Журнал Physics World назвал самые выдающиеся открытия в 2014 году в области физики. На первом месте среди важнейших событий идет высадка на комете аппарата «Philae», отстыковавшегося от зонда «Rosetta», запущенного ESA. Эксперты назвали эту высадку прорывом года. Девять других достижений затрагивают все сферы физики, начиная от ядерной и до акустики. Для того чтобы попасть в этот список, исследование должно отвечать нескольким требованиям — иметь принципиальное значение, обеспечивать значительный прогресс в знаниях, демонстрировать тесную связь между теорией и экпериментом и представлять интерес для всех физиков.
Журнал Physics World издается Научным сообществом Института физики, которое насчитывает более 50 000 экспертов из разных сфер физики. Премия, присуждаемая журналом за открытия в области физики, является одной из самых авторитетных в своей области.
* * *
Итак, прорыв года свершился в 15:35 GMT 12 ноября 2014 года, когда модуль «Филы» закрепился на поверхности кометы Чурюмова-Герасименко. При посадке модуль дважды отскочил от поверхности, затем принял устойчивое положение и начал собирать данные, которые в настоящее время отправлены на Землю через зонд Rosetta.
Работа зонда «Rosetta» и спускаемого аппарата «Philae» дала нам немало для понимания того, как формировалась и эволюционировала Солнечная система, и, возможно, того, как жизнь появилась на Земле.
Пусть посадка на комету не прошла идеально, — модуль пристыковался в тени и его солнечные панели не получают достаточно солнечного света для подзарядки, — «Филы» удалось завершить все запланированные измерения и пробы до того, как отключилось питание. Предположительно, он «проснется» весной и продолжит свою работу. Мы с самого начала следили за обустройством модуля «Филы» на комете.
Квазар и космическая паутина
Себастьяно Канталупо (Sebastiano Cantalupo), Пьеро Мадау (Piero Madau) и Хавьер Прочаска (Xavier Prochaska) из Калифорнийского университета в Санта-Крус (США) и Фабрицио Арригони-Батайя (Fabrizio Arrigoni-Battaia) и Джозеф Эннави (Joseph Hennawi) из Института Макса Планка в Гейдельберге (Германия) использовали излучение, исходящее от квазара, чтобы получить представление о космической паутине. Материя во Вселенной вовсе не распределена равномерно и существует в своеобразной волокнистой структуре с огромными пустыми пространствами. Считается, что нити космического водорода образовались через 380 000 лет после Большого Взрыва (сама Космическая Паутина, в основном состоящая из темной материи, возникла много раньше), и его существование доказывалось многими физиками. Астрономы замечали материю, в том числе, встроенную в галактику, но при этом не могли обнаружить нити холодного газа. Канталупо и его коллеги обнаружили излучение этого газа в тот момент, когда он поглощает ультрафиолетовый свет, испускаемый квазарами. По словам исследователей, будущие измерения с использованием других квазаров обещают дать гораздо больше информации о ранней Вселенной.
Нейтрино, сбежавшие с Солнца
Коллаборация Борексино, в которую входят ученые в том числе из России, получила свою награду за то, что первой зарегистрировала потоки нейтрино от основной ядерной реакции на Солнце.
Почти вся энергия, вырабатываемая в коре Солнца, включает в себя цепочку ядерных реакций, которая начинается со слияния двух ядер водорода с образованием ядра дейтерия. Расчеты ученых свидетельствовали о том, что около 60 млрд нейтрино проходят каждую секунду через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли, но низкоэнергетические нейтрино обнаружить было чрезвычайно трудно, поэтому теория долгое время не могла быть доказана. Детектор Борексино, установленный в подземной лаборатории Гран Сассо под Апеннинскими горами в Италии, обнаружил несколько pp-нейтрино. Вообще-то самом деле команда Борексино не ожидала увидеть нейтрино, но детектор был так хорошо отстроен, что исследователям удалось измерить поток 66 ± 7 млрд нейтрино на квадратный сантиметр, что подтверждает давнюю теорию солнечной синтеза.
Термоядерный синтез с помощью лазера
Омар Хуррикан (Omar Hurricane) и его коллеги из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США) удостоились награды за то, что впервые получили топливо в ходе эксперимента лазерного термоядерного синтеза. Ядерный синтез обещает огромное количество чистой энергии, но физики, работающие над различными экспериментами в этом направлении, практически не получают результатов. Хуррикан и его коллеги использовали ультра-мощный лазер, чтобы раздавить крошечные гранулы дейтерия и трития топлива. Таким образом, удалось увеличить количество энергии термоядерного синтеза, выделяемого в процессе. Ученые сосредоточились на достижении стабильного сжатия гранул, и в одном случае удалось добиться выделения энергии в 2,5 раза больше, чем было затрачено лазерной энергии. Хотя результат по-прежнему далек от долгожданной цели, последние результаты являются важным шагом на пути к термоядерной энергетике. На этот эксперимент у команды ушло 5 лет.
Магнитное поле одиночных электронов
Шломи Котлер (Shlomi Kotler), Ницан Акерман (Nitzan Akerman), Нир Навон (Nir Navon), Инон Гликман (Yinnon Glickman) и Рое Озери (Roee Ozeri) из Института Вейцмана (Израиль) отмечены за то, что первыми измерили чрезвычайно слабое магнитное взаимодействие двух одиночных электронов.
С 1920-х годов известно, что электрон обладает спином и связанным с ним магнитным моментом. Исследователи уже давно смогли измерить магнитное поле отдельных электронов. А вот обнаружить магнитные взаимодействия между двумя электронами оказалось гораздо сложнее. Магнитные взаимодействия максимально сильны, когда электроны находятся друг от друга на атомном расстоянии. Однако в этот момент измерить магнитное взаимодействие практически невозможно, так как слабое магнитное взаимодействие «забивается» другими волнами. Если же электроны отодвигать дальше друг от друга, то магнитное взаимодействие теряется. Котлер и его коллеги преодолели эти проблемы, оставив два электрона в длительном запутанном состоянии, что гарантировало среду с низким уровнем постороннего «шума». В таком состоянии ученые смогли измерить силу взаимодействия двух электронов с помощью лазера, а также определить были спины электронов параллельны или антипараллельны.
«Локализация Андерсона» в действии
Араш Мафи (Arash Mafi) и его коллеги из университета Нью-Мехико (США), университета Висконсин-Милуоки (США), и университета Клемсона (США) награждены за использование феномена «локализации Андерсона» для создания более совершенного оптического волокна для передачи изображений.
Неупорядоченное состояние в оптическом волокне, как правило, размывает передаваемое изображение, но Мафи и его коллеги показали, что, создав «правильный» беспорядок в нужном месте, можно повысить способность волокна к передачи четких изображений. Им удалось получить изображение более четкое, чем в лучших доступных коммерческих аппаратах. Технология включает в себя использование «локализации Андерсона», в результате чего свет не распространяется в среде с определенной степенью беспорядка. Команда создала волокно из 80000 нитей двух различных материалов, которые расположены случайным образом рядом друг с другом. В результате получилось неупорядоченное состояние в поперечном направлении и порядок в том направлении, в котором распространялся свет.
Магнитные голограммы для хранения данных
Были отмечены премией Александр Хитун (Alexander Khitun) и Фредерик Герц (Frederick Gertz) из университета Риверсайд Калифорнии (США), а также наши российские ученые из Института радиотехники и электроники РАН за создание нового типа голографической памяти устройства, основанного на интерференции спиновых волн (магнонов). Голографическая память имеет большой потенциал для хранения и извлечения больших объемов информации, но плотность хранения ограничена длиной волны света. Спиновые волны, используемые Хитуном в устройствах магнитной голографии, гораздо короче, чем волны видимого света, и поэтому могут быть использованы для хранения данных на более высоких плотностях. Прототип устройства состоит из двух крошечных магнитов, соединенных магнитным проводом. Данные сохраняются, посылая спиновые волны большой амплитуды по проводам и переворачивая ориентацию магнитов. Данные считываются посредством отправки волн меньшей амплитуды.
Лазеры зажигают «сверхновые» в лаборатории
Джанлука Грегори (Gianluca Gregori) и Йена Мейнеке (Jena Meinecke) из Оксфордского университета (Великобритании) и международная команда получила награду за использование одной из самых мощных в мире лазерных установок для создания крошечных версий взрывов сверхновых.
Взрывы сверхновых оставляют после себя горячие, плотные красивые облака пыли и газа. Один из таких «остатков» в созвездии Кассиопея долгое время оставался загадкой для астрономов из-за неправильной запутанной структуры, которая предполагает наличие очень сильных магнитных полей. Эту сверхновую и смоделировали ученые, которые выпустили три лазерных луча в крошечный углеродный стержень, помещенный в заполненную аргоном камеру. Взрыв создал асимметричную ударную волну, которая расширяется за счет аргона, так же как и сверхновая в космосе. Пластиковые сетки, которые имитировали неравномерное распределение газа в регионе сверхновой, были размещены на пути ударной волны, и в результате возникли сильные магнитные поля, аналогичные тем, которые наблюдаются в Кассиопее. Эта технология может быть также использоваться, чтобы смоделировать широкий спектр астрофизических процессов, говорят исследователи.
Сжатие квантовых данных
Авраам Стейнберг (Aephraim Steinberg) и его коллеги из Университета Торонто (Канада) были отмечены за то, что впервые продемонстрировали квантовый аналог сжатия данных в лаборатории.
Обычные схемы сжатия данных не могут применяться, когда речь идет о квантовой информации, так как они требуют измерения значений битов данных, которые будут сжаты — а сам этот процесс разрушает квантовую информацию. Еще в 2010 г. чешские физики доказали, что последовательность одинаково подготовленных квантовых битов можно сжать, хотя и не так сильно, как обычные данные. Стейнбергу и его коллегам удалось это проделать в лабораторных условиях — они уместили информацию, содержавшуюся в трех квантовых битах на основе фотонов, в два таких бита. Метод может проложить путь для более эффективного использования квантовой памяти и предлагает новую методику тестирования квантовых устройств.
Перемещение объектов звуковым пучком
Кристин Деморе (Christine Démoré) и Майк Макдональд (Mike MacDonald) из Университета Данди (Великобритания), Патрик Дал (Patrick Dahl) и Габриэль Спалдинг (Gabriel Spalding) Университета Уэсли (США) и их коллеги получили награду за создание первого «притягивающего» луча, который может тянуть объекты за счет звуковой волны.
Это открытие из области фантастики — физики выявили условия, при которых возможно передвигать объект к источнику исходящего луча, который несет импульс. Генератор звукового пучка выстреливает два пучка ультразвуковых волн в сторону объекта. Лучи имеют круглые волновые фронты, которые, искривляясь, создают импульс. Когда волна попадает в цель, искривленный импульс перенаправляется в виде обычного импульса. Некоторые из этих импульсов перенаправляются таким образом, что тянут объект в сторону источника внутреннего импульса. Это свойство может применяться, например, в медицине, когда необходимо управлять жидкостями и тканями в живом организме, или, например, доставлять лекарства в точное место в организме.
На фото: Металлический корпус Hohlraum. Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса. Источник: Википедия
.jpg){kind=link}
