10-те най-невероятни открития на квантовата физика през 2017 година

2017 година бе странна и непредсказуема, точно като квантовата физика. Тази година постави началото на удивителни квантови открития, които идваха от къде ли не -  от дълбоко заровената неутринна лаборатория под леда на Антарктика и ЦЕРН, а дори от бушуващите гръмотевични бури над Япония. От времеви кристали до неуловимия тетракварк - това са 10 от най-невероятните открития на квантовата физика през последната година.

1

Времеви кристал

^{Кредит: Edwards / JQI}

"Времеви кристал" звучи като талисман от фентъзи роман, но всъщност е реален квантов обект, генериран за първи път през 2017 г. Времевият кристал е уникално състояние на материята. В обикновения кристал атоми йоните или молекулите са подредени в повтаряща се триизмерна структура, която придава на кристала специални физически свойства. При времевия кристал структурата е периодична не само в пространството, но и във времето.

Йоните, свързани с квантови връзки, така че те се поклащат или осцилират съвместно с повтарящ се период. 

Докато се запазват нужните условия, времевите кристали стават заключени в един момент във времето - без значение колко енергия се вкарва или изтегля от тях, те не се загряват или увеличават ентропията - ефективно блокирайки законите на термодинамиката в обичайното им тълкуване.

Прочетете повече в "Публикувана е рецептата за времеви кристал".

2

Най-студеното вещество във Вселената

 ^{Кредит: IQOQI/Harald Ritsch}

Квантовата физика е повече или по-малко наука за това, което се случва, когато много малки неща си взаимодействат без намесата на големи, външни сили и енергии. Извършени са много квантови експерименти, при които изследователите охлаждат малки групи от частици до точката, където топлината не позволява атомите да се движат, по-скоро да трептят. Изследователите отдавна използват лазери, за да забавят частиците като отнемат енергията им.

Но нова техника, с помощта на магнитни полета, за да застопорят молекулите на едно място, преди лазерът да ги забави, е нова крачка напред и работи за много повече видове молекули.  В началото на експеримента с тази техника, изследователи от Империал Колидж Лондон охладиха молекула калциев монофлуорид (CaF) до 50 μK (микрокелвина - 50/1000000 от градуса над абсолютната нула). 

Прочетете повече в "Получено е най-студеното вещество във Вселената".

3

Двойно чаровни частици

^{Изображение представящо новата частица, наблюдавана от LHCb, съдържаща два чаровни кварка и един горен кварк. (Източник: Daniel Dominguez / CERN/НаукаOFFNews)}

Нов вид тежки частици са открити от изследователи с детектора LHCb на Големия адронен колайдер в ЦЕРН.

"Това е двойно-очарователен тежък звяр", пише NewScientist. Находката може да ни помогне да разберем по-добре една от четирите фундаментални сили, които управляват Вселената. На конференция на Европейското физическо дружество по физика на високите енергии във Венеция на 6 юли, учените от експеримента LHCb съобщиха наблюдението на нова частица, наречена  Ξ _сс ⁺⁺ (Xi _сс ⁺⁺ ), съдържаща два чаровни кварка и един горен кварк. Това е далечен братовчед на по-често срещаните бариони като неутрони и протони. Тя потвърждава предвижданията на Стандартния модел - текущата теория, която обяснява субатомните частици.

Прочетете повече в "Открита е "двойно-очарователна" тежка частица в ЦЕРН".

4

Експлозивна квантова тайна

Двама физици обявиха откриването на субатомно събитие, толкова мощно, че учените се колебаеха дали не е твърде опасно да се оповестява публично. Иследователите показаха, че две малки частици, наречени - дънни кварки - теоретично биха могли да се слеят.

Този впечатляващ синтез е първата реакция на частици на такъв мащаб, а при процеса се излъчва невероятна енергия. Тази експлозия или  "кварксплозия" ще бъде по-силна от реакциите на ядрен синтез, които се провеждат в ядрата на водородните бомби.

Прочетете повече: Субатомна експлозия, която физиците смятаха да запазят в тайна.

5

Антиматерия и ядрени реакции от мълниите

Учените подозират още от 1925 г., че електронните каскади на мълниите могат да предизвикат атомни реакции. Но за първи път през 2017 г. изследователи доказаха, че мълниите са огромна фабрика на антиматерия.

Японски изследователи съобщиха, че мощният електрически разряд произвежда гама лъчи - най-мощните в електромагнитния спектър - които реагират с въздуха. Реакцията произвежда радиоизотопи и дори позитрони, антиматериалният аналог на електроните.

Прочетете повече: "Антиматерия и ядрени реакции се предизвикват от мълниите".

6

Квантово вплитане и телепортиране на далечни разстояния

Китайският спътник Micius изпрати двойка квантово свързани или вплетени протони до базови станции на Земята, разделени една от друга на разстояние 1203 км.

В рамките на един месец от обявяването на вплитането, екипът на Micius съобщи още постижение: квантово телепортиране на пакет на информация от базова станция на Земята до спътника в орбита. Това е първата стъпка към изграждането на сигурно криптиране за квантов интернет.

Прочетете повече: "Китай проведе първата свръхтайна квантова видеоконференция"и "Успешен опит за телепортация - китайци пратиха фотон в орбита".

7

Най-разредената капка във Вселената

^{Изображение на художник, показващо квантови капки течност, образувани черз смесване на два кондензата от ултрастудени атоми на калии. ICFO / Povarchik Studios Barcelona}

Нормалните течни капчици се оформат благодарение на електромагнитните сили между молекулите им - сили, които ги карат да запазват формата си и ги предпазват от промяна на обема им, за разлика от газовете. Но екип от физици създаде нов вид капчици течност, толкова разредена, че би трябвало да се проявява като газ (тя е 100 милиона пъти по-разредена от водата). Тези капчици запазват формата си с помощта само на силите на квантовите флуктуации (колебания) - странния танц на частиците в  пространството на квантово ниво. Тези "размазани" частици се държат така, сякаш прескачат през техните възможни места и енергии, прилагайки натиск върху съседите си. Сумирайки този натиск на всички течни частици, ще открием, че те са склонни да се привличат една друга повече, отколкото да се отблъскват. Това привличане ги свързва заедно в капчици.

Прочетете повече: "Получиха най-разредената капка във Вселената (видео)".

8

Обръщането на термодинамичната стрела на времето

^{Източник: Pinterest}

Един основен факт във Вселената, залегнал във втория закон на термодинамиката, е че топлинните потоци се движат от по-горещите предмети към по-хладните обекти, а не обратното. Причината е, че Вселената неминуемо винаги става все по-хаотична. Но квантовите закони усложняват картината.

Международен екип от учени успя да осъществи квантов експеримент, който на пръв поглед изглежда, че нарушава втория закон на термодинамиката и буквално връща времето назад с помощта на квантовата теория.

За първи път изследователи показват, че частиците могат да бъдат манипулирани с помощта на квантовите закони така, че топлинният поток да се движи от студен въглероден атом в горещ водороден атом в молекула хлороформ - временно обръщане на потока на хаоса в малко ъгълче на Вселената, докато квантовата връзка между атомите се разпадне.

Прочетете повече: "Квантов експеримент обръща термодинамичната стрела на времето".

9

Неуловимият тетракварк

 "Светият Граал" на адроните е тетракваркът - частица съставена от четири кварка, а не три, както е обикновено в барионите. Той наистина може да съществува в чиста форма. Учените дори прогнозират неговата маса. Техните проучвания сочат пътя към бъдещи експерименти в LHC, които трябва рано или късно да разкрият реалния тетраквак на Земята.

Прочетете повече: "Откриха наведнъж пет нови състояния на частици в Големия адронен колайдер".

10

Симетрията на неутриното

^{Кредит:  IceCube Neutrino Observatory} 

Нови резултати от неутриннатра обсерватория IceCube -  един кубически километър лед с пет хиляди детектора - показаха странна симетрия в масите на неутриното.

Има три вида неутрино: електронно, мюонно и тау неутрино.

И техните маси се разделят на три характерни състояния. Първото състояние се състои от най-вече от електронно неутрино, а второто е съставен от почти поравно количество смес от трите вида. Но новите данни сочат, че третото състояние на масите е съставено от равни количества мюонно и тау неутрино - и това е симетрия, която учените все още не могат да обяснят, което предполага, че съществуват скрити правила за неутриното, които физиците все още не са открили.

Прочетете повече: "Детектор с размер на бутилка регистрира за пръв път сблъсък на неутрино и атомно ядро (видео)".