"Мы услышали отголоски танца двух черных дыр". Главные открытия последнего десятилетия в физике и космологии
Наука за последние десятилетия ушла так далеко, что для простого человека порой становится практически непостижима. Гравитационные волны, нейтринные осцилляции, телепортации квантовых состояний – все это звучит не просто страшно, а страшно интересно. Арсений Веснин попросил кандидата физико-математических Кирилла Половникова простым языком рассказать нам о главных открытиях в области физики и космологии, которое сделали во втором десятилетии XXI века.
Новые сверхпроводники
Сверхпроводимость – это способность материалов проводить электрический ток без сопротивления. Сейчас мы тратим порядка 30% электроэнергии на то, чтобы ее просто доставить до розеток. Это связано с тем, что провода обладают собственным электрическим сопротивлением. Логично, что хочется сократить издержки. Само явление сверхпроводимости, которое позволяет это сделать, было открыто еще в 1911 году нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Но у него возникла проблема: сверхпроводимость проявлялась в особенных условиях, порядка -270 °С. Понятно, что использовать материалы, которые работают только в таких условиях, очень сложно.
В XX веке температуру перехода в сверхпроводящее состояние повысили до -160 °С. Немного лучше, но тоже сложно для практического применения. А вот за последние 10 лет нашли несколько материалов, которые проявляют сверхпроводимость уже при довольно высоких температурах. В 2019 году обнаружили материал, который переходит в сверхпроводящее состояние при -13°С. То есть зимой это уже может работать.
А в 2020 году удалось получить материал, который сохраняет свойства сверхпроводимости уже при температуре +15°С. Это мощнейший прорыв, это практически комнатная температура.
Но осталась еще одна проблема: все эти материалы переходят в сверхпроводящее состояние только при очень высоком давлении в несколько миллионов атмосфер. Это опять только лабораторные условия. Но сам факт того, что мы приблизились к комнатной температуре, дает надежду, что скоро мы сможем получить сверхпроводимость при нормальном атмосферном давлении.
Что это нам даст?
Если у нас будут материалы, которые обладают свойствами сверхпроводников при нормальной температуре и нормальном атмосферном давлении, мы сможем получить эффективные сети электроэнергии.
Мы будем экономить очень много электричества, а значит будем экономить много ресурсов. Электричество подешевеет. Для экологии полезно.
Также сверхпроводники используются для создания мощных магнитных полей. Создание поездов на магнитной подушке станет гораздо более реальным. Тот же проект Hyperloop Илона Маска требует создания мощной магнитной подушки для поезда, который будет лететь под землей на огромной скорости. С появлением новых сверхпроводников, которые будут работать в нормальных условиях, не нужно будет так охлаждать материалы, в общем, сделать все будет гораздо проще.
Еще есть один научный момент. У физиков нет общей теории сверхпроводимости, которая полностью бы объясняла это явление. Поэтому ученые практически наугад подбирают материалы, которые можно использовать как сверхпроводники. Создание общей теоретической базы – важная задача, которую предстоит решать в ближайшее время.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация – это один из парадоксов квантовой механики. “Парадокс” в кавычках, конечно. То есть то, что противоречит нашему здравому смыслу или наивным физическим представлением. Будем разбираться, что это.
Квантовая телепортация – это не телепортация в фантастическом смысле этого слова, когда предмет исчез в одном месте и мгновенно материализовался в другом месте.
Квантовая телепортация — это совсем про другое, она телепортирует не предметы, а квантовые состояния.
Что за квантовые состояния? Об этом писал еще Эйнштейн в работе Эйнштейна – Подольского – Розена. Начнем с того, что у нас есть две «запутанные частицы». Это физический термин, он обозначает, что две частицы родились в результате одного процесса, они сестры. Их квантово-механические характеристики из-за этого оказываются зависимыми друг от друга.
Возьмем такую характеристику квантового состояния как «спин» — это, если очень сильно упрощать, направление вращения частицы. Две частицы родились вместе и разлетелись в разные стороны. У одной частицы должен быть спин вверх (по часовой стрелке) у другой частицы тогда должен быть спин вниз (против часовой стрелки). Невозможно, чтобы у одной частицы был такой же спин как у второй. Но тут есть проблема: когда такие частицы рождаются, нам достоверно неизвестно у какой частиц какой спин, у кого он вверх, а у кого вниз.
В чем тут проблема и где же телепортация?
Представим такую ситуацию: в момент своего рождения частицы оказались связаны (запутаны), и мы направили их в разные стороны, одну на Луну, другую на Марс, например. На Луне мы поставили датчик, он сработал и нам сообщил, что у этой частицы спин вверх. В этот момент частица, которая летит на Марс немедленно поменяет свой спин на противоположный, то есть на «вниз». То есть зафиксировав состояние частицы на Луне, мы телепортировали определенную характеристику в сторону Марса. И расстояния могут быть какими угодно.
Тут важно отметить, пока наши частицы летят и не достигли нашего датчика, они находятся сразу в нескольких состояниях, у них так называемый смешанный спин (это называется суперпозиция). По сути, наши частицы как кот Шредингера, только тот одновременно жив и мертв, а у наших спин вверх и спин вниз в один и тот же момент. Но как только мы на одну частицу посмотрели, у нее сразу стал определенный спин. А значит в тот же момент определенный противоположный спин стал у частицы-сестры хоть на другом краю Вселенной. Вот это и есть телепортация – телепортация состояния, характеристики.
В 2017 году китайским ученым удалось осуществить первую космическую квантовую телепортацию. Они со спутника на Землю отправили эти запутанные частицы в три лаборатории. Расстояние 1200 км. И им удалось самим передать на это расстояние квантовое состояние частиц. Таким образом подтвердили теорию. Эксперимент удался.
Где это можно использовать?
Использовать эти запутанные частицы можно для сверхзащищенного шифрования. Есть квантовая криптография. Если вы передаете информацию с помощью этих квантовых частиц, и кто-то пытается вмешаться в процесс, перехватить сигнал, тогда мгновенно происходит фиксация состояния частиц и мы это видим. Когда кто-то влез, мы сразу же это понимаем.
Вторая история – квантовые компьютеры. И тут мощнейший прорыв: в 2019 году Google сообщила, что уже создала такую машину, которая за 3 минуты делает такое количество вычислений, как самый мощный суперкомпьютер за 10 000 лет. Там как раз используются эти запутанные частицы, когда они находятся одновременно в разных состояниях (условно спин вверх и вниз одновременно, только состояний гораздо больше).
Обычный компьютер использует либо «0» либо «1». В квантовой механике у нас может быть одновременно с разной вероятностью и «0» и «1» и «2» и так далее. Это существенно ускоряет расчеты. Ну а квантовый компьютер даст возможность создавать искусственный интеллект, просчитывать новые материалы, новые лекарства, моделировать приборы, автомобили. Это будет мощнейший прорыв.
Бозон Хиггса
В 2012 году на большом адронном коллайдере удалось обнаружить предсказанную еще в 60-х годах частицу – бозон Хиггса. Нам понадобилось более 50 лет, чтобы технически до этого дорасти.
Есть Стандартная Модель элементарных частиц – она описывает все базовые частицы, то есть из чего все состоит. Чтобы упростить: мы знаем, что все состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов, атомы состоят из электронов, которые летают вокруг ядра. Ядро состоит их протонов и нейтронов, протоны и нейтроны – из кварков. Кварки – самые элементарные частицы. Есть еще другие маленькие частицы.
Так вот, Стандартная Модель описывает частицы и их взаимодействия друг с другом. И в этой модели была частица, которую нам не удавалось поймать и увидеть. Она была только в расчетах. Большой адронный коллайдер и был построен, в частности, чтобы увидеть эту частицу. И мы ее увидели.
В 2012 году удалось уже убедительно на большом количестве событий (столкновений протонов в ускорителе) увидеть этот бозон Хиггса. Это еще раз доказало правильность Стандартной Модели, мы еще раз подтвердили теорию, которая описывает из чего состоит все. Кроме того, мы уточнили эту теорию, потому что было несколько разных предположений о том, как себя поведет бозон Хиггса и каким он будет. Теперь мы это точно знаем.
Что это нам даст?
Сотовые телефоны на бозоне Хиггса мы не сделаем. Это в первую очередь просто подтверждение теории. Мы занимаемся тем, что описываем взаимодействие частиц, изучаем, как устроено вещество, как происходило развитие вселенной. На коллайдере мы получили вещество в таком же состоянии, в котором оно находилось через одну тысячную долю секунды после Большого взрыва. Мы теперь лучше понимаем механизмы развития Вселенной.
Как это будет использоваться на практике пока непонятно. С теоретическими открытиями всегда так – открывается новая частица, новый закон, неизвестно к чему это приведет. В качестве примера могу привести оценку перспективности электричества одним английским лордом. Как только открыли электричество, он сказал, что это всего лишь красивая игрушка, но это не принесет никакой пользы. Ну а сегодня мы не можем представить свою жизнь без электричества. Возможно, бозон Хиггса и всю эту стандартную модель научатся использовать для чего-то, но как именно, мы пока не знаем.
Но все фундаментальные открытия всегда находили практическое применение.
Нейтринные осцилляции
За эту штуку дали Нобелевскую премию в 2015 году. Это было исследование свойств еще одной группы частиц из все той же Стандартной Модели. Помимо тех же кварков туда входят еще три вида частиц под названием «нейтрино». И эти частицы ведут себя довольно странным образом. Рождаются они в ядерных реакциях, например таких, как на Солнце. Дальше они летят во все стороны, в том числе на Землю. Допустим, на солнце родились нейтрино первого типа. И пока они летят в сторону земли, половина частиц внезапно превращаются в частицы второго типа. Это очень странно. Представьте: летели электронные нейтрино, потом половина стала мюонными, а половина остались электронными. Вот такие колебания и называют осцилляциями нейтрино.
Предсказали это явление тоже уже давно. Но обнаружить, увидеть, подтвердить не удавалось. Нейтрино – частицы слабо уловимые, они почти не вступают в реакцию. Если вы посмотрите на свою ладонь, то за секунду через нее пролетит несколько миллиардов нейтрино. Они все проходят насквозь и никак не взаимодействуют. Поймать их очень сложно. Но мы научились создавать гигантские подземные экспериментальные установки. И там их стали ловить.
В этом десятилетии мы не только поймали их, но и подтвердили, что до нас долетают нейтрино двух типов, хотя с солнца вылетают только одного. Как это происходит, мы не знаем, но это открывает нам пространство для размышлений.
Еще один момент: Стандартная Модель (которая описывает все мельчайшие частицы, из которых все состоит) предполагает, что у нейтрино массы нет. А осцилляции нейтрино указывают на то, что все-таки есть. То есть мы еще раз уточнили Стандартную Модель и еще раз вспомнили, что ее надо дорабатывать, а соответственно мы продолжаем искать то, что до сих пор оказывается за пределами Стандартной Модели, ведь не все мы знаем.
Изучение нейтрино дало еще и толчок к развитию космологии. Уже появилась отдельная область под названием нейтринная космология. Оказалось, что с помощью наблюдений за нейтрино можно заглядывать в очень глубокий космос. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, проходят сквозь звезды и галактики, а следовательно они несут информацию очень издалека.
Как мы ловим радиосигнал, как мы ловим свет в телескопах, так мы ловим и потоки нейтрино из дальних галактик, а соответственно мы можем изучать их на более глубоком уровне. Мы смотрим плотность потока, количество частиц, их характеристики… На сегодняшний день уже обнаружили несколько мощных потоков нейтрино. Теперь думаем, кто их сгенерировал? Может черные дыры, в которые попало вещество, может новые галактики, может из-за столкновений звезд? У нас появился огромный простор для исследований.
Новые экзопланеты
Но начнем, наверное, не с экзопланет, а с появления частной космонавтики. В XX веке космонавтика считалась сферой доступной только для государств. Ну просто потому, что это очень дорого. Но XXI век показал, что это может быть и бизнесом. То, что удалось запустить многоразовую ракету, что делает Space X, то, что компании сами отправляют свои спутники – это мощный рывок. Это больше относится к технике, но это создает пространство для дальнейшего развития науки. Если космос стал более доступен, значит мы можем в большем количестве туда отправлять научные обсерватории, радио или рентгеновские телескопы. И мы уже начали это делать
Мы уже отправили несколько телескопов на орбиту. Все-таки наша атмосфера создает очень сильные помехи для наблюдений. И мы стали находить экзопланеты. Что это такое? Это планеты других звезд. То есть планеты, которые находятся вне Солнечной системы.
В декабре 2019 года телескоп Хеопс приступил к поиску и изучению экзопланет. В нашей галактике 200 млрд. звезд. Понятно, что планет должно быть очень много. Возможно такое, что на какой-то планете может существовать жизнь или даже разумная жизнь. И сейчас активно ищут такие планеты. В начале XXI века планет вне солнечной системы обнаружили всего по пальцам пересчитать. А на сегодняшний день подтверждено существование более 4 тысяч экзопланет.
Есть планеты похожие на Землю и по размеру, и по массе, и по расположению в «зоне жизни», то есть на таком удалении от звезды, что условия могут напоминать земные. Там температуры могут быть такие как у нас, не очень горячо и не очень холодно. Такие планеты обнаружены. Их сейчас хотят изучить, посмотреть химический состав, это возможно, и может быть обнаружить органические соединения. Это делается с помощью изучения излучения, с помощью спектрального анализа.
Дело в том, что у каждой молекулы есть свой спектр излучения. Изучая спектр света, который приходит от этой планеты, мы можем определить, какие молекулы там находятся. Биологи посмотрят на этот состав и, наверное, смогут сказать, насколько сложна эта органическая жизнь. Но даже если будет обнаружено что-то простейшее типа бактерий, в масштабах вселенной через некоторое время это все сможет развиться в более сложную жизнь.
Долететь мы, правда, пока туда не сможем. По оценкам даже до ближайшей звезды Проксима Центавра с нынешними технологиями лететь около 400 лет.
Но, даже если не долетим, само понимание того, что мы не одиноки во вселенной, довольно сильно изменит наше мировоззрение.
Гравитационные волны
В 2015 году физикам удалось зафиксировать гравитационные волны. Интересно, что это тоже то явление, которое 100 лет назад предсказал Эйнштейн. Но экспериментально никто не мог подтвердить его правоту и поймать эти гравитационные волны. И вот мы смогли это сделать, за это тоже дали Нобелевскую премию.
Что такое гравитационные волны? По сути, это волны самого пространства-времени. Когда пространство расширяется и сжимается, волны распространяются по пространству. Это один их эффектов общей теории относительности. Фиксация этих гравитационных волн подтвердила правильность общей теории относительности. Пространство действительно искривляется, искривление пространства существует. Более того, оно может искривляться таким вот экзотическим образом, распространяясь в пространстве в виде волн.
Изучая эти волны, мы можем судить о том, что было их источником. Как правило, это двойные звезды. Довольно часто во вселенной встречаются двойные системы, когда две звезды вращаются вокруг общего центра масс. Эти двойные звезды и могут излучать гравитационные волны. Еще эти двойные звезды могут превратить в черные дыры, тогда их вращение будет еще сильнее. За счет излучения гравитационных волн в какой-то момент они начнут терять свою же энергию и сольются в одну черную дыру. Такой процесс и был зафиксирован в 2015 году. Ученые поймали гравитационные волны, и по характеристиками этих волн удалось определить параметры черных дыр, их массы и энергию, которая была выделена при их слиянии.
Это направление – гравитационно-волновая астрономия – стало популярным. Мы теперь ловим волны и получаем информацию из разных уголков вселенной. Обнаружили, как сливаются черные дыры.
Можно сказать, что мы теперь слышим отголоски вот этого танца двух черных дыр вокруг друг друга.
Это открытие подтвердило теорию относительности Эйнштейна. Есть надежда, что с помощью гравитационных волн мы сможем лучше понять, что такое темная материя и темная энергия. Но это дело будущего.
Фотография черной дыры
Наконец-то нам удалось сфотографировать черную дыру. Кроме того, за исследования физики черных дыр в 2020 году дали Нобелевскую премию. На самом деле, это признание того, что черные дыры реально существуют. Раньше черные дыры рассматривались как экзотический объект, который возникает в теории относительности, как одно из частных решений уравнений Эйнштейна. Но таких конкретных доказательств не было ни у кого, ни у физиков, ни у астрономов. Но за последние годы, изучая гравитационные волны, а также за счет этой фотографии, все сомнения в реальности черных дыр отпали. Мы теперь точно уверены, что они существуют, и что одна находится в центре нашей галактики. Следующая фотография скорее всего будет именно нашей черной дыры в центре Млечного пути.
Пара слов про черные дыры: они не бороздят галактики и никого не засасывают, как об этом иногда говорят в разных фильмах. К Земле не прилетит черная дыра и не съест ее, все это глупости.
Черные дыры не пылесосы.
Они создают мощное гравитационное поле, как и Солнце, например. Земля вращается вокруг Солнца, но солнце же не засасывает Землю, мы просто вращаемся вокруг него из-за того, что Солнце очень сильно искривило пространство. Земля, попадая в это искривленное пространство, начинает двигаться по орбите. Черные дыры точно так же искривляют пространство, и все тела вращаются вокруг них. Если вы направите свой космический аппарат в черную дыру, вы в нее попадёте, но, если вы направите космический аппарат в Солнце, вы тоже туда попадете.
Посадка на поверхность кометы
В 2014 году впервые в истории удалось совершить посадку на поверхность кометы. Аппарат «Розетта» сел на комету Чурюмова-Герасименко. «Розетта» взяла образцы поверхности, провела анализы. Это очень важно. Мы постепенно осваиваем не только планеты, но и такие небольшие объекты. В будущем их можно будет использовать для получения полезных ископаемых.
С научной точки зрения это даст дополнительный материал для того, чтобы узнать, как появилась солнечная система. Кометы – объекты, которые образовались на самых ранних этапах существования ее существования. Уже удалось узнать, о содержании тяжелой воды во льду этой кометы. Эта вода состоит из тяжелых атомов водорода, а не из обычных. Там в атомах находится не только протон, но еще и нейтрон.
В общем, оказалось, что вода в комете не такая как на Земле. Это значит, что земная вода не появилась из-за столкновения с кометой. Была гипотеза, что наша вода появилась как раз из-за комет, которые врезались в Землю. А вот и нет. Каким-то другим образом у нас появилась вода, каким, мы пока не знаем.
Многие открытия, о которых вы говорили, были предсказаны на бумаге еще в XX веке. Есть ли сейчас новые теории, которые пока мы не может подтвердить экспериментом?
Таких теорий много. Есть много предположений, касающихся элементарных частиц, того, как они будут себя вести. Например, есть Теория Великого объединения.
В нашей Стандартной Модели у нас есть три типа взаимодействия частиц: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие (эта сила отвечает за то, что ядра атомов не разлетаются. В ядре находятся положительно заряженные протоны, они должны отталкивать друг друга, но нет, их что-то удерживает) и есть еще слабое ядерное взаимодействие, которое описывает почему у нас происходит радиоактивный распад. И вроде бы это три разные силы.
Но есть предположения, что все это одно взаимодействие. Речь идет о том, что на каких-то больших энергиях это все становится одной силой, а распадается на разные силы только при меньших энергиях. Но чтобы это проверить, нужен ускоритель размером с орбиту Земли, пока мы не можем его построить. Но это большой вопрос – про силы и взаимодействия. Сама идея выглядит разумной, но есть очень много конкурирующих теорий. Только эксперимент сможет показать какая теория правильная.
Еще есть теория суперструн, которая, в частности, говорит о том, что наше пространство десятимерное. Были надежды, что на большом адронном коллайдере что-то из нее проявится, но нет. Нужен коллайдер мощнее, больше энергии, возможно, там правятся эффекты дополнительных измерений, частицы будут вести себя иначе. При столкновении часть энергии должна уходить в дополнительные измерения, но наших мощностей не хватает.
Теория суперструн вообще пытается объединить теорию относительности и квантовую механику. У нас же пока очень странная ситуация: квантовый мир живет по своим законам, а мир, где есть гравитация – по другим. В квантовом мире, то есть в мире частиц, у нас действуют одни законы физики, а гравитации вообще нет, а в мире, в котором мы живем -другие. Это надо как-то решать.
Чего еще ждать?
Эксперименты в физике элементарных частиц должны дать ответы на вопрос: какое самое тяжелое из стабильных ядер может существовать? Сейчас в таблице Менделеева 118 элементов. Последние 20 элементов мы получили искусственно на ускорителях: мы сталкивали легкие частицы, они сливались, и получалось новое вещество. Проблема была в том, что такие более тяжелые ядра оказались нестабильными и разваливались. Соответственно перед нами стоит вопрос, а может ли существовать тяжелое ядро, которое не будет разваливаться? А вдруг у него будут какие-то особые свойства? Ну и вообще, это будет означать, что человек создал что-то своими руками, а не взял у природы.
Арсений Веснин / Vot Tak TV
