физика 11 класс

Падение антиматерии «закрыло» антигравитацию

Хотя итоги нового эксперимента совпали с общими предсказаниями теории Эйнштейна, по ряду причин полученный результат не был очевиден заранее. Экспериментальные данные впервые позволили решить столь важный вопрос окончательно.

Часть установки ALPHA-g, использованной в новом эксперименте

Принцип слабой эквивалентности сил гравитации и инерции Общей теории относительности Эйнштейна указывает, что все объекты, вне зависимости от их массы или конкретного состава, должны падать в гравитационном поле в одном направлении. Другой вывод просто несовместим с видением гравитации в ОТО.

Однако на протяжении десятков лет целый ряд физиков пытались выдвигать иные предположения — основывая свои попытки на том, что ОТО обладает, на их взгляд, некоторыми слабостями. Первой стало предсказание состояния сингулярности (при котором физические законы не работают, а время не течет) в момент старта Большого взрыва. Вторым многие посчитали отсутствие квантовой теории гравитации — из-за моды на квантовый подход этим ученым казалось, что и гравитация должна быть описана с таких позиций, хотя сам Эйнштейн подобное мнение не разделял.

В этом смысле возможность установить, ведет ли себя антиматерия так, как предсказывает его теория или как предполагали многие сторонники создания квантовой теории гравитации, имела очень большое значение. Если антивещество «падает» вверх, то основные постулаты ОТО нуждаются в корректировке, либо, как это формулируют иные исследователи, «перед нами открывается дорога для Новой физики».

Было и множество гипотез «с практическим уклоном» — о том, что антивещество будет отталкиваться обычной гравитацией, на основе чего можно будет создать «антигравитационные машины». В XX веке в США была даже правительственная программа, исследующая такую возможность.

На практике прояснить вопрос оказалось исключительно сложно: антиматерию трудно создать и изолировать от обычной так, чтобы удерживающие ее при этом магнитные поля не «зашумляли» воздействие гравитации на античастицу.

В 2018 году специальная группа при ЦЕРН запустила ALPHA-g — специализированную магнитную ловушку для атомов антиводорода, созданную именно для проверки такой возможности. Атомы антивещества — антиатомы — сперва «подвешивали» в вакуумной камере, а потом так отключали действующие на них магнитные силы (они же силы, удерживающие атом в пустоте), чтобы можно было непосредственно увидеть, куда же падает антивещество.

Для этого установка использовала мощный источник античастиц:

По расчетам, в случае правоты принципа слабой эквивалентности ОТО 20 процентов всех пойманных в ловушку атомов антиводорода должно было покидать ее через верх, а 80 процентов — через низ. Именно так и произошло в не раз повторенных экспериментах.

Таким образом, международной группе исследователей удалось зафиксировать, что движение антивещества в цилиндре происходит точно как у обычных атомов — вниз, а не вверх. Это сразу закрывает гипотезы «антигравитации».

В то же время, отметили авторы новой работы в журнале Nature, остается неясным, насколько сильно антивещество притягивается гравитацией Земли. С точки зрения ОТО это должно происходить точно так же, как для обычного вещества. Но пока точности наблюдений ALPHA-g не хватает, чтобы подтвердить это экспериментально. Ученые надеются добиться такого результата в будущем.

От того, насколько верна ОТО, фактически зависит не только наше понимание поведения антивещества, но и вся картина Вселенной. Сейчас уже ясно, что прежняя идея о некоей сингулярности в момент Большого взрыва нерабочая. Однако, варианты решения этой проблемы сильно различаются между собой. Часть физиков пытаются решить ее с позиций квантовой механики, а часть, напротив, с позиций теории относительности Эйнштейна.

Статья спизжена отсюда

Сверхпроводниковая драма #2

Эмоциональные американские горки вокруг LK99 ни на минуту не останавливаются. Цикл классический:

За эти несколько дней:

Южнокорейский блогер китайского происхождения успел сходить по адресу стартапа. Спускался по лестнице в подвал, стоял перед дверью. Не на камеру якобы его таки провели в помещение, дали постоять в дверях и осмотреться. Сказали, что вещество у них есть, но не показали. Непонятно, почему он пошел сразу в подвал, учитывая, что стартап снимает все здание целиком. Свое видео он выложил на китайской платформе, оттуда оно уже попало в англоязычный интернет.

Русскоязычный аниме-фембой забайтил кучу народу в твиттере, ведя тред о домашнем синтезе LK-99. Финальным аккордом стали две фотки с мизерным кусочком чего-то якобы леветирующим над магнитом. 

Видео он предоставлять отказался, за что в реплаях был закономерно обложен хуями.

Было еще несколько неудачных и пара частично удачных попыток воспроизвести опыт корейцев, как в "официальных" лабах, так и любителями. Список со ссылками можно найти тут

Еще несколько экспериментов продолжаются, наверняка будут и другие.

Cегодня утром появилось сильное теоретическое обоснование правоты корейцев. Авторитетный ученый из Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли провел моделирование на суперкомпьютере, которое подтвердило, что... что-то на научном про уровень Ферми, куперовские пары, сингулярности Ван Хоува и прочие страшные слова. 

Если по-простому, то да, когда атомы меди замещают атомы свинца в кристаллической решетке свинца-апатита, может возникать сверхпроводимость. Проблема в том, что эти пути проводимости возникают только тогда, когда атомы меди проникают в маловероятные места (есть и более вероятные) в кристаллической решетке. Но вроде бы это все решаемо.

Позже выяснилось, что еще 29 числа на архиве появилась работа от китайцев с аналогичными выводами.

И наконец финал. Днем появилось видео из лаборатории Хуачжунского университета науки и технологий, в котором показывают, как полученный ими крошечный кусочек LK-99 реагирует на магнит, вставая в вертикальное положение, повторяя опыт корейцев. 

И интернет начал сходить с ума. Локально.

Китайцы сказали, что не решились разрушить этот кусочек, подвергая его проверке на непосредственно сверхпроводимость. Будут делать еще.

Если кому интересно, всю инфу черпаю вот в этом сабреддите и в твиттере по тегу #LK99

А вот тут годный тред про применение высокотемпературных сверхпроводников

Нобелевскую премию по физике получили трое ученых за исследования запутанных состояний

В состав астероидов могут входить неизвестные типы «сверхплотной» материи

Плотность некоторых крупных астероидов может в разы превышать плотность любых известных на Земле элементов. Это должно указывать на то, что «космические камни», по крайней мере частично, могут состоять из неизвестных типов очень плотной материи, которые нельзя изучить с помощью «стандартной модели физики». Авторы нового исследования попытались объяснить чрезвычайно высокую плотность одного из таких крупных астероидов.

Орбита астероида (33) Полигимния и его положение в Солнечной системе

В середине XX века советский физик-ядерщик Геогий Флеров со своими подопечными смог синтезировать в лаборатории ряд сверхтяжелых элементов, включая унунквадий с атомным номером (Z) 114, впоследствии его переименовали в флеровий в честь физика.

Под атомным номером (порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов таблицы Менделеева) понимают количество положительных элементарных зарядов в атомном ядре. На сегодня в периодической таблице числятся 118 элементов, в природе встречается 92 из них, остальные 26 получены искусственно. Чем выше атомный номер элемента, тем он «тяжелее».

Советские ученые предположили, что все элементы, полученные в лаборатории, должны были когда-то существовать на Земле, но с течением времени они распались. Действительно, их следы, пусть и ничтожные, находят на нашей планете. Например, следы нептуния (Z=93) обнаружены в урановых рудах — это продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана.

Флеров выдвинул гипотезу, что в природе должен существовать «остров стабильности сверхтяжелых ядер» — группа сверхтяжелых элементов, находящаяся за пределами уже открытой части таблицы Менделеева.

Остров стабильности на карте изотопов

Сегодня физики разделяют сверхтяжелые элементы на две группы:

— С атомным номером от 105 до 118, которые были получены искусственно, но при этом радиоактивны и нестабильны, с очень коротким периодом полураспада, и, следовательно, они представляют только академический и исследовательский интерес;

— Элементы «острова стабильности» с атомным номером больше 118. Они пока не наблюдались в природе, но для некоторых из них были предсказаны свойства. В частности, расчеты показывают, что могут существовать элементы до Z=164, при этом они могут оставаться стабильными на протяжении долгого времени.

Поскольку плотность элементов, как правило, возрастает с увеличением их атомной массы, можно ожидать, что элементы «острова стабильности» будут чрезвычайно плотными.

На Земле самый плотный стабильный элемент — металл осмий (Z=76) — 22,59 г/см3, его плотность почти в два раза больше, чем внутреннего ядра Земли. Однако в космосе встречаются объекты с плотностью элементов намного выше, чем у осмия, — так называемые компактные сверхплотные тела (compact ultradense objects, CUDO).

Один из ярких примеров таких объектов — астероид Главного пояса (33) Полигимния: согласно расчетам, его плотность составляет около 75 г/см3. Группа американских физиков из Аризонского университета попыталась объяснить эту особенность астероида. Ученые задались целью рассчитать атомную структуру и свойства сверхтяжелых элементов Полигимнии (около значения Z=164), используя модель атома Томаса — Ферми. Результаты работы опубликованы в The European Physical Journal Plus (здесь можно ознакомиться с ее полным текстом).

«Мы выбрали эту модель, несмотря на ее неточность, за то, что она позволяет систематически изучать атомную структуру потенциальных сверхтяжелых химических элементов, которых нет в известной периодической таблице. Кроме того, с ее помощью можно исследовать множество атомов за короткое время», — объяснил ведущий автор исследования Ян Рафельски.

Плотности элементов с атомным номером от 1 до 100. Красными треугольниками отмечены тяжелые металлы. Красный треугольник в правом верхнем углу — осмий (Z=76), самый плотный стабильный элемент на Земле

Расчеты физиков показали, что элементы, которые имеют атомные номера близкие к 164, могут быть стабильными и при этом их плотность может составлять от 36,0 до 68,4 г/см3 — значение очень близкое к значению плотности, полученному при изучении Полигимнии (75 г/см3).

Авторы сделали вывод, что на астероиде могут находиться сверхтяжелые элементы «острова стабильности». Если оценки плотности верны, то, скорее всего, Полигимния состоит из неизвестных на сегодня сверхтяжелых ядер элементов, которые пока невозможно изучить на Земле — по крайней мере, при современном уровне возможностей в области получения атомных ядер.

Предсказанные границы массовой плотности сверхтяжелых элементов в областях атомных номеров Z = 114, 140 и 164 (зеленые точки), пунктиром линейная интерполяция

Стоит отметить, что на вопрос об «острове стабильности» есть и иная точка зрения. Ряд ученых считают, что такие элементы в любом случае не могут быть достаточно долгоживущими, а обнаружение астероидов с аномальной плотностью (типа Полигимнии) может объясняться ошибками в астрономических наблюдениях. Окончательно прояснить вопрос могли бы только исследовательские миссии к таким телам.

Статья спизжена отсюда

Скоро во всех школах (в 6-7 классах)