2021 год стал временем больших потрясений для фундаментальной физики, когда многолетние теории столкнулись с новыми экспериментальными данными. От аномального поведения мюонов, намекающего на существование неизвестных частиц, до создания «кристаллов времени» внутри квантовых компьютеров — ведущие канала Quanta Magazine подводят итоги самых значимых прорывов года.
🧲 Магнитная загадка мюона и «Новая физика» 0:00
На протяжении последних трех лет исследователи из Фермилаба (Fermilab) работали с 15-метровым ускорителем частиц, управляемым сверхпроводящими магнитами. Их целью было подтверждение крошечного расхождения между теорией и экспериментом, связанного с мюоном. Мюоны во многом похожи на электроны: они обладают тем же электрическим зарядом и свойствами спина, но они в 200 раз тяжелее.
Из-за своей массы мюоны обладают достаточной энергией, чтобы на мгновение испускать и поглощать скрытые частицы. Это делает их своего рода «окном» в субатомную вселенную, где могут скрываться еще не открытые элементы материи. Каждая такая частица генерирует собственное внутреннее магнитное поле. Когда мюон помещается во внешнее магнитное поле, частота его колебаний (прецессии) меняется. Сила этого взаимодействия определяется величиной, называемой g-фактором.
[Image of the standard model of particle physics]
Ключевые аспекты эксперимента Muon g-2:
- Прогноз Стандартной модели: Теория точно предсказывает g-фактор мюона, однако измерения 20-летней давности в Брукхейвенской национальной лаборатории показали статистическое отклонение в 3,7 сигма.
- Новые данные Фермилаба: Эксперимент, проведенный с в 20 раз большим количеством мюонов, подтвердил аномалию. Теперь значимость отклонения приблизилась к 5 сигма.
- Статистическая вероятность: По словам исследователей, вероятность того, что такой результат является случайностью, крайне мала — эксперимент пришлось бы провести 40 000 раз, чтобы получить подобную аномалию по ошибке.
Это открытие ставит физиков перед выбором: либо существует 18-я фундаментальная частица, которую мы еще не обнаружили, либо наши знания о взаимодействии известных 17 частиц и сил неполны. Частицы за пределами Стандартной модели могли бы объяснить такие загадки, как темная материя.
Однако, по данным Quanta Magazine, вскоре после публикации результатов Фермилаба группа под названием BMW представила расчеты на суперкомпьютере, которые приводят предсказания теории в соответствие с измерениями. Это ставит под вопрос необходимость введения «новой физики», но само по себе является важным научным достижением.
⏳ Кристаллы времени: новая фаза материи 4:06
Создание вечного двигателя всегда считалось невозможным из-за второго закона термодинамики, согласно которому в закрытой системе энтропия (беспорядок) всегда растет. Однако в 2021 году исследователи из Стэнфордского университета и Google объявили о создании объекта внутри квантового компьютера, который напоминает вечный двигатель — кристалла времени.
Кристалл времени — это квантовый объект, который вечно переключается между различными состояниями, не потребляя при этом энергии. Это совершенно новая фаза материи, первая, нарушающая фундаментальный закон симметрии в физике.
Ведущие выделяют следующие особенности открытия:
- Нарушение симметрии: Обычный кристалл льда имеет периодическую структуру в пространстве, но находится в равновесии. Кристаллы времени периодичны не только в пространстве, но и во времени.
- Вне равновесия: Как утверждает исследовательница Ведика Кхемани (Vedika Khemani), их команда работала в области физики систем вне равновесия. Кристаллы времени остаются в том состоянии, в котором они начали свое существование, не «растворяясь» в тепловом хаосе.
- Случайное открытие: Кхемани отмечает, что они не искали кристалл времени целенаправленно. Во время рецензирования их работы по «пи-спиновым стеклам» (pi spin glass) один из рецензентов спросил, не является ли эта фаза кристаллом времени. Оказалось, что это именно он.
Сотрудничество со специалистами Google позволило создать этот объект в одном из их квантовых компьютеров. По мнению Кхемани, это демонстрирует переход от вопроса «что существует в природе?» к вопросу «что позволяет квантовая механика?».
🌌 Гигантские пузыри в центре Млечного Пути 7:51
В 1960-х годах астрономы заметили таинственную дугу над нашей галактикой, названную «Северным полярным шпуром» (North Polar Spur). Десятилетиями ее считали просто остатками сверхновой в окрестностях Солнечной системы. Однако японский астроном Йосиаки Софуэ (Yoshiaki Sofue) выдвинул теорию, что это лишь часть огромной структуры — пары пузырей в сердце Галактики.
Долгое время эта идея считалась маргинальной. Как вспоминает Петер Предель (Peter Predehl), в науке было написано множество статей, объясняющих, почему южного аналога этой дуги не существует. Ситуация изменилась с запуском орбитального телескопа eROSITA в 2019 году.
Результаты исследования eROSITA поразили ученых:
- Обнаружение южного пузыря: Телескоп провел широкомасштабный обзор неба в рентгеновских лучах и зафиксировал южный аналог северной структуры.
- Масштаб: Пузыри, наполненные горячим газом, касаются друг друга в центре Млечного Пути. Их диаметр составляет колоссальные 50 000 световых лет.
- Происхождение: По оценкам ученых, расширение этих пузырей началось около 15–20 миллионов лет назад.
Причиной этого древнего галактического катаклизма, по мнению астрономов, могла стать Стрелец А (Sagittarius A) — сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики. В прошлом она могла поглотить огромное облако горячего газа, выбросив энергию в обоих направлениях с силой ста тысяч сверхновых.
