Пробивите във физиката през 2015: Нови частици и квантова телепортация

[Last roman]

Откриването на предвидени досега само на теория частици (фермионите на Вайл) и квантовата телепортация на разстояние от 1,28 км са двете постижения, които според екипа ни биха могли да спорят за най-голям пробив във физиката през 2015-та.

2015 бе определена за международна "година на светлината" съвсем неслучайно. Точно преди 100 години, през 1915, Алберт Айнщайн публикува своята Обща теория на относителността, на която посветихме десетки публикации. Заедно с публикуваната 10 години по-рано Специална теория на относителността те преобръщат наопаки представата на физиката за света. 

 

Квантова телепортация на 1,28 км - краят на локалния реализъм

Почетното място в класацията низа пробив във физиката за 2015-та е за един успешен експеримент в квантовата механика. Резултатите бяха публикувани онлайн в края на октомври в статията на екипа изследователи от Университета по технологии в Делфт (Холандия), ръководен от Роналд Хенсън (Ronald Hanson). 

Това е почти перфектен експеримент за проверка на реалността, доказващ съществуването на явлението, наречено "квантово вплитане" и успешното прилагане на квантовата телепортация като средство за комуникация от разстояние от около 1,28 км. И още нещо - опитът е доказателство, че теорията на Айнщайн, че в квантовата механика има "скрити променливи" е погрешна.

Квантовото вплитане означава, че измерването на свойствата на една от двойка квантови частици (фотони), се отразява на другата квантова частица, независимо, че може да са разделени не само от километри, но дори и от светлинни години.

През последното десетилетие са били направени десетки експерименти от този вид, използващи различни физически системи, но при всички от тях са намирани вратички, позволяващи да се предположи съществуването на класическо обяснение на наблюдаваните резултати. Работата на физиците от университета в Делфт позволява да "затворят" повечето от тях. 

^{Схема на експеримента. Източник: http://arxiv.org/pdf/1508.05949v1.pdf}

Понятие от измисления свят на Star Trek, телепортацията привлича вниманието и на учените, и на обществеността. Реалността се слива с фантастиката през 1993 г., когато международна група от физици доказва теоретично, че телепортацията на квантово състояние е напълно възможна, но не като пренос на материални частици през пространството, а само на информация.

Изследването на холандските физици води възможността за създаване на мрежи от квантови компютри. Засега квантовите компютри, които биха могли да решават някои класове проблеми много по-бързо, отколкото дори най-мощните съвременни компютри, остават далечна цел.

Колайдер от един-единствен електрон

^{Един електрон в магнитно поле ще се върти в кръг и ще излъчва електромагнитни вълни. Източник: Adrian Cho/Science}

През април учени от колаборацията Project 8, съобщиха, че за първи път са наблюдавали циклотронно излъчване от един единствен електрон и са успели да измерят енергията му прецизно. Регистрирани са радиовълни, които се излъчват от един-единствен електрон в магнитно поле.

Новият метод дава възможност за подобряване на точността на измерване, така че може да се използва за изчисляване на една от най-неуловимите стойности във физиката - масата на неутриното. 

Най-после са наблюдавани фермионите на Вайл

Макар че е прогнозирана преди 85 години, едва в средата на юли 2015 бе открита квазичастицата, наречена "фермион на Вайл", от два отделни екипа от учени от Принстън и от Масачузетския технологичен институт. Тази частица се държи в кристали едновременно като материя и антиматерия. Това, че тези частици нямат маса означава, че могат да бъдат използвани във високоскоростните квантови компютри.

Преди близо век Херман Клаус Хуго Вайл (Hermann Klaus Hugo Weyl), немски математик и физик-теоретик, докато водели дискусия за фермионите с колегата си от Висшата техническа школа в Цюрих Алберт Айнщайн, Вайл изказва хипотезата за съществуването на безмасови фермиони с доста фантастични свойства. 

И така Херман Вайл през 1929 г. предлага за първи път съществуването на мистериозни частици без маса, които ще имат спин, но също ще имат "хиралност", което означава, че ще пътешестват през пространството или в ляво или в дясно ориентиран вариант, обяснява Сюй. Когато ляв и десен фермион на Вайл се срещнат, те се анихилират един с друг, както се случва, когато се срещне частица и античастица.

Съгласно Стандартния модел, господстващ модел, описващ елементарните частици, съществуват два основни типа частици: бозони и фермиони. Бозоните са носители на взаимодействията, а фермиони изграждат материята. Последните са елементарни частици с полуцял спин (½, 1½,...), например фермиони са електронът, кварките, които пък в тройки образуват частиците на ядрото на атома - неутроните и протоните.

Фермионите са три вида:

• фермиони на Дирак (масивни),
• фермиони на Майорана (всяка частица е античастица на самата себе си),
• фермиони на Вайл (безмасови).

Учените имат доказателства от ускорителите на частици за съществуването на първите две, но досега последните не бяха наблюдавани. Досега.

В Големия адронен колайдер са открити нов клас частици - пентакварки

^{Пет кварки обвързани заедно в една структура. Източник: CERN}

"Пентакваркът не е просто някаква нова частица", заяви говорителят на LHCb Гай Уилкинсън (Guy Wilkinson). "Това е начин на обединение на кварките, които са основните съставки на обикновените протони и неутрони, в модел, който никога не е бил наблюдаван досега в продължение на 50 години експериментални търсения. Изследването на свойствата му ще ни позволи да разберем по-добре как обикновената материя, протоните и неутроните, от която всички сме направени, е съставена", съобщиха от ЦЕРН през юли.

Частица, съставена изцяло от "чиста сила" - само от глуони

От физиката на елементарните частици знаем, че ядрените частици - протони и неутрони - се състоят от по три кварка, свързани със "слепващите" бозони - глуоните (от англ. glue - лепило). И ако кварките са материални частици, то глуоните са частици, пренасящи взаимодействието.

Глуоният, който е теоретично прогнозиран в рамките на Стандартния модел, се състои само от глуони, без никакви кварки. Неговото откритие е докладвано от Виенския технологичен университет (TU Wien) в Physical Review Letters в края на септември. Австрийците  смятат, че мезон F0 (1710) е точно същият хипотетичен глуоний, който може да се наблюдава непряко - чрез наблюдение на разпада на частицата.

"Нашите изчисления показват, че наистина глуоният може да се разпада на странни кварки" - казва Антон Ребан. Изчисленият разпад на две по-леки частици добре съвпада с наблюденията на разпада на F0 (1710). 

Сероводородът като основа за високотемпературни свръхпроводници

През април международен екип от физици предложи ново обяснение за това, че при високи температури, сероводородът се превръща в свръхпроводник. А по-късно немски физицидоказаха това експериментално - в твърдо състояние съединението провежда електричество без съпротивление при 203,5 K, около -70° С. Успехът бе постигнат, защото физиците от Института Макс Планк са заменили обикновените водородни атоми с техния тежък изотоп - деутерия.

Това все още ниска температура, но е далеч по-висока, отколкото е постигана някога, една голяма крачка, приближаваща ни до висшата цел за постигане на свръхпроводимост при стайна температура.

Нова форма на въглерод, от която може да се произвеждат диаманти при стайна температура

В края на годината изследователи от Университета на Северна Каролина съобщиха, че са открили нова форма на твърд въглерод, наречена Q-въглерод, която е различна от познатите графит и диамант.  Те също така са разработили технология, която превръща Q-въглерода в диамантени структури при стайна температура и нормално налягане.

И накрая - една "оптимистична" новина:

Вселената бавно умира

 

В средата на годината, 11 август, бяха изнесени първите данни на проучването Galaxy And Mass Assembly (GAMA) на Генералната Асамблея на Международния астрономически съюз и публикувани в списание Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

В изследването са участвали повечето от най-мощните телескопи в света и е най-големият в историята обзор на лъченията в небето.

Основният извод е: Вселената бавно умира.

Това, че Вселената бавно изстива, е известно още от края на 90-те. Новото проучване показва обаче, че това се случва за всички дължини на вълните - от ултравиолетовата до инфрачервената. Засега това е най-подробното проучване на енергия в нашата област от Вселената.

Цялата енергия на Вселената е създадена от Големия взрив. Част от нея е заключен в масата на обектите във Вселената. Част от тази маса отново се превръща в енергия, в съответствие с известното уравнение на Айнщайн E=mc²  - източник на излъчването на звездите. Целта на проекта GAMA е да се картографира и моделира генерирането на енергия в голям обем на космоса днес и в различни епохи от миналото.

"Вселената ще старее бавно, но сигурно. Можем да се каже, че прилича на заседял се на дивана старец, увит в одеяло, който заспива, за да не се събуди никога" -... шегува Саймън Драйвер.

http://nauka.offnews.bg/news/a_14/a_31667.html?preview=ok