10 неможливих речей, які стали можливими завдяки сучасній фізиці

В дивовижному світі фізики неможливе, хоч і не відразу, але все одно стає можливим. А за останній час вченим вдалося досягти дійсно суперневозможних речей. Наука прогресує. Одному лише макаронному монстру відомо, що ще нас чекає в її найпотаємніших надрах. Сьогодні розберемо десятку нереальних речей, станів та об’єктів, що стали можливими завдяки сучасній фізиці.

Неймовірно низькі температури

У минулому вчені не могли остудити об’єкти нижче так званого порога «квантового межі». Щоб щось охолодити до такого стану, необхідно використовувати лазер з дуже повільно рухаються атомами і придушити створювані ними тепловиділяючі вібрації.

Однак фізики знайшли потрібне рішення. Вони створили ультракрошечний алюмінієвий вібруючий барабан і змогли охолодити його до 360 мкКельвинов, що в 10 000 разів нижче температури в самих глибинах космічного простору.

Діаметр барабана складає всього 20 мікрометрів (діаметр людської волосини – 40-50 мікрометрів). Охолодити його до таких наднизьких температур вдалося завдяки новій технології так званого «стислого світу», в якому всі частинки мають одне спрямування. Завдяки цьому в лазері зникають вібрації, що генерують тепло. Незважаючи на те, що барабан охолодили до найнижчої з можливих температур, він не є самим холодним видом матерії. Це звання належить конденсату Бозе — Ейнштейна. Але навіть у цьому випадку досягнення відіграє важливу роль. Так як одного разу подібний метод і технології можуть знайти своє застосування для створення надшвидкої електроніки, а також допомогти в розумінні дивної поведінки матеріалів квантового світу, що наближаються у своїх властивостях до фізичних меж.

Найяскравіше світло

Світло Сонця сліпучо яскравий. А тепер уявіть собі світ мільярди Сонць. Саме його нещодавно створили фізики в лабораторії, фактично створивши самий яскравий штучний світ на Землі, який до того ж веде себе досить непередбачуваним чином. Він змінює зовнішній вигляд об’єктів. Однак людському зору це недоступно, тому залишається повірити фізикам на слово.

Молекулярна чорна діра

Нещодавно група фізиків створила щось, що веде себе як чорна діра. Для цього вони взяли найпотужніший у світі рентгенівський лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) і зіштовхнули з допомогою нього молекули йодметана і йодбензола. Спочатку очікувалося, що лазерний імпульс виб’є більшість електронів з орбіти атомів йоду, залишивши замість них вакуум. В експериментах з більш слабкими лазерами ця порожнеча, як правило, відразу ж заповнюються електронами з самих зовнішніх кордонів орбіти атома. Коли лазер LCLS вдарив, очікуваний процес дійсно запустився, але потім було по-справжньому дивовижне явище. Отримавши такий рівень збудження, атом йоду почав в буквальному сенсі пожирати електрони у що знаходяться поруч атомів водню і вуглецю. З боку це здавалося крихітної чорною діркою всередині молекули.

Наступні імпульси лазера вибивали притягнуті електрони, але порожнеча затягувала все більше і більше. Цикл повторюється до тих пір, поки вся молекула не вибухнула. Що цікаво, атом молекули йоду виявився єдиним, який показує подібну поведінку. Так як він в середньому більше інших, то здатний поглинати величезний обсяг енергії рентгенівського випромінювання і втрачати свої первинні електрони. Ця втрата залишає атом з досить сильним позитивним зарядом, з допомогою якого він притягує електрони від інших, більш дрібних атомів.

Металевий водень

Його називали «священним Граалем фізики високих тисків», проте до недавнього часу ніхто не зміг досягти успіху в його отриманні. Можливість перетворення водню в метал була вперше озвучена в 1935 році. Фізики того часу припустили, що таку трансформацію можна викликати за допомогою дуже сильного тиску. Проблема ж полягала в тому, що таке тиск технології того часу створити не могли.

У 2017 році американська команда фізиків вирішила повернутися до старої ідеї, але використовувала інший підхід. Експеримент проводився всередині спеціального пристрою, що носить назву алмазні лещата. Створюване цими лещатами тиск проводиться двома синтетичними алмазами, розташованими з обох сторін преса. Завдяки цьому пристрою вдалося домогтися неймовірного тиску: більш 71,7 мільйона фунтів на квадратний дюйм. Навіть у центрі Землі тиск нижче.

Комп’ютерний чіп з клітинами мозку

Якщо вдихнути життя в електроніку, то світло одного разу зможе замінити електрика. Фізики зрозуміли дивовижний потенціал світу ще десятиліття тому, коли стало зрозуміло, що світлові хвилі здатні рухатися паралельно один одному і завдяки цьому виконувати безліч одночасних завдань. Наша електроніка покладається на транзистори, що відкривають і закривають шляхи для руху електрики. Така схема накладає багато обмежень. Однак нещодавно вчені створили дивний винахід – комп’ютерний чіп, який імітує роботу людського мозку. Завдяки використанню взаємодіючих між собою променів світла, що працюють як нейрони в живому мозку, цей чіп здатний дійсно дуже швидко «думати».

Раніше вчені могли створювати прості штучні нейронні мережі, але займало таке обладнання кілька лабораторних столів. Створити щось, що володіє такою ж ефективністю, але при цьому набагато меншого розміру, розглядалося неможливим. І все ж таки це вдалося. Розмір чіпа, в основі якого використовується кремній, становить всього кілька міліметрів. І обчислювальні операції він проводить за допомогою 16 інтегрованих нейронів. Відбувається це так. На чіп подається світло лазера, який поділяється на декілька променів, кожен з яких містить номер сигналу або інформацію, варьирующуюся за рівнем яскравості. Інтенсивність лазерів на виході дає відповідь на числову завдання або будь-яку інформацію, для якої потрібно надати рішення.

Неможлива форма матерії

Є такий тип матерії, званий «сверхтекучим твердим тілом». І насправді ця матерія не така страшна, як це може здатися з назви. Справа в тому, що ця вельми химерна форма матерії володіє кристалічною структурою, характерною для твердих тіл, але в той же час являє собою рідину. Цей парадокс довгий час залишався нереалізованим. Проте в 2016 році дві незалежні групи вчених (американська і швейцарська) створили матерію, якої по праву можна приписати властивості надплинного твердого тіла. Що цікаво, обидві команди використовували різні підходи в її створенні.

Швейцарці створили конденсат Бозе — Ейнштейна (найхолодніша з відомих матерій), охолодивши до екстремально низьких температур газ рубідію. Потім конденсат помістили в двокамерну установку, в кожній камері якої були встановлені невеликі спрямовані один на одного дзеркала. У камери були спрямовані лазерні промені, які запустили трансформацію. Частинки газу у відповідь на дію лазера збудували кристалічну структуру твердої речовини, однак в цілому матерія зберегла свою текучу властивість.

Американці отримали подібну гібридну матерію на основі конденсату з атомів натрію, які теж сильно охолодили і піддали впливу лазера. Останні використовувалися для зсуву щільності атомів до появи кристалічної структури в рідкому вигляді.

Рідина з негативною масою

У 2017 році фізики створили реально круту штуку: нову форму матерії, яка рухається в бік сили, що її відштовхує. Хоча це не зовсім бумеранг, але у цієї матерії є те, що можна назвати негативною масою. З позитивної масою все зрозуміло: ви даєте прискорення якомусь об’єкту, і він починає рухатися в тому напрямку, в якому це прискорення було передано. Проте вчені створили рідину, яка працює зовсім інакше, ніж що-небудь у фізичному світі. Коли її штовхають, вона прискорюється до джерела що чинить прискорення.

І знову на допомогу в цій справі прийшов конденсат Бозе — Ейнштейна, в ролі якого виступили охолоджені до наднизьких температур атоми рубідію. Таким чином вчені отримали сверхтекучую рідина із звичайною масою. Потім вони сильно стиснули атоми за допомогою лазерів. Потім другим набором лазерів вони сильно порушили атоми, та так, що ті змінили свої спини. Коли атоми звільнили з лазерних лещат, то реакцією звичайної рідини було б прагнення руху від центру фіксації, що фактично можна інтерпретувати як штовхання. Однак сверхтекучая рідина з рубідію, атомів якій надали достатню прискорення, при звільненні від лазерних лещат залишилася на своєму місці, продемонструвавши тим самим від’ємну масу.

Кристали часу

Коли Френк Вільчек, лауреат Нобелівської премії, а вперше запропонував ідею кристалів часу, вона здалася божевільної. Особливо в тій частині, в якій пояснювалося, що ці кристали можуть мати рухом, залишаючись при цьому в стані спокою, тобто демонструючи нижчий рівень енергії матерії. Це здавалося неможливим, оскільки для руху потрібна енергія, а теорія, в свою чергу, свідчив, що в таких кристалах енергії практично немає. Вільчек вважав, що вічний рух може бути досягнуто шляхом зміни основного стану атома кристала зі стаціонарного на періодичне. Це йшло на противагу відомим нам законам фізики, проте в 2017 році, через 5 років з того моменту, як Вільчек це запропонував, фізики знайшли спосіб, як це зробити. У підсумку в Гарвардському університеті створили кристал часу, де азотні домішки «оберталися» в алмазах.

Брэгговские дзеркала

Брэгговское дзеркало не володіє високою відбивною здатністю і складається з 1000-2000 атомів. Але воно здатне відображати світло, що робить його корисним там, де необхідне використання крихітних дзеркал, наприклад, в просунутій електроніці. Форма такого дзеркала теж не зовсім звичайна. Його атоми підвішені у вакуумі і нагадують ланцюжок з бісеру. У 2011 році німецька група вчених змогла створити Брэгговское дзеркало, що володіло на той момент найвищим рівнем відображення (близько 80 відсотків). Для цього вчені об’єднали 10 мільйонів атомів в одній гратчастою структурою.

Проте пізніше наукові команди з Данії і Франції знайшли спосіб істотно скоротити число необхідних атомів, але при цьому зберегти високу відбивну ефективність. Замість щільного об’єднання один навколо одного, атоми помістили вздовж мікроскопічного оптичного волокна. При правильній розстановці виникають необхідні умови – світлова хвиля відбивається прямо назад в точку свого початку. При передачі деякі фотони світла вириваються за межі волокна і стикаються з атомами. Відбивна ефективність, продемонстрована датської та французької командами, дуже різниться й становить близько 10% та 75% відповідно. Проте в обох випадках світло повертається (тобто відображається) в точку свого початку.

Крім перспективних переваг у розвитку технологій, такі дзеркала можуть бути корисні в квантових пристроях, так як атоми додатково використовують світлове поле для взаємодії один з одним.

Двомірний магніт

Фізики намагалися створити двомірний магніт з 1970-х років, але завжди терпіли невдачу. Справжній 2D-магніт повинен зберігати свої магнітні властивості, навіть будучи розділеним до стану, при якому він стає двовимірним, або шаром товщиною всього в один атом. Вчені навіть почали сумніватися, що така річ взагалі можлива.

Однак у червні 2017 року фізики, використовуючи трииодид хрому, нарешті змогли створити двомірний магніт. З’єднання виявилося дуже цікавим відразу з декількох сторін. Його кристалічна структура шарувата відмінно підходить для звуження, а, крім того, його електрони володіють потрібним напрямком спина. Ці важливі властивості дозволяють трииодиду хрому зберігати магнітні властивості навіть після того, як його кристалічна структура скорочується до товщини останніх атомних шарів.

Перший в світі 2D-магніт змогли отримати при відносно високій температурі в -228 градусів Цельсія. Його магнітні властивості перестають діяти при кімнатній температурі, так як його руйнує кисень. Однак експерименти тривають.