I fysikens fantastiska värld blir det omöjliga, även om det inte omedelbart, men ändå möjligt. Och nyligen har forskare lyckats uppnå riktigt superomöjliga saker. Vetenskapen fortskrider. Endast ett pastamonster vet vad som väntar oss mer i dess mest hemliga tarmar. Idag kommer vi att analysera ett dussin ofärliga saker, tillstånd och föremål som har blivit möjliga tack vare modern fysik.
Otroligt låga temperaturer
Tidigare har forskare inte kunnat svalna föremål under den så kallade "kvantgränsen". För att kyla något till ett sådant tillstånd är det nödvändigt att använda en laser med mycket långsamt rörliga atomer och undertrycka de värmealstrande vibrationerna de genererar.
Men fysiker har hittat rätt lösning. De skapade en extremt liten aluminium vibrerande trumma och kunde svalna den till 360 μK, vilket är 10.000 gånger temperaturen i djupet av rymden.
Trumman är endast 20 mikrometer (diametern för ett människohår är 40-50 mikrometer). Det var möjligt att kyla ner det till sådana ultralåga temperaturer tack vare en ny teknik av det så kallade "pressade ljuset", där alla partiklar har samma riktning. Detta eliminerar värmegenererande vibrationer i lasern. Trots att trumman har kylts till lägsta möjliga temperatur är det inte den kallaste typen av materia. Denna titel tillhör kondensatet Bose - Einstein. Trots detta spelar prestation en viktig roll. Sedan en dag kan en liknande metod och teknik hitta deras tillämpning för att skapa ultrasnabb elektronik, samt hjälpa till att förstå materialets konstiga beteende i kvantvärlden, när det gäller deras egenskaper till fysiska gränser.
Kampanjvideo:
Det ljusaste ljuset
Solens ljus är bländande starkt. Föreställ dig nu ljuset på en miljard solar. Det var han som nyligen skapades av fysiker i laboratoriet, som faktiskt hade skapat det ljusaste konstgjorda ljuset på jorden, som dessutom uppträder på ett mycket oförutsägbart sätt. Det förändrar objektets utseende. Men detta är inte tillgängligt för människans syn, så det återstår att ta fysiker till sitt ord.
Molekylärt svart hål
En grupp fysiker skapade nyligen något som uppträder som ett svart hål. För att göra detta tog de världens starkaste röntgenlaser Linac koherent ljuskälla (LCLS) och använde den för att kollidera molekyler av jodmetan och jodbensen. Initialt förväntades laserpulsen slå ut de flesta elektronerna från jodatoms bana och lämna ett vakuum på sin plats. I experiment med svagare lasrar fylldes detta tomrum som regel omedelbart med elektroner från de yttersta gränserna för atombanan. När LCLS-lasern träffade startade den förväntade processen faktiskt, men sedan följde ett verkligt fantastiskt fenomen. Efter att ha fått en sådan spänning började jodatomen att bokstavligen sluka elektroner från närliggande väte- och kolatomer. Från utsidan verkade det som ett litet svart hål i molekylen.
Efterföljande laserpulser slog ut de attraherade elektronerna, men tomrummet drog in mer och mer. Cykeln upprepades tills hela molekylen exploderade. Intressant nog var atomen i jodmolekylen den enda som visade ett sådant beteende. Eftersom den i genomsnitt är större än andra kan den ta upp en enorm mängd röntgenenergi och förlora sina ursprungliga elektroner. Denna förlust lämnar atomen med en tillräckligt stark positiv laddning, med vilken den drar till sig elektroner från andra, mindre atomer.
Metalliskt väte
Det har kallats "Holy Graal of High Pressure Physics", men tills nyligen kunde ingen lyckas få den. Möjligheten att konvertera väte till metall tillkännagavs först 1935. Samtidigt föreslog fysiker att en sådan omvandling kunde åstadkommas av mycket starkt tryck. Problemet var att den tidens teknik inte kunde skapa ett sådant tryck.
2017 beslutade det amerikanska fysikateamet att återgå till den gamla idén, men tog ett annat tillvägagångssätt. Experimentet genomfördes inuti en speciell anordning kallad diamantskruv. Trycket som genereras av denna skruv produceras av två syntetiska diamanter belägna på båda sidorna av pressen. Tack vare denna enhet uppnåddes ett otroligt tryck: mer än 71,7 miljoner psi. Även i mitten av jorden är trycket lägre.
Datorchip med hjärnceller
Andas liv i elektronik, ljus kan en dag ersätta el. Fysiker insåg ljusets fantastiska potential för decennier sedan, när det blev tydligt att ljusvågor kunde färdas parallellt med varandra och därmed utföra många samtidiga uppgifter. Vår elektronik förlitar sig på transistorer för att öppna och stänga vägarna för el att resa. Detta schema innebär många begränsningar. Men nyligen har forskare skapat en fantastisk uppfinning - ett datorchip som efterliknar människans hjärna. Tack vare användningen av interagerande ljusstrålar som fungerar som nervceller i en levande hjärna kan detta chip verkligen "tänka" mycket snabbt.
Tidigare kunde forskare också skapa enkla konstgjorda neurala nätverk, men sådan utrustning tog flera laboratorietabeller. Det ansågs omöjligt att skapa något med samma effektivitet, men i mycket mindre storlek. Och ändå lyckades det. Det kiselbaserade chipet är bara några millimeter stort. Och han utför beräkningsoperationer med 16 integrerade neuroner. Det händer så här. Ett laserljus tillförs chipet, som är uppdelat i flera strålar, var och en innehåller ett signalnummer eller information som varierar i ljusstyrka. Laserns utgångsintensitet ger svaret på ett numeriskt problem eller all information som en lösning krävdes för.
Omöjlig form av materia
Det finns en typ av fråga som kallas "överflödigt fast ämne". Och i själva verket är denna fråga inte så fruktansvärd som den kan tyckas med namnet. Faktum är att denna mycket bisarre form av materia har en kristallin struktur som är karakteristisk för fasta ämnen, men samtidigt är det en vätska. Denna paradox förblev orealiserad under lång tid. Under 2016 skapade emellertid två oberoende grupper av forskare (amerikanska och schweiziska) materia, som med rätta kan hänföras till egenskaperna hos ett överflödigt fast ämne. Intressant nog använde båda lagen olika metoder för att skapa den.
Schweizern skapade Bose-Einstein-kondensatet (den kallaste kända saken) genom att kyla rubidiumgas till extremt låga temperaturer. Därefter placerades kondensatet i en två-kammarinstallation, i varje kammare där små speglar riktade mot varandra installerades. Laserstrålar riktades in i kamerorna, vilket utlöste omvandlingen. Gaspartiklarna, som svar på laserverkan, byggde upp den kristallina strukturen hos det fasta ämnet, men i allmänhet behöll ämnet sin fluidegenskap.
Amerikanerna erhöll ett liknande hybridmaterial baserat på ett kondensat av natriumatomer, som också kraftigt kyldes och utsattes för en laser. De senare användes för att förskjuta atomernas densitet före uppkomsten av en kristallin struktur i flytande form.
Negativ massvätska
Under 2017 skapade fysiker en riktigt cool sak: en ny form av materia som rör sig mot kraften som avvisar den. Även om det inte riktigt är en boomerang, har denna fråga vad du kan kalla negativ massa. Med en positiv massa är allt klart: du ger acceleration till något objekt, och det börjar röra sig i den riktning som denna acceleration överfördes. Men forskare har skapat en vätska som fungerar mycket annorlunda än någonting i den fysiska världen. När du trycker på accelererar den till källan för den acceleration som utövas.
Och återigen kom Bose - Einstein-kondensatet till undsättning i denna fråga, i vilken roll rubidiumatomerna kyldes till ultraljudstemperaturer. Således har forskare erhållit en överflödig vätska med en normal massa. Sedan komprimerade de atomerna starkt med lasrar. Sedan, med den andra uppsättningen lasrar, upphetsade de atomerna starkt, så mycket att de bytte spinn. När atomerna befriades från lasergreppet skulle reaktionen från en vanlig vätska vara lusten att röra sig från fixeringscentrum, vilket i själva verket kan tolkas som skjutande. Emellertid förblev den överflödiga vätskan i rubidium, vars atomer fick tillräcklig acceleration, på plats när den frigjordes från lasergreppet, vilket därigenom visade en negativ massa.
Tidskristaller
När Frank Wilczek, nobelpristagaren, först föreslog idén om tidskristaller, låter det galen. Speciellt i den del där det förklarades att dessa kristaller kan ha rörelse, medan de förblir i viloläge, det vill säga visa den lägsta energinivån i materien. Det verkade omöjligt, eftersom energi krävs för rörelse, och teorin sade i sin tur att det praktiskt taget inte fanns någon energi i sådana kristaller. Wilczek trodde att evig rörelse kan uppnås genom att ändra jordatillståndet för kristallatomen från stationär till periodisk. Detta stred mot fysiklagarna som vi känner till, men 2017, 5 år efter att Wilczek föreslog detta, fann fysiker ett sätt att göra det. Som ett resultat skapades en kristall av tiden vid Harvard University, där kväveföroreningar "roterade" i diamanter.
Bragg speglar
Bragg-spegeln är inte särskilt reflekterande och består av 1000-2000 atomer. Men den kan reflektera ljus, vilket gör det användbart där små speglar behövs, till exempel i avancerad elektronik. Formen på en sådan spegel är också ovanlig. Dess atomer är upphängda i vakuum och liknar en kedja med pärlor. 2011 kunde en tysk forskargrupp skapa en Bragg-spegel, som vid den tiden hade den högsta reflektionsnivån (cirka 80 procent). För att göra detta har forskare kombinerat 10 miljoner atomer i en gitterstruktur.
Senare hittade dock forskargrupper från Danmark och Frankrike ett sätt att avsevärt minska antalet atomer som behövs, samtidigt som de har hög reflekterande effektivitet. I stället för att tätt buntas runt varandra placerades atomerna längs en mikroskopisk optisk fiber. Med rätt placering uppstår nödvändiga förhållanden - ljusvågen reflekteras direkt tillbaka till dess ursprungspunkt. När ljus överförs bryter vissa fotoner ut ur fibern och kolliderar med atomer. Den reflekterande effektiviteten som det danska och det franska teamet visar är mycket olika och är cirka 10 respektive 75 procent. I båda fallen återgår emellertid ljuset (det vill säga reflekteras) till dess ursprungspunkt.
Förutom lovande fördelar i utvecklingen av teknologier kan sådana speglar vara användbara i kvantanordningar, eftersom atomer dessutom använder ljusfältet för att interagera med varandra.
2D magnet
Fysiker har försökt skapa en tvådimensionell magnet sedan 1970-talet men har alltid misslyckats. En riktig 2D-magnet måste bibehålla sina magnetiska egenskaper även om den är separerad till ett tillstånd där den blir tvådimensionell eller endast en atom tjock. Forskare började till och med tvivla på att något sådant alls var möjligt.
Men i juni 2017 kunde fysiker som använder kromtriiodid äntligen skapa en tvådimensionell magnet. Anslutningen visade sig vara mycket intressant från flera sidor på en gång. Dess skiktade kristallstruktur är utmärkt för avsmalnande, och dessutom har dess elektroner den önskade spinnriktningen. Dessa viktiga egenskaper tillåter kromtriiodid att behålla sina magnetiska egenskaper även efter att dess kristallstruktur har reducerats till tjockleken hos de sista atomskikten.
Världens första 2D-magnet skulle kunna produceras vid en relativt hög temperatur på -228 grader Celsius. Dess magnetiska egenskaper upphör att arbeta vid rumstemperatur, eftersom syre förstör det. Men experiment fortsätter.
NIKOLAY KHIZHNYAK