Информация Новости физики

Mrak

Ословед
Тоже самое - на родном языке.
lg.php

[h=2]Физики нашли неуловимую частицу, проливающую свет на устройство вселенной[/h]


В среду физики сообщили о вероятном завершении одного из самых долгих и дорогостоящих поисков в истории науки — они отрапортовали об открытии новой субатомной частицы, которая весьма походит на описанный ранее теоретически бозон Хиггса, могущий помочь понять устройство вселенной.
В Женеве 1000 человек стояли в очереди всю ночь, чтобы попасть в аудиторию Европейской организации ядерных исследований (CERN), где царила приподнятая атмосфера. Питер Хиггс из Университета Эдинбурга был встречен бурными овациями. Подтверждение существования бозона Хиггса или чего-то подобного, весьма схожего на искомую частицу, собрало на эту встречу физиков, полстолетия веривших в существование бозона.
higgs-articlelarge.jpg
Учёные в среду в Женеве приветствуют открытие субатомной частицы, которая напоминает бозон Хиггса (Denis Balibouse)
Директор многонационального исследовательского центра CERN в Женеве Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) заявил о частице: «Я полагаю, она в наших руках». CERN является домом Большого адронного коллайдера (БАК), огромного ускорителя частиц, получающего данные для наблюдений путём столкновения протонов. Результаты исследования были озвучены двумя отдельными командами ATLAS и CMS — два детектора БАК наблюдали новую частицу с массой примерно 125—126 ГэВ. Предположительно, это бозон, причём самый тяжелый из обнаруженных. Господин Хойер назвал открытие исторической вехой.
Он и прочие учёные отмечают, что пока ещё очень рано говорить наверняка о бозоне Хиггса, однако новая частица была предсказана Стандартной моделью, теорией, которая являлась основной в физике в последние полстолетия. Она описывает частицы, формирующие атомы и молекулы и материю, которая нас окружает, а также силы, действующие на них. Теория, впрочем, не объясняла, как частицы обретают массу, и в 1964 году шестеро учёных, среди которых и физик Питер Хиггс (Peter Higgs), предложили объяснение процесса, которое получило имя «механизм Хиггса». Если бы не было массы, все частицы, формирующие материю, двигались бы со световой скоростью и не могли бы формировать материю в том виде, который нам известен. Механизм Хиггса подразумевает наличие некоего поля, пронизывающего вселенную, и позволяющего двигающимся элементам (за исключением фотонов) обрести массу при взаимодействии с бозонами Хиггса (видимыми проявлениями этого поля). Проходя через поле, частицы набирают вес, словно законопроект, проходящий через множество поправок, дополнений и повторных чтений в Государственной Думе. Есть модели, которые не требуют наличия бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц — если бы бозон не был обнаружен, это косвенно свидетельствовало бы в их пользу.
jphiggs3-popup.jpg
Столкновения протонов из исследования (CERN, Associated Press)
В открытии, впрочем, речь может идти о похожей частице, одной из многих, которые ещё предстоит открыть. Эта вероятность может указать на новые, более глубокие идеи, которые точнее описывают природу вещей, чем Стандартная модель. Пока же физики просто называют частицу «похожей на бозон Хиггса».
«Это нечто, что может в конечном итоге быть одним из крупнейших результатов наблюдений любого нового явления в нашей области в последние 30 или 40 лет», — сказал Джо Инкандела (Joe Incandela), физик университета Калифорнии и представитель одной из двух групп, обнародовавших новые данные в среду.
jp-higgs2-popup.jpg
Теоретик Питер Хиггс, в честь которого назван бозон, поздравляет Фабиолу Джианотти (Denis Balibouse)
Физики отмечают, что со временем не исключено обнаружение новых частиц. Отклонения от простейшей версии существующей теории уже предполагаются, а опыты БАК дают новую пищу для размышлений. Стандартная теория описывает лишь известную нам материю, но есть основания считать, что она занимает во Вселенной только 4%. Модель не описывает, например, тёмную материю, не испускающую электромагнитного излучения, но создающую гравитационные эффекты, оказывающие влияние на поведение галактик. Другим вопросом является то, почему вселенная создана из материи, а не из антиматерии. «Если бозон действительно проявляет себя не в соответствии с представлением о нём, из этого может следовать, что в картину устройства вселенной есть что добавить — больше частиц, может быть, больше действующих сил», — сказал физик Нейл Вайнер (Neal Weiner) из Нью-Йоркского университета.
05higgs_lede1-popup.jpg
Учёные в Батавии (штат Нью-Йорк) смотрят презентацию об открытии бозона Хиггса из Женевы (Peter Wynn Thompson, The New York Times)
Кстати, обнародованное открытие стало возможным благодаря созданию БАК, крупнейшей в мире физической машины стоимостью порядка $10 млрд, которая начала функционировать лишь два года назад и пока работает только на половину своей мощности.


http://www.3dnews.ru/news/631887/
 

    марка

    очки: 84
    Нет комментариев

    Quiz

    очки: 525
    Нет комментариев

    Grunger

    очки: 149
    Нет комментариев

Inquisitor

Ословед
Bionic Lasers

In the dawn of the third Millennium, lasers are fast becoming man’s best friend. Be that as it may, the world still perceives them as cold, lifeless devices. Can that image be shaken off, or even turned around? Can lasers be perceived as something that is, on the contrary, warm and full of life?

We can hardly imagine life without lasers; lasers without life, however, are a different story. We think of lasers as sophisticated, yet cold and, precisely, lifeless pieces of optoelectronic technology. Malte Gather and Seok Hyun Yun, from the Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, USA, are now challenging this preconceived image by getting certain cells to emit a bright green laser light.

The difference between a generic light and a laser light is the same as the difference between a crowd of generic people and a crowd of clones. Indeed, the photons making up a laser beam are all identical copies of one another: they all have the same color, all the same direction, all the same phase. Indeed, a laser beam is monochromatic, directional, and coherent.

Посмотреть вложение 2174553
A lasing cell.
Certain fluorescent protein producing cells can be made to emit laser light if placed inside an appropriate optical cavity. Malte Gather and Seok Hyun Yun have obtained a green laser by placing a GFP-producing mammalian cell between two highly reflective Bragg mirrors.

In order to generate light with these properties, a photon must be cloned repeatedly. This is achieved by exploiting a phenomenon known as stimulated emission, originally predicted by Albert Einstein in 1917 [1]: when a molecule is in an excited state, i.e. when it has some extra energy, it can relax to its ground state, thereby releasing the extra energy in the form of a photon; a photon impinging on the molecule can create a clone of itself by stimulating such relaxation of the molecule. With one stimulated emission we get two identical photons, which can impinge on two other excited molecules. Four identical photons… impinging on four molecules… eight! This makes for an exponential number explosion. A crowd of identical photons is created. Of course, since photons are very fast — they travel at the speed of light, that is, at about 300,000,000 meters per second, — one needs to confine them within a small volume, by using a pair of mirrors, for example.

In essence, the description of any laser is the following: a bunch of excited molecules kept between two mirrors so that a laser beam can build up by taking advantage of stimulated emission. Until Gather and Yun’s work, all lasers have been optoelectronic manmade devices. However, some cells can produce a particular protein, known as Green Fluorescent Protein (GFP), which is excitable by light and, in principle, can be used to make a single-cell laser [2]. "It all started out of curiosity," explains Yun. "GFP is widely used in biomedical optics. One day, we wondered why GPF had never been used to build lasers. We made a simple calculation and we knew from the beginning that it would work."

GFP is quite an important protein for biologists and biophysicists — so important, in fact, that it earned Shimura, Chalfie and Tsien the 2008 Nobel Prize for Chemistry. Shimura actually discovered GFP back in 1962 in a species of bioluminescent jellyfish [3]. Important as this discovery was, it wasn’t until 30 years later that Chalfie and coworkers found out how to use GFP to image cellular structures by genetically modifying cells so that they expressed GFP under certain conditions, which could be visualized with a fluorescence microscope [4]. It is mainly thanks to GFP and other molecules of the same family that we now have so many stunning images of cellular anatomy. Given the importance and widespread use of GFP, one might wonder why people didn't use it to build lasers before? "Maybe because there is a gap between the biological and the physical communities," conjectures Yun, "which has only recently begun to narrow"

Gather and Yun took a cell that was expressing a GFP whose fluorescence was particularly bright and placed it between two flat surfaces that reflected green light alone. Then they placed the whole thing under a microscope and excited the GFP by shining short, nanosecond laser pulses. Obviously, they were careful to use sufficiently weak pulses so as not to kill the cell in the process. Some excited GFP emitted some random photons that bounced back on the mirror and stimulated the emission of other identical photons, initiating the process that a split nanosecond later produced a laser beam "strong enough to be visible with the naked eye." The first bionic laser was born.

As with all great eureka moments in science, after the initial excitement has faded, the question arises: What next? Yun envisions two promising possibilities for the application of bionic lasers. Their use to obtain a more accurate knowledge of the structure and the functioning of cells: "since the lasing process is extremely sensitive to small changes of the environment we could detect small changes in the production of some proteins more accurately." Furthermore, "if laser light can be generated inside a body, it could be possible to devise new methods of medical diagnosis and treatment. The cavity might in these cases be provided by some plasmonic nanoparticles or nanoantennas with tailored optical properties."

"This was curiosity driven research," underlines Yun. "I believe that the main significance of the work is to inspire people by telling them that lasers are not only optoelectronical devices, but can also be integrated into biological systems."

[1] A. Einstein, Zur Quantentheorie der Strahlung, Phys. Z. 18, 121-128 (1917).

[2] D. J. Pikas et al., Nonlinear saturation and lasing characteristics of green fluorescent protein, J. Phys. Chem. B 106, 4831-4837 (2002).

[3] O. Shimura, F. H. Johnson & Y. Saiga, Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea, J. Cell. Comp. Physiol. 59, 223-239 (1962).

[4] M. Chalfie, Y. Tu, G. Euskirchen, W. W. Ward & D. C. Prasher, Green fluorescent protein as a marker for gene expression, Science 263, 802-805 (1994).

http://www.opfocus.org/
 

Inquisitor

Ословед
Quantum Computing Closer to Practical

Посмотреть вложение 2174563
Illustration of photon pair generation in an integrated silicon device. An input pump beam in the NIR spontaneously generates special pairs of new photons that emerge at precisely the same time, with one at a slightly lower frequency and the other a slightly higher frequency. The presence of one photon in the pair indicates the existence (i.e., “heralds”) the other.

In a development that brings practical quantum computers closer to reality, a team of researchers demonstrated that they could create heralded single photons from a CMOS-compatible silicon chip operating at room temperature in the near-infrared (Appl Phys Lett 100, 261104). The work was a collaboration of researchers from the National Institute of Standards and Technology (NIST); University of California, San Diego; Politecnico di Milano in Italy; and the IBM Thomas J. Watson Research Center. This paper was one of three finalists in OSA’s Theodore Maiman Student Paper Competition.

Optical quantum computers can theoretically provide radically faster information processing than current technologies, but creating the technology to apply quantum photonics will require that all the necessary devices be integrated and compatible. Pairs of correlated photons are the basis for many quantum computing processes, so the ability to generate these pairs is important. With "heralded" photons, the existence of one photon is announced by the detection of its partner. Heralded pairs of photons could be used in the future to trigger the storage of information in quantum-based computer memories.

They designed the device to enable the nonlinear optical process of four-wave mixing in the silicon waveguide, and pump beam at 1549.6 nm to generate photon pairs at 1529.5 nm and 1570.5 nm.

The ability to create photons around 1550 nm eases integration with telecom fiberoptics and integrated photonics, while the use of silicon provides a relatively inexpensive substrate material and well-developed fabrication methods.

www.osa-opn.org
 

Inquisitor

Ословед
Synopsis: A New Window on Nanometer Apertures

Посмотреть вложение 2190023
J. Yi et al., Phys. Rev. Lett. (2012)

Several precision optical techniques, such as high-resolution near-field scanning microscopy, depend on nanometer-sized holes to guide electromagnetic waves. Scientists have studied diffraction through subwavelength apertures since the 17th century, yet despite extensive effort, theory has not entirely accounted for the
electromagnetic behavior of holes in real metals with finite thicknesses and dielectric constants. In a paper in Physical Review Letters, Juemin Yi, at the University of Strasbourg, France, and colleagues wrap up the problem in a complete package of theory and experiment.

Apertures large compared to the wavelength of electromagnetic waves yield their secrets to a rather straightforward theoretical approach, but when the holes become close to or smaller than the wavelength, the calculations become trickier. Moreover, experimental study is complicated by actual physical implementations involving real materials with a finite thickness rather than infinitely thin metal plates. Yi et al. conducted experiments in which they measured the full diffraction patterns of a circular aperture all the way from large holes down to subwavelength openings in realistic structures.

To accurately understand their observations, the authors find that not only do collective electron oscillations—the surface plasmons—need to be dealt with, but the interaction of the plasmons with waveguide modes of the aperture have to be included. Yi et al. derive a set of simple expressions that make it more straightforward to estimate the total transmission of light through a hole from measurements made along a single direction, as opposed to having to integrate over a wide range of angles. – David Voss
 

Inquisitor

Ословед
Viewpoint: Light and Heat in a Balancing Act

Radiation pressure and thermal effects come together in a new technique for manipulating particles inside a hollow-core photonic crystal fiber.

Physicists’ fascination with the light-matter interaction shows no sign of abating. Now, writing in Physical Review Letters, Oliver Schmidt and colleagues at the Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen, Germany, have demonstrated a novel form of trapping micron-sized particles, a technique that uses both light and thermal (optothermal) forces in tandem.

The branch of optical trapping started with the realization that light can exert miniscule forces on mesoscopic objects via radiation pressure (scattering) that guides or pushes microparticles or cells. When combined with forces resulting from the optical field gradient, this may result in single or multiple traps. Besides the very evocative link to tractor beams in science fiction, such trapping and guiding forces led to profound advances: single-molecule biophysics, colloidal and Brownian dynamics, and a deeper understanding of fundamental light fields. In many of these applications, the trapped microparticle is itself a carefully calibrated, exquisite measurement device. While the vast majority of work has been performed with such traps in an aqueous environment, there has been a recent renaissance in particle trapping in air and vacuum, which is opening up new prospects for aerosol dynamics, microrheology, and even cavity optomechanics.

Посмотреть вложение 2190033
Figure 1 Particle guided in hollow-core PCF approaching a thermal hotspot, shown at several different positions.

However, optical forces are not the only ones at work at the microscale. Both a particle and its environment can absorb light, and this can lead to nonuniform temperature gradients across a microparticle, such that molecular collisions with such objects creates a momentum imbalance across the surface. This occurs because molecules colliding with the “hot” side leave with more momentum than those colliding with the cooler side. The resulting “photophoretic” force can trap and guide particles over incredible distances—on the order of centimeters—in air.

In Schmidt et al.’s study, rather than using a free-space system, the authors exploited the attributes of a hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF) and guided a 3.2 micrometer particle loaded into its air-filled hollow core (Fig. 1). Among an HC-PCF’s exceptional properties is the capacity to support guided modes
essentially without decay, which is in stark contrast to a standard hollow glass capillary. An HC-PCF may be considered as an optical fiber with a two-dimensional periodic array of air holes in the cladding. In a typical case, an existence of photonic band gaps within such periodical structure prevents the light from propagating within the cladding, thus facilitating light confinement in the fiber core. Hence it offers a natural choice for long distance guiding and manipulation of microscopic particles within a confined geometry.

The team performed a number of experiments with the particle confined within the HC-PCF system, introducing thermal forces in a controlled manner. The first involved a cylindrical heating element placed 40 cm from the launch point of the particle, which induced a temperature gradient
ΔT. The authors observed a
reduced (but constant) velocity in the heated region as a consequence of locally increased viscosity (which scales with temperature). The particle then regained its initial velocity after leaving this region, implying that the temperature gradient at the edge of the heating element dictated the particle dynamics. The authors ruled out optical mode variations as a dominant mechanism, since they were seen to contribute only 5% to the variations in speed. A balance between the optical
and thermal forces above a threshold ΔT stopped the particle, and the threshold
ΔT depends linearly on laser guiding power. The authors backed up this
observation with numerical studies, which showed that this stopping effect is related to thermal creep flow (TCF), which influences the velocity of a particle’s motion due to a temperature gradient. TCF occurs at the particle surface (this is known as thermoporesis) and at the fiber core walls, pushing gas molecules towards the hotter regions. This induces a pressure gradient along the fiber core with the highest pressure occurring at the center of the heating element. As a result, this drives a return flow of gas along the center of the core, manifesting itself as a viscous drag, dominating particle motion within the vicinity of the healing element edges. The authors quantified the effect of TCF at the particle surface and at the fiber core wall. By altering the optical power, the thermal and optical forces could be balanced, leaving the particle stationary in the fiber, at the heating element. This threshold optical power scales linearly with the temperature of the heating element.

A second experiment explored a configuration where a particle was guided along the fiber, but this time the outside of the fiber was coated with an absorbing material. In this case, the very forward scattered optical field from the particle is absorbed by this region, which is about 0.5 mm in length, causing a local heating
effect. Again, an optothermal trapping position was seen due to the balance of force that fluctuated only by a few microns upon varying the laser guiding power. Marking the fiber asymetrically (only on the top) still resulted in uniform transverse heating due to the very rapid (microsecond) diffusion time across the fiber. The conclusions meant any transverse thermal forces could be discarded as a contribution.

Finally, by employing a counterpropagating beam approach, in which light of different wavelengths is sent into the fiber from both directions, the authors were able to control the motion of the 3.2 micrometer bead into the absorptive region, and a reduction in particle velocity was seen in all instances. Passing through the
“hotspot,” the particle recovers its entry velocity. The observed asymmetry from the ΔT/Δz across the mark reverses the sign of the drag force.

By using all these configurations, the optothermal force on the particle, which can be accurately measured in hollow-core fiber by balancing it against the radiation forces, turns out to exceed the conventional thermophoretic force by two orders of magnitude. The HC-PCF system allows very precise measurements to be made of thermal forces acting on small particles in confined geometries (difficult to achieve by other means), over a wide range of gas pressures, and is likely to be useful for fundamental studies of fluid dynamics. One may envisage new applications in optofluidics research, Schimidt et al.’s technique could be used to better control the motion of a cell or particle motion. Examples include new ways to separate particles based on size or other physical properties, or creating novel optothermal versions of optical chromatography.

In addition to the possible applications, the present work offers a new playground for understanding and exploiting the fascinating interplay between optical and thermal forces. Nanoplasmonics is another area that may benefit from this technique in systems where the role of plasmonic enhanced optical forces versus the thermal force contribution to microparticle confinement remains unclear. Plasmonics is associated with a dissipative ohmic loss, which may result in deleterious thermal convection accompanying more conventional but enhanced optical forces from plasmon interactions. To circumvent this, recent studies explored trapping using a plasmonic nanopillar with an integrated heat sink [8]. Beyond this, a precise understanding and calibration of forces of thermal origin against those of optical origin in themselves may help understand the role of convective and thermophoretic interactions. In fact, some researchers believe that understanding these forces will be helpful in understanding the mechanisms behind prebiotic evolution [9]. Optical forces are feeling the heat—but this may not be such a bad thing!

References:
O. A. Schmidt, M. K. Garbos, T. G. Euser, and P. S. J. Russell, ”Reconfigurable Optothermal Microparticle Trap in Air-Filled Hollow-Core Photonic Crystal Fiber,” Phys. Rev. Lett. 109, 024502 (2012).
K. Dholakia and T. Cizmar, “Shaping the Future of Manipulation,” Nature Photon. 5, 335 (2011).
D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, “Cavity Opto-Mechanics using an Optically Levitated Nanosphere,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 1005 (2010).
V. G. Shvedov, A. V. Rode, Y. V. Izdebskaya, A. S. Desyatnikov, W. Krolikowski, and Y. S. Kivshar, “Giant Optical Manipulation,” Phys. Rev. Lett. 105, 118103 (2010).
C. Monat, P. Domachuk, and B. J. Eggleton, “Integrated Optofluidics: A New River of Light,” Nature Photon. 1, 106 (2007).
S. J. Hart and A. V. Terray, “Refractive-Index-Driven Separation of Colloidal Polymer Particles Using Optical Chromatography,” Appl. Phys. Lett. 83, 5316 (2003).
M. L. Juan, M. Righini, and R. Quidant, “Plasmon Nano-Optical Tweezers,” Nature Photon. 5, 349 (2011).
K. Wang, E. Schonbrun, P. Steinvurzel, and K. B. Crozier, “Trapping and Rotating Nanoparticles Using a Plasmonic Nano-Tweezer with an Integrated Heat Sink,” Nat. Commun. 2, 469 (2011).
D. Braun and A. Libchaber, “Trapping of DNA by Thermophoretic Depletion and Convection,” Phys. Rev. Lett. 89, 188103(2002).


 

Inquisitor

Ословед
Расшифровано явление квантовой неопределенности

Ученые-физики сумели отчасти расшифровать фундаментальный принцип квантовой механики, а именно соотношение неопределенностей Гейзенберга. Для более точного определения и местонахождения, и момента частицы, было произведено "сдавливание" атомов рубидия.
Автор: Роман Галиброда


Посмотреть вложение 2190043

Ученые-физики сумели отчасти расшифровать фундаментальный принцип квантовой механики, а именно соотношение неопределенностей Гейзенберга. Для более точного определения и местонахождения, и момента частицы, было произведено "сдавливание" атомов рубидия в количестве 40 тыс. штук. Таким образом, квантовое состояние частиц стало зависимым.

Самые значимые физические теории - теория относительности и теория квантовой механики - имеют запреты. Так, теория относительности запрещает передвижение со скоростью, превышающей скорость света. Теория же квантовой механики имеет в своей основе принцип неопределенности, то есть невозможно абсолютно точно определить сразу два параметра частицы - ее местонахождение и момент частицы. Если удается точно определить местонахождение частицы, то невозможно получить точную информацию о ее моменте, и наоборот.

Как известно, запреты действуют раздражающе, вызывают желание нарушить их. Запреты будят пытливый ум ученого, а если являются еще и абсолютными, то это может обозначать только одно - вечный "будильник" мысли, источник вдохновения для поиска новых идей и новых теорий.

Квантовую неопределенность можно выразить численно. Чаще всего это делается с помощью изображения графического круга, внутри которого помещены реальные координаты, а также реальный момент частицы, над которой производятся измерения. Известно, что изменить площадь круга невозможно, однако можно изменить собственно форму области. На протяжении последних нескольких десятилетий физики научились преобразовывать круг в эллипс и даже вытягивать ее в практически прямую линию. Таким образом, обеспечивается точность какого-либо одного параметра измерения частицы, однако вместе с этим точность измерения другого параметра заметно снижается.

Такой эффект называется "сдавливанием" и применяется в науке для "сдавливания" параметров атомов или фотонов, благодаря чему увеличивается точность измерения одного из ключевых параметров. Метод "сдавливания" применяется для достижения максимальной точности, например, атомных часов или магнитно-резонансных томографов. Используется такой метод и в некоторых приложениях военно-оборонной промышленности.

Исследователям из Технологического института Джорджии (США) под началом профессора физики Майкла Чепмена удалось достичь "сжатия" третьего параметра, который получил название "нематический тензор", или квадруполь. Примечательно то, что "сжатие" третьего параметра происходит не на уровне отдельной частицы, а на уровне целой группы частиц. Свойство нематичности определяет степень выстраивания микрочастиц в массиве вещества или объекта и играет важную роль при описании жидких кристаллов, некоторых высокотемпературных сверхпроводников и материалов с экзотическими магнитными свойствами. В эксперименте американских ученых такая особенность, как нематичность, понадобилась для описания особой формы материи, которая получила наименование "конденсат Бозе-Эйнштейна". Этот вид материи примечателен тем, что все атомы указанной субстанции находятся в одинаковом квантовом состоянии. Более подробно результаты исследований ученых опубликованы в журнале Nature Physics.

Подобных результатов ученым уже удавалось достигать 15 лет назад. Однако в то время аналогичные опыты позволяли производить эксперименты по "сдавливанию" систем атомов, которые могут лишь находиться в одном из двух квантовых состояний. Физикам удавалось "сдавливать" суммарный угловой момент таких групп, то есть направление возникающего магнитного поля.

В новых экспериментах, проведенных американскими учеными под руководством Чепмена, группы атомов могли иметь одно из трех квантовых состояний, суммарный спин при этом имел нулевое значение. Такого "сдавливания" до сегодняшнего дня еще никому не удавалось осуществить. Новые опыты позволили ученым произвести "сдавливание" нематического тензора в группе атомов рубидия, количество атомов при этом составляло 40 тыс. штук. Атомы рубидия сталкивались между собой, в результате чего некоторые из атомов имели способность обмениваться квантовыми состояниями. В результате атомы становились квантово зависимыми друг от друга. Как говорит сам Чепмен, такое поведение атомов способно снизить неопределенность измерений и сделать их более точными.

Наблюдаемый эффект в будущем будет крайне важным для точных измерений магнитных полей. Точность измерений очень актуальна при производстве квантовых суперкомпьютеров, в которых накопление информации будет происходить в спинах атомов и их нематическом тензоре.

Сложность проведения дальнейших экспериментов обуславливается излишним шумом, который издают приборы лаборатории. Дело в том, что этот шум способен создавать собственные магнитные поля, которые снижают точность экспериментов, и как следствие, точность измерений.

http://sfiz.ru/
 

    марка

    очки: 93
    Нет комментариев

    Grunger

    очки: 149
    Нет комментариев

Inquisitor

Ословед
Towards Reconciling Einstein and Planck

Quantum physics and general relativity have completely changed our understanding of nature and kick-started the 20th century’s technological revolution — be that as it may, these two theories sometimes deliver contradictive results. A new proposal may finally be able to shed light on this issue.
Посмотреть вложение 2283123
How to challenge our current understanding of physics. Artistic illustration of a proposed experiment to probe quantum gravity: a laser pulse is used to measure the position of a mirror and look for possible quantum gravitational effects. Image: Jonas Schmöle, VCQ, University of Vienna.

Modern physics stands largely on two distinct pillars — quantum physics and general relativity. Interestingly, these two theories are conceptually rather different and they sometimes even yield contradicting predictions. No wonder then, that scientists have been hard at work for decades, trying to reconcile these two theories into one new unified theory. While several proposals have been put forward, however, it has not yet, to date, been possible to conceive a feasible experimental test of their key predictions, and thus of their validity. This might now be about to change. A team of researchers led by Markus Aspelmeyer and Caslav Brukner from the University of Vienna, Austria, and by Myungshik S. Kim from Imperial College London, UK, has recently shown how an opto-mechanical experiment could finally shed light on how nature behaves at the intersection between general relativity and quantum physics. Their research brings previously inaccessible physics closer to experimental observation and has the potential to impact on the very foundations of modern physics.

Why would we want to unite quantum physics and general relativity, though? To answer this question, think about the following: what is the ultimate goal of physics? Of course, physicists systematically study the laws of nature: they create models of phenomena to predict the workings of nature and they compare these models to the outcomes of experiments. The ultimate goal of physics, however, lies far deeper: it lies in creating a coherent, fundamental understanding of the laws of nature. This aim has been driving the great minds of each century to develop new theoretical frameworks, mathematical tools, as well as new experimental techniques. Unifying quantum physics and general relativity, therefore, would tremendously advance our understanding of nature in many ways: conceptually, we would know how to better look at certain phenomena; technologically, we could probably exploit this improved understanding; and fundamentally, it would be great to learn how far the new theory could be applied and what it is that we still do not understand!

Classical physics as taught in high schools works very well for most everyday situations. Cars, jet engines, and the weather are all well described within its framework. However, classical physics starts to lose its accuracy when we come to consider more extreme situations: for example, when studying tiny particles such as the electrons of an atom, or the precise interaction between atoms and light. As a matter of fact, even the classical concepts begin to fall apart then: a classical particle can be thought of as a tiny billiard ball located somewhere in space; in contrast, many phenomena involving elementary particles simply cannot be described using these classical concepts. Therefore, we need a more adequate framework, like quantum physics. Other extreme situations are encountered in astronomy: objects moving at speeds comparable to the speed of light — approximately 300,000 km per second — or extremely heavy masses, such as the mass of our Sun, also turn out to be poorly described by classical physics. Here, general relativity proves to be the adequate framework because it introduces the concept of space-time, and shows how masses and speeds affect space and time. Such relativistic effects are, of course, totally unthinkable in classical physics, but they have been observed in countless experiments. In conclusion, we must include both quantum and relativistic effects in our physical models in order to gain a coherent understanding of nature.

To merge quantum physics and general relativity, we need to know how nature actually behaves. Unfortunately, however, it is extremely difficult to devise experiments that study situations for which these two theories yield different predictions. In fact, even the most advanced experiments currently available — from huge particle accelerators to space-based astronomical quantum-gravitational observatories — are still far from being able to access the required length or energy scales able to see differences between the prediction of general relativity and quantum physics

Instead of elusive lengths or energies, the researchers in London and Vienna focused on one of the cornerstones of quantum physics: the Heisenberg uncertainty principle. "The Heisenberg uncertainty principle," Kim explains, "says that position and momentum cannot be measured jointly with arbitrary precision." The momentum is related to the mass and speed of an object. "This implies," he continues, "that an extremely precise measurement of position would lead to tremendous fluctuations in the momentum. Such arbitrarily large fluctuations, however, are incompatible with general relativity. After all, the latter postulates the speed of light as the maximum speed. We, therefore, expect to observe relativistic corrections to the current Heisenberg uncertainty relations. And the experiment we propose could detect them."

So what does the experiment look like? "In the proposed experiment, we would be able to study the Heisenberg uncertainty of a tiny moving mirror using a laser beam," Kim says. "The beam would bounce off the mirror and by measuring its phase we would ultimately be able to determine whether or not there are any predicted quantum-gravitational effects." In fact, the team has discovered that it is possible to probe for these quantum-gravitational effects by bouncing the laser off the mirror four times.

"The theories being tested are very speculative," comments Howard Wiseman [1], Director of the Center for Quantum Dynamics at Griffith University, Australia. According to Wiseman, the proposed experiment is a great step towards expanding our understanding of nature. In particular, he is very excited about the fact that the proposed experiment is so much smaller and cheaper than other experiments that would hope to probe for the differences between quantum physics and general relativity. "We physicists," Wiseman concludes, "look forward to the (very rare) times when one of our most cherished theories is overthrown. That is because, based on past experience, we believe we will eventually find something to replace them that is even weirder and harder to understand, but at the same time even more compelling and far-reaching in its applicability and implications for our understanding of the universe and our place in it."

[1] Howard M. Wiseman & Gerard J. Milburn. Quantum Measurement and Control. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-80442-4

Armand Niederberger
2012 © Optics & Photonics Focus
AN is a Research Associate with the Department of Applied Physics at Stanford University, California, USA. His research focuses on quantum circuits, modeling of nano-photonic devices, and numerical optimization.
 

Inquisitor

Ословед
Какой сорт вина лучше индуцирует сверхпроводимость?

Посмотреть вложение 2283193
Вина, участвовавшие в эксперименте. Слева направо: «Божоле», «Мерло», «Каберне Совиньон», «Пино Нуар», «Санджовезе», «Бон Марше»

На сегодняшний день известно два способа из несверхпроводящего вещества создать сверхпроводник: первый — заменить часть атомов вещества атомами другого элемента, второй — сжать вещество до определённого давления. Японские исследователи обнаружили, что получить сверхпроводимость можно, если предварительно продержать образец в течение суток в красном вине. При этом, как показали исследования, лучше всего с этой задачей справляется вино «Божоле» (сорт «Гамэ»). Результаты экспериментов могут быть использованы для поиска материала, сверхпроводящего при комнатной температуре.
Феномен сверхпроводимости известен уже чуть более ста лет (см. Сверхпроводимость отмечает столетний юбилей, «Элементы», 08.04.2011). Фактически вся история изучения этого явления так или иначе вращалась и продолжает вращаться вокруг стремления учёных получить сверхпроводник, который работал бы при комнатной температуре. Преимущества такого сверхпроводника очевидны. Но сначала напомним, что такое сверхпроводимость.
Сверхпроводимость возникает в металлах, когда их температура опускается ниже характерного только для данного вещества порога, известного как критическая температура T[SUB]c[/SUB]. Металл приобретает нулевое электрическое сопротивление и становится абсолютно непроницаемым для внешнего магнитного поля, или, как говорят физики, обладает идеальным диамагнетизмом. Одновременное сосуществование этих двух свойств и называют сверхпроводимостью.
Разумеется, сразу после открытия сверхпроводимости стали рождаться заманчивые идеи создания линий электропередач, способных передавать электроэнергию без потерь, и невероятно мощных магнитов. Однако, как показали дальнейшие исследования, сверхпроводящими материалы становятся только при очень низких температурах, получение и поддержание которых довольно хлопотно и затратно. Даже после того, как в 1957 году была создана теория БКШ (названная так по первым буквам в фамилиях её создателей, нобелевских лауреатов Бардина, Купера и Шриффера), объяснившая природу сверхпроводимости, наибольшая критическая температура, которой могли похвастаться физики, составляла всего лишь 23 кельвина (или –250°С).
Больше всего не давал покоя физикам тот факт, что теория БКШ не запрещала существование значительно более «горячих» сверхпроводящих материалов, критическая температура которых могла бы быть на уровне комнатной и даже выше. Поэтому, когда после многих лет поисков в 1986 году физики совершенно случайно обнаружили сверхпроводник, T[SUB]c[/SUB] которого сразу подпрыгнула на 7 кельвинов, учёные настолько обрадовались этому, что назвали его высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП).
Дальше — больше. Спустя каких-то полгода был синтезирован материал, который становился сверхпроводящим уже при 90 К. Были получены и другие ВТСП с ещё более высокой T[SUB]c[/SUB]. Специалистам стало казаться, что ещё немного усилий — и вот она, долгожданная комнатнотемпературная сверхпроводимость. Но радоваться было рано. Практически одновременно с открытием высокотемпературной сверхпроводимости обнаружилось, что механизм её возникновения не укладывается в рамки привычной теории БКШ. Из-за этого несоответствия становилась туманной дальнейшая стратегия поисков ВТСП. Проще говоря, не было понятно, какие же вещества и с какими параметрами необходимо задействовать, чтобы добиться ещё более высокой T[SUB]c[/SUB], тем самым приблизившись к желанной комнатной температуре?
На тот момент хорошо известно было лишь то, что для получения ВТСП необходимо, чтобы в его химическом составе обязательно присутствовала медь. Ещё одним неотъемлемым условием возникновения сверхпроводимости с высокой критической температурой было допирование вещества сторонними элементами. Допирование — это частичное замещение одного из элементов сверхпроводника другим элементом. Например, один из первых обнаруженных высокотемпературных сверхпроводников La[SUB]2[/SUB]CuO[SUB]4[/SUB] становится сверхпроводящим при T[SUB]c[/SUB] = 40 K, если часть атомов лантана (La) заменить атомами стронция (Sr): La[SUB]1,85[/SUB]Sr[SUB]0,15[/SUB]CuO[SUB]4[/SUB]. Значение 0,15 называется оптимальным уровнем допирования (отклонение в большую или меньшую сторону приводит к понижению температуры, а затем и к исчезновению сверхпроводимости.
Помимо этого обнаружилось, что ВТСП можно получить, если наряду с допированием (или вообще без допирования) сжать вещество. Причём рост T[SUB]c[/SUB] не происходит по принципу «сильнее сжали — более высокую T[SUB]c[/SUB] получили». Для каждого ВТСП существует своё значение давления, при котором критическая температура максимальна.
Собственно, так и возникла проблема высокотемпературной сверхпроводимости — создание теории, объясняющей, за счёт каких внутренних процессов, происходящих в веществе, оно является или не является ВТСП.
Надежда на решение этой задачи замаячила перед учёными, когда в 2008 году было обнаружено ещё одно семейство ВТСП — сверхпроводников на основе железа (см. Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников, «Элементы», 12.05.2008). Теперь у учёных появилась возможность сравнить характеристики медных и железных ВТСП, выяснить роль этих двух элементов в появлении высокотемпературной сверхпроводимости и наконец приблизиться к решению данной проблемы. В настоящее время учёные располагают точными сведениями, что, как и в случае с медными сверхпроводниками, получить высокотемпературную сверхпроводимость на основе железа можно двумя способами — допированием и сжатием; иногда целесообразно их комбинированное использование.
В 2010 году «Элементы» сообщали о том, что в «инструментарий» получения высокотемпературной сверхпроводимости в железных сверхпроводниках добавился ещё один способ (см. Получено независимое подтверждение индуцирования сверхпроводимости водой, «Элементы», 16.09.2010). Группа японских исследователей обнаружила, что нагревание изначально несверхпроводящего поликристалла на основе железа FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB] (здесь соединение FeTe допировано серой) в различных алкогольных напитках (таких как пиво, саке, виски, сётю и красное вино) приводит к возникновению в нём сверхпроводимости. Если судить по объёму вещества, ставшего сверхпроводящим, то лучше всего индуцирует сверхпроводимость красное вино.
Вдохновившись этими результатами, японские ученые продолжили свои изыскания, вдвое расширив число участников исследовательской группы. Теперь они задались вопросом: почему именно красное вино является самым сильным «стимулятором» сверхпроводимости в поликристаллическом образце FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB]? Свои результаты они представили в статье Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe0.8S0.2, которая недавно появилась в Архиве электронных препринтов.
Для ответа на поставленный вопрос авторы публикации вооружились шестью сортами красного вина: «Гаме» (из него делают вино «Божоле») урожая 2009 года (Beaujolais, 2009, Paul Beaudet), «Мерло» 2010 года (Les Tannes Tradition Merlot, 2010, Jean-Claude Mas), «Каберне Совиньон» 2010 года (Les Tannes Tradition Cabernet Sauvignon, 2010, Jean-Claude Mas), «Пино Нуар» 2009 года (Bourgogne Pinot Noir, 2009, Maison Jean-Philippe Marchand), «Санджовезе» 2009 года (Larinum Sangiovese Daunia, 2009, Caldora s.r.l.) и в качестве стандартного красного вина взяли вино «Бон Марше» (смесь из нескольких сортов винограда) 2010 года японской корпорации Mercian (Bon Marche, 2010, Mercian Corporation).
Условия эксперимента остались прежними. Поликристаллы FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB] выдерживались в течение 24 часов в красном вине, нагретом до температуры 70°С. Наступление сверхпроводимости фиксировалось как момент резкого падения магнитной восприимчивости материала (напомним, что это один из признаков сверхпроводимости), находящегося в слабом магнитном поле с индукцией 0,001 Тл.
Основываясь на данных магнитных измерений, учёные рассчитали, какая часть вещества трансформировалась в сверхпроводящую фазу при использовании данных сортов красного вина. Оказалось, что наибольший объём сверхпроводящего материала создаёт «Божоле»: в процентном соотношении эта величина достигает 93,6%. Второе место досталось «Мерло» с 82,8%, после него расположились «Каберне Совиньон», «Пино Нуар», «Санджовезе» и «Бон Марше», с помощью которых удалось индуцировать сверхпроводимость в 80,4, 75,2, 71,5 и 61.7% объёма FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB] соответственно.

Посмотреть вложение 2283203
Диаграмма, показывающая, какой процент поликристалла FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB] перешёл в сверхпроводящее состояние (ось ординат) после выдерживания в различных сортах красного вина. На нижней части диаграммы приведены данные из предыдущих экспериментов, в которых использовались коммерческие алкогольные напитки и обычные смеси этанола с водой. По оси абсцисс отложены концентрации алкоголя в напитках. Изображение из обсуждаемой статьи arXiv:1203.4503

Данная диаграмма демонстрирует также результаты вышеупомянутых предыдущих исследований, когда стимуляция сверхпроводимости осуществлялась другими коммерческими алкогольными напитками, а также смесью воды с этанолом в различных концентрациях.
Проанализировав полученные данные и проведя некоторые дополнительные измерения, учёные пришли к выводу, что причина, по которой красное вино индуцирует сверхпроводимость в FeTe[SUB]0,8[/SUB]S[SUB]0,2[/SUB], скорее всего, заключается в винной кислоте. Как отмечают авторы публикации, их вывод не является окончательным, а потому несомненно предстоят дальнейшие исследования.
В заключение хотелось бы заметить, что хотя эта работа и не прояснила природу высокотемпературной сверхпроводимости, однако есть вероятность, что она указала путь для решения этой проблемы. Более того, не исключено, что для создания сверхпроводника с комнатной критической температурой нужно всего лишь использовать хорошее вино. Может быть, действительно — in vino veritas?
Источник: Keita Deguchi, Tohru Okuda, Yasuna Kawasaki, Hiroshi Hara, Satoshi Demura, Tohru Watanabe, Hiroyuki Okazaki, Toshinori Ozaki, Takahide Yamaguchi, Hiroyuki Takeya, Fumie Saito, Masashi Hisamoto, Yoshihiko Takano. Tartaric acid in red wine as one of the key factors to induce superconductivity in FeTe0.8S0.2 // препринт arXiv:1203.4503 (20 марта 2012).
Юрий Ерин


 

Inquisitor

Ословед
At Long Last, a Room-Temperature Maser

Посмотреть вложение 2283213
Maser core consisting of a pink crystal of pentacene-doped p-terphenyl surrounded by a clear sapphire ring.


Masers, the microwave ancestor of the laser, have nowhere near the modern-day utility and ubiquity of the laser, in part because they require cryogenic cooling. Now, nearly 60 years after the first working maser, three British scientists have devised an optically pumped solid-state maser that operates at room temperature (Nature 488, 353).

The maser’s gain medium is an organic semiconductor known as pentacene, which is doped into another hydrocarbon named p-terphenyl, according to lead author Mark Oxborrow of the U.K. National Physical Laboratory. A pulsed dye laser designed for dermatological applications provides the yellow pump light.

Traditional masers, developed in the 1950s, contain inorganic gain media whose spin-lattice relaxation rates soar with increasing temperature. Oxborrow and his collaborators, Neil Alford and Jonathan Breeze of Imperial College (London, England), learned of recent experiments using C60 “buckyballs” and porphyrins to accelerate coherent electron beams. Pentacene, one of the polycyclic aromatic hydrocarbons, happens to absorb light most strongly at 585 nm.

Once excited by the yellow photons, the pentacene molecules transition to a triplet state with a population inversion. The drop to the lowest sublevel of the triplet produces the maser emission at 1.45 GHz. The room-temperature maser emission is about 100 million times more powerful than that of a hydrogen atomic maser at 1.42 GHz.

Although pentacene is the actual masing medium, the p-terphenyl optimizes the splitting ratios, according to Oxborrow. Breeze and his collaborators surrounded the gain medium with a sapphire ring to concentrate the magnetic flux within the maser cavity and optimized the design of the microwave cavity to boost its Q factor.

Next, Oxborrow would like to find a continuous source of yellow light, possibly a bright LED. (Dye lasers work well only as pulsed sources.) Researchers also may find other organic molecules that show strong maser action for green or blue wavelengths of pump light. Oxborrow and Alford envision that their maser could assist wherever a low-noise amplifier is needed to pick up extremely weak signals, from telecommunications to trace-chemical detection to national security applications.

http://www.osa-opn.org
 

Inquisitor

Ословед
35 years later, Voyager 1 is heading for the stars.

Посмотреть вложение 2283223
This artists rendering provided by NASA shows the Voyager spacecraft. Launched in 1977, the twin spacecraft are exploring the edge of the solar system. Thirty-five years after leaving Earth, Voyager 1 is reaching for the stars. Sooner or later, the workhorse spacecraft will bid adieu to the solar system and enter a new realm of space -- the first time a man-made object will have escaped to the other side. (AP Photo/NASA)

Thirty-five years after leaving Earth, Voyager 1 is reaching for the stars.
Sooner or later, the workhorse spacecraft will bid adieu to the solar system and enter a new realm of space—the first time a manmade object will have escaped to the other side.

Perhaps no one on Earth will relish the moment more than 76-year-old Ed Stone, who has toiled on the project from the start.

"We're anxious to get outside and find what's out there," he said.

When NASA's Voyager 1 and Voyager 2 first rocketed out of Earth's grip in 1977, no one knew how long they would live. Now, they are the longest-operating spacecraft in history and the most distant, at billions of miles from Earth but in different directions.

Wednesday marks the 35th anniversary of Voyager 1's launch to Jupiter and Saturn. It is now flitting around the fringes of the solar system, which is enveloped in a giant plasma bubble. This hot and turbulent area is created by a stream of charged particles from the sun.

Outside the bubble is a new frontier in the Milky Way—the space between stars. Once it plows through, scientists expect a calmer environment by comparison.

When that would happen is anyone's guess. Voyager 1 is in uncharted celestial territory. One thing is clear: The boundary that separates the solar system and interstellar space is near, but it could take days, months or years to cross that milestone.

Voyager 1 is currently more than 11 billion miles from the sun. Twin Voyager 2, which celebrated its launch anniversary two weeks ago, trails behind at 9 billion miles from the sun.

They're still ticking despite being relics of the early Space Age.

Посмотреть вложение 2283233
This artists rendering provided by NASA shows the Voyager spacecraft. Thirty-five years after leaving Earth, Voyager 1 is reaching for the stars. Sooner or later, the workhorse spacecraft will bid adieu to the solar system and enter a new realm of space -- the first time a man-made object will have escaped to the other side. (AP Photo/NASA)

Each only has 68 kilobytes of computer memory. To put that in perspective, the smallest iPod—an 8-gigabyte iPod Nano—is 100,000 times more powerful. Each also has an eight-track tape recorder. Today's spacecraft use digital memory.


The Voyagers' original goal was to tour Jupiter and Saturn, and they sent back postcards of Jupiter's big red spot and Saturn's glittery rings. They also beamed home a torrent of discoveries: erupting volcanoes on the Jupiter moon Io; hints of an ocean below the icy surface of Europa, another Jupiter moon; signs of methane rain on the Saturn moon Titan.
Voyager 2 then journeyed to Uranus and Neptune. It remains the only spacecraft to fly by these two outer planets. Voyager 1 used Saturn as a gravitational slingshot to catapult itself toward the edge of the solar system.

"Time after time, Voyager revealed unexpected—kind of counterintuitive—results, which means we have a lot to learn," said Stone, Voyager's chief scientist and a professor of physics at the California Institute of Technology.

These days, a handful of engineers diligently listen for the Voyagers from a satellite campus not far from the NASA Jet Propulsion Laboratory, which built the spacecraft.

The control room, with its cubicles and carpeting, could be mistaken for an insurance office if not for a blue sign overhead that reads "Mission Controller" and a warning on a computer: "Voyager mission critical hardware. Please do not touch!"

There are no full-time scientists left on the mission, but 20 part-timers analyze the data streamed back. Since the spacecraft are so far out, it takes 17 hours for a radio signal from Voyager 1 to travel to Earth. For Voyager 2, it takes about 13 hours.

Cameras aboard the Voyagers were turned off long ago. The nuclear-powered spacecraft, about the size of a subcompact car, still have five instruments to study magnetic fields, cosmic rays and charged particles from the sun known as solar wind. They also carry gold-plated discs containing multilingual greetings, music and pictures—in the off chance that intelligent species come across them.

Since 2004, Voyager 1 has been exploring a region in the bubble at the solar system's edge where the solar wind dramatically slows and heats up. Over the last several months, scientists have seen changes that suggest Voyager 1 is on the verge of crossing over.

When it does, it will be the first spacecraft to explore between the stars. Space observatories such as the Hubble and Spitzer space telescopes have long peered past the solar system, but they tend to focus on far-away galaxies.

As ambitious as the Voyager mission is, it was scaled down from a plan to send a quartet of spacecraft to Jupiter, Uranus, Neptune and Pluto in what was billed as the "grand tour" of the solar system. But the plan was nixed, and scientists settled for the Voyager mission.

American University space policy expert Howard McCurdy said it turned out to be a boon.

They "took the funds and built spacecraft robust enough to visit all four gas giants and keep communicating" beyond the solar system, McCurdy said.

The double missions so far have cost $983 million (€782.15 million) in 1977 dollars, which translates to $3.7 billion (€2.94 billion) now. The spacecraft have enough fuel to last until around 2020.

By that time, scientists hope Voyager will already be floating between the stars.

Copyright 2012 The Associated Press. All rights reserved. This material may not be published, broadcast, rewritten or redistributed.

http://phys.org
 

    маска

    очки: 1.795
    хоть бы названия по русски делал))вояджер не хочет расставаться с нами

Inquisitor

Ословед
Supersolidity loses its luste\Теория сверхтекучести нуждается в доработке

Bizarre quantum state may not exist after all.
By Alexandra Witze.
One of the most exciting physics discoveries in recent years may not be a discovery after all. Reports of “supersolidity,” in which solid helium flows through itself without friction, may turn out be something far more ordinary: the everyday stiffening of a material.

This new conclusion comes from the same scientist who in 2004 first reported evidence for supersolidity. Now, in a paper published October 8 in Physical Review Letters, Moses Chan of Penn State says he has repeated that original experiment, eliminating more possible sources of experimental error and saw no hints of supersolidity.

“It would have been neat if the phenomenon holds up,” Chan says. But instead, he says, he feels “a sense of disappointment.”

A discovery of supersolidity would be the stuff Nobel Prizes are made of. Superfluids are quantum liquids that flow according to unusual rules, such as up and over the sides of a container; supersolids would be the solid equivalent, in which atoms somehow leave their crystalline lattice and flow effortlessly within it.

Chan’s original experiment, done with Eunseong Kim, looked for traces of how this supersolid flow might affect the twisting movement of a cylinder. They filled a glass cylinder with solid helium and set it twisting back and forth, like a merry-go-round going first one way and then the other. Chan and Kim chilled the apparatus down and saw the cylinder begin to twist a whole lot faster. They concluded that some of the helium had begun to flow as a supersolid, essentially releasing its hold on the material around it and causing the inertia — the resistance to change in motion — to drop.

Later, other similar experiments seemed to confirm this finding (SN: 9/11/10, p. 22). But big questions remained, such as why some lab groups saw a large effect and others a small one. “It was continually surprising to those of us working in the field just how hard it was to confirm or disprove the existence of supersolidity,” says John Beamish, a physicist at the University of Alberta in Canada. “Every year we expected everything to be clear very soon.”

Work by Beamish and others suggested that helium’s odd behavior happened not when the helium crystals were perfect, but rather when they were marred by structural imperfections that moved around within the material. It now looks as if that sliding causes the material to stiffen in ways that mimic (but are not) supersolidity.

In his original experiment, Chan did as much as he could to reduce such unwanted effects, but in the end he decided to redesign the cylinder from scratch to be sure. The problem turned out to be a small gap between the glass cylinder and a metal plate at the bottom of the container, where solid helium puddled and threw off the measurements. Scientists had thought Chan’s gap was too small to be much of a problem, but the effect is actually magnified in a small space, says Beamish.

The moving imperfections turn out to be a new quantum phenomenon of their own, says Sébastien Balibar, a physicist at the École Normal Supérieure in Paris. “Not only do we understand it now as a spectacular manifestation of a fundamental phenomenon in material science, it is also the most likely interpretation of the so-called ‘supersolidity,’ ” he says.

Several other recent studies had also suggested that stiffening, not supersolidity, might be at work. But a few experiments, including one done by Kim at the Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon, can’t quite be explained away just yet.

Balibar, for one, is still holding out a little hope for supersolidity. “I bet that in 10 years they discover it,” he says. “But it’s a risky bet.”

http://www.sciencenews.org
 

Inquisitor

Ословед
A Wind Tunnel for Quantum Physics/"Воздушный коридор" для квантовой физики

Simulating quantum phenomena on today’s computers can be extremely challenging. Yet, just like the wind tunnel changed the trajectory of modern aviation, new specially built quantum simulators may soon guide the design of tailor-made quantum materials.
In the early days of aeronautics, computers that could simulate the subtle laws of aerodynamics did not exist. For this reason, people built wind tunnels to study the physics of flight on model systems. Quantum physicists are now facing a similar situation where they cannot satisfactorily simulate the behavior of many interesting quantum systems on even the most powerful computers. Scientists have, therefore, been looking for ways to build some physical systems that may be used as quantum simulators, the quantum analog of wind tunnels. This has so far been possible only for relatively simple quantum systems, involving only a few dozens of interacting quantum particles. However, many interesting effects are believed to happen in the presence of a larger number of interacting particles. Joe Britton, at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, USA, and coworkers have now demonstrated rudimentary operation of a quantum simulator with hundreds of simultaneously interacting quantum particles. The NIST machine may well be a stepping-stone on our way towards a rational design of quantum materials.

Посмотреть вложение 2413443
Inside the quantum wind tunnel. The individual ions (dots) behave like tiny magnet bars (spins) which can orient themselves according to their neighbors and reproduce very complex quantum phenomena.

Why simulate? After all, the laws of aerodynamics and quantum physics can be described using mathematical laws. Interestingly, however, these laws lead to very subtle and complex phenomena. On the one hand, air flowing around the wing of an aircraft, for example, frequently leads to rather strong turbulence. On the other hand, interacting quantum particles can depend on each other without exchanging any signals. Both situations can be described mathematically. At the same time, however, they are excruciatingly difficult to reproduce with computer simulations. The turbulent flow of air is a chaotic phenomenon for which tiny inaccuracies of the computer simulation can potentially lead to totally wrong predictions. Interacting quantum particles have many degrees of freedom, and this easily brings even today’s largest supercomputers to their knees.

Wind tunnels and quantum simulators are used to reproduce a phenomenon directly in a controlled environment. Instead of mathematically describing the air particles, they use real air streams; instead of writing mathematical models of quantum particles, they use quantum systems such as ions to actually produce an interesting effect. And the wind tunnel or simulator allows the experimenters to easily modify experimental conditions such as wind speeds or interaction strengths.

What questions can be answered using these tools? The history of aviation may give us some hints: in the early 1900s even the slightest glitch in the design of an airplane or parachute would often mean the certain death of the pilot. Yet, in order to advance the times’ understanding of aerodynamics, it was essential to identify what aspects of avian flight were generating the lift: was it the movement of their wings? The shape of their wings? Or their material? And how could artificial wings that generated enough lift to make humans fly be built? To answer these questions, the Wright brothers and many of their peers studied smaller scale models in very basic wind tunnels. After all, these experiments were far less deadly than jumping off cliffs. And after countless attempts and fails, people had enough knowledge and ingenuity to build the first airplanes.

Today’s quantum science and engineering are not dissimilar to the science and engineering of early aviation: how can we sustain specific quantum phenomena? How can we suppress unwanted interference and interaction between our quantum system and the uncontrolled environment?

The main reason for the complexity of quantum physics is quantum superposition and entanglement [1] – arguably the most striking difference between classical and quantum physics. A classical binary digit (bit) can represent either the number 0 or the number 1. Therefore, to describe N bits, only N numbers are required. This binary language is the foundation of all of our present day, classical computers. We may think of a classical bit as a coin that is either heads or tails.

A quantum bit (qubit) is the quantum analog of a classical bit and can represent any combination of the numbers 0 and 1. And how are the qubits implemented in the present experiment? "The outermost electron of each ion," Britton explains, "acts as a tiny quantum magnet, known as spin, and is utilized as a qubit. Quantum mechanics permits this spin to be in a superposition of states, for example simultaneously oriented parallel to, and antiparallel to, a laboratory magnetic field." Moreover, physically well-separated particles may be tightly interconnected, that is entangled. For example, two qubits can be in a state where both are always measured either in their 0 state or in their 1 state. If we were to add a third particle, its 0 and 1 states could each depend on any combination of the other two particles. This fact leads to an exponential growth in the number of variables: to represent N qubits, approximately 2N numbers are required. This leads to insurmountable problems when trying to simulate quantum systems on today’s classical computers: the amount of memory and the number of computations required are simply too much to handle even for our most powerful supercomputers.

A different approach is therefore needed to study large interacting quantum systems. And this is where quantum simulators come in. By offering the ability to recreate interesting quantum effects in a controlled model setup, quantum simulators are expected to boost our understanding and advance engineering. Instead of air flow, quantum simulations often consider quantum bits, called spins. Here, we can think of a spin as a tiny magnet bar that can orient itself arbitrarily in three dimensions: "Previous experiments," Britton explains, "have used only about a dozen interacting spins. The NIST simulator, in contrast, permits controlled interaction of as many as 450 spins."

One field where quantum simulators can provide insight is the study of quantum phase transitions. Transitions between classical phases — gas, liquid, solid — are driven by thermal fluctuations. Quantum phase transitions, in contrast, are a consequence of quantum fluctuations that are present even at zero temperature. And, as we have seen above, this is the worst combination when it comes to computer simulations. For a quantum simulator, on the other hand, entanglement would simply be a feature of the setup, not a problem that needs to be addressed with tremendous amounts of RAM.

NIST’s quantum simulator would be suitable for simulating quantum magnetism, interacting spins arranged on the nodes of a flat grid — scientifically known as quantum Ising interactions on a two-dimensional lattice. "The Ising model," he continues, "describes a simple pair-wise interaction between pairs of spins on a lattice. Among its applications is explaining how weak short-range interactions can give rise to long-range ordering and bulk magnetization. Yet another application is the calculation of phase transitions in magnetic materials (e.g. from paramagnetic to ferromagnetic)."

"Britton’s simulator finally gets us closer to having a usable quantum simulator," says Tobias Schätz [2] from the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, Germany. "Different groups have studied a variety of possibilities to building quantum simulators, and it now seems that trapped ions have allowed us to really get to the next level: that of developing quantum simulators that can simulate systems too complex for even our most powerful computers. Of course, we still have to study these new experiments very well to see how far we can trust their results, but I am very excited about Britton’s results." "Our technological world," Britton concludes, "depends greatly on ‘simple’ quantum devices like the Global Positioning System (GPS) and lasers. What’s needed is simulation support to guide the development of quantum materials such as, for example, high temperature superconductors."

[1] A. Niederberger, Visible and Entangled, Opt. Photon. Focus 3, 7 (2008). http://www.opfocus.org/index.php?topic=story&v=3&s=7

[2] A. Friedenauer, H. Schmitz, J. T. Glueckert, D. Porras & T. Schätz, Simulating a quantum magnet with trapped ions, Nat. Phys. 4, 757-761 (2008).

Armand Niederberger
2012 © Optics & Photonics Focus
http://www.opfocus.org
 

Inquisitor

Ословед
Photonic Brains/Фотонный разум

Thinking at the speed of light may soon acquire new meaning — inspired by how the brain processes information, researchers present an optical system capable of recognizing spoken words.

What do a laser and the human brain have in common? “Not a lot”, we may be tempted to say when first faced with the question — but how wrong we would be! In fact, both the human brain and a laser can be used to manipulate information in a highly sophisticated way. A team of researchers led by Laurent Larger at the University of Franche-Comté in France has been able to use a laser to recognize spoken digits from “0” to “9.” This feat was achieved by using a clever optical system to pre-process the audio signal, and then a computer to do the triage. This is one of the first experimental demonstrations of a new computational paradigm to achieve a powerful pattern recognition tool.

Посмотреть вложение 2413453
The light and the brain. The combination of the speed of light and the interconnectivity of the brain promises to deliver novel and more powerful computational devices that might soon be employed to complement the capabilities of today’s computers.

In the old days, computer programs were saved on punch cards and instructions were represented by holes in a program card read by the machine. In subsequent decades, the medium containing the program evolved from large magnetic bands, to cassettes, diskettes, compact disks and, eventually, to today’s flash drives. However, the underlying programming paradigms have essentially remained the same: programs have typically been a deterministic, rigid set of instructions.

In recent years, a new paradigm has increased in popularity, inspired by the human brain — that of programs that can learn how to best solve a given task. The human brain is home to a fascinatingly complex array of interconnected neurons forever exchanging signals, implementing instances of feedback and optimizing connections. Chaotic? Maybe so. Nevertheless, it is nature’s elegant solution to everyday problems like face recognition, gesture interpretation, or understanding language. And it is also what has influenced this new programming approach.

The experiment performed by Larger and coworkers implements an idea that originated from collaborations between two research communities: one studying the brain and the other its neural networks. They have attempted to mimic more closely the information processes that occur in the brain and they did this by exploiting the complex response of an excitable system to different inputs.

Consider for a moment the implications in trying to make a computer distinguish between a spoken “0” and a spoken “9.” The sound waves produced for “0” are clearly different from those produced for “9” and in the traditional approach computer scientists have tried to get the computers to distinguish between the two sounds by having them compare the sounds perceived to sounds stored in the machines’ database. However, the spoken “0” will probably never be exactly the same as the “0” in the database: pitch, pace, accent and background noise will all influence the recording. Therefore, it is important for a computer to learn what the different numbers sound like by being exposed to a number of examples. Rigid programming as in the punch-card days will not do.
In essence, to best distinguish between the numbers, the researchers studied not the sound waves, but the response of a complex optical system to these sound waves. In this way, their experimental setup was able to cause the computer to decipher sounds by focusing on various relevant aspects of the sound wave produced. This was achieved by mapping their signal onto a far more complex signal via their optical system, which made it easier for the learning algorithm to distinguish the numbers.
More concretely, their approach looks as follows: a very complex system is excited with the sound wave associated with “0.” This galvanizes the entire system and various different connections are activated. Some portions of the system light up and other portions dim down. A series of feedback instances takes place. One way to visualize this could be as a network of wires with pulsating lights. This might appear to be almost random, but in fact the characteristics of this excitation are determined by the features of the input signal. Therefore, for each kind of input a characteristic excitation will take place and by reading this, it is possible to reconstruct the input.

Посмотреть вложение 2413463
Today’s photonic brain. The picture shows an improved version of the current device used by Larger’s team to recognize spoken digits from 0 to 9. Due to the bulky electronics, it takes the current version of the device around 20 milliseconds to recognize each digit. However, by using state-of-the-art integrated optoelectronic technologies, already standard in the telecommunications industry, it will be possible to recognize a digit in a fraction of a microsecond. Picture credit: Laurent Larger.

Larger and coworkers have employed an optical system with feedback as their excitable system. Their computational device employs a laser whose color can change depending on a control parameter. The light from the laser passes through a birefringent prism, and is split into two beams thus producing an interference pattern. This resulting interference pattern depends on the color of the laser and it is used to determine the value of a very complex function with a series of delayed feedbacks that, in its turn, determines the control parameter of the laser. This type of system responded in completely different ways when excited with the waves corresponding to digits from “0” to “9.” By recording the response of the system, therefore, it was possible to classify correctly the digits.

Today, the system proposed by Larger and coworkers is already capable of achieving results that are comparable to the best computational devices available for voice recognition, even though it is still rather slow: it takes about 20 milliseconds to recognize a digit. This shortcoming is due to the hardware the team is currently using. With better, state-of-the-art optoelectronic components, Larger is confident that they will be able to speed the system up to the point where it can recognize a digit in under a microsecond.

As this research shows, it is sometimes worthwhile to shift pattern recognition from studying the direct recorded signal, to studying the response of a very complex system to that signal.

Devices that learn how to solve a problem and recognize a pattern may sound very futuristic, but they are being explored for a wide range of applications like self-steering cars, voice and face recognition, and even online advertising. Thus, we may well soon see the rise of a new generation of intelligent machines capable of integrating the best of both computers and the human brain.

Giovanni Volpe
2012 © Optics & Photonics Focus
http://www.opfocus.org
 

Inquisitor

Ословед
After Hundreds of Years,Astronomers Finally Agree:This Is the Distance From the Earth

Спустя сотни лет напряженных исследований астрономы всё же назвали точное расстояние между Землёй и Солнцем.
Посмотреть вложение 2413483 М
How far away from Earth is the sun? Not just, you know, very, very far, but in terms of an actual, measurable distance? When you're calculating, how do you decide which location on Earth to measure from? How do you decide which spot on the path of Earth's orbit will serve as the focal point for the measurement? How do you account for the sheer size of the sun, for the lengthy reach of its fumes and flames?

The measurable, mean distance -- also known as the astronomical number -- has been a subject of debate among astronomers since the 17th century. The first precise measurement of the Earth/sun divide, Nature notes, was made by the astronomer and engineer Giovanni Cassini in 1672. Cassini, from Paris, compared his measurements of Mars against observations recorded by his colleague Jean Richer, working from French Guiana. Combining their calculations, the astronomers were able to determine a third measurement: the distance between the Earth and the sun. The pair estimated a stretch of 87 million miles -- which is actually pretty close to the value astronomers assume today.

But their measurement wasn't, actually, a number. It was a parallax measurement, a combination of constants used to transform angular measurements into distance. Until the second half of the twentieth century -- until innovations like spacecraft, radar, and lasers gave us the tools to catch up with our ambition -- that approach to measuring the cosmos was the best we had. Until quite recently, if you were to ask an astronomer, "What's the distance between Earth and the sun?" that astronomer would be compelled to reply: "Oh, it's the radius of an unperturbed circular orbit a massless body would revolve about the sun in 2*(pi)/k days (i.e., 365.2568983.... days), where k is defined as the Gaussian constant exactly equal to 0.01720209895."

Oh, right. Of course.

But rocket science just got a little more straightforward. With little fanfare, Nature reports, the International Astronomical Union has redefined the astronomical number, once and for all -- or, at least, once and for now. According to the Union's unanimous vote, here is Earth's official, scientific, and fixed distance from the sun: 149,597,870,700 meters. Approximately 93,000,000 miles.

For astronomers, the change from complexity to fixity will mean a new convenience when they're calculating distances (not to mention explaining those distances to students and non-rocket scientists). It will mean the ability to ditch ad hoc numbers in favor of more uniform calculations. It will mean a measurement that more properly accounts for the general theory of relativity. (A meter in this case is defined as "the distance traveled by light in a vacuum in 1/299,792,458 of a second" -- and since the speed of light is constant, the astronomical unit will no longer depend on an observer's location with the solar system.) The new unit will also more accurately account for the state of the sun, which is slowly losing mass as it radiates energy. (The Gaussian constant is based on solar mass.)

So why did it take so long for the astronomy community to agree on a standard measurement? For, among other things, the same reason this story mentions both meters and miles. Tradition can be its own powerful force, and the widespread use of the old unit -- which has been in place since 1976 -- means that a new one will require changes both minor and sweeping. Calculations are based on the old unit. Computer programs are based on the old unit. Straightforwardness is not without its inconveniences.

But it's also not without its benefits. The astronomical unit serves as a basis for many of the other measures astronomers make as they attempt to understand the universe. The moon, for example, is 0.0026 ± 0.0001 AU from Earth. Venus is 0.72 ± 0.01 AU from the sun. Mars is 1.52 ± 0.04 AU from our host star. Descriptions like that -- particularly for amateurs who want to understand our world as astronomers do -- just got a little more comprehensible. And thus a little more meaningful.

http://www.theatlantic.com
 

Inquisitor

Ословед
Quantum Kisses Change the Color of Nothing\Квантовые "поцелуи" уничтожают цвет

Quantum Kisses Change the Color of Nothing: New Ways to Measure the World at the Scale of Single Atoms and Molecules.
ScienceDaily (Nov. 7, 2012) — Even empty gaps have a colour. Now scientists have shown that quantum jumps of electrons can change the colour of gaps between nano-sized balls of gold. The new results, published today in the journal Nature, set a fundamental quantum limit on how tightly light can be trapped.

Посмотреть вложение 2413513
The image shows, in an artistic manner, the change in color when a quantum tunnel effect is produced in a subnanometric gap. Credit: Cambridge University.

The team from the Universities of Cambridge, the Basque Country and Paris have combined tour de force experiments with advanced theories to show how light interacts with matter at nanometre sizes. The work shows how they can literally see quantum mechanics in action in air at room temperature.

Because electrons in a metal move easily, shining light onto a tiny crack pushes electric charges onto and off each crack face in turn, at optical frequencies. The oscillating charge across the gap produces a 'plasmonic' colour for the ghostly region in-between, but only when the gap is small enough.

Team leader Professor Jeremy Baumberg from the University of Cambridge Cavendish Laboratory suggests we think of this like the tension building between a flirtatious couple staring into each other's eyes. As their faces get closer the tension mounts, and only a kiss discharges this energy.

In the new experiments, the gap is shrunk below 1nm (1 billionth of a metre) which strongly reddens the gap colour as the charge builds up. However because electrons can jump across the gap by quantum tunnelling, the charge can drain away when the gap is below 0.35nm, seen as a blue-shifting of the colour. As Baumberg says, "It is as if you can kiss without quite touching lips."

Matt Hawkeye, from the experimental team at Cambridge, said: "Lining up the two nano-balls of gold is like closing your eyes and touching together two needles strapped to the end of your fingers. It has taken years of practise to get good at it."

Prof Javier Aizpurua, leader of the theoretical team from San Sebastian complains: "Trying to model so many electrons oscillating inside the gold just cannot be done with existing theories." He has had to fuse classical and quantum views of the world to even predict the colour shifts seen in experiment.

The new insights from this work suggest ways to measure the world down to the scale of single atoms and molecules, and strategies to make useful tiny devices.

More information: The paper 'Capturing the Quantum Regime in Tunneling Plasmonics' will be published in the 07 November edition of Nature. doi:10.1038/nature11653 .

Journal reference: Nature.

Provided by University of Cambridge.

http://www.sciencedaily.com
 

Inquisitor

Ословед
The First Controllable Atom SQUID

Создан сверхпроводящий квантовый интерферометр позволяющий контролировать состояние отдельного атома.
Посмотреть вложение 2413553

Scientists have created the first controllable atomic circuit that functions analogously to a superconducting quantum interference device (SQUID) and allows operators to select a particular quantum state of the system at will.

By manipulating atoms in a superfluid ring thinner than a human hair the investigators were able for the first time to measure rotation-induced discrete quantized changes in the atoms’ state, thereby providing a proof-of-principle design for an “atomtronic” inertial sensor.

In the nascent but fast-moving field of atomtronics, flows of atoms are used in ways analogous to the flow of electrons in conventional electronic systems. “It could be argued,” says team leader Gretchen Campbell of PML’s Quantum Measurement Division, “that this is a true atomtronics device where we have a controllable circuit element.”

SQUIDs work because of a fundamental property of superconductors: When exposed to an applied magnetic field, a ring of superconductor generates currents which produce magnetic flux exactly canceling the external field. When the current reaches a critical value (determined by a junction or weak link in the ring), it “jumps” by a discrete amount, allowing a quantized amount of flux to penetrate the ring. Measuring the effect of that action on the current across a junction allows one to measure the strength of the applied field, and SQUIDs are routinely employed to detect very weak fields such as those produced by brain waves or nerve impulses in muscle tissue.

Campbell and colleagues in the Laser Cooling and Trapping Group have long been investigating analogous behavior in toroidal Bose-Einstein condensates (BECs) – ultracold, donut-shaped ensembles of atoms that are all in the same quantum state and form a superfluid.
To create rotation, which is the superfluid counterpart to external magnetic fields in a SQUID, the team introduces a green laser beam perpendicular to and penetrating the plane of the superfluid ring, and slowly rotates the beam around the ring. (See animation.) The beam acts as a sort of optical paddle, causing the superfluid BEC atoms to rotate.

Just as a superconducting ring admits flux when the current exceeds a critical value, the ring of superfluid admits a vortex, resulting in a change in the circulation of atoms around the ring. Like everything else in the quantum world, the properties of those vortices are quantized – that is, they occur only at discrete values, and lead to quantized circulation states in the BEC. Campbell’s team was able to observe and measure those quantum increments and for the first time was able to control the onset of discrete circulation states by tuning the power and rotational speed of the green laser.

Посмотреть вложение 2413563

A green laser beam rotates around the toroidal BEC, acting as a sort of "optical paddle."

"We're just at the beginning," says SQUID expert Chris Lobb, a team member from the University of Maryland Department of Physics. “Hopefully, as we learn more about the capabilities of these devices, powerful applications will emerge. The ability to easily vary the coupling strength and current-phase relationship of the weak link is unique to this system, and will lead to new devices."

In a forthcoming paper,* the team describes the experiment in detail. Sodium atoms are first confined in a magneto-optical trap and then cooled in an optical trap until about 600,000 atoms form a BEC. Intersecting laser beams (1064 nanometer wavelength) are sent through the BEC, shaping the cloud into a torus about 40 micrometers in diameter with a density that is nearly uniform azimuthally. Perpendicular to the plane of the torus, a laser beam with a wavelength of 532 nm penetrates and disrupts the BEC, forming an approximately 8 µm thick, low-atomic-density barrier that is made to rotate around the ring at speeds ranging from 1 Hz to 4 Hz, setting the atoms in motion.

"The atomic cloud is incredibly cold and very sensitive to imperfections, so the main challenge in getting the experiment to work is smoothing and stabilizing the intensity of the laser beams,” says first author Kevin Wright. “To achieve reliable control of the atoms in the ring, the combined intensity of all of the lasers has to be smooth and remain steady to better than one percent."

To determine how the circulation state of the ring-shaped condensate varies with barrier rotation speed and beam strength, the researchers turn off the trap potential and obtain images of the atoms’ configuration after 10 milliseconds time-of-flight. The images show that at very low rotation speed the atoms remain motionless; but when the rotation speed hits a critical value, the atoms instead form a vortex at the center of the ring that expands in quantized steps as the speed increases. This vortex corresponds to a quantized current state in a SQUID. As the rotation rate increases, however, off-center vortices form as a result of differential rotation speed between the inner and outer sections of the ring.

This system is, in effect, a rotational sensor. “In a magnetic SQUID operation, you bias the magnetic field of your system very close to what you want to measure, such that even a tiny external field pushes you over the edge,” Campbell says. “We could do something similar to measure rotation. Suppose we know that our system jumps at half a hertz, and we want to measure something around 0.1 Hz. We could start rotating our system at 0.4 Hz, and then that little bit of extra rotation – say the rotation of a vehicle – would push it into a different, measurable quantum state.

“Of course, there are excellent rotation sensors already available. But because we have the ability to control our system and change the parameters at will, that might offer a new functionality for future devices.”

Co-author Bill Phillips, leader of PML's Laser Cooling and Trapping Group, says “this experiment is part of the birth of a new area of research in atomic physics—the atomtronic circuit. It also represents a new intersection of condensed matter and atomic physics in ways that were impossible just a few years ago.”
* "Driving phase slips in a superfluid atom circuit with a rotating weak link," K.C. Wright, R. B. Blakestad, C. J. Lobb, W. D. Phillips, G. K. Campbell.

Посмотреть вложение 2413573
Absorption time-of-flight images show quantized stages in the central vortex. Images (e) and (f) show off-center vortices forming in the condensate when rotation speed exceeds a transition point, just as a voltage appears in a traditional Josephson junction when current exceeds a critical value.

http://www.nist.gov
 

Inquisitor

Ословед
Если девушка попадет в дыру…

Профессор Кип Торн обещает перевернуть всю современную физику...

Посмотреть вложение 2541673

Вот уже лет двадцать ведущие физики мира ждут, когда у них на руках появится нечто такое, что позволит начать новую науку — квантовую гравитацию. А пока они ждут, американский профессор Кип Торн ищет во Вселенной гравитационные волны. Похоже, что он вот-вот их найдет. С этого момента начнется новая физика. Корреспонденты «РР» поговорили с Торном о черных дырах, волнах и женщинах. Оказалось, что будущее физики находится в надежных руках настоящего хиппи.
Прекрасная блондинка с умопомрачительными бедрами и грудью стремительно падает вниз. Глаза ее прикрыты, голова томно откинута, волосы развеваются по экрану. Падение блондинки происходит в Северной аудитории физфака МГУ. За кафедрой Кип Торн, почетный профессор Калифорнийского технологического института, почетный доктор МГУ им. Ломоносова, член ученого совета НАСА и лауреат медали Альберта Эйнштейна.

— Иногда я использую девушку, а иногда своего коллегу Стивена Хокинга, — с тонкой улыбкой истинного джентльмена поясняет Торн. — Я не сексист, и мне все равно. Правда, в Америке я чаще пользуюсь Хокингом. Фокус с девушкой там проходит не всегда. В России с этим спокойнее.

Роль блондинки не столько пикантна, сколько благородна. Она демонстрирует, как работает искривленное пространство-время на «объектах человеческого масштаба». На экране величайшая из возможных вселенских катастроф — столкновение двух черных дыр. Событие такого размаха никогда до сих пор не наблюдалось даже по косвенным признакам. Перед нами компьютерная модель — результат почти тридцатилетних усилий ведущих физиков мира.

— Я уверен, — торжественно говорит Торн, — что к 2017 году мы уже сможем ввести это явление в царство наблюдаемого.

Зал благоговейно замолкает. Несчастная блондинка кружится на экране. Торн говорит о вещах, долженствующих перевернуть современную физику.


Черные дыры и все такое

Если запустить поиск в Яндексе, на имя Кип Торн сразу выскочит куча киноманских сайтов, где будет сказано, что профессия означенного Торна — актер и играет он самого себя. Профессор Торн в самом деле снялся чуть ли не в десятке научно-популярных фильмов и действительно играл там самого себя в качестве ведущего. Но голливудская карьера Торна только начинается. В новом фильме Стивена Спилберга (рабочее название «Интерстеллар») Торн выступает в качестве сценариста.

После лекции мы сидим в холле гостиницы и болтаем с Торном за жизнь. Спрашиваем, как черные дыры привели его в Голливуд.

— Девять лет я был холостяком, — неожиданно заявляет Торн, и выражение его лица делается несколько хулиганским. — Я жил в Лос-Анджелесе и все эти девять лет встречался с женщинами всего города, включая, конечно, Голливуд. Однажды я провел время с девушкой, с которой был практически незнаком. Мой друг Карл Саган, замечательный физик, встретил меня на следующее утро. Я тогда был не совсем в форме…

Торн расслабленно бросает руки между колен и с тонкой улыбкой вспоминает времена молодости. Сейчас Кипу семьдесят два. История его бурных романов относится к началу 80-х.

— Ее звали Линда Обст, она тогда начинала карьеру продюсера в Голливуде. Мы стали с ней встречаться и вообще подружились. Это продолжалось года три. Ну, я потом женился на другой женщине, мы с Линдой долго не виделись, а потом, где-то с 2005 года, стали иногда вместе обедать. Как-то за обедом мы придумали забавный сценарий в жанре научной фантастики. В это время Спилберг как раз заключил контракт с «Парамаунтом». Линда среди прочего предложила ему нашу идею. Он тут же перезвонил ей и попросил прислать заявку на сценарий к пяти часам того же дня. Вы знаете, что такое заявка на сценарий? Это двадцатистраничное описание истории, характеров и так далее. У нас, конечно, тогда не было ни строчки. Линда уговорила Спилберга подождать до пяти вечера следующего дня. И вот за 33 часа мы написали 20 страниц. Спилберг тут же заявил, что будет это снимать. Линда тогда сказала, что в Голливуде так не бывает. Первый случай на ее памяти.

Это было в 2006 году. Сейчас мы в середине пути. Сценарий по нашей идее написал Джонатан Нолан. Он одну из серий про Бэтмена написал, если помните. Он сильно изменил сюжет, но наука осталась. Там, конечно же, будут черные дыры и все такое. Почему я играю в эти игры? Для меня это опыт контакта с людьми, до которых по-другому я никогда не достучусь. Я хочу сделать DVD или книгу о научной стороне этого фильма. Я надеюсь, что какой-нибудь молодой человек посмотрит фильм, заинтересуется и захочет прочитать книжку, чтобы понять, откуда мы все это знаем.
Посмотреть вложение 2541683
Роман Торна с Линдой пришелся как раз на то время, когда круг научных интересов сорокалетнего физика окончательно определился: черные дыры и все такое. Формально говоря, это последняя граница известной на сегодняшний день физики. Дальше — тишина и полная неизвестность.

— Я занимаюсь тем, что называю «деформированной стороной Вселенной», — объясняет Торн. — Это объекты, которые состоят исключительно или по большей части из искривленного пространства-времени. Мы точно знаем, что такие объекты существуют. Нейтронные звезды на пятнадцать и более процентов состоят из искривленного пространства-времени. Из него же состоит около восьмидесяти пяти процентов вещества черных дыр и сто процентов гравитационных волн. Мой вопрос не в том, существует ли эта искривленная сторона Вселенной, а в том, чтобы понять, что она собой представляет.
Что оно собой представляет — в этом и есть главная интрига современной физики. Факт искривления пространства-времени Вселенной теоретически установил еще Эйнштейн в начале прошлого века. Вся общая теория относительности (сокращенно ОТО) об этом. Почему-то нашему пространству удобней быть изогнутым, нелинейным, а лучу света почему-то удобней бежать по дуге. Вопрос — почему?

Потому что есть гравитация, говорят ученые. Искривление и гравитация суть одно и то же. Там, где есть гравитация, пространство будет искривлено. Она его неотъемлемое свойство. Она есть везде и была всегда. Гравитационное поле — самое первое поле Вселенной, а гравитационные волны, соответственно, ее самые первые волны. Они, а не пресловутый бозон Хиггса, который только что обнаружили в Большом адронном коллайдере, появились в первый миг бытия мира.

Вот только, что это такое, физики так до конца понять и не могут. Едущий по улице автомобиль или колышущиеся занавески гонят гравитационную волну и искривляют пространство. Только очень слабо. Ни один детектор, произведенный руками человека, до сих пор ее не фиксировал.

Поворот ключа

В 1973 году молодой Кип Торн вместе со своим учителем, другим великим физиком XX века Джоном Уилером, написал основополагающий труд под названием «Гравитация». Эта книга сейчас входит в число обязательных и настольных для всех серьезных физиков мира. После смерти Уилера Торн остался одним из очень немногих людей на планете, которые знают о гравитации все, что о ней вообще можно знать.

— Так что же такое гравитация? — мы задаем Торну явно провокационный вопрос.

В ответ получаем долгое молчание.

— Надо понимать, что все наши описания природы имеют свою область применимости, — наконец говорит профессор. — Единой теории гравитации на все случаи жизни нет, и я не думаю, что она возможна. Все зависит от феномена, с которым вы работаете. Если вы имеете дело с планетами или звездами, то гравитация — это то, что описано Ньютоном: закон всемирного тяготения. Если вам нужна гораздо более высокая точность, но при этом вы не вторгаетесь в квантовую область, то гравитация — это то, что описано Эйнштейном: искривление пространства-времени. Но если вас интересует центр черной дыры, рождение Вселенной или связь между гравитацией и фундаментальными частицами, то гравитация — это феномен, природы которого мы еще не знаем.

— Что вы ожидаете?

Торн снова задумывается.

— Ничего нельзя предсказать, — говорит он наконец, поднимая брови. — Физик-теоретик отличается от политика тем, что политик не знает, что такое быть неправым, а физик неправ каждый день. Но когда мы оказываемся неправы, наука становится гораздо интересней. Я хочу больших сюрпризов, а ожидаю, что не будет никаких сюрпризов. Изучение деформированной стороны Вселенной поставило нас в открытую ситуацию. Это может дать нам абсолютно новую физику, а может и не дать. Понятно, что прогресс в физике будет связан с пониманием того, как сочетать ОТО и квантовую механику. Это понимание откроет глаза на самые важные вопросы: какова природа рождения Вселенной, есть ли другие вселенные, что внутри черной дыры и даже можно ли путешествовать назад во времени. Но любые предсказания здесь будут безответственны.

Торн принадлежит к весьма немногочисленной компании ученых, изучающих гравитацию за границей теории относительности. Это та область, где ОТО Эйнштейна должна пересечься с квантовой теорией. Именно там должна родиться еще неведомая теория квантовой гравитации, поисками которой занимался весь научный XX век. Ее появление сулит принципиально новую физику, новое представление об устройстве Вселенной.

Загвоздка в одном: надо иметь на руках конкретный объект исследования, те самые гравитационные волны. Собственно, об этом Торн и говорит. Девушки на экране должны иллюстрировать редчайший момент в жизни Вселенной, когда при столкновении двух черных дыр пространство будут сотрясать мощнейшие гравитационные волны, которые — ура! — можно будет наконец-то зафиксировать земными приборами. Когда это случится, начнется другая физика.

Мировая наука замерла на пороге перед некой загадочной дверью. Что за ней, никто сказать не может. Но ключи от замка уже звенят в карманах ученых. Дверь вот-вот откроется. Сидящий перед нами большой сутулый человек один из тех, кто повернет ключ.


Профессор гонит волну

Ловля гравитационных волн до сих пор была одним из самых безнадежных упражнений для физиков. Первопроходцем в этом деле был вовсе даже не Торн, а наш соотечественник, профессор Владимир Брагинский. Еще в 70-е годы с его легкой руки в подвале университетского физфака были установлены самые первые детекторы, долженствующие различить искомые волны среди густого месива других волн. Гравитацию тогда пытались ловить так называемыми весами Этвеша. Весы были особенные и должны были реагировать на малейшие колебания. Но на земле-матушке так много чего колеблется, что весы все время что-то показывали.

Однажды все-таки удалось засечь один четко воспроизводимый результат. Каждый вечер в одно и то же время прибор показывал одно и то же нарушение равновесия. Тогда весь физфак замер в трепетном ожидании. Но Брагинский быстро испортил праздник. Оказалось, что прибор честно фиксировал момент, когда последние трамваи с Университетского проспекта дружной толпой отправлялись в парк.

Для того чтобы уловить пространственные судороги Вселенной, нужен был конкретно наблюдаемый объект, чье гравитационное излучение было бы огромным. Но какой объект? Где его искать? Гравитацию излучает в общем-то все, что есть, точнее, имеет массу. Но так слабо, что зафиксировать это наземными способами просто нереально. И Земля, и Солнце отлично демонстрируют ньютоновский закон всемирного тяготения, но в смысле гравитационных волн они совершенно бесполезны.

Надо было искать во Вселенной какое-то особое, сверхгравитационное событие. Первым, кто предположил, что такое событие существует и его можно наблюдать в реальности, был еще один российский физик, знаменитый Яков Зельдович. Торн любит рассказывать историю о том, как однажды, приехав в Москву в 1971 году, был разбужен звонком Зельдовича часов в пять утра. Яков Борисович, известный своими привычками жаворонка, потребовал, чтобы Торн срочно к нему приехал. Сонный Торн отправился к Зельдовичу, проклиная все на свете.

Яков Борисович бегал по кабинету и, размахивая руками, нес нечто странное. Вращающиеся черные дыры, утверждал Зельдович, будут излучать мощнейшие гравитационные волны. Их надо искать и ловить. «Чушь! — возражал не до конца проснувшийся Торн. — С какой стати?! Земля тоже вращается и ничего особенного не излучает». Зельдович хватался за голову и возмущался глупостью своего юного коллеги (Торну тогда было всего-то 31 год). «Они будут излучать гравитацию так же, как вращающийся металлический диск будет порождать электромагнитное поле!» — утверждал Зельдович. Торн терпеливо выслушивал ночные бредни почтенного физика и пожимал плечами.

Инцидент не имел бы продолжения, если бы не совместные работы Торна и Стивена Хокинга о черных дырах. Расчеты, проделанные за последующие пять лет, показали, что Зельдович был абсолютно прав. Вращающиеся черные дыры действительно порождают мощнейшие гравитационные волны. А если представить себе, что две такие дыры сталкиваются, продолжал рассуждать Торн, мы получим один из самых сильных гравитационных спазмов Вселенной! Так был найден объект поиска — беспроигрышный объект, чья гравитационная энергия максимальна и может быть зафиксирована. С этого момента вся жизнь Торна в науке подчинена исключительно этому грандиозному сюжету.

— Нас интересует, что происходит, когда две черные дыры сталкиваются, — разносится с кафедры спокойный голос Торна. — С точки зрения фундаментальных понятий черные дыры, сталкиваясь, неизбежно обнаруживают нелинейную динамику искривленного пространства-времени. Это и есть то, что я пытаюсь понять.

Торн поднимает руку, чтобы нажать кнопку на клавиатуре презентационного компьютера.

— Чтобы все это посчитать, нужно попробовать визуализировать процесс столкновения, — поясняет он. — Долгое время мы могли представить себе только фрагменты искривленного пространства-времени. Но где-то год назад группа молодых исследователей придумала новый метод, который позволяет увидеть картину в целом.

Неторопливый, похожий на старого мудрого сома Торн оборачивается к залу, полному студентов, и улыбается:

— В этой группе все моложе меня в два, а то и в три раза. Какое же наслаждение работать с совсем молодыми людьми! Они все умнее меня. Я, может, немножко мудрее. Это единственное, чем я могу быть им полезен…

Посмотреть вложение 2541703
Слева: Компьютерная симуляция гравитационных волн, излученных черной дырой при ее возмущении. Высота и цвет каждого пика представляют различные характеристики волн; Справа: Черная дыра начинает возвращаться в равновесное состояние. Черная полоса по центру — поверхность черной дыры
NCSA, University of Illinois/SPL/East News


Посмотреть вложение 2541693
Слева: Черная дыра почти вернулась в равновесное состояние; Справа: Черная дыра вернулась в исходное состояние
NCSA, University of Illinois/SPL/East News

Торн наконец нажимает свою кнопку, и вместо девушки на экране появляются два аккуратных пятнышка, желтое и синее. Пятна, объясняет Торн, — это черные дыры, а цвета обозначают направления вращения: по часовой стрелке и против. По мере сближения пятна вытягиваются навстречу друг другу, а цвета начинают меняться местами. Желтое пятно синеет, синее желтеет. Постепенно оба пятна сливаются в одно, синий и желтый цвета долго пульсируют на его поверхности. Это модель. В реальности же каждое из двух скромных пятнышек на экране представляет собой нечто вроде пучка из колоссальных торнадо, где вместо воздушной воронки вращается воронка пространства.

— В районах полюсов черной дыры возникает как бы вихрь, я это называю вортекс, — говорит Торн. — Если вы хотите совсем простой картинки, то эти вихри-вортексы связаны с вращающейся черной дырой так же, как мои руки связаны с моим телом, когда я кручусь на одном месте. На северном полюсе каждой дыры вортекс закручивается по часовой стрелке, а на южном — против часовой. При этом сами черные дыры вращаются в разные стороны. Когда они сталкиваются, внутри такого конгломерата возникает внутренняя вибрация. В этот момент черные дыры обмениваются завихрениями, то есть направлениями вращений этих вортексов.

На экране опять возникает девушка. Похоже, бедняжка попала в страшную переделку. Судьба ее печальна.

— Я хочу вам напомнить, что, будучи частью пространства, вы не можете избежать искривления, оказавшись в непосредственной близости к черной дыре, — вежливо замечает Торн. — Когда девушка падает, допустим, на северный полюс черной дыры, происходит следующее. Там есть эффект турбулентности. Он все закручивает. При этом голова и ноги закручиваются в разные стороны. Любой протяженный предмет будет разорван на две части. Из-за разницы в скоростях вращения голова будет видеть ноги, вращающиеся против часовой стрелки, а ноги увидят голову вращающейся по часовой стрелке. То есть наблюдатель со стороны видит, что они вращаются в разные стороны.

Девушку, конечно, жаль, но самое интересное будет происходить во Вселенной вокруг. И тут придется вернуться к той самой метафоре Зельдовича, которую Торн впервые услышал ранним утром 1971 года: металлический диск, порождающий электромагнитное поле. Где поле, там и волна. Как там в школьной физике? У неподвижного электрического заряда есть свое электрическое поле. Но стоит заряду начать двигаться, как возникает вторичное, связанное с ним магнитное поле, которое в свою очередь порождает электрическое, и так далее. Это распространение по пространству порождающих друг друга полей и есть электромагнитная волна. На таинственное сходство гравитации и электромагнетизма обращали внимание давно. Но именно Торн первым догадался, как ураган пространства вокруг черных дыр воспроизводит этот же принцип.

— Так же, как движущийся заряд рождает переменное электромагнитное поле, — поясняет Торн ключевой момент теории, — движущиеся гравитационные вихри рождают вторичное, связанное поле. Когда это связанное поле перемещается по пространству, оно создает волну искривления. Пространство начинает содрогаться, что и порождает гравитационную волну.

Сам пространственный вихрь, исходящий из полюса черной дыры, Торн именует вортексом, а расходящееся вокруг вторичное поле — тендексом. При этом вортекс оказывается аналогом электрического поля, а тендекс — магнитного.

Во время катастрофических столкновений черных дыр такие судороги прокатываются по Вселенной со скоростью около 400 км/с. Мощность этих волн колоссальна. Точно установлено, что при столкновении черных дыр 10% их массы превращается в гравитационное излучение. Для примера скажем, что при столкновении частиц, происходящем в Большом адронном коллайдере, в гравитационные волны уходит лишь менее 0,5% их массы. «Светимость» (то есть, грубо говоря, энергия) порождаемой гравитационной волны составляет примерно 10% совокупной энергии сталкивающихся черных дыр. Это приблизительно 10 тысяч «светимостей» гравитационных излучений всех звезд Вселенной вместе взятых. «Светимость» гравитационной волны двух столкнувшихся черных дыр превысит гравитационную «светимость» Солнца в 1034 раза.

Именно такие волны, уверен Торн, и можно будет наблюдать в реальности.

— Разрешите мне сделать предсказание, — скромно улыбаясь, говорит профессор. — В течение ближайших лет пяти мы сможем детектировать гравитационные волны наземными приборами. Их частоты будут располагаться в диапазоне от 10 до 10 000 гц. Черные дыры, их испустившие, будут соответствовать от двух до тысячи масс Солнца.


Гравитационные уши

Разумеется, вслушиваться в гравитационную жизнь Вселенной будут не те наивные весы, с которыми начинали охоту на волны в 70-х. Вот уже как лет тридцать назад специалисты нескольких ведущих физических лабораторий мира под руководством Торна начали создавать прообразы так называемых интерферометров, использующих для наблюдения фазовый сдвиг лазерного луча. Формально говоря, устройство такого интерферометра предельно просто. Берем два зеркала, устанавливаем друг напротив друга и пускаем между ними лазерный луч. При прохождении гравитационной волны поверхность зеркала испытает некое искажение, а приборы покажут некоторый сдвиг фаз при прохождении луча. Вот и все. Вот только расчеты показали, что для достижения нужной точности система должна представлять собой сложнейшую конструкцию в форме буквы «г» с двумя четырехкилометровыми плечами и высоким вакуумом внутри.

Два года Торн уговаривал Национальный научный фонд США (NSF) вложиться в эту затею. Стоимость проекта оценивалась в запредельную по тем временам сумму 365 миллионов долларов. Кроме твердой веры Торна, никаких других доказательств потенциальной эффективности идеи в природе не существовало. В 1992 году чудо случилось. Контракт с NSF был подписан. Кип Торн вместе с двумя коллегами основал лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию, или проект LIGO, ставший самой дорогостоящей инициативой NSF за всю историю его существования.

— Сейчас в LIGO участвуют 150 ученых из 75 стран мира. Когда в 89-м году мы предложили этот проект, — вспоминает Торн, — нам пришлось разбивать его на два этапа. Технология была настолько сложна, что первый этап заключался просто в приобретении чернового опыта на имитационных интерферометрах. Они ничего не могли засечь, но надо было понять, как это работает. Чуть меньше двух лет назад мы наконец перешли к инсталляции интерферометров, нацеленных собственно на засекание волн. Их установка закончится к концу 2013 года. Еще три года я кладу на настройку. И вот к 17-му году я прогнозирую возможность успеха.

Фантастические по сложности и точности Г-образные громады уже построены в Ливингстоне (штат Луизиана), Хэнфорде (штат Вашингтон), Пизе и Ганновере. Эти гравитационные уши способны фиксировать сигнал с точностью до 10–22, находящийся на расстоянии 4 миллиардов световых лет.

— Должен сказать, что как теоретик я восхищен техникой LIGO, — разводит руками Торн. — Разность хода луча на расстоянии четыре километра между зеркалами составляет 10–4 секунды! Это впечатляет.

Сидящих в зале физиков впечатляет не тот факт, что раньше был плохой прибор, а теперь построили хороший. Впечатляет совсем другое. А именно, мера точности. Цифры, озвученные Торном, знаменуют переход к принципиально новому классу измерений на границе так называемого стандартного квантового предела. За этим пределом любое измерение по определению становится некорректным. Просто потому, что сам факт наблюдения будет нарушать измерительную точность.

— Впервые в истории мы будем наблюдать квантовое поведение объектов человеческого масштаба, — объясняет Торн. — Это смена парадигмы мышления в макроскопических измерениях. Мы до сих пор никогда не сталкивались с ситуацией, к которой экспериментаторы давно привыкли в микромире. Эта ситуация связана с принципом неопределенности Гайзенберга. До LIGO все наблюдения в макромире могли быть неточны только по причинам человеческого фактора. А сейчас мы столкнулись с принципиальным запретом самой природы на абсолютную точность…

Кстати, мысль о том, что 40-килограммовые зеркала интерферометров будут вести себя как квантовые объекты, впервые посетила не Торна, а все того же профессора Брагинского. Последний потратил лет двадцать на то, чтобы убедить американского коллегу в необходимости учитывать принцип Гайзенберга в экспериментах. Торн совершенно не верил, что Брагинский говорит это всерьез. Только перейдя к установке действующих интерферометров, Торн столкнулся с этим эффектом на практике. Пришлось просить Брагинского придумать систему, которая бы гасила квантовую повреждаемость объекта. Иначе интерферометры снова показывали бы только движение трамваев.


Зачем мне бог?

Лекция давно кончилась, зал отгремел аплодисментами, а мы сидим в холле гостинцы и продолжаем расспрашивать Торна о том, что он думает о Вселенной и жизни вообще. Несмотря на дорогой костюм и манеры джентльмена, в Торне есть что-то глубоко неформальное, хипповское.

— А я и есть хиппи, — поднимает брови Торн. — В молодости у меня были длинные волосы. Сейчас я такие носить уже не могу, поэтому я их просто брею. Когда я приезжал в Советский Союз в 80-х годах, мои сопровождающие всегда за меня извинялись. Мы приходили в какой-нибудь ресторан, и официанты отказывались меня пускать. Тогда мои друзья говорили: «Вы извините его, он американец».

Стиль Торна и в науке, и в жизни по-хорошему монументален. Он один из десятка ученых, которые отвечают за мировой научный фронтир и определяют содержание учебников физики на ближайшие лет пятьдесят. Свой научный бизнес этот хиппи умеет делать так, что за его результатами следит весь мир.

Чего стоят его знаменитые пари! Первое, заключенное между Торном и Хокингом, было оформлено документально в 1974 году. Спор шел о галактике Лебедь Х-1. Судя по данным астрономов, там располагался некий объект, испускающий мощное рентгеновское излучение. И Торн, и Хокинг страстно хотели, чтобы это была черная дыра — первая из реально зафиксированных. Решили так: Хокинг поставит на то, что дыры нет, а Торн — что дыра есть. Если Хокинг победит, все его представления о Вселенной можно будет выбросить в мусорное ведро, а ему самому в порядке утешения придется четыре года читать журнал «Частный взгляд». Если выиграет Торн, ему достанется годовая подписка на «Пентхаус». По счастью, победил Торн.

Википедия сообщает и о втором знаменитом пари — между Торном и Хокингом с одной стороны и физиком Джоном Прескиллом — с другой. На сей раз на кону стояло полное издание Британской энциклопедии. Тоже не шутка. Торн досадливо морщится.

— В Википедии обо мне написано только семьдесят процентов правды, остальные тридцать — вранье. Напомните мне, о чем там?

— Куда девается информация из черных дыр. Вы с Хокингом утверждали, что она уходит в параллельную Вселенную и полностью теряется, а Прескилл считал, что она возвращается в наш мир, но такой, что расшифровать ее уже невозможно.

— А, это не второе пари, — машет рукой Торн, — может быть, третье, а скорее четвертое. Это пари затрагивает очень важный вопрос. Суть вот в чем. Установлено, что черная дыра, возникшая в результате сжатия части пространства, потом полностью испаряется. Если при этом информация из черной дыры бесследно исчезает, это нарушает фундаментальные принципы квантовой теории. По крайней мере в том виде, в котором большинство физиков их формулируют. Но есть и другие способы их формулировать. Ричард Фейнман, например, считал, что, если информация невосстановимо покидает черную дыру, никакого нарушения нет. Хокинг и я предположили, что прав все-таки Фейнман. При очень большой кривизне пространства фейнмановские принципы действительно дают возможность путешествия назад во времени, а стало быть, начинаются неприятности с сохранением информации.

В 1988 году Торн опубликовал знаменитую статью про кротовые норы и машину времени, где доказал, что путешествия во времени не противоречат базовым законам Вселенной. Ехидный Хокинг поместил в своей книге «Мир в ореховой скорлупке» небольшой комикс, посвященный Торну. По хокинговской версии, Торн, отправившись на машине времени в прошлое, случайно встречает собственного дедушку. Они ссорятся, и в разыгравшейся драке Торн-младший убивает Торна-старшего. В результате убийца уже не может существовать в прежнем виде: дедушка погиб, так и не успев родить папу.

По счастью, это всего лишь шутки физиков. Живой и здоровый Торн между тем продолжает:

— Около сорока лет физики пытались найти способ спасти принцип сохранения информации в ситуации с черными дырами. Хокинг на основе доводов других ученых пришел к выводу, что информация не теряется. Это было на конференции в Дублине в 2004 году. Хокинг тогда прочитал большую лекцию, где отказался от нашей первоначальной аргументации и признал победу Прескилла. Честно сказать, я его доказательства не понял. Точка зрения некоторых очень хороших физиков отличается от хокинговской. Они склоняют меня все еще считать пари открытым. Все зависит от того, как мы представляем себе законы квантовой гравитации.

— Какое пари вы бы сейчас заключили на годовую подписку «Русского репортера»? — вежливо интересуемся мы.

— Заманчивое предложение! — смеется Торн. — Но у меня сейчас нет готового пари.

— Может быть, на обнаружение гравитационных волн?

— Я уже заключал пари на обнаружение гравитационных волн. И все их проиграл, — сокрушенно качает головой Торн. — Я проигрываю пари, потому что неправильно предсказываю не то, что произойдет, а когда. Я рассчитывал обнаружить гравитационные волны еще в начале 90-х годов, когда запускали проект LIGO. Потом я предсказывал, что мы увидим их к 2000 году. Но все оказалось сложнее и дольше. В этих задержках я виню лично президента США Буша-младшего и его стратегию «никаких новых проектов». Виню я и NАSА. Последнее время там отвратительный менеджмент. Они страшно боятся всего, что не гарантировано на сто процентов.

— Нужен ли вам бог в ваших исследованиях? — спрашиваем мы. Вопрос не случаен. Торн приехал в Москву, чтобы выступить на научной конференции, посвященной памяти его старого друга и коллеги физика Виталия Гинзбурга, который был известен как воинствующий атеист, считающий религиозность несовместимой с наукой. Научная молодежь с ним не соглашалась. Кому, как не физику, знать о гениальной конструкции Вселенной? А также о том, что история ее вовсе не случайна.

Торн вежливо улыбается и отрицательно качает головой.

— Нет, — просто говорит он, — для меня лично этот вопрос неинтересен. Гипотеза бога, как мне кажется, совершенно бесполезна. Может быть, это связано с той областью, которой я занимаюсь. Я пытаюсь понять, как Вселенная работает. Это моя всепоглощающая страсть. Я фундаментальный ученый. Зачем мне бог, если я занимаюсь тем же самым?

Ольга Андреева, Михаил Казанович
Русский репортёр
http://www.rusrep.ru

 

Mrak

Ословед
[h=2]Предварительные результаты CERN: открытая частица — действительно бозон Хиггса[/h]


В июле прошлого года, как известно, физики сообщили о том, что в ходе опытов обнаружили неуловимую прежде частицу, которая проливает свет на устройство Вселенной — бозон Хиггса. Однако открыть частицу мало — нужно доказать, что речь идёт именно о классическом бозоне Хиггса, а не о какой-ибо иной частице, описываемой в теориях, отличных от Стандартной модели.
В рамках недавнего обновления проекта Европейской организации ядерных исследований (CERN) по изучению частиц на основании анализа объёма данных в 2,5 раза превышающего тот, что был доступен на момент анонса в июле, учёные сообщили, что открытая частица всё больше напоминает описанный теоретически классический бозон Хиггса.
higgs-articlelarge.jpg
Июль 2012 года. Учёные в Женеве приветствуют открытие субатомной частицы, которая напоминает бозон Хиггса (Denis Balibouse)
Стоит отметить, что пока речь идёт о предварительных исследованиях и с окончательными выводами команда учёные не спешат — речь может идти об обнаружении частицы, которая предусматривается Стандартной моделью, но не исключено, что учёные обнаружили один из нескольких самых лёгких бозонов, предсказанных в других побочных теориях физики элементарных частиц. Для того, чтобы в этом разобраться, потребуется время.
Однако на данный момент все предварительные оценки поведения частицы (например тот факт, что она является скалярной, то есть обладает нулевым спином) свидетельствуют всё более определённо в пользу того, что речь идёт о классическом бозоне Хиггса.

http://www.3dnews.ru/news/642789
 

    Quiz

    очки: 1.828
    Нет комментариев

    Inquisitor

    очки: 90
    +

Inquisitor

Ословед
Teasing out the nature of structural instabilities in ceramic compounds

March 14, 2013

Посмотреть вложение 2686783

The simple perovskite structure of EuTiO3 illustrated above shows the essential competing structural instabilities. At the center of the figure is the oxygen cage rotation, and to the right is the central titanium displacement. X-ray diffraction studies showed that, to accommodate the incompatibility of these distortions, they naturally form a long, inter-digitized superstructure (illustrated at far left), which allows them to coexist. Ultimately, this research demonstrates that when both electric and magnetic fields are applied as the europium spins align, the oxygen cage responds, mediating communication between the titanium electric and europium magnetic parameters.

(Phys.org) —Materials scientists have been for some time preparing artificial ceramic systems that simply do not exist in nature, allowing scientists to engineer particularly interesting and even technologically applicable behaviors. But sometimes nature itself finds ingenious solutions to physical problems that we have not been able to solve.

Some of the more ubiquitous members of this family include strontium titanate (SrTiO3), calcium titanate (CaTiO3), lead titanate (PbTiO3), and barium titanate (BaTiO3). The first two (SrTiO3 and CaTiO3) are very common and prototypical of the perovskite structure. Both of these systems experience a structural response whereby the oxygen cage tilts and or rotates within the cubic unit cell.

On the other hand, the latter two examples (PbTiO3) and BaTiO3) do not exhibit oxygen distortion but rather the central atom, the titanium, moves away from the center of the sample unit cell. This shift generates a non-neutral electric polarity and with it an internal electric field. Moreover, by applying an electric field, all the titanium atoms can be switched across the center, changing the direction of the polarity and making it a true ferroelectric material.

The researchers in this study, from Argonne, the University of Liverpool (England), the ESRF (France), Universidad de Castilla-la Mancha (Spain), and the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology studied a less common member of the same family, europium titanate (EuTiO3). This rare-earth magnetic version has the additional oddity that it demonstrates an anomalous magneto-dielectric character: In a magnetic field, the (near) optical properties change quite dramatically. This presented hope of a strong magneto-electric material often dreamed of by engineers for use in combining magnetic and charge parameters for many memory, processing, and sensor devices.

"What we know is that ferroelectricity is a very useful commodity, and that the oxygen octahedral rotations can inhibit the potential to generate ferroelectricity," said Jong-Woo Kim, a co-author on this study.

The question is, how do these structural instabilities interact and through what mechanism are they coupled?

What surprised the team was evidence of both an oxygen cage structural distortion and a titanium displacement coexisting. What they found was a scenario whereby the two instabilities were well balanced and the system as a whole didn't reconcile a preferred state.

"The result of a complicated superstructure allowing both parameters—in a sense, inter-digitized and therefore spatially separated—resolves the issue of how the competing mechanisms exist in one structure," said article co-author Philip Ryan.

Ultimately, the team demonstrated that, with coupled electric and magnetic field application one could monitor the structural response of the oxygen cage rotation, suggesting that the oxygen ion itself plays a role in mediating the magnetism of the europium ions and the electric parameter of the titanium ions and is not, as previously thought, a passive player in the magneto-dielectric phenomenon.

More information: Jong-Woo Kim, Paul Thompson, Simon Brown, Peter S. Normile, John A. Schlueter, Andrey Shkabko, Anke Weidenkaff, and Philip J. Ryan, "Emergent Superstructural Dynamic Order due to Competing Antiferroelectric and Antiferrodistortive Instabilities in Bulk EuTiO3" Phys, Rev. Lett. 110, 027201 (2013).

http://phys.org
 

Inquisitor

Ословед
Researchers find it would require 2.4 times less energy to create a black hole....

Посмотреть вложение 2686793
Credit: W. E. East and F. Pretorius, Phys. Rev. Lett. (2013)

(Phys.org) —Frans Pretorius and William East of Princeton University have published a paper in Physical Review Letters, where they describe computer models they've developed that show that it would require 2.4 times less energy to create a black hole than previous research has suggested. They also note that despite this new finding, researchers are still very far away from being able to create a black hole, even the microscopic ones that aroused fears surrounding research at the Large Hadron Collider (LHC).
Black holes that exist out in space have captured the public's imagination as they are both distant and mysterious, and entail forces larger than most people can envision. Newer research, on the other hand, that has suggested that very tiny black holes can exist also and might even be created by smashing sub-atomic particles together in powerful colliders such as the LHC, have caused fear. In this new effort, the two researchers created models to help understand what happens when particles collide, what it might take to create a tiny black hole, and the likelihood of scientists ever being able to do so.
Researchers know that it is theoretically possible to create black holes because of Einstein's Theory of Relativity—particularly the part describing the relationship between energy and mass—increasing the speed of a particle causes its mass to increase as well. The computer model in this effort, which is based on Einstein's theories, provides a virtual window for viewing what happens when two particles collide—they focus their energies on each other and together create a combined mass that pushes gravity to its limit and as a result spawns a very tiny black hole. That result was expected—what was surprising was that the team found that their model showed that such a collision and result would require 2.4 times less energy than has been previously calculated to produce such a tiny black hole.


The team also notes that despite fears of researchers building a collider to replicate in real life what their model depicts—and in the process creating a black hole that would swallow the Earth—the science just isn't there yet. It would take billions of times more energy than even the LHC is able to generate and use. Also, even if they could create such a black hole, it would disappear just as quickly as it appeared, due to Hawking radiation.

The equations of General Relativity have been solved only in very simple cases. Frans Pretorius of Princeton University held at SISSA on February 27, 2013, a public conference to illustrate the innovative method he has employed to obtain solutions of Einstein's General Relativity in realistic problems for modern astrophysics like, for instance, the collision of black holes.



More information: Ultrarelativistic Black Hole Formation, Phys. Rev. Lett. 110, 101101 (2013) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.101101

Abstract
We study the head-on collision of fluid particles well within the kinetic energy dominated regime (γ=8 to 12) by numerically solving the Einstein-hydrodynamic equations. We find that the threshold for black hole formation is lower (by a factor of a few) than simple hoop conjecture estimates, and, moreover, near this threshold two distinct apparent horizons first form postcollision and then merge. We argue that this can be understood in terms of a gravitational focusing effect. The gravitational radiation reaches luminosities of 0.014 c5/G, carrying 16±2% of the total energy.

Journal reference: Physical Review Letters

© 2013 Phys.org

 
Сверху