Феномен "квантового ластика" бросает вызов нашему пониманию времени: частица "решает", быть волной или частицей, в зависимости от измерения, которое еще не произошло.
В эксперименте фотон проходит через двойную щель, создавая интерференционную картину (волновое поведение). Затем его квантово запутывают с другим фотоном. Удивительно, но если второй фотон измеряют определенным образом в будущем, первый фотон ретроактивно "меняет" свое поведение в прошлом.
Это не нарушает причинно-следственную связь, но показывает, что квантовая механика оперирует вне привычных рамок линейного времени. Как заметил физик Джон Уилер: "Никакое элементарное квантовое явление не является реальным, пока оно не наблюдается".
Каждый, кто видел снимки миссий "Аполлон", наверняка обращал внимание на удивительно четкие следы, оставленные астронавтами на лунной поверхности. Но как это возможно, если на земном спутнике нет воды, плотной атмосферы и в целом привычных нам условий?
На Земле самые четкие следы остаются на влажных поверхностях — снегу, грязи или глине. Вода выступает связующим звеном, скрепляя частицы материала и позволяя им сохранять форму. Однако на сухом песке следы быстро исчезают — песчинки слишком крупные, а силы сцепления между ними очень слабые. Земная гравитация заставляет их "перестраиваться", и отпечаток тут же теряет четкость.
Интересно, что добавление воды усиливает сцепление между песчинками благодаря ее полярности. Но другие жидкости, например фреон, наоборот, могут повысить сыпучесть песка.
Лунный реголит: сухой, но "липкий"
Лунная поверхность покрыта слоем мелкой пыли, известной как реголит. По консистенции она напоминает сухой тальк или пудру. Частицы лунной пыли в разы мельче земных песчинок, а гравитация на Луне слабее в шесть раз. Но что же удерживает эти частицы вместе, создавая четкие следы?
Ключевую роль здесь играют электростатические силы. На Луне, где нет атмосферы, частицы пыли интенсивно электризуются под воздействием солнечного ветра и ультрафиолетового излучения. Это создает силы сцепления, которые "склеивают" частицы между собой. Таким образом, следы астронавтов — это результат "перетягивания каната" между лунной гравитацией, которая тянет пыль вниз, и электростатическими силами, которые удерживают приданную ей форму.
Следы на века
Благодаря отсутствию ветра и воды лунные следы могут сохраняться невероятно долго — миллионы или даже миллиарды лет. Однако солнечный ветер — поток заряженных частиц от Солнца — постепенно "выветривает" поверхность Луны, разрушая верхний слой реголита. Тем не менее следы астронавтов исчезнут полностью только в случае столкновения с метеоритом или другого масштабного космического катаклизма.
Квантовая биология изучает, как квантовые эффекты проявляются в биологических системах. Одним из наиболее изучаемых примеров является фотосинтез, где квантовая когерентность может играть роль в эффективном переносе энергии от солнечного света к хлорофиллу.
Исследования показывают, что растения могут использовать квантовые эффекты для почти 100%-ной эффективности передачи энергии, что значительно превосходит наши текущие технологии солнечных батарей.
Уникальность квантовой биологии в том, что она предлагает новый взгляд на биологические процессы, показывая, что квантовая механика не ограничивается микромиром, а может объяснять некоторые из самых фундаментальных процессов жизни, открывая путь для создания сверхэффективных технологий, вдохновленных природой.
Протон — одна из самых стабильных частиц во Вселенной. Эти фундаментальные кирпичики мироздания настолько долговечны, что их теоретическое время жизни превышает возраст самой Вселенной.
Все видимое вещество, от кончика вашего носа до самых далеких галактик, построено из протонов, которые вместе с нейтронами образуют ядра атомов, окруженные электронами. За всю историю наблюдений ученые ни разу не зафиксировали самопроизвольный распад протона — настолько он стабилен.
Но действительно ли он вечен?
Сомнения в абсолютной стабильности протона породили одну из самых интригующих гипотез современной физики — идею о его возможном самопроизвольном распаде. Если этот краеугольный камень мироздания способен спонтанно распадаться, пусть даже через умопомрачительные 10^35 лет (единица и 35 нулей!), то это перевернет наши представления о фундаментальных законах природы. Ведь согласно Стандартной модели физики элементарных частиц — нашей лучшей на сегодня теории устройства микромира — протон считается абсолютно стабильной частицей, поскольку в этой теории строго выполняется закон сохранения барионного числа. Самопроизвольный распад* отдельного протона как раз и означал бы нарушение барионного числа.
*Распады протона во взаимодействиях, где рождаются другие барионы (семейство элементарных частиц), не нарушают этот закон сохранения.
Но как зафиксировать столь редкое событие?
Ученые строят гигантские подземные детекторы, заполненные тысячами тонн сверхчистой воды. В этих резервуарах триллионы триллионов протонов терпеливо ждут своего звездного часа. Сверхчувствительные датчики непрерывно следят за водой в надежде заметить вспышку света — потенциальные следы распада протона. Пока безуспешно, но поиски продолжаются с неослабевающим упорством.
Теории Великого объединения, стремящиеся объединить все фундаментальные взаимодействия в единую силу, предсказывают неизбежность распада протона. Более того, обнаружение распада протона могло бы пролить свет на одну из главных загадок космологии — почему во Вселенной так много вещества и так мало антивещества (барионная асимметрия Вселенной). Возможно, эта асимметрия возникла на заре существования космоса именно из-за разницы в распадах протонов и антипротонов.
Поэтому физики с таким упорством продолжают искать следы распада протона, несмотря на исчезающе малую вероятность этого события. Цена такого открытия неизмерима — оно откроет новую главу в понимании фундаментальных законов природы и прольет свет на тайны происхождения самой Вселенной.
Протон может оказаться не таким вечным, как мы думали, но разгадка его секретов сулит бессмертие для человеческого знания о Вселенной.
2 марта 1972 года и 6 апреля 1973 состоялись запуски космических аппаратов NASA "Пионер-10" и "Пионер-11" соответственно. Эти зонды стали первыми в истории аппаратами, которые не только преодолели пояс астероидов, но и посетили планеты-гиганты нашей Солнечной системы — Юпитер и Сатурн.
Организуя столь сложную миссию, NASA, конечно, рассматривало вероятность того, что что-то пойдет не по плану. Но то, что случилось с "Пионером-10" и "Пионером-11" стало странной и очень интригующей загадкой.
На расстоянии около 20 астрономических единиц (а.е.) от Солнца (одна а.е. равна среднему расстоянию между Землей и Солнцем — примерно 150 миллионов километров) с зондами начало происходить нечто странное — они демонстрировали необъяснимое торможение, словно что-то тянуло их назад к звезде.
И хотя "Пионеры" уверенно продолжали свой путь к границам Солнечной системы, игнорировать загадочную силу, которая как будто тянула их обратно к нашему светилу, было невозможно. Совпадение расстояния, на котором начала проявляться аномалия у обоих аппаратов, заставило физиков предположить, что, возможно, с нашим пониманием гравитации что-то не так.
Согласно закону обратных квадратов Ньютона, сила притяжения между телами пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Проще говоря, чем дальше объект удаляется от Солнца, тем слабее должно быть его гравитационное влияние. Однако данные с "Пионеров" словно противоречили этому фундаментальному закону физики.
Некоторые ученые начали рассматривать возможность того, что странное поведение "Пионеров" указывает на необходимость пересмотра существующих физических теорий. Однако тот факт, что последующие космические аппараты не сталкивались с подобной аномалией, намекал на то, что разгадку стоит искать в другом направлении.
Спустя десятилетия команда исследователей, восстановив и проанализировав данные допплерографии и телеметрии, нашла гораздо более прозаичное объяснение. Причина крылась в особенностях конструкции самих аппаратов.
"Пионеры" были стабилизированы вращением*, их большие антенны всегда указывали на Землю. РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) — источники питания аппаратов — излучали тепло на заднюю сторону антенн. Антенны отражали и переизлучали это тепло в направлении движения корабля. Кроме того, нагретый приборный отсек располагался в передней части аппарата, что приводило к еще большему излучению тепла в том же направлении.
*Стабилизация вращением — это метод, который используется для поддержания ориентации космических аппаратов в пространстве без использования активных систем управления ориентацией, таких как двигатели или маховики.
Создаваемое фотонами давление (тот же принцип, что используется в солнечных парусах) действовало против движения, вызывая крошечное, но измеримое торможение — ту самую "аномалию Пионеров".
Стоит отметить, что аномальное торможение зондов на самом деле началось гораздо раньше и нарастало постепенно по мере их удаления от Солнца. На расстоянии около 20 а.е. эффект стал достаточно заметным, чтобы его уверенно зафиксировали приборы.
История "аномалии Пионеров" служит прекрасным примером того, как важны тщательный анализ данных и проверка всех возможных объяснений, прежде чем делать выводы о необходимости пересмотра фундаментальных законов физики. Восстановление и детальное изучение данных позволило разгадать эту космическую загадку, еще раз подтвердив надежность существующих физических теорий.
P.S. Зонды продолжают свое путешествие к границам Солнечной системы. "Пионер-10" находится на расстоянии около 20 миллиардов километров от Земли и движется в направлении звезды Альдебаран, удаленной примерно на 65 световых лет от нас. Последний слабый сигнал от "Пионера-10" был получен 23 января 2003 года. С тех пор связь с ним потеряна, скорее всего, из-за истощения энергии радиоизотопного генератора.
"Пионер-11" сейчас находится на расстоянии около 16 миллиардов километров от Земли и летит в направлении созвездия Щита. Последний раз с ним удалось связаться 30 сентября 1995 года. Официально "Пионер-11" функционально "умер" из-за недостатка энергии, но, как и его "брат", зонд продолжает путешествие.
Позитроний — самый легкий "атом" во Вселенной. В отличие от обычных атомов, он состоит не из ядра и электронов, а представляет собой связанную пару электрона и его античастицы — позитрона.
Это невероятно короткоживущая система: просуществовав всего 142 наносекунды, электрон и позитрон аннигилируют, превращаясь во вспышку гамма-излучения. Но за это мгновение позитроний ведет себя как настоящий атом — может поглощать и испускать фотоны, переходить между энергетическими уровнями и даже образовывать "молекулы" с другими атомами.
В 1951 году физик Мартин Дойч впервые экспериментально обнаружил позитроний, изучая излучение радиоактивного изотопа натрия-22. Измеряя спектр гамма-излучения, он заметил характерные линии, которые могли появиться только при аннигиляции связанной пары электрон-позитрон.
Сегодня физики используют позитроний как уникальную лабораторию для изучения квантовой электродинамики и поиска "новой физики" за пределами Стандартной модели.
