Невозможное, которое стало возможным благодаря физике
Невозможное возможно…
В странном мире физики невозможное всегда возможно. Но в последнее время многим ученым удалось превзойти даже это утверждение и добиться того, что раньше казалось полностью невероятным.
1. Холодный холод
Чудеса физики: холодный холод.
В прошлом ученые не могли охладить объект до температур ниже так называемого «квантового предела». Чтобы заморозить что-то с помощью лазера, нужно замедлить атомы этого вещества и их тепловыделяющие вибрации, но до сих пор не удавалось снизить температуру ниже квантового предела.
Только сейчас физикам удалось разработать барабан из вибрационного алюминия и снизить его температуру до 360 мкКельвина, что в 10 000 раз ниже температур в глубинах космоса. Это достижение может однажды сыграть роль в разработке сверхбыстрой электронике и помочь разгадать поведение частиц в квантовом мире.
2. Самый яркий свет
Чудеса физики: самый яркий свет.
Сияние нашего собственного Солнца уже заслуживает внимания. А теперь стоит только представить себе объединенный свет миллиарда солнц. Речь идет об эквиваленте того, что физики недавно «пробудили к жизни» в лаборатории. Официально это стало самым ярким светом, когда-либо зарегистрированным на Земле, но что необычно, этот свет также вел себя неожиданным образом. Он изменял внешний вид объектов.
3. Молекулярная черная дыра
Чудеса физики: молекулярная черная дыра.
Группа физиков недавно создала что-то, что повело себя как черная дыра. Они применили самый мощный рентгеновский лазер в истории – Linac Coherent Light Source (LCLS), чтобы разбить молекулы иодметана и иодбензола. Исследователи ожидали, что луч «выбьет» большую часть электронов из атома молекулы иода, оставляя на их месте вакуум. В экспериментах с более слабыми лазерами эта пустота затем заполнялась электронами из внешней части атома. Но когда включился LCLS, произошло что-то удивительное.
Вместо того, чтобы восстанавливаться сам собой, атом йода начал «пожирать» электроны из соседних атомов водорода и углерода. Это было похоже на крошечную черную дыру внутри молекулы. Цикл повторялся до тех пор, пока вся молекула не взорвалась. Атом иода был единственным атомом, который вел себя так.
4. Металлический водород
Чудеса физики: металлический водород.
Его называют «святым Граалем физики высокого давления», но до сих пор ни один ученый не преуспел в создании металлического водорода. В качестве возможного сверхпроводника он является весьма востребованной формой элемента, который в обычном виде представляет собой газ. Возможность превращения водорода в металл была впервые предложена в 1935 году.
Физики предположили, что массовое давление может вызвать подобную трансформацию, однако проблема заключалась в том, что технологии не позволяли добиться настолько сильного давления. В 2017 году американская команда изменила старую технологию и впервые провела предварительные эксперименты внутри устройства, названного ячейкой алмазного пресса. Устройство смогло произвести ошеломляющее давление: около 500 000 МПа.
5. Компьютерный чип с ячейками мозга
Чудеса физики: компьютерный чип с ячейками мозга.
Когда дело доходит до развития электроники, ученые предполагают, что однажды свет может однажды заменить электричество. Физики поняли потенциал света в этом отношении еще несколько десятилетий назад, когда стало ясно, что его волны могут перемещаться параллельно друг другу и, таким образом, выполнять сразу несколько задач. Традиционная электроника полагается на транзисторы, но недавно был изобретен компьютерный чип, имитирующий мозг человека.
Он быстро «думает», используя лучи света, которые взаимодействуют друг с другом аналогично нейронам. В прошлом были созданы более простые нейронные сети, но оборудование для них занимало несколько шкафов. Считалось невозможным создание чего-то более маленького. Однако, ученые смогли сделать из силикона новый чип, размер которого составляет всего пару миллиметров.
6. Невозможная форма материи
Чудеса физики: невозможная форма материи.
Этот причудливый материал имеет жесткую кристаллическую структуру, присущую твердым телам, в то же время представляет собой жидкость. Этот парадокс был предназначен для того, чтобы оставаться нереализованным, потому что он противоречит известной физике.
Однако в 2016 году две независимые научные группы сделали материал под названием «сверхтекучее твердое тело». Швейцарские и американские ученые создали подобное с помощью лазеров, которыми меняли плотность атомов в жидком веществе до появления в нем кристаллической структуры.
7. Жидкость с отрицательной массой
Чудеса физики: жидкость с отрицательной массой.
В 2017 году физики разработали умопомрачительную вещь: форму материи, которая притягивается к силе, которая отталкивает ее. Положительная масса – это норма, к которой привыкли большинство людей: если что-то толкать, то объект будет ускоряться в том направлении, в которое его толкают. Но впервые была создается жидкость, которая ведет себя не так, как все в этом мире, а сделали ее из замороженного бозе-эйнштейновского конденсата из атомов рубидия, облучаемого лазерами.
8. Кристаллы времени
Чудеса физики: кристаллы времени.
Когда Фрэнк Вильчек, физик-лауреат Нобелевской премии, предложил идею кристаллов времени, его теория казалась сумасшедшей – особенно та часть, которая касалась воспроизведения вечного движения в так называемом «основном состоянии», самом низкоэнергетическом уровне энергии в материи. Движение теоретически невозможно, потому для него необходима энергия, а ее почти нет.
Вилчек считал, что вечное движение может быть достигнуто путем изменения основного состояния атома кристалла из стационарного в периодичное . Такая атомная структура объекта повторяется во времени, обеспечивая постоянное «переключение» без необходимости в энергии. Это противоречило законам физики, но в 2017 году, через пять лет после того, как Вилчек предвидел подобное, физики сделали первые «кристаллы времени», сумев добиться вращения азотных примесей в алмазе.
9. Брэгговские зеркала
Чудеса физики: брэгговские зеркала.
Брэгговское зеркало не может много отражать, ведь его размер составляет всего от 1000 до 2000 атомов. Но оно может отражать свет, что делает его полезным в тех местах, где нужны мельчайшие зеркала, например, в современной электронике. Это «зеркало» имеет условную форму: атомы висят в вакууме, напоминая цепочку бисера.
В 2011 году группа немецких физиков создала наиболее отражающую на сегодняшний день (80 процентов) подобное зеркало путем составления из десяти миллионов атомов решетчатой структуры. С тех пор датская и французская команды значительно сократили количество необходимых атомов. Вместо связывания атомов, сгруппированных вместе, они «нанизали» их в ряд на микроскопические оптические волокна.
Помимо перспективных безграничных достижений в области технологий, это может в один прекрасный день оказаться полезным в квантовых устройствах, поскольку атомы дополнительно использовали световое поле для взаимодействия друг с другом.
10. 2-D магнит
Чудеса физики: 2-D магнит.
Физики пытались создать двумерный магнит с 1970-х годов, но всегда сталкивали с неудачей. Настоящий 2-D магнит должен сохранять свои магнитные свойства даже после того, как будет разделен до состояния, которое делает его двумерным – слоя толщиной всего в один атом. Ученые стали сомневаться, возможен ли такой магнит.
В июне 2017 года при очередной попытке создать 2-D магнит исследователи экспериментировали с трииодидом хрома. У них получился первый в мире настоящий двухмерный магнит, причем при удивительно теплой температуре («всего» -228 градусов по Цельсию).
На данный момент магнит не работает при комнатной температуре, и кислород повреждает его. Несмотря на свою хрупкость, 2-D магниты позволят физикам завершить эксперименты, которые считались невозможными до сих пор.