Ще влезе ли 2024 година в историята? Чудесата на физиката – от квантовите торнада до отрицателното време

През тази година изследователите постигнаха много по пътя към разгадаването на най-големите загадки на Вселената – както винаги са го правили. Дали 2024 година ще влезе в историята, или изненадите, които ни поднесе ще вкарат науката в задънена улица? Всичко зависи от това дали откритието, направено тази пролет ще бъде потвърдено.

През април физиците се натъкнаха на любопитен сигнал, показващ възможно отслабване на тъмната енергия – мистериозна сила, която пронизва космическото пространство.

Все още е твърде рано да го наречем откритие или дори убедително доказателство – сигналът е твърде слаб. С помощта на Спектроскопския инструмент за тъмна енергия (DESI) астрофизиците са картографирали милиони галактики, разпръснати в различни краища на пространството и времето. Това, че космосът се разширява все по-бързо под въздействието на тъмната енергия е известно от 1998 година насам, но новите данни от DESI показват, че ускорението постепенно се забавя.

Ако тъмната енергия наистина се изчерпва, учените ще трябва да преосмислят идеите си за фундаменталните закони на физиката. От 25 години насам това е първата истинска улика, която може да ни подскаже за природата на едно от най-загадъчните явления в съвременната наука. Докато теоретиците търсят обяснение на неговата променливост, DESI продължава да събира данни, за да направи по-уверени заключения през следващите години.

Мъртва ли е тъмната материя?

В търсенето на невидими компоненти на Вселената учените са стигнали до задънена улица. От години те търсят хипотетични частици тъмна материя – т.нар. тежки и инертни частици WIMP. Те бяха смятани за основните претенденти за ролята на мистериозната субстанция, която изпълва галактиките и пространството между тях, но сега търсенето се сблъска с естествена бариера: детекторите са станали толкова чувствителни, че улавят слънчевите неутрино, чието сияние маскира по-слабите сигнали.

„Изглежда, че ерата на търсене на WIMP е към своя край.“

казва физикът от Станфордския университет Наталия Торо

Сега изследователите търсят нови кандидати, особено леки, но многобройни частици от различни видове. Най-разпространената хипотеза предполага, че тя трябва да е проста, но защо изобщо бихме си помислили това? Така мисли Филип Шустер, също физик в Станфорд. Мнението му се споделя от все по-голям брой експерти. Но какво ще стане, ако тъмната материя е Птолемеевите епицикли на 21-и век: модел на космоса, който дълго време е смятан за правилен, но е твърде сложен и по-късно се оказва погрешен?

Астрономите обаче успокоиха онези, които вече бяха започнали да се разочароват от работата им, като откриха ново интересно явление. Находката се нарича MACS J0018.5 и е толкова убедителна, че е наречена новият Bullet Cluster.

В „оригиналния“ Bullet Cluster, което е едно от най-силните доказателства за съществуването на тъмна материя представлява сблъсък на два гигантски галактични купа. Газът в центъра на сблъсъка свети ярко, но по-голямата част от материята просто е преминала през него, образувайки масивни струпвания от двете страни, които огъват светлината. Това е типично поведение за частиците на тъмната материя – те имат малко или никакво взаимодействие помежду си.

MACS J0018.5 наподобява това явление, но тук галактическите купове се сблъскват точно по линията на нашата видимост. Измервайки скоростите, учените виждат: в момента на сблъсъка видимият газ се забавя, докато по-голямата част от материята профучава, без да губи скорост. Без участието на невидими частици е почти невъзможно да се обясни това.

Астрономически открития

Нощното небе крие още много загадки. Флагманът на съвременната астрономия, космическият телескоп „Джеймс Уеб“ на НАСА разкри няколко от тях, особено при наблюдението на далечни обекти от първия милиард години на Вселената. Галактики с форма на банан, планети с най-удивителни свойства, загадъчно кафяво джудже, най-старият сблъсък на черни дупки – астрофизиците се наслаждават на „очарователната бъркотия“ от ранната епоха на космическата история.

Благодарение на телескопа учените получиха нови данни за скоростта на разширяване на Вселената, което прави загадката „Хъбъл“ още по-интригуваща. Успоредно с това други телескопи помогнаха да се открият най-силните магнитни полета в космоса, неизвестни досега органични молекули и особености в структурата на звездното пространство.

Щастливите дни в лабораторията

Нека сега преминем от гигантското към микроскопичното: за физиците, които изучават атоми, молекули и кристали в лабораториите 2024 година беше година на множество открития. Те постигнаха изумителна прецизност при управлението на квантови обекти. Екип от учени в Инсбрук създаде отдавна прогнозирано екзотично състояние на материята – свръхтвърдо тяло. Те дори са успели да заснемат специални „квантови торнада“. Възникнали в резултат на удар върху обикновено твърд кристал от атоми на диспрозий. Според астрофизиците такова състояние на материята може да съществува във вътрешността на пулсарите – необичайно плътни и бързо въртящи се звезди.

Междувременно екипи, фокусирани върху двуизмерни материали (кристални листове с дебелина един атом) откриха три нови вида свръхпроводимост и изследваха странна квантова фаза на материята, при която частици с дробни заряди се движат по ръбовете на кристала. Все още не е ясно колко полезно е откритието и дали ще намери практическо приложение, но никой не забранява да се мечтае.

Други лаборатории развиват кодирането и обработката на информация в атомни масиви. Квантовите компютри на неутрални атоми, които доскоро се смятаха за аутсайдери, изведнъж излязоха напред. През ноември те постигнаха важен етап – извършиха логически изчисления, устойчиви на шум (или устойчиви на грешки).

В продължение на десетилетия учените се опитват да определят точната енергия на ядрения преход в торий-229. Тези данни биха помогнали за изучаване на силите, които поддържат Вселената в цялост. През 2024 година три екипа от изследователи успяха да измерят тази стойност едновременно. Сега те ще наблюдават ядрения часовник, за да открият най-малките промени във фундаменталните сили на природата.

Поглед под пространство-времето

Теоретиците също постигнаха значителен напредък, но от по-абстрактно естество. Например, те са разработили нов език на геометрията, за да предскажат поведението на частиците. Преди това те използваха уравнения, за да опишат динамиката на събитията в квантовия свят. Сега отговорите се намират с помощта на криви върху повърхности. Тези идеи са част от голямото пътуване за разбиране на най-дълбоките основи на реалността.

Горещи страсти

Дискусиите по физика в X (Twitter) не са това, което бяха, но една научна история все още предизвиква оживени дебати. Учени съобщиха, че квантов експеримент е открил доказателства за „отрицателно време“ . Какво изобщо означава това? Дали нещо е отнело по-малко от нула време? Не съвсем. В квантовия свят често е трудно с думи да се опише случващото се.

Екип от Университета в Торонто насочва фотони към облак от рубидиеви атоми. Всеки фотон може да възбуди атом в облака, да премине през него без взаимодействие или и двете. Тези квантови възможности се интерферираха като две вълни.

Всеки фотон имал три пътя: да възбуди атом, да премине покрай него или да направи и двете едновременно – като вълни, които се припокриват. Неочаквано се оказало, че фотоните, които едновременно възбуждали атомите и се излъчвали отново от тях преминавали през облака по-бързо от тези, които прелитали директно. Това създавало ефект на „отрицателно време“, сякаш частиците прекарвали по-малко от нула секунди във възбудено състояние.

„Ние просто измерваме продължителността на процеса, а не нарушаването на причинно-следствената връзка.“

обяснява един от авторите на статията в X