Физические итоги года — 2021
Привет, Хабр! Настало время подвести научные итоги года.
В современной науке сама работа, подготовка статьи и ее публикация занимают в среднем год-полтора. Поэтому я всерьез опасался, что первый локдаун 2020-го сильнее всего скажется именно на результатах уходящего года. Оправдались ли эти опасения? Давайте посмотрим вместе.
Эксперимент Muon g-2. Credit: Fermilab
Больше всего шума наделали новости о магнитном моменте мюона. Сегодня мы знаем, что его гиромагнитное отношение 
чуть-чуть отличается от двойки. Это различие возникает из-за того, что мюон взаимодействует с рождающимися и исчезающими вокруг него виртуальными частицами и, вообще говоря, является замечательной возможностью проверить нашу картину мира: если мы не можем точно его расчитать, то может быть, мы упускаем из виду существование еще одной элементарной частицы?
То, что эксперимент по измерению 
несколько отличается от теории (примерно на 3 стандартных отклонения), стало понятно еще 15 лет назад. С тех пор большая коллаборация теоретиков, расчитывающих магнитный момент мюона разными способами, пришла к
консенсусу насчет его значения. А эксперимент Muon g-2 перевезли из BNL в Fermilab, где можно было использовать более мощный источник мюонов. Весной с него него пришли результаты первого сеанса измерений: они подтвердили результаты 15-летней давности и лишь немного увеличили разногласие между теорией и экспериментом.
И по иронии судьбы в тот же день в Nature выходит теоретическая работа, предлагающая альтернативный подход к расчету магнитного момента мюона (препринт здесь). Их результат не просто отличается от теоретического консенсуса — он еще и совпадает с результатами обоих экспериментов! Вообще этот метод расчета (квантовая хромодинамика на решетках) хорошо известен теоретикам, но до недавних пор был слишком вычислительно сложным, и главная заслуга авторов — в его существенном ускорении. В любом случае, на сегодня в области сложилась уникальная ситуация: мы вряд ли узнаем что-то новое из экспериментов, зато имеем две противоречащих друг другу теоретических модели. Почему же они отличаются? Хочется верить, что ответ мы получим раньше, чем через 15 лет. А если вас заинтриговала эта история, вы можете прочитать отличный рассказ обо всех ее нюансах на Элементах.
Credit: NASA
В апреле зонд NASA Parker Solar Probe приблизился к Солнцу на рекордное расстояние — всего лишь 16 солнечных радиусов — и впервые в истории вошел в атмосферу Солнца. Точнее говоря, он пересек поверхность Альфвена, на которой кинетическая энергия солнечной плазмы сравнивается с энергией ее взаимодействия с магнитным полем Солнца. Выше этой границы магнитное поле слабеет, и плазма беспрепятственно улетает вдаль, становясь солнечным ветром. А вот под ней, в солнечной короне, магнитные поля сложным и не до конца понятным образом перемешивают плазму и нагревают ее до огромных температур. Ныряя в корону, зонд способен напрямую измерить свойства плазмы, принося нам бесценные данные о кухне солнечной погоды.
Любопытно, что Parker Solar Probe нырнул в атмосферу целых три раза, причем не в перигелии (ближайшей к Солнцу точке), а заметно раньше. Причина проста: магнитное поле Солнца очень неоднородно, поэтому и высота поверхности Альфвена постоянно меняется. Зонду повезло: он пролетел через три стримера, яркие области с высокой плотностью плазмы над крупными магнитными петлями, где атмосфера простирается в космос значительно дальше.
Вообще эта миссия уникальна и своими задачами, и технологическими решениями. От нагрева Parker надежно защищен пористым углеродным щитом с керамическим светоотражающим покрытием: чувствительная электроника в его тени нагревается всего лишь до 30 градусов Цельсия! Сами детекторы плазмы, которые нельзя спрятать за щитом, нагреваются до 1500 °C и сделаны из ниобиевых сплавов и сапфира. Сейчас зонд находится на вытянутой эллиптической орбите: для того, чтобы коснуться Солнца, он выполнил целых пять гравитационных маневров у Венеры. В следующие пару лет ему предстоят еще два, после которых он приблизится к Солнцу на рекордные 9 радиусов и, несомненно, принесет еще много интересных данных.
Credit: Quanta Magazine
Возможно, что форма нашей Галактики заметно отличается от той, к которой мы привыкли.
Последние данные рентгеновского телескопа eROSITA на космической обсерватории Спектр-РГ четко показывают, как два огромных — галактического размера — газовых облака разлетаются от центра Млечного пути.
Вообще о том, что над плоскостью нашей Галактики есть гигантское образование под названием Северный Полярный Шпур (North Polar Spur), стало известно еще на заре радиоастрономии, в 60-х годах прошлого века. Однако его происхождение чаще приписывали облаку межзвездного газа или взрыву сверхновой. Но в 2010-м гамма-телескоп Fermi обнаружил два огромных облака (Fermi bubbles), симметрично разлетающихся от центра Галактики. Логично предположить, что и у Северного Полярного Шпура мог бы быть симметричный компаньон по другую сторону галактического диска. И вот наконец в уходящем году eROSITA обнаружил его свечение в рентгеновском диапазоне (препринт здесь).
Теперь мы знаем, что эта гигантская структура обязана своим происхождением центру Млечного пути: что-то грандиозное случилось 20 миллионов лет назад. Но что именно? На сегодня это остается загадкой. Пока что наиболее стройно звучит гипотеза о релятивистском джете, который испустила сверхмассивная черная дыра в центре Галактики.
Сегодня мы знакомы с разнообразными квантовыми системами. Однако прежде чем начать использовать их на практике (например, для квантовых вычислений), нужно научиться аккуратно управлять состоянием каждого отдельного квантового возбуждения (кубита).
Это называется когерентный контроль (coherent control) и успешно делается со множеством систем: сверхпроводниковые кубиты контролируются микроволновым излучением с точно подобранной частотой и фазой, квантовые состояния атомов и ионов — лазерами, поляризация фотонов — оптическими модуляторами. Атомные ядра — тоже квантовая система: протоны и нейтроны в ядре могут менять свое состояние примерно так же, как электроны прыгают с одной атомной орбитали на другую. Разница лишь в том, что ядерные эффекты на несколько порядков более затратны, чем электронные, и их энергия лежит в рентгеновском диапазоне. Управлять фазой рентгеновских импульсов гораздо сложнее, чем микроволнами, поэтому когерентный контроль ядерных состояний оставался чем-то фантастическим.
Элегантное решение предложила коллаборация из Франции и Германии. Они разделяли короткий (10–10 c) рентгеновский импульс на два с небольшой задержкой между ними. Для этого они использовали тонкую железную пластинку заданной толщины, которая поглощала и потом переизлучала часть импульса. А для управления самым главным параметром — фазой между двумя импульсами — авторы быстро перемещали пластинку, пока она не успела переизлучить: чем больше был сдвиг, тем больше менялась фаза между импульсами. Меняя интенсивность и фазу импульсов авторы смогли полностью контролировать состояние ядра с огромной точностью: задержка между двумя импульсами менялась не больше, чем на несколько зептосекунд (10–21 c)! Подход, предложенный авторами, вне всяких сомнений показал свою эффективность и будет усовершенствоваться дальше. А квантовый контроль ядерных состояний будет интересен и для фундаментальных исследований динамики ядер, и для создания атомных часов небывалой точности.
Согласно Стандартной модели, физические свойства антиматерии должны в точности совпадать по величине с аналогичными свойствами материи. Не так давно из элементарных античастиц научились собирать атомы антиводорода, и для проверки Стандартной модели было бы очень интересным сравнить их с водородом. Загвоздка в том, что для точного измерения свойств атомов их нужно охлаждать, однако привычные способы охлаждения с антиматерией не работают. Для испарительного охлаждения нужны пока что недостижимые плотности антиматерии, а для симпатического охлаждения нужна смесь атомов разных веществ, но антиматерию невозможно смешать с какой-либо другой материей. Есть еще лазерное охлаждение, прекрасно работающее с многими атомами…, но для охлаждения водорода (или антиводорода) потребовался бы стабильный одночастотный лазер с длиной волны 122 нм в жестком ультрафиолете. Это не рентген, но тем не менее, таких лазеров пока что просто не существует.
Тем не менее, сделать это удалось международной команде, собравшейся в CERN. Для получения нужной длины волны они использовали красный диодный лазер (729 нм) и генерировали его шестую гармонику в нелинейном процессе. Для эксперимента около тысячи атомов антиводорода накапливалось в вытянутой магнитной ловушке, после чего начинался процесс доплеровского охлаждения. Это довольно простой, но красивый и эффективный метод: два лазерных пучка освещают облачко атомов с двух сторон, причем энергии фотонов чуть-чуть не хватает, чтобы перевести электрон на другой энергетический уровень. Но если атом движется навстречу одному из лазеров, то эффект Доплера компенсирует эту нехватку энергии, немного меняя видимую длину волны лазера. Таким образом, атом — куда бы он ни двигался — получает квант света «в лоб», который тормозит его и понижает температуру всего облачка.
Этот же подход прекрасно сработал и с антиводородом. Авторы не смогли измерить конечную температуру облачка, но увидели четкие признаки его охлаждения. В планах авторов провести сверхточную спектроскопию для проверки Стандартной модели, и может быть даже собрать несколько молекул антиводорода.
Credit: NIST
В более привычных нам квантовых системах прогресс скорее не научный, а технологический.
Квантовой запутанностью между двумя фотонами или атомами сейчас никого не удивишь. Другое дело — объекты покрупнее. Квантовые состояния очень хрупки и могут легко потерять когерентность от взаимодействия и с окружающей средой, и с богатым внутренним миром внутренними степенями свободы системы, поэтому квантовые эффекты в макроскопических объектах — это всегда сложно и интересно. В уходящем году отличились целых два коллектива из университета Аалто (Финляндия) и NIST (США). Каждая из групп сумела не просто пронаблюдать квантовые эффекты в двух алюминиевых наномембранах, но и квантово запутать их колебания.
Манипуляции с такими системами осуществляются весьма изящным способом: мембрана и окружающий ее электрод образуют микроволновый резонатор, резонансная частота которого меняется в зависимости от отклонения мембраны. Посылая в такой резонатор сигнал на нужной частоте можно и измерять точное положение мембраны, и влиять на квантовое состояние резонатора. Теперь если взять два таких резонатора и установить между ними электрический контакт, то они будут оказывать внияние друг на друга. Чем-то это напоминает два связанных маятника:
Аккуратно контролируя связь между мембранами и их состояние, обеим коллективам удалось квантово запутать движение двух мембран и подтвердить это, измерив параметры их колебаний (препринты работ UAalto и NIST). Что любопытно, они использовали два разных, по-своему интересных подхода к созданию запутанности. Обе демонстрации подводят квантовые эффекты на шаг ближе к классическому миру и могут быть перспективными для квантовых вычислений или метрологии.
А вот коллектив из Сингапура вместе с коллегами из других стран пошел еще дальше. Их работа еще не прошла рецензирование (и, честно говоря, имеет все шансы его вообще не пройти), но я не смог пройти мимо: слишком уж хорошо она передает дух 2021-го. Авторы утверждают, что сумели квантово запутать… тихоходку.
Ранее часть авторов уже стала известной, получив Шнобелевскую премию за исследование намагниченных тараканов. На этот раз они изучали два сверхпроводниковых кубита, на одном из которых волей случая оказалась тихоходка. Авторы успешно описывают, как присутствие тихоходки меняет резонансную частоту кубита, аппроксимируя ее куском диэлектрика (как грубо!). Потом запутывают то, что они называют «квантовая система кубит+тихоходка» с другим кубитом. Несмотря на то, что бедное животное внесло непосредственный вклад в эту запутанную историю, говорить о запутывании самой тихоходки еще рано: по большому счету, она всего лишь незначительно влияла на один из кубитов.
Да, тихохоходке дали имя: Нил Вормстронг. Нил успешно пережил и охлаждение до 25 милликельвин, и последующую разморозку. Вне всяких сомнений это маленький шаг для тихоходки и огромный скачок для тихоходчества. Во всяком случае, я не удивлюсь, если эти чудесные создания продолжат удивлять нас и в новом году. А пока что всех с наступающим.
Credit: Mia Vedral
По материалам Physicsworld и Quanta Magazine.
