 |
Разогнавшие границы вселенной
|
|
|
|
Астрофизики Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис удостоены Нобелевской премии по физике 2011 года за открытие, кардинально изменившее наши представления о Вселенной.
Представления о том, как развивается Вселенная и какой она станет в будущем, менялись по мере совершенствования и методов наблюдения, и космологических теорий. Долгое время считалось, что Вселенная «необъятна, бесконечна и существует вечно». Об этом рассказывали в советских школах ещё лет 60 назад, хотя в 1916 году Альберт Эйнштейн создал свою теорию гравитации, общую теорию относительности. В 1922 году советский математик А.А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна описывают не стационарную, а эволюционирующую Вселенную. Она должна либо расширяться, либо сжиматься. Но ещё в 1914 году американский астроном Весто М. Слайфер обнаружил, что галактики не просто «висят» в космическом пространстве, а разлетаются с большой скоростью. Туманность Андромеды, например, несётся к нашей Солнечной системе, обнаруживая в своём спектре, в силу эффекта Доплера, синее смещение. Но подавляющее число далёких галактик убегают от нас, демонстрируя красное смещение спектра. Спустя несколько лет, астроном Эдвин П. Хаббл вывел зависимость величины красного смещения галактики от расстояния до неё — постоянную Хаббла. Наблюдения, подтверждённые расчётами, свидетельствовали, что Вселенная действительно расширяется. Тут же возникли вопросы: что вызвало это расширение и будет ли оно продолжаться бесконечно или же силы тяготения звёзд затормозят разлёт и стянут Вселенную в точку? Выбор одного из этих двух сценариев зависел от величины тяготения, то есть от массы Вселенной. Подсчитать её можно было, только замерив светимости звёзд, ибо зависимость «масса/светимость» хорошо известна. Такой метод оказался слишком груб, с большими ошибками в оценках величины массы, и дальнейшая судьба Вселенной по-прежнему оставалась загадкой.
|
|
|
Но в 1937 году Фриц Цвикки, исследуя движения звёзд в скоплении Волосы Вероники, рассчитал массу скопления. Она оказалась в 500 раз больше той, которую давала светимость. Так была обнаружена тёмная материя, или скрытая масса. Природа её до сих пор непонятна, она не видна и проявляет себя только через тяготение. Но теперь уже стало ясно, что бесконечного расширения не будет.
Ответ на первый вопрос: что заставило Вселенную расширяться? — дал в 1948 году Г.А. Гамов. Он разработал теорию «горячей Вселенной», родившейся примерно 14 миллиардов лет назад из невообразимо малого объёма, сингулярности, в результате Большого взрыва и раздувания (инфляции) с огромной скоростью. И по всему выходило, что Вселенная развивается циклично. Разбегание галактик сменится их сближением, возникнет сингулярность, взрыв, и всё начнётся сначала.
Но прошло ещё 50 лет, и астрофизики преподнесли мировому сообществу очередной сюрприз. Трое исследователей из разных стран — Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис, проводя наблюдения за сверхновыми звёздами, обнаружили, что Вселенная не просто расширяется (об этом стало известно почти 60 лет назад), а расширяется с ускорением. Эта сенсационная весть была опубликована осенью 1998 года в авторитетном астрономическом журнале, вызвав огромный интерес и некоторый скепсис даже у самих авторов (они пытались обнаружить ошибку в расчётах, но её не было).
Сверхновые, которыми занимались Нобелевские лауреаты, — это старые звёзды, которые заканчивают своё существование мощнейшим взрывом. На некоторое время сверхновая становится ярче целой галактики с её миллионами звёзд, а затем рассеивается в пространстве, образуя туманность. Яркость сверхновых настолько велика, что их можно наблюдать вплоть до самых границ видимой Вселенной. А зная светимость сверхновой, несложно найти расстояние до неё. И вот тут-то и оказалось, что часть этих объектов находится значительно дальше, чем следовало из современной космологической модели. А это значит, что Вселенная всегда расширялась с ускорением. И «распирает» её некая «тёмная энергия», более мощная, чем энергия гравитации. И Вселенную, похоже, ждёт конец не в пламени очередного Большого взрыва, а в непроглядной тьме и космическом холоде.
|
|
|
О природе самóй «тёмной энергии» пока приходится только гадать. Ею может быть некое поле, энергия физического вакуума (который не просто пустота, а сложная квантовая система). Именно это поле 14 миллиардов лет назад вызвало инфляцию новорождённой Вселенной, но и теперь, понизив свою напряжённость в огромном объёме современной Метагалактики, продолжает разгонять её границы.
(Наука и жизнь №12, 2011г.)
Text 8
ОТКРЫТИЯ,
ИЗМЕНИВШИЕ КВАНТОВУЮ МЕХАНИКУ
Нобелевская премия по физике 2012 года присуждена двум исследователям — французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнленду, которые, независимо один от другого, разработали методы управления отдельными квантовыми частицами и наблюдения за ними. Исследовать их очень сложно: свою квантовую природу при взаимодействии с окружением они теряют. Из-за этого до недавних пор физикам приходилось ограничиваться лишь мысленными экспериментами и теоретическими расчётами.
Теория
Можно сказать, что первый парадокс квантовой механики состоит в том, что на сегодня этот раздел физики одновременно и самый точный, и самый противоречивый. До сих пор все теоретические расчёты в данной области были абсолютно верны, однако смысл формул квантовой механики весьма трудно, а порой и невозможно объяснить с позиций здравого смысла и на обыденном языке. Дело в том, что в привычном нам мире мы имеем дело только с большими объектами, с размерами на много порядков больше размеров атомов и элементарных частиц. В мире же квантовой механики действуют совсем иные, противоречащие законам классической механики правила. Так называемый принцип неопределённости Гейзенберга (открытый им в 20-х годах XX века) гласит, что невозможно измерить координаты частицы, не вызвав непредсказуемого изменения её скорости, и наоборот.
|
|
|
Поясним смысл этого принципа. Чтобы визуально определить, например, положение обычного (неквантового) объекта в пространстве, достаточно осветить его (или использовать какое-то другое излучение) и зафиксировать зрением либо чувствительным элементом отражённое от предмета излучение. Из опыта мы знаем: сколько ни свети на предмет — с места он не сдвинется, следовательно, наши измерения никак не влияют на объект. Но в квантовом мире ситуация иная. Ведь для того, чтобы определить положение или скорость квантовой частицы, нет иных способов, кроме как либо использовать другую частицу или излучение (которые, несомненно, станут взаимодействовать с исходной, изменяя её координаты и/или скорость), либо уничтожить её, «поймав» детектором. Таким образом, любое измерение воздействует на квантовую систему, изменяя её состояние. Если удастся точно зафиксировать положение частицы, то погрешность определения её скорости будет бесконечна, и наоборот.
Из-за принципа неопределённости объекты квантового мира описывают специальными волновыми функциями, которые определяют вероятности нахождения объекта в определённой точке пространства. Распространение этих волн подчиняется уравнениям Шрёдингера — одним из главных уравнений квантовой механики. Наблюдение же за квантовой системой разрушает её, превращая волну в обычную частицу. Этот процесс называется редукцией фон Неймана или коллапсом волновой функции.
Всё, о чём рассказано выше, относится к копенгагенской интерпретации квантовой механики — одному из вариантов объяснения физики событий, происходящих в квантовом мире. Её концепцию создали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 1927 году, и она долгое время считалась наиболее достоверной. На сегодняшний день её постепенно начинает вытеснять многомировая интерпретация, основы которой заложил американский теоретик Хью Эверетт ещё в 1957 году. Эта теория подразумевает, что есть множество «параллельных» вселенных, в которых имеются одни и те же фундаментальные константы и действуют одинаковые законы физики, но вселенные эти находятся в разных состояниях. Такое представление позволило обойтись без теории коллапса функций, заменив её обратимостью эволюции состояний системы и квантовой сцепленностью, при которой квантовые состояния объектов остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между объектами.
|
|
|
Серж Арош и его фотоны
И Арош и Уайнленд изучали взаимодействие фотонов с атомами, но их подходы были различны: Арош использовал атомы для определения наличия фотонов внутри резонатора, а Уайнленд воздействовал на атомы лазерным излучением.
В парижской лаборатории Ароша фотоны запускались в резонатор — камеру диаметром около трёх сантиметров, состоящую из двух вогнутых зеркал. Зеркала из сверхпроводящего материала были охлаждены практически до абсолютного нуля, что сделало их самыми «блестящими» в мире: единственный фотон мог существовать в камере, отражаясь от зеркал, 130 миллисекунд. До момента поглощения фотон пробегал 40 000 километров — практически «кругосветное» расстояние. Обеспечив долгую жизнь «подопытному» фотону, Арош для его обнаружения решил использовать так называемые ридберговские атомы, высоковозбуждённый внешний электрон в которых находится на очень высоком энергетическом уровне. В экспериментах Ароша его высота была порядка 125 нанометров, приблизительно в тысячу раз больше, чем у атомов с электроном в основном (невозбуждённом) состоянии.
Гигантские атомы по одному, со скоростью, подобранной так, чтобы они не успевали поглотить фотон, пропускались через резонатор. Взаимодействие с фотоном изменяло фазу волновой функции атома, то есть смещало её «гребни» и «провалы». Это фазовое смещение можно измерить. Его наличие означает, что фотон есть, а отсутствие — что фотона нет. Совершенствуя методы исследований, Арошу с коллегами удалось не только определить наличие фотонов внутри резонатора, но и подсчитать их число.
Дэвид Уайнленд ловит ионы
Как уже говорилось, Дэвид Уайнленд в своих исследованиях использовал иной подход. В его лаборатории проводились эксперименты по захвату ионов в сильно охлаждённую «ловушку» из электрических полей (за изобретение этой «ловушки», вакуумной камеры, в которой присутствуют постоянное и высокочастотное электрические поля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт получили в 1989 году Нобелевскую премию). Пойманный таким образом ион, находящийся при этом в вакууме при экстремально низкой температуре, полностью изолирован от внешних воздействий.
|
|
|
В нормальных условиях ион может находиться на одном из энергетических уровней. Подбирая частоту излучения и длительность импульсов, Уайнленду удалось сначала «опустить» ион на самый низкий (основной) уровень, а затем придать ему такое количество энергии, чтобы он оказался между основным и первым возбуждённым уровнями, причём так, что вероятность нахождения иона в обоих состояниях одинакова. Имея в своём распоряжении частицу в настоящем квантовом состоянии, удаётся наблюдать и исследовать суперпозицию состояний, в которой квантовая функция может схлопываться к конечному числу состояний, в данном случае к двум.
(Наука и жизнь №11, 2012г.)
Text 9
|
|
|
