Научные волнения в умах

В последнее время ученые вели себя так, как будто их научные законы неприменимы. Это не означает, конечно, что они бросают им вызов. Нет. Ученым просто нравилось колебаться между действующими правилами, но не нарушать их.

1. Визуализация гравитационных волн, распространяющихся вокруг двух черных дыр

Чрезвычайно точные измерения расстояния являются ключевым компонентом всех методов обнаружения гравитационных волн. Вибрации пространства-времени настолько тонки (1), что не поддаются даже лучшим современным детекторам, лазерным интерферометрам.

Чтобы повысить их точность, физики начали использовать квантовые эффекты, связанные с движением фотонов.

В работе, опубликованной в одном из номеров журнала «Физическое обозрение А» Польские ученые с физического факультета Варшавского университета (FUW) и немецкие из Ганноверского университета показали, что экспериментально доступные так называемые сжатые состояния.

Выжал, может быть, больше

Типичный детектор гравитационных волн представляет собой интерферометр с двумя перпендикулярными плечами. Лучи лазерного света, каждый из которых проходит через свое плечо, перекрываются, создавая характерный рисунок интерференционных полос.

Если бы гравитационная волна, проходящая через прибор, изменила длину одного из плеч немного иначе, чем другого, то гребни и впадины световых волн от обоих плеч сместились бы относительно друг друга и изменили бы расположение полос.

Американский детектор гравитационных волн LIGO (2), наиболее чувствительный из созданных до сих пор, представляет собой систему интерферометров с плечами длиной от 2 до 4 км. Несмотря на такие большие размеры рукавов, даже самые сильные гравитационные волны могут изменить свою длину не более чем на 0,000000000000000001 метра.

LIGO почти улавливает гравитационные волны. Физики однако они не в состоянии их заметить, потому что сигналы, предсказывающие прохождение гравитационных волн, все равно теряются в фоновом шуме. Дальнейшее повышение точности измерений можно получить, используя квантовые свойства фотонов в лазерных пучках.

С целью повышения чувствительности измерений в 2011 г. в европейском интерферометре GEO 600 под Ганновером использовался лазерный свет в специально подготовленном квантовом состоянии, так называемом сжатый вакуум. Электрические и магнитные поля могут существовать в физическом вакууме, но их средние значения равны нулю.

В квантовой оптике невозможно точно измерить величину электрического и магнитного поля световой волны. Эти значения подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга — чем лучше мы знаем одно, тем хуже другое. Состояние сжатого вакуума по-прежнему имеет нулевые средние значения электрического и магнитного полей, но оно устроено таким образом, что можно производить точные измерения значения одного из полей за счет знания другого.

Использование квантово-коррелированных фотонов позволило повысить чувствительность интерферометра GEO 600 примерно на 30 процентов. Дальнейшее повышение чувствительности детекторов гравитационных волн будет возможно в основном за счет изменения геометрии хода световых лучей через интерферометры, уменьшения потерь или значительного увеличения длины их плеч. Из последнего следует, что естественным направлением развития является создание соответствующих приборов в космосе.

2. Американский детектор LIGO

Добраться туда, куда не может добраться оптика

Предел дифракции света не позволяет увидеть в оптический микроскоп объекты меньше половины длины волны света из-за эффектов дифракции и рассеяния света на краях линзы. Для видимого света это около 200 нанометров (нм). В XNUMX веке этот предел стоял на пути дальнейшего развития оптической микроскопии.

3. Разница в изображении между конфокальным микроскопом и после использования метода STED.

Многие внутриклеточные структуры находятся в диапазоне от 10 до 200 нм, а это значит, что в световом микроскопе они выглядят как лишь размытые пятна или вовсе невидимы.

Однако Стефан Хелл, ныне физик Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене и лауреат Нобелевской премии по химии 2014 года, преодолел барьер в световой микроскопии.

В 1993 году, работая на факультете медицинской физики университета в Турку, Финляндия, он предложил построить микроскоп STED (стимулированное эмиссионное истощение).

Принцип работы конфокальной микроскопии (т.е. обеспечивающей повышенный контраст и разрешение) по сравнению с классической световой микроскопией основан на удалении при попадании в детектор света, попадающего в объектив из-за пределов фокальной плоскости.

Также удаляются любые блики, исходящие не от точки фокусировки. Для этого используется дополнительная диафрагма с отверстием, расположенная перед входом извещателя. В STED-микроскопе Стефан Хелл использовал дополнительный кольцеобразный луч, который гасил флуоресценцию на краю возбужденной точки, что значительно улучшало разрешение.

Позже был сконструирован конфокальный микроскоп, сочетающий известную в микроскопии технику 4Pi с STED, позволяющую получить даже невероятное пространственное разрешение изображения (3). Это очень простая идея, чтобы получить супер разрешение. Идея, которая была экспериментально реализована через несколько лет.

В биологических образцах нам удалось снизить разрешение с 200 до даже 20 нм, а значит, мы видим в 10 раз лучше. На данный момент рекорд разрешения для биологических образцов составляет 20 нм. Однако это не абсолютный предел, поэтому техника может пойти еще дальше.

Работа над улучшением разрешения продолжается. Идея состоит в том, чтобы достичь атомарного разрешения на уровне ангстрема, то есть одной десятой нанометра. В случае твердых образцов, например центров окраски в алмазе, разрешение, которое можно получить, составляет 2 нм.

Меньше абсолютного нуля

Со времен лорда Кельвина высокая температура тел объясняется высокой кинетической энергией их атомов и молекул. Низкая температура, в свою очередь, является следствием малой энергии компонентов вещества. Абсолютный нуль температуры описывается неподвижностью атомов. Однако достижение этого кажется невозможным, так как для этого потребуется температура ниже абсолютного нуля, что невозможно.

Вот тут-то и начались в последнее время сомнения… Оказалось, что температура зависит не только от движения молекул, но и от того, как распространяется энергия, от возрастания беспорядка или энтропии. Увеличение энтропии предполагает тепловой поток и изменение температуры. Уменьшение энтропии с увеличением энергии противоречит тому, что некоторые могут подумать, — уменьшению температуры.

В результате возникает «зеркальный мир» температур ниже абсолютного нуля, простирающийся до отрицательной бесконечности. Конечно, наша интуиция подсказывает нам, что уровень беспорядка увеличивается при движении, а это, в свою очередь, означает повышение температуры и т. д. Гораздо экзотичнее звучит ситуация одновременного увеличения энергии и уменьшения энтропии.

4. Иллюстративное поведение атомов по обеим сторонам температурной шкалы — выше и ниже абсолютного нуля.

Что не означает, что физики они не могут получить такое состояние в своих лабораториях. Не так давно группа из немецкого Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене под руководством Ульриха Шнайдера охладила атомы до температуры чуть выше абсолютного нуля с помощью лазеров.

Они получили ультрахолодный газ, состоящий из атомов калия. Атомы удерживались в нужном положении с помощью лазеров и магнитных полей.

При температуре выше 0°К (Кельвина) атомы отталкиваются друг от друга, создавая устойчивую структуру. После быстрого изменения параметров магнитных полей атомы начали притягиваться друг к другу.

Это быстро изменило состояние атомов из наиболее стабильного с наименьшей возможной энергией в состояние с максимально возможной энергией.

При положительных температурах такое изменение нарушило бы всю структуру, состоящую из атомов.

Однако с изменением магнитного поля ученые изменили свойства лазеров, удерживающих атомы в ловушке, таким образом, что атомам было энергетически выгодно оставаться на своих позициях. В результате наблюдался скачок температуры от долей выше абсолютного нуля до нескольких миллиардных долей Кельвина ниже.

Таким образом, преграда доселе непреодолимой -273,15°С (0°К) рухнула (4). В эксперименте, упомянутом в начале, мы имеем дело с системой чрезвычайно холодных атомов (доли градуса выше абсолютного нуля), которые находятся в так называемом оптическая решетка, своеобразная клетка для атомов, созданная лазерными лучами.

Атомы в оптической решетке позволяют нам регулировать не только нашу энергию, но и взаимодействие между ними. В такой изолированной системе проявляется квантовая природа материи, мы уже не можем отождествлять энергию с сумасшедшими атомами, гоняющимися с любой скоростью. На этот раз у каждого атома есть только определенные позиции на энергетической лестнице, на которых он может сидеть — технически известные как энергетические состояния.

Температура такой нетипичной системы определяется соотношением между энергией и энтропией. Набор атомов можно подготовить таким образом, чтобы на энергетической лестнице были высшие допустимые положения, т.е. по мере поступления энергии «порабощенные» атомы не могли прыгнуть выше и начали устраиваться в эти высшие допустимые энергетические состояния.

Таким образом, мы имеем возрастающий порядок, т.е. энтропия убывает. Опять же, используя наше общее определение температуры, мы имеем уменьшение энтропии по мере увеличения энергии — на практике температура падает — расположение атомов от доли градуса температуры выше нуля переходит на другую сторону шкалы.

Процесс изменения температуры не является непрерывным, а значит, по пути мы не достигаем нулевой температуры. Шкала температур от самой низкой до самой высокой не соответствует алгебраическому порядку. Он начинается с нуля, проходит через положительный диапазон до бесконечности, а затем возвращается на полный круг от минус бесконечности до нуля.

Ахим Рош, физик-теоретик из Кёльнского университета, разработавший метод, использованный Шнайдером, объяснил эксперимент тем, что при температурах ниже абсолютного нуля стабильные системы могут вести себя неожиданным образом. По его мнению, атомы газа, которые в нормальных условиях притягиваются силой тяжести вниз, при отрицательных температурах могут не реагировать на силу тяжести и всегда двигаться вверх.

Не исключено также, что на отрицательной шкале Кельвина можно будет изучать темную энергию, которая, по мнению физиков, ответственна за то, что Вселенная расширяется, даже несмотря на сильные гравитационные силы, действующие внутри. Также стоит подчеркнуть, что определение шкалы температур с использованием кинетической энергии молекул, устоявшееся в нашем сознании, относится только к идеальным газам.

Однако такое определение связано с нашим повседневным ощущением тепла и холода, поэтому оно нам так близко. Согласно этому упрощенному определению, нельзя говорить об абсолютном нуле, так как прежде чем движение молекул газа прекратится, оно изменит агрегатное состояние. Однако нулевая шкала определяется гипотетически растянутой зависимостью между давлением, объемом и температурой.

Эйнштейн был прав, но…

Как видите, в мире физики нет святости. Даже предположение теории Эйнштейна о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, с точки зрения физиков, не так абсолютно, как кажется. «Теоретически из специальной теории относительности не следует, что ничто не может двигаться быстрее света», — сказал Абхай Аштекар, физик из Университета штата Пенсильвания в Америке, в ноябрьском номере NewScientist.

Представляется, что некоторые явления могут нарушать этот «святой» принцип. Например, ударные волны, генерируемые в воде космическими лучами, образуют оптический эквивалент ударных волн при прохождении звуковых барьеров. Отсюда следует, что результирующие волны должны двигаться быстрее света.

С другой стороны, однако, они опережают свет в воде, а не в вакууме теории Эйнштейна. Примат скорости света как бы согласуется с явлениями, наблюдаемыми на окраинах Вселенной, где галактики удаляются быстрее физической «максимальной скорости».

Кроме того, явления квантовой запутанности, кажется, обходят световой барьер. Однако оба эти явления не нарушают теорию, поскольку расширение Вселенной есть расширение системы отсчета скорости, а не скорости, и в обмене информацией между запутанными частицами мы все же ограничены световым пределом.

Как вы видете, современные ученые Им нравится сбивать с толку людей, в распоряжении которых есть только знания, полученные в школе. Они не подрывают теорию, но сеют сомнения в том, что мы имеем определенное и доказанное описание мира. Впрочем, возможно, так и должно быть. И из этого смешения возникнут новые интересные гипотезы, теории, а в итоге и открытия.