Десять значимых событий 2024 года в физике и астрономии
1Распад ложного вакуума обнаружен
Одно из самых фундаментальных и загадочных понятий в квантовой теории поля — это ложный вакуум. Обычно люди считают, что вакуум — пространство без частиц вещества. Однако пространство не может быть свободно от материи, в роли которой выступают поля, тем более что, по современным представлениям, частицы — тоже кванты соответствующих полей. Физики под вакуумом подразумевают состояние, в котором энергия полей внутри данного объёма пространства минимальна. Но из-за поля Хиггса вакуум нашей Вселенной может быть ложным, то есть обладать не самой минимальной энергией. Это означает, что состояние, в котором находится Вселенная, не имеет абсолютной стабильности, ведь любая физическая система стремится к минимуму энергии.
Если вакуум — ложный, всегда существует вероятность, что он в некоторый момент времени в результате туннельного перехода превратится в истинный стабильный вакуум. Это явление получило название «распад ложного вакуума». Выглядеть распад может так. В какой-то момент в ложном вакууме появляется пузырь истинного вакуума. Если это энергетически выгодно, то пузырь начнёт расширяться, постепенно разгоняясь до скорости света. Результат будет катастрофическим для «старой» Вселенной, поскольку выделится много энергии, которая ранее была «запасена» в ложном вакууме. Теоретически это может иметь кардинальные последствия для физики и космологии. Например, привести к изменению фундаментальных констант и законов природы и даже стать причиной Большого взрыва, подобного тому, из которого возникла наша Вселенная. Однако до сих пор не было никаких экспериментальных доказательств существования распада ложного вакуума.
И вот группа итальянских и английских физиков объявила, что зарегистрировала распад ложного вакуума в ферромагнитной сверхтекучей жидкости. Статья об эксперименте опубликована в «Nature Physics». Для его проведения исследовали сверхохлаждённый газ, состоящий из атомов натрия-23, который был помещён в магнитную ловушку. При температуре менее микрокельвина газ переходил в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, когда атомы ведут себя как одна большая квантовая волна. Это состояние можно рассматривать как аналог квантового поля. Физики добились, чтобы спиновое состояние атомов соответствовало локальному минимуму энергии. Затем на конденсат было наложено внешнее магнитное поле, меняющее его свойства. В определённых областях газа возникали условия, при которых он становился нестабилен и мог распадаться. При этом в газе появлялись пузырьки, и в них газ имел другие характеристики, чем в основном объёме. Эти пузырьки были зарегистрированы с помощью лазерного излучения, которое отражалось от них.
Но паниковать пока рано. Доказана лишь возможность распада системы, аналогичной ложному вакууму. Это не означает, что такая возможность есть у нашей Вселенной.
2Ядерные часы
Самые точные в настоящее время — атомные часы, которые для измерения времени используют энергетические переходы электронов в атомах. В качестве стандарта сейчас выбраны атомы цезия, хотя созданы и более точные часы на стронции. Они отстают или спешат всего на секунду за 30 миллиардов лет! Но ещё на порядок точнее могут стать часы, использующие энергетические переходы в ядре атома. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, и когда одна из этих частиц поглощает фотон, ядро на некоторое время переходит в возбуждённое состояние с большей энергией. Однако силы взаимодействия нуклонов в ядре очень велики, и, чтобы вызвать эти энергетические скачки, требуется, как правило, гамма-излучение крайне высокой частоты, которое трудно получить с помощью современных технологий.
Физики из немецкого Национального института метрологии в Брауншвейге Эккехард Пейк и Кристиан Тамм ещё в 2003 году предложили часы на основе тория-229, ядро которого имеет наименьший известный энергетический скачок, требующий примерно в 10 000 раз меньше энергии, чем типичное ядерное возбуждение, — для него достаточно всего лишь ультрафиолетового света. Однако потребовалось двадцать лет, чтобы реализовать это на практике. В первую очередь нужно было определить точную энергию (частоту), которая требуется лазеру для возбуждения рассматриваемого ядерного состояния.
В 2024 году сразу три группы исследователей сообщили об успехе. Первой стала команда CERN, в её работе принял участие и сам Пейк. Но наибольших результатов добилась международная исследовательская группа под руководством учёных из JILA, объединённого института Университета Колорадо в Боулдере (США) и Национального института стандартов и технологий (NIST, США). Участники этой группы смогли измерить частоту в миллионы раз точнее других и создать, по сути, все основные части ядерных часов. Недаром их статья в журнале «Nature» 5 сентября 2024 года стала заглавной и была вынесена на обложку. Кроме того, они установили первую прямую частотную связь между ядерным переходом и атомными часами, которые используют стронций. Всё это — важнейшие шаги в разработке функционирующих ядерных часов и их интеграции с существующими системами хронометража.
Ядерные часы на тории-229 будут иметь несколько преимуществ перед атомными. Они более надёжны, поскольку ядро защищено от внешнего мира электронными облаками и невосприимчиво к большей части фоновых помех, которые преследуют даже лучшие атомные часы. Более высокая частота возбуждающего лазера напрямую связана с большим количеством «тиков» часов в секунду и, следовательно, приводит к более точному измерению времени.
Устойчивость ядерного состояния зависит от точного баланса между двумя фундаментальными силами природы: электромагнитная сила между положительно заряженными протонами пытается разорвать ядро на части, в то время как сильное взаимодействие удерживает нуклоны вместе. Благодаря этому ядерный часовой переход чрезвычайно чувствителен к изменениям этих сил и способен выявить изменчивость многих фундаментальных констант физики, входящих в уравнения, описывающие законы природы и свойства материи. Эти числа, такие как скорость света, гравитационная постоянная или элементарный заряд, определяют, как всё работает в нашей Вселенной. Физики полагают, что, несмотря на название, некоторые из постоянных могут всё же зависеть от времени. Поэтому исследователи планируют использовать ядерные часы как инструмент для изучения фундаментальных сил. Возможно, они помогут обнаружить тёмную материю или проверить теорию струн без необходимости использования крупномасштабных ускорителей частиц.
Для обычных людей создание ядерных часов будет означать ещё более точные навигационные системы, более высокую скорость Интернета, более надёжные и безопасные сетевые соединения и цифровую связь.
3Гравитация для микрочастицы
Квантовая физика описывает наш мир в микромире, а теория гравитации Альберта Эйнштейна — на огромных космических масштабах. За прошедшие 100 лет обе теории прошли множество экспериментальных проверок, но, несмотря на все успехи, они «отказываются» объединяться. Остальные три фундаментальные силы: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие уже имеют квантовое описание, а вот для четвёртой силы — гравитации — его не существует. А ведь создание квантовой гравитации, возможно, позволило бы разгадать некоторые загадки нашей Вселенной и объединить все силы в одно взаимодействие.
Проблема экспериментального исследования гравитационного взаимодействия в микромире, где доминируют квантовые эффекты, заключается в его крайней слабости. Заметным оно становится лишь в макроскопических масштабах при больших взаимодействующих массах. Соответственно, мы не знаем, проявляются ли в микромире квантовые эффекты гравитации.
Однако в этом году международная группа учёных из Саутгемптонского (Великобритания) и Лейденского (Нидерланды) университетов и Института фотоники и нанотехнологий в Тренто (Италия) сделала важный шаг в решении этой проблемы, успешно обнаружив гравитационное притяжение крошечной частицы массой 0,48 мг. Это наименьшая масса, которую когда-либо пытались исследовать таким образом.
Частица была изготовлена из магнитного неодимового сплава (Nd2Fe14B), что позволило ей левитировать в сверхпроводящей магнитной ловушке при температуре всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Эта было необходимо, чтобы до минимума ограничить колебания частицы. Исследователи измеряли силу её притяжения к латунным брускам с массой 2,48 кг. Для исключения влияния механических вибраций на ход эксперимента вся установка была закреплена на бетонном блоке весом 25 тонн, находящемся на пневматических демпферах. Кроме того, внутренняя часть установки с магнитной ловушкой была подвешена на системе пружин, гасящих вертикальные и боковые вибрации. В итоге физикам удалось измерить гравитационное притяжение всего в 30 аттоньютонов (1 аН = 10-18 Н)!
Этот эксперимент прокладывает путь для измерений с ещё меньшими массами, что, возможно, позволит обнаружить эффекты квантовой гравитации. Данный метод лучше подходит для измерений гравитационных взаимодействий малых масс, чем оптические ловушки, из-за отсутствия проблем с нарушением когерентности и шума из-за нагрева системы лазером.