сложные уравнения. И да, не пугайтесь формул. Если немного поднапрячься, то вы поймёте, что они там совсем не сложные: https://nplus1.ru/material/2018/02/02/just-looking-for-some-action

В январе у меня вышла научная статья в журнале Nature Communications. Решил рассказать о ней в научно-популярной заметке: http://telegra.ph/Magnitnoe-pole-pomeshalo-sverhmoshchnomu-lazeru-razognat-protony-02-08

Хорошая статья вышла недавно и у моих коллег. В журнале Scientific Reports они рассказали о том, как с помощью сверхмощных лазерных систем следующего поколения можно будет получать электрон-позитронную плазму, концентрация частиц в которой на порядки превышает концентрацию частиц в самых плотных металлах.

Подробности можно почитать в моей заметке на N+1: https://nplus1.ru/news/2018/02/08/plasma

Одна из главных гонок современной физики — это гонка за регистрацией частиц тёмной материи (или, как учит нас астрофизик Сергей Попов, правильнее, тёмного вещества). Помимо специализированных детекторов, которые пытаются засечь те тёмные частицы, которые летают вокруг нас, поиск ведёт и Большой адронный коллайдер, в котором тёмные частицы могут появиться в результате столкновения протонов.

Опубликованные, однако, только что свежие данные по поиску так называемых тёмных фотонов не содержат в себе признаки их существования. Это не отменяет их совсем, но ограничивает силу их взаимодействия с обычным веществом, что может «закрыть» некоторые теории.

Тёмные фотоны названы так, поскольку похожи на фотоны обычные, но осуществляют взаимодействие между тёмными частицами. В отличии от обычных фотонов тёмные фотоны, если существуют, то скорее всего должны иметь массу. На коллайдере их ищут по распаду на мюон и антимюон.

Интересующихся отсылаю к более подробной заметке в N+1: https://nplus1.ru/news/2018/02/12/no-dark-photons

Весной следующего года в космос должен отправиться самый дорогой телескоп в истории — «Джеймс Уэбб» стоимостью более 10 млрд долларов. Одной из его научных задач станет исследование загадки коричневых карликов — странных объектов заметно тяжелее газовых гигантов типа Юпитера, но недостаточно тяжёлых, чтобы в их недрах зажглась термоядерная реакция. Об этой загадке и том, что нам даст «Уэбб», читайте в моей свежей заметке: http://telegra.ph/Samyj-dorogoj-teleskop-v-istorii-izuchit-zagadku-korichnevyh-karlikov-02-13

Известно, что если электрон ускорять, то он излучает электромагнитные волны. Эти волны уносят энергию, и следовательно, на электрон должна действовать сила торможения. Причём эта сила должна зависеть не только от положения электрона и его скорости, но и от его ускорения. Это приводит к тому, что формальное решение уравнений Ньютона для такого электрона содержит очевидно абсурдные вещи. Например, электрон может непрерывно увеличивать свою скорость даже в отсутствии внешних сил.

Такое странное поведение уравнений формально связано с тем, что у электрона есть электрическое поле, и его энергия, вообще говоря, бесконечная. Соответственно, двигая электрон, мы двигаем и это поле с бесконечной энергией. Такое возможно только если формально предположить, что у электрона бесконечная отрицательная масса, так что эта бесконечность компенсирует бесконечную энергию поля и полная их энергия равна реально наблюдаемой энергии покоя электрона.

Вычитание бесконечностей, однако, математически некорректная операция, именно поэтому появляются абсурдные решения уравнений Ньютона. Более-менее последовательно проблема с бесконечностями решается только в квантовой электродинамике (КЭД), но и там используется невполне математически коррректная операция перенормировки.

На практике решить уравнения КЭД точно невозможно, поэтому используют разные приближённые методы, однако до последнего времени не было способа их проверить — сила трения, действующая на электрон со стороны испускаемого им излучения, в большинстве случаев чрезвычайно мала. Современные петаваттные лазеры позволили наконец измерить эту силу. Точности измерений пока не хватает, чтобы оценить точность приближённых моделей, но сам эффект продемонстрирован.

Об этом замечательном эксперименте я написал заметку в N+1: https://nplus1.ru/news/2018/02/13/radiation-reaction

Ранее я давал ссылку на интервью со мной, которое вышло в январе в ТрВ-наука, но в этом же месяце вышло и ещё одно моё интервью — в региональном нижегородском издании ИЛИ. На мой взгляд, оно хорошо дополняет сказанное в Троицком варианте: http://www.ili-nnov.ru/artem-vladimirovich-korzhimanov-ya-khochu-chtoby-u-nauki-byl-polozhitelnyjj-imidzh/

Помните, я в прошлом году рассказывал о детекторе нейтрино COHERENT размером с трёхлитровую бутылку? https://news.1rj.ru/str/physh/480

Суть там была в том, что регистрировали взаимодействие нейтрино не с протоном или дейтроном, как обычно, а с тяжёлыми ядрами цезия и иода. Сила отдельного взаимодействия при этом меньше, но зато его вероятность — намного больше. Это и позволило на порядки уменьшить размера детектора.

Так вот, теперь другая группа учёных, взяв полученные на новом детекторе данные, показала, что их можно использовать для более чувствительного поиска всяких нестандартных свойств нейтрино и экзотических видов этой частицы.

В частности, они оценили магнитный момент и эффективный зарядовый радиус нейтрино. Эти величины должны быть равны нулю, но из-за тонких эффектов могут всё же немного от нуля отличаться. Собственно, COHERENT отличий их от нуля и не увидел, но точность измерения повысил.

Ну и кроме того учёные оценили возможность обнаружения четвёртого типа нейтрино — так называемого стерильного. Признаков его существования также не нашли, но ограничения на его свойства увеличили.

Подробности в N+1: https://nplus1.ru/news/2018/02/19/CEvNS-constraintsCEvNS-constraints

Не только в лотерее можно сорвать крупный куш. В астрономии тоже такое случается. Совершенно потрясающая история: астроном-любитель настраивал свой телескоп и случайно засёк первые часы взрыва сверхновой! Теперь аргентинец Виктор Бузо соавтор статьи в Nature: https://nplus1.ru/news/2018/02/23/first-light-from-supernova

Постоянные читатели канала знают, что я часто пишу о подготовке к запуску самого дорогого в истории телескопа — «Джеймса Уэбба». Так вот, у меня грустные вести. 28 февраля Счётная палата США выпустила отчёт о текущем состоянии проекта и пришла к выводу, что велика вероятность, что запуск аппарата, который и так был перенесён с октября 2018 года на весну-июнь 2019, будет отложен ещё дальше из-за недооценнёной сложности сборки всех компонентов телескопа воедино.

Это, естественно, приведёт к увеличению затрат на телескоп, которые скорее всего привысят 8 млрд долларов — именно такой потолок установило в 2011 году Правительство США для разработки проекта (ещё около 800 млн потребуется на поддержание его работы уже после запуска).

Есть ли какая-то реакция на этот отчёт, я не знаю, и надеюсь, что проект не решатся в последний момент закрыть (подобное редко, но случалось — например, так в 1986 году закрыли проект уже построенной термоядерной установки MFTF на основе открытой ловушки). Но ситуация, очевидно, не самая приятная.

Сам отчёт можно почитать здесь: https://www.gao.gov/products/GAO-18-273

Помните, в прошлом году сразу две научные группы продемонстрировали квантовые компьютеры на основе атомов или ионов в оптических ловушках из 51 и 53 кубитов? А затем ещё и IBM объявило о создании прототипа сверхпроводящего 49-кубитного компьютера. Ожидалось, что в конце года о том же объявит и Google, но не сложилось. Теперь понятно, почему.

Google решил поднять ставки. Вчера на ежегодной встрече Американского физического сообщества компания представила 72-кубитную машину Bristlecone. Помимо прочего, в архитектуру процессора встроена система коррекции ошибок, что позволило заметно снизить их количество.

Ничего полезного, я так понимаю, на этом компьютере пока не сделали, но Google «cautiously optimistic», что ей вскоре удастся продемонстрировать пресловутое квантовое превосходство.

Подробности у N+1: https://nplus1.ru/news/2018/03/06/google-72-qubit

Как вы думаете, каких частиц больше всего во Вселенной? Нейтронов? Фотонов? Может, нейтрино? Ха! Как бы не так. По всей видимости, больше всего во Вселенной гравитонов — порядков так на 20. Почему так, разобрался Дмитрий Трунин на N+1: https://nplus1.ru/blog/2018/02/21/how-many-gravitons

В мою группу VK скинули в предложку попытку изложить квантовую теорию поля с одной стороны доступно и без излишнего математического формализма, а с другой — всё же не на уровне общих слов, а с формулами. Получилось, на мой взгляд, весьма годно, так что делюсь с вами.

Грустные вести. Скончался Стивен Хокинг :(
http://www.bbc.com/russian/news-43395857

На «Индикаторе» вышло интересное интервью с Аленом Аспе — экспериментатором, который первым в мире показал нелокальность квантовой механики и является сейчас главным специалистом в этой области. Если вы давно пытаетесь разобраться, что такое квантовая запутанность, неравенства Белла и нелокальный реализм, то крайне рекомендую: indicator.ru/article/2018/03/20/intervyu-aspe

Ну что ж, как и ожидалось, пессимистичный отчёт Счётной палаты о текущем состоянии проекта космического телескопа «Джеймс Уэбб», о котором я писал пару недель назад https://news.1rj.ru/str/physh/541, не пропал даром. На днях NASA официально объявило, что запуск аппарата откладывается ещё, как минимум, на год — предварительно на май 2020 года. Причина — недооценка сложности сбора всех комплектующих воедино и их тестирования.

Ссылка на пресс-релиз NASA: https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-webb-observatory-requires-more-time-for-testing-and-evaluation-new-launch
А здесь можно узнать 10 фактов о самом дорогом телескопе в истории: https://zen.yandex.ru/media/physh/10-faktov-o-samom-dorogom-teleskope-v-istorii-59f09ca3ad0f22225c32e181