Category: наука

Category was added automatically. Read all entries about "наука".

byzantine

Квантуемость гравитации предложили доказать шумом в детекторе гравитационных волн


Физики-теоретики проквантовали гравитационное поле и обнаружили, что движение падающих тел перестает быть из-за этого детерминированным и флуктуирует с амплитудой, зависящей от квантового состояния гравитационного поля. Экспериментальное обнаружение этих флуктуаций, которые, по мнению авторов, могут быть измерены с помощью детекторов гравитационных волн, подтвердило бы квантование гравитации, пишут ученые в Physical Review Letters.

Движение массивных объектов в поле силы тяжести в большинстве случаев хорошо описывается общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), в которой гравитация рассматривается как классическое поле. Но фундаментальные законы физики имеют квантовую природу, что ограничивает область применимости ОТО безотносительно прочих ее недостатков. К примеру, ожидается, что на расстояниях порядка планковской длины от центра черной дыры квантовые флуктуации пространства-времени будут настолько сильны, что ими будет нельзя пренебрегать. Для учета этих флуктуаций требуется теория квантовой гравитации.

Существует два подхода к построению такой теории: один основан на том, что квантовую теорию можно получить формальным квантованием ОТО, а другой исходит из того, что теория гравитации должна быть получена из качественно новых объектов, которые могли бы объединить все фундаментальные взаимодействия в «Теорию всего». Наиболее известными кандидатами на роль последней считаются теория струн и петлевая гравитация. Именно кандидатами, поскольку для изучения квантово-гравитационных эффектов на ускорителях необходимы недостижимые ныне энергии.

Более того, на сегодняшний день не обнаружено ни единого экспериментального свидетельства того, что гравитация вообще квантуется. Тем не менее, открытие гравитационных волн дало надежду на то, что квантовые флуктуации могут быть обнаружены на детекторах гравитационных волн LIGO и LISA. При этом, пока одни ученые утверждают, что для детектирования гравитонов — квантов гравитации, — требуется точность, на 37 порядков превышающая существующую, другие либо доказывают обратное, либо находят иные предпосылки для обнаружения квантово-гравитационных эффектов с помощью гравитационных интерферометров.

Но исследования в этой области продолжаются — недавно физики из США и Швеции под руководством Джорджа Захариада (George Zahariade) из Университета штата Аризона рассмотрели гравитацию как квантовое поле и разработали формализм для строгого подсчета влияния квантово-гравитационных эффектов на детектор гравитационных волн.

Диаграмма Фейнмана для взаимодействия гравитационной волны (начальное состояние |Ψ⟩, конечное |f⟩) с детектором гравитационных волн (начальное состояние |A⟩, конечное |B⟩), во время взаимодействия испускаются и поглощаются гравитоны — волнистые кривые
G. Zahariade et. al. / Physical Reviev Letters, 2021

Ученые начали с того, что связали слабое гравитационное поле в теории Эйнштейна с двумя свободными массивными частицами — идеализированными аналогами зеркал плеча гравитационного детектора. Затем они проквантовали действие полученной теории и проинтегрировали гравитационное поле, чтобы получить функционал Фейнмана-Вернона, в котором формально заключены все квантовые эффекты гравитации. Авторы посчитали этот функционал для различных квантовых состояний гравитационных волн и получили, что он представляет собой статистическое среднее от распределенной по Гауссу случайной функции. За счет этого, когда ученые вывели уравнение на относительное движение зеркал, помимо вклада от классической гравитационной волны (эффект от которого был зарегистрирован на детекторах LIGO) появилось недетерминированное слагаемое. Благодаря ему на колебания плеч детектора накладывается мелкий шум, характер которого зависит от начального состояния гравитационного поля.
Примечательно, что подобные выводы могут быть верны и для движения одного объекта в поле тяжести другого, более тяжелого неподвижного объекта. Так, яблоко, падающее в гравитационном поле Земли, будет подвергаться мельчайшим квантовым колебаниям, которые можно воспринимать как результат бомбардировки фрукта гравитонами.

Изменение расстояния между зеркалами гравитационного детектора ξ со временем t в поле гравитационной волны с волновым вектором k. Красным обозначены траектории зеркал в общей теории относительности, синим — в проквантованной теории
G. Zahariade et. al. / Physical Reviev Letters, 2021

Вычислив спектральную плотность мощности такого шума, физики пришли к выводу, что в случае вакуумного состояния, обладающего наименьшей энергией, или когерентных состояний гравитационного поля, наиболее похожих на «классическую» гравитационную волну (про когерентные состояния в квантовой механике читайте в нашем материале из серии «Квантовая азбука»), квантовые флуктуации неизмеримо малы (среднеквадратичное отклонение на 17 порядков ниже чувствительности LIGO). Однако существуют теоретически предсказанные, хотя еще экспериментально не подтвержденные явления, в которых квантовые эффекты играют большую роль при излучении гравитационных волн. К примеру, в результате испарения черных дыр могут возникать термальные состояния гравитационного поля, для которых среднеквадратическое отклонение растет как квадратный корень от температуры. Еще более перспективными состояниями для детектирования шума являются сжатые состояния вакуума, которые могли возникать на ранних фазах Вселенной, а также от классических источников из-за нелинейности гравитации. Их амплитуда может расти экспоненциально при увеличении параметра сжатия.
Авторы отмечают, что фундаментальный шум, возникающий из-за квантования гравитации, обладает некоторыми отличительными свойствами. Прежде всего, он не является импульсным (а порой даже стационарен) и не требует присутствия классической гравитационной волны. Более того, для перечисленных выше классов квантовых состояний гравитационного поля можно точно посчитать спектральную плотность мощности, что позволит отличить квантово-гравитационный шум от других источников шума, таких как дробовой шум фотонов, сейсмический шум, тепловой шум и другие. Также, возможно, что шум будет скоррелирован между ближайшими детекторами.

Впрочем, недостатки квантово-гравитационных теорий, полученных формальным квантованием общей теории относительности, вынуждают ученых обращаться к альтернативным теориям квантовой гравитации. К примеру, одна из таких теорий — теория петлевой квантовой гравитации — предсказала переход между черной и белой дырой.

Елизавета Чистякова
https://nplus1.ru/news/2021/09/13/quantum-grav-observ
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.081602
promo moris_levran december 22, 2014 02:45 8
Buy for 10 tokens
Византийская принцесса Анна – Великая княгиня Киевской Руси. В. Васнецов. "Крещение князя Владимира". В 1988 году в Советском Союзе отмечалась знаменательная дата – 1000-летие Крещения Руси. Минуло 26 лет, и сейчас можно рассмотреть подробнее эти события, поскольку к религии советская власть…
byzantine

Точность часов может быть связана с энтропией, которую они создают.



Самые современные современные часы держат время в невероятно точном ритме. Но новый эксперимент показывает, что точность часов имеет свою цену: энтропия.

Энтропия, или беспорядок, создается каждый раз, когда тикают часы. Теперь ученые измерили энтропию, генерируемую часами, которые могут работать с разной степенью точности. Чем точнее тикают часы, тем больше энтропии они излучают, сообщают физики в статье, принятой в Physical Review X.
“Если вы хотите лучшие часы, вы должны заплатить за это”, - говорит физик Наталья Арес из Оксфордского университета.

Время и энтропия-понятия тесно переплетенные. Энтропия известна как “стрела времени”, потому что энтропия имеет тенденцию расти с течением времени — вселенная, кажется, последовательно движется от более низкой энтропии к более высокой энтропии. Это движение к увеличению энтропии объясняет, почему некоторые процессы могут идти вперед во времени, но не в обратном направлении: легко смешать сливки в кофе, но чрезвычайно трудно отделить его снова. Машины также увеличивают беспорядок, когда они работают, например, выделяя тепло, которое увеличивает энтропию их окружения. Это означает, что даже стандартные часы на батарейках производят энтропию, когда они тикают.

Физики ранее подсчитали, что для крошечных квантовых часов существует прямая зависимость между максимально возможной точностью их тиков и количеством испускаемой энтропии. Но большие часы слишком сложны для таких вычислений. Поэтому было неясно, справедливо ли такое правило и для других типов часов.

Чтобы проверить, сколько энтропии высвобождается при тиканье упрощенных часов, Арес и его коллеги сделали часы из тонкой мембраны толщиной в десятки нанометров и длиной в 1,5 миллиметра, подвешенной на двух стойках. Электрический сигнал, посланный в часы, толкнул мембрану, заставляя ее изгибаться вверх и вниз. Это изгибное движение повторялось через равные промежутки времени, как равномерное тиканье часов, и антенна регистрировала это движение. Чем мощнее был электрический сигнал, тем точнее тикали часы. И по мере того, как точность часов возрастала, энтропия — результат тепла, выделяемого в контуре антенны, — увеличивалась в такт.

Этот результат предполагает, что теоретическое соотношение для квантовых часов также применимо к другим типам часов. “Приятно иметь это”, - говорит физик Хуан Паррондо из Мадридского университета Комплутенсе, который не принимал участия в исследовании. - В чем я не уверен, так это в том, насколько универсален этот тип отношений, который они находят.” Исследователи изучали только одну разновидность часов. По словам Паррондо, пока неясно, применима ли связь между точностью и энтропией к часам в более общем плане.

Но некоторые ученые подозревают, что эта связь может быть универсальной, раскрывая фундаментальный аспект функционирования часов. Новое исследование “подтолкнуло бы нас еще больше в этом направлении”, говорит квантовый физик Ральф Сильва из ETH Zurich, который не принимал участия в исследовании. “Это точка данных в пользу того, что это, вероятно, относится ко всем часам. Но это не доказано.”

Для того чтобы часы работали надежно, они должны пройти процесс, который имеет предпочтительное направление во времени. Если бы часы не создавали энтропию, они с такой же вероятностью двигались бы вперед, как и назад. И чем больше энтропии создают часы, тем меньше вероятность того, что часовой механизм будет страдать от флуктуаций — временных шагов назад, которые ухудшат его точность.

Таким образом, если точность всех часов достигается ценой увеличения энтропии, этот компромисс может отражать тесную связь между течением времени и его измерением.

https://www.sciencenews.org/article/clock-time-accuracy-entropy-disorder
byzantine

Отпечатки пальцев Бога


Физики впервые охладили крупный объект весом в несколько килограмм до его неподвижного основного состояния. В результате авторы смогли наблюдать влияние гравитационных сил на массивный объект. Раньше физики переводили в основное состояние максимум небольшие наночастицы. Теперь ученые смогли провернуть подобное для 10-килограммового объекта. Для этого понадобилась гравитационно-волновая обсерватория.

Как известно, температура является мерой энергии молекул, а потому она определяет амплитуду внутренних колебаний. Поэтому, если охладить систему из колеблющихся атомов до абсолютного нуля, она станет полностью неподвижной.

Но абсолютный нуль недостижим, поэтому физики довольствуются так называемым основным состоянием. Это минимальное по энергии состояние атомов в системе. Когда множество частиц одновременно удается перевести в основное состояние, они образуют особое квантовое состояние. Если в качестве частиц выступают бозоны, такое состояние материи называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.

В новом исследовании ученым удалось создать аналог конденсата для довольно крупного оптомеханического осциллятора весом 10 килограмм. До сих пор такой трюк удавалось проделывать лишь с облаками из атомов или наночастицами. Решив перевести в основное состояние такой массивный объект, физикам потребовалась установка, которая бы смогла с высокой точностью фиксировать движение отдельных атомов в такой крупной структуре. Оказалось, что единственная установка, способная на такое, — гравитационно-волновая обсерватория LIGO.

Используя доплеровское охлаждение, ученые смогли опустить температуру системы до 77 нанокельвинов — очень близко к теоретическому основному состоянию, которое должно быть на уровне 10 нанокельвинов. Учитывая, что до таких температур обычно охлаждают лишь небольшие облака размером в несколько миллионов атомов, удивительно, что у ученых получилось достичь подобного для объекта, состоящего из 10↑26 атомов.

Охлаждение объектов до низкой температуры может повысить чувствительность датчиков и эксплуатационные характеристики большинства устройств. Обновление до LIGO с такой модификацией могло бы увеличить его чувствительность и дальность действия к гравитационным волнам. Для чего это нужно?

В конце второго тысячелетия человечество сделало гигантские телескопы, которые могут заглянуть в самые далекие уголки Вселенной. Там нет человека, там нет звезд, там нет галактик. Но на расстоянии десяти миллиардов световых лет мы уперлись в непрозрачную стену — древнее вещество Вселенной, настолько плотное, что электромагнитные волны через него не проходят.
Эта стена испускает лишь радиоизлучение, которое называют реликтовыми волнами. За ней творится Вселенная: рождаются элементарные частицы, атомы, появляются первые сгустки материи — и она совершенно прозрачна для гравитационных волн, реликтовых гравитационных волн.

В отличие от микроволнового излучения (реликта эпохи рекомбинации, имевшей место через 380 тыс лет после Большого взрыва), гравитационные волны — это прямой реликт эпохи космологической инфляции, развернувшейся за 10↑–35 с до Большого взрыва.

Они очень-очень слабые, ведь тогда не было никаких черных дыр или нейтронных звезд, только небольшие шероховатости пространства, но, если мы научимся надежно регистрировать обычные гравитационные волны во всех диапазонах, рано или поздно мы поймаем и реликтовые гравитационные волны. Мы сможем посмотреть, как творилась Вселенная.

Во-вторых, наблюдения слияний нейтронных звезд дадут много новой, крайне нужной информации об этих объектах. Впервые мы сможем изучать нейтронные звезды так, как физики изучают частицы: наблюдать за их столкновениями, чтобы понять, как они устроены внутри. Загадка строения недр нейтронных звезд волнует и астрофизиков, и физиков. Наше понимание ядерной физики и поведения вещества при сверхвысокой плотности неполно без разрешения этого вопроса. Вполне вероятно, что именно гравитационно-волновые наблюдения сыграют здесь ключевую роль.

https://science.sciencemag.org/content/372/6548/1333
https://phys.org/news/2021-06-physicists-human-scale-standstill-quantum-state.html
byzantine

Сверхтекучая Вселенная: тёмная материя как конденсат Бозе-Эйнштейна


Квантовые эффекты работают не только на субатомном уровне: они могут оказаться распростёртыми через всю галактику и решить загадку тёмной материи

Большая часть материи Вселенной невидима, состоит из некоего вещества, не оставляющего никаких следов в процессе прохождения сквозь нас, и сквозь все детекторы, построенные учёными с целью поймать её. Но эта тёмная материя может и не состоять из невидимых облаков частиц, как предполагает большинство теоретиков. Вместо этого она может оказаться чем-то ещё более странным: сверхтекучей жидкостью, сконденсировавшейся в лужицы миллиарды лет назад, и породившей наблюдаемые нами сегодня галактики.

Это новое предположение имеет далеко идущие последствия для космологии и физики. Сверхтекучая тёмная материя (СТМ) решает множество теоретических проблем, связанных с облаками частиц. Она объясняет тянущиеся раздражающе долго неудачные попытки определить отдельные составляющие этих облаков. Также оно предлагает чёткий научный путь дальнейших поисков и выдаёт определённые предсказания, которые скоро уже можно будет проверить.

У СТМ есть и важные концептуальные последствия. Из этой идеи следует, что общепринятое представление о Вселенной как о массе отдельных частиц, связанных при помощи неких сил — будто бы детский конструктор — упускает всё богатство природы. Большая часть материи во Вселенной может быть совершенно не такой, как материя, из которой состоит ваше тело: она может состоять не из атомов и даже не из таких частиц, какие мы обычно себе представляем, а быть когерентным целым огромной протяжённости.

«Много лет люди пользовались простейшей моделью для ТМ: частицы, которые не сталкиваются с другими частицами и не излучают свет», — говорит Джастин Коури [Justin Khoury], профессор теоретической физики из Пенсильванского университета. «Но за последние 20 лет наблюдения и компьютерные симуляции заметно улучшились, и на галактических масштабах у этой модели появились некоторые проблемы». Частицы ТМ не сталкиваются сами с собой, поэтому не собираются в компактные структуры, эквивалентные звёздам и планетам. Поскольку ТМ по определению не испускает свет, свидетельством её существования служит её гравитационное воздействие: невидимый материал, судя по всем, влияет на формирование, вращение и движение галактик. На крупнейших масштабах ТМ без столкновений обычно хорошо соответствует астрономическим наблюдениям.

На менее крупных масштабах эта популярная и широко применяющаяся модель предсказывает, что в галактических центрах должно собираться больше материала, чем видно астрономам — эта особенность известна, как "проблема перегиба" [cusp problem]. Также эта модель предсказывает слишком много галактик-спутников для Млечного Пути, и не может объяснить, почему те спутники, что у нас реально есть, располагаются почти в одной плоскости. И, наконец, ТМ без столкновений ничего не говорит о том, почему яркость спиральных галактик соответствует их скорости вращения. Эта простая модель, судя по всему, слишком проста.

Одним из возможных объяснений таких недостатков может быть то, что физики пропустили один важный астрофизический процесс, участвующий в формировании галактики. Но Коури так не считает. С его точки зрения эта проблема говорит о чём-то более глубоком. Дело не только в том, что модель холодной ТМ без столкновений с трудом соответствует некоторым данным, но ещё и в том, что совершенно другая модель гораздо лучше соответствует тем самым наблюдениям, с которыми у стандартной модели есть проблемы. Вместо того, чтобы изобретать новые, неоткрытые частицы, другая модель предлагает модифицировать гравитацию для соответствия ТМ. Поведение гравитации на расстояниях в тысячи и миллионы световых лет измерить напрямую нельзя. Небольшие эффекты, которые невозможно обнаружить на Земле, могут играть достаточно большую роль на масштабе целой галактики.

Модификация гравитации (МГ) оказывается удивительно успешной в некоторых случаях и испытывает проблемы в других. С одной стороны, она удивительно легко соответствует вращению галактик и объясняет, откуда берётся зависимость яркости и скорости вращения. МГ не позволяет появляться такому разнообразию параметров от галактике к галактике, какое возникает при использовании облаков из частиц — последние могут быть совершенно разными. С другой стороны, МГ с трудом справляется с данными наблюдений за расстояниями гораздо большими или меньшими, чем размер типичной галактики. На этих масштабах лучше работает модель холодной ТМ.

Печальной известностью пользуется тот факт, что изменить что-либо в эйнштейновской теории гравитации, без того, чтобы её полностью не сломать, чрезвычайно трудно. Поэтому большинство физиков выбирают более безопасную альтернативу в виде ТМ, состоящей из частиц. Для них появление новых частиц — проторённый путь решения проблем, и связанная с этим математика является знакомой территорией. Но Коури не хочет примыкать к какой-либо из этих сторон. Он хочет взять лучшее у обоих, так, чтобы лучше всего соответствовать реальной Вселенной.

«Обычно люди пытались решать проблемы галактического масштаба, модифицируя гравитацию; такова была альтернатива ТМ, — говорит Коури. — И по каким-то причинам, возможно, социального характера, два этих подхода считались взаимоисключающими: вы либо находитесь в лагере МГ, либо в лагере ТМ, состоящей из частиц. Но почему нельзя их совместить? Конечно, бритва Оккама сказала бы, что это будет менее убедительно. Поэтому выбранный нами подход состоит в том, что оба явления, МГ и ТМ, состоящая из частиц, могут просто быть аспектами одной и той же теории».

Свидетельства существования ТМ накапливаются с момента её обнаружения швейцарским астрономом Фрицем Цвикки более 80 лет назад. В 1933 году Цвикки воспользовался 254 сантиметровым телескопом Хукера в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, направив его в сторону скопления Волос Вероники. Это рой из порядка 1000 галактик, связанных вместе гравитационным притяжением. В такой связной системе скорости её составляющих — в данном случае, галактик — зависят от общей связанной массы. Цвикки отметил, что галактики двигаются гораздо быстрее, чем двигались бы, если учитывать только видимую массу вещества, и предположил, что в скоплении должна содержаться невидимая материя. Он назвал её Dunkle Materie, или «тёмной материей» по-немецки.

Физики могли бы отбросить этот случай как странное отклонение. Но оказалось, что это наблюдение является больше правилом, чем исключением, когда американский астроном Вера Рубин с 1960-х годов изучала вращение спиральных галактик. Скорость звёзд на орбитах далеко от центра галактики зависит от общей массы (и, следовательно, гравитационного притяжения) связной системы — в данном случае, от массы галактики. Измерения Рубин показали, что десятки галактик вращались быстрее, чем можно было бы предположить, исходя только из видимой материи. С тех пор, как наблюдения Рубин вывели ТМ под свет прожекторов, она попала в список самых популярных нерешённых проблем физики.

Технологии телескопов стабильно улучшались, и свидетельства в пользу ТМ, полученные из наблюдений, постепенно накапливались и уточнялись. Теперь физики могут наблюдать небольшие искажения, происходящие из-за гравитационного искривления пространства-времени рядом с галактическими скоплениями. Это искажение, известные, как слабое гравитационное линзирование, немного деформирует вид более удалённых звёздных объектов; идущий от них свет искривляется вокруг кластера, чьё притяжение действует, как линза. По силе этого эффекта общую можно рассчитать массу скопления и продемонстрировать присутствие ТМ. С помощью этого метода физики уже даже построили карты распространения ТМ. Сопоставив их с другими методами доказательства, они определили, что 85% материи Вселенной должно относиться к ТМ.

Используя ещё больше данных, физики также смогли исключить идею того, что ТМ состоит из невидимых комков обычных атомов, таких, из которых состоит Земля (технически они называются барионной материей). Эта, нормальная материя, слишком сильно взаимодействует сама с собой; она не давала бы наблюдаемое распределение ТМ. ТМ также не может состоять из звёзд, схлопнувшихся в чёрные дыры или других тусклых астрономических объектов. Если бы это было так, этим объектам пришлось бы сильно превосходить по количеству звёзды в нашей галактике, что привело бы к значительным и легко наблюдаемым гравитационным искажениям. Также ТМ не может состоять и из других известных частиц, таких, как слабо взаимодействующие нейтрино, в большом количестве испускаемые звёздами. Нейтрино не комкуются достаточно сильно для того, чтобы создать наблюдаемые галактические структуры.

Получается, что для того, чтобы объяснить, из чего состоит ТМ, физикам приходится строить теории о новых, пока не обнаруженных частицах. Чаще всего используются те из них, что попадают в два широких класса: слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) и гораздо более лёгкие аксионы, хотя недостатка в более сложных гипотезах, комбинирующих различные типы частиц, также не наблюдается. Но все попытки обнаружить эти частицы напрямую, а не просто выводить их присутствие из гравитационного притяжения, пока остаются неудачными. Вместо решения загадки эксперименты по их прямому обнаружению только углубили её.

«Сегодня невозможно интересоваться космологией без того, чтобы интересоваться тёмной материей», — говорит Стефано Либерати [Stefano Liberati], профессор физики в Международной школе передовых исследований в Италии. Либерати с коллегами независимо работали над объяснением ТМ, очень похожим на то, что даёт Коури. Когда Либерати впервые обнаружил, насколько успешными получаются МГ на галактических масштабах, где модели холодной ТМ терпят неудачу, он сразу же попытался придумать способ скомбинировать эти две модели. «Это заставило меня задуматься: может, ТМ на малых масштабах испытывает некий фазовый переход, — говорит он. — Может, она превращается в какую-то жидкость, в частности, в сверхтекучую. Если она формирует конденсат на масштабе галактик, это на самом деле решило бы множество проблем».

Сверхтекучие жидкости не существуют в повседневной жизни, но физикам они хорошо знакомы. Они походят на сверхпроводники — класс материалов, в которых электричество движется без сопротивления. При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нуля, гелий тоже начинает течь без сопротивления. Он просачивается сквозь мельчайшие поры, и даже вытекает из поддонов, двигаясь вверх по стенкам. Такое супертекучее поведение характерно не только для гелия; это фаза состояния вещества, в которую при достаточно низких температурах могут переходить и другие частицы. Этот класс ультрахолодных жидкостей, впервые предсказанный в 1924 году Эйнштейном и индийским физиком Шатьендранатом Бозе, сегодня известен, как конденсат Бозе-Эйнштейна. Либерати понял, что ТМ тоже может переходить в сверхтекучее состояние.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна лучше всего изучать в виде смеси двух компонентов: сверхтекучей жидкости и обычной. Два этих компонента ведут себя по-разному. Сверхтекучий демонстрирует квантовые эффекты на больших расстояниях, у него нет вязкости и проявляются неожиданные корреляции на больших масштабах; он ведёт себя так, будто состоит из гораздо более крупных частиц, чем на самом деле. Другой, нормальный компонент, ведёт себя, как привычные нам жидкости; прилипает к контейнерам и к самому себе — то есть, обладает вязкостью. Соотношение между двумя компонентами зависит от температуры конденсата: чем выше температура, тем большее влияние оказывает нормальный компонент.

Мы привыкли думать, что квантовая физика преобладает лишь в области микроскопического. Но чем больше физики узнавали о квантовой теории, тем яснее становилось, что это не так. Конденсаты Бозе-Эйнштейна — одни из наилучшим образом изученных веществ, позволяющих квантовым эффектам распространяться в среде. В теории квантовое поведение может распространяться на произвольно большие расстояния, если его возмущения будут достаточно слабыми.

В такой тёплой и шумной среде, как Земля, хрупкие квантовые эффекты быстро уничтожаются. Поэтому мы обычно не сталкиваемся с такими странными аспектами квантовой физики, как возможность частиц вести себя, как волны. Но если вызвать квантовое поведение в холодном и спокойном месте, оно будет сохраняться. В таком холодном, спокойном месте, как, например, внешний космос. Там квантовые эффекты способны простираться на огромные расстояния.

Если бы ТМ была конденсатом Бозе-Эйнштейна — таким, у которого квантовый эффект распространяется на всю галактику — это состояние естественным образом объяснило бы две разные модели поведения ТМ. Внутри галактик большая часть ТМ находилась бы в сверхтекучей фазе. На протяжении галактических скоплений с большой долей межгалактического пространства, большая часть ТМ находилась бы в нормальной фазе, что вызывало бы иное поведение. Согласно Коури и коллегам, возможно объяснить наблюдаемые эффекты ТМ при помощи простой модели конденсата Бозе-Эйнштейна, обладающей всего несколькими открытыми параметрами (свойствами, у которых должны быть правильные значения для того, чтобы модель заработала).

Идея о том, что ТМ может быть конденсатом Бозе-Эйнштейна, давно вращается в астрофизическом сообществе, но новая версия имеет свои отличия. Новая идея Коури так убедительна потому, что он говорит, что сверхтекучая ТМ может имитировать МГ: она достигает цели, комбинируя лучшее из обеих моделей. Оказывается, что гравитацию не нужно модифицировать для того, чтобы получить результаты, наблюдаемые в теориях МГ. Когерентная сверхтекучая жидкость может привести к появлению тех же самых уравнений и того же самого поведения. Таким образом модель Коури комбинирует преимущества как холодной ТМ, так и МГ, без недостатков обеих теорий.

Сверхтекучая ТМ может преодолеть крупнейшую из проблем МГ: нелюбовь к ней большинства астрофизиков. Многие из этих исследователей пришли из физики частиц, и уравнения МГ кажутся им непривычными. Для специалиста по физике частиц эти уравнения выглядят непривлекательно и неестественно. Они кажутся подогнанными под результат. Но сверхтекучая ТМ предлагает другой, возможно, более естественный подход к уравнениям.

Согласно Коури, уравнения для сверхтекучей ТМ не относятся к области элементарной физики частиц. Они появляются из физики конденсированных состояний, где описывают не фундаментальные частицы, а появляющееся на их основе дальнодействующее поведение. В модели Коури уравнения, появляющиеся в МГ, не описывают отдельные частицы. Они описывают совместное поведение частиц. Такие уравнения незнакомы многим специалистам по физике частиц, поэтому взаимоотношение между сверхтекучестью и МГ так долго оставалось незамеченным. Но, в отличие от уравнений МГ, уравнения, описывающие сверхтекучие жидкости, уже обладают сильным теоретическим фундаментом — только в физике конденсированных состояний.

То, что Коури заметил эту связь — непрогнозируемая случайность. Он наткнулся на литературу по физике конденсированных состояний, использовавшую уравнения, очень похожие на те, что он видел в теориях МГ: «А всё остальное затем просто встало на свои места, — говорит он. — Я подумал, что это всё просто сформировало красивую картинку, объединяющую два этих явления».

Возвращаясь к наблюдательным свидетельствам существования ТМ, сверхтекучий подход Коури может решить множество проблем существующих моделей. Для начала, сверхтекучесть препятствует излишнему комкованию ТМ в центрах галактик, устраняя иллюзорный «перегиб», поскольку в фазе сверхтекучести выравниваются все флуктуации плотности. «Сверхтекучая жидкость будет обладать когерентной длиной [расстоянием, на котором вся материя находится в одном состоянии], — говорит Либерати. — Из этого уже ясно, что никаких перегибов не будет».

Сверхтекучесть выдаёт схему притяжения идентичную уравнениям МГ, поэтому она может отвечать за наблюдаемую регулярность кривых вращения галактик. Однако, в отличие от МГ, она ведёт себя только при таких температурах, при которых преобладает сверхтекучая компонента. На более крупных масштабах галактических скоплений ТМ получается слишком возбуждённой (то есть, слишком горячей) и теряет сверхтекучие свойства. Таким способом сверхтекучая ТМ могла дать начало формированию видимых галактик, и одновременно, в фазе, отличной от сверхтекучести, соответствовала бы наблюдаемой структуре скоплений.

Подход Коури объясняет, почему астрономы не наблюдают свидетельств МГ внутри Солнечной системы. «Солнце создаёт настолько сильное гравитационное поле, что оно локально уничтожает сверхтекучую когерентность, — говорит он. — Вблизи Солнечной системы не стоит размышлять в терминах сверхтекучей когерентности. Солнце ведёт себя как примесь. Как дыра в жидкости».

Наконец, модель сверхтекучей жидкость объясняет, почему физики не могут найти частицы ТМ. С 1980-х десятки различных экспериментов ищут прямое свидетельство существования таких частиц. Эти эксперименты обычно используют крупные экранированные цистерны с различными материалами, которые в редких случаях могут взаимодействовать с частицами ТМ и выдавать наблюдаемый сигнал. Несмотря на широкое разнообразие техник и материалов, на использование тщательно изолированных детекторов, запрятанных в подземных шахтах для фильтрации ложных сигналов, не было найдено никаких убедительных свидетельств существования ТМ.

При отсутствии обнаружения идея о том, что ТМ может быть чем-то другим, нежели просто ещё один тип частиц, становится всё убедительнее. «Когда я был студентом, я просыпался каждую тридцатую ночь после сна о модифицированной гравитации, — говорит Нима Аркани-Хамед [Nima Arkani-Hamed], профессор теоретической физики в Принстоне. — Затем это происходило раз в 300 ночей, а теперь — раз в 100. Тема возвращается».

Если ТМ — это сверхтекучая жидкость, то частицы, из которых она состоит, должны быть лёгкими, гораздо легче, чем гипотетические частицы ТМ, которые ищут большинство экспериментов. Составляющие сверхтекучей жидкости, вероятно, слишком легки для того, чтобы их можно было обнаружить в текущих экспериментах.

Улучшенное и уникальное предсказание модели Коури состоит в том, что сверхтекучее квантовое поведение должно оставлять характерный след в столкновениях галактик. Когда конденсат ТМ одной галактики сталкивается с конденсатом другой, в результате должны появляться рисунки интерференции — рябь в распределении материи и гравитации, которая будет влиять на поведение галактик. Сверхтекучая ТМ также делает предсказания о трении между компонентами ТМ в скоплениях галактик; такое трение опять-таки даст определённый рисунок гравитационного притяжения. Наблюдения за гравитационным линзированием могут обнаружить эти признаки наличия сверхтекучей ТМ, если точно знать, что надо искать.

Для численной оценки предсказаний необходимо проводить компьютерные симуляции. Коури сейчас работает именно над таким проектом совместно с исследователями из Оксфордского университета. Симуляции также должны показать, согласуется ли ожидаемое количество галактик-спутников лучше с теорией сверхтекучей ТМ, чем с предсказаниями существующих моделей.

Аманда Велтман [Amanda Weltman], космолог из Кейптаунского университета, работающая с ТМ, но не участвовавшая в данном исследовании, считает, что новая модель получается «очень интересной и творческой». Но она говорит, что придержит свои оценки до тех пор, пока не увидит экспериментального подтверждения, неких свидетельств, однозначно поддерживающих сверхтекучесть: «Такие наблюдения придадут реальный вес их идеям». Если симуляции на суперкомпьютерах будут успешными, Коури, возможно, сможет предоставить подобные свидетельства. И затем нам придётся привыкать к ещё более сложному взгляду на Вселенную — заполненную не только тёмной материей, но и сверхтекучими жидкостями без трения, закручивающимися вокруг ярких галактик.

Аркани-Хамед более скептичен, и не готов расставаться с холодной ТМ. «Но если вимпы в следующем наборе экспериментов так и не найдут, их не найдут и в течение следующих 20 лет», — говорит он. Он считает, что пришло время по-новому взглянуть на модели, построенные вокруг необычных частиц или модифицированных теорий гравитации. Или на модель, комбинирующую лучшее из двух тёмных миров.

https://arxiv.org/abs/1711.05748
byzantine

GW190521 - слияние двух звёзд Прока?


Весной 2019 года двумя обсерваториями гравитационных волн LIGO и Virgo было обнаружено слияние двух черных дыр, имеющих 85 и 66 солнечных масс соответственно. В результате события, которое ученые назвали GW190521 , образовалась черная дыра с массой 142 Солнц, и это стало первым наблюдением с помощью гравитационных волн черной дыры промежуточной массы. Но удивительным оказалось не только это.

Одна из самых больших загадок оказалась связана с массами двух исходных черных дыр. Согласно звездным моделям, черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса большой звезды, не могут быть больше примерно 65 солнечных масс. В то время как меньшая из двух черных дыр близко подходила к этому пределу, большая определенно нет. Так как же образовалась черная дыра массой 85 солнечных?

Одна идея состоит в том, что это результат небольших слияний. Предположительно могла существовать плотная система из 4-6 черных дыр, которые могли со временем слиться в одну большую черную дыру. Но при этом, такой кластер черных дыр должен был бы вращаться вокруг черной дыры массой 66 солнечных, чтобы потом образовать слияние GW190521. Есть ряд теорий о том, что подобные скопления черных дыр могут существовать, но неясно, как они могут сливаться настолько быстро, чтобы объяснить образование GW190521.


Наблюдаемое событие слияния GW190521. (Иллюстрация: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

Поэтому недавно ученые предложили другое решение. Они выдвинули предположение, что GW190521 была слиянием не пары черных дыр, а , вероятно, слиянием двух звезд Прока .

Звезда Прока (иногда ее называют бозонной звездой) - это, по сути, гипотетический объект, который аналогичен белому карлику или нейтронной звезде. Дело в том, что вся материя состоит из строительных блоков двух основных типов: фермионов , таких как электроны и кварки, и бозонов, таких как глюоны и хиггсы . Фермионы препятствуют тому, чтобы занимать одно и то же квантовое состояние. Если гравитация пытается сжимать фермионы вместе, то они отталкиваются в результате так называемого давления вырождения . Это давление не позволяет белым карликам и нейтронным звездам коллапсировать под своим весом.

Для бозонов нет проблем в том, чтобы занять одно и то же квантовое состояние. Фактически, если сверхохладить бозоны, то они образовывают единый квантовый объект, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна . Из-за этого можно было бы предположить, что гравитация способна коллапсировать массу бозонов в черную дыру. Но на самом деле, чрезвычайно уплотненные бозоны в сильном гравитационном поле проявляют себя неожиданным образом – благодаря довольно изощренной физике, в конечном итоге, бозонная звезда достигает такого же гравитационного баланса, как белые карлики или нейтронные звезды. Теоретически бозонная звезда даже может быть такой же гравитационно стабильной, как белые карлики и нейтронные звезды. И более того. Существующий предел давления вырождения не позволяет, чтобы белые карлики были больше 1,4 массы Солнца, а нейтронные звезды больше 2–3 масс Солнца. Но при определенных условиях масса бозонной звезды вполне могла бы иметь массу 85 Солнц или даже больше.


Так могла бы выглядеть бозонная звезда в телескопе Event Horizon Telescope. (Иллюстрация: Olivares et al)

Материя из известных нам бозонов не могла стать бы звездой Прока, но некоторые теории темной материи предполагают новые виды бозонов. Если темная материя состоит из бозонов малой массы, то они могут образовывать объекты, похожие по размеру и массе на черные дыры. Поскольку у них будут сильные магнитные поля (в отличие от черных дыр), мы сможем отличить их от черных дыр по световому линзированию вокруг них. Или, как предлагает новое исследование, можно попробовать обнаружить их по их гравитационным волнам.

Когда ученые изучили данные о событии GW190521, они обнаружили, что они согласуются как со слиянием черных дыр, так и с гипотетическим слиянием двух звезд Прока. Обе модели хорошо совпадали с данными фактических наблюдений. Так как характеристики звезды Прока должны зависеть от массы составляющих ее бозонов, ученые на основе данных GW190521 рассчитали массу этого теоретического бозона. Результат, который они получили, был чрезвычайно малым. Примерно в триллионную часть расчетной массы нейтрино.

Ничто из этого не доказывает, что звезды Прока существуют. Все явления гравитационных волн, которые ученые наблюдали, прекрасно объясняются слиянием черных дыр. Но новое исследование предлагает интересную теорию. Новая легкая бозонная частица может помочь нам пролить свет на темную материю, частицы которой могут образовывать бозонные звезды. Это странная идея, но пока ее не стоит сбрасывать со счетов.

FUTURYCON
byzantine

Японские ученые нашли лекарство для остановки старения.

Применение лекарства, останавливающего процесс старения и омолаживающего организм, может начаться уже через пять-десять лет: японские ученые открыли механизм, при помощи которого удается избавиться от так называемых "стареющих клеток", и подобрали для этого эффективное лекарство. О результатах экспериментов и перспективах открытия корреспонденту РИА Новости рассказал профессор НИИ медицины Токийского университета Макото Наканиси.
Возрастное ослабление функций организма непосредственно связано с тем, что в органах накапливаются клетки, запускающие системные воспалительные процессы. Одним из видов клеток, которые провоцируют воспаление, являются так называемые стареющие (сенесцентные) клетки. Открытие стареющих клеток или процесса старения клеток было сделано американским ученым Леонардом Хейфликом еще 60 лет назад. Он обнаружил, что клетки могут делиться только определенное количество раз, после чего этот процесс прекращается. Последние же исследования доказали, что процесс деления может прекратиться также и в результате повреждения ДНК, окислительного стресса и других факторов. Стареющие клетки утрачивают способность делиться, накапливаются в организме и вызывают воспаление и старение.

"То есть если удалить эти клетки, можно будет остановить спровоцированные ими воспалительные процессы, а следовательно — добиться существенного улучшения симптомов старения. В 2014 году мы стали изучать, за счет чего такие клетки более не могут размножаться и превращаются в стареющие клетки, и выявили молекулярный механизм. Тогда мы "состарили" клетку — создали клетку с общими для всех стареющих клеток свойствами. И стали искать то, что убивало бы только эти клетки", — рассказал профессор Макото Наканиси.

Ученые выяснили, что для стареющей клетки жизненно важен фермент GLS1. Он тесно связан с процессом метаболизма глутамина. Оказалось, что стареющая клетка нуждается в этом ферменте, чтобы выжить. Это происходит за счет того, что "заводы" по уничтожению ненужных белков — лизосомы в стареющей клетке перестают работать и наполняющая их кислая среда проникает в клетку, создавая угрозу для ее существования. Для того чтобы выжить и нейтрализовать кислую среду, клетка нуждается в аммиаке, который получается при превращении глутамина в глутаминовую кислоту, то есть при процессе, в котором необходим фермент GLS1.

"Не только старые клетки, но и любые другие, где белок не удается разрушить и избавиться от него, становятся клетками, провоцирующими воспаление. И у всех них выживание зависит от GLS1 — фермента, превращающего глутамин в глутаминовую кислоту. Поэтому если использовать его ингибитор (тормозящее вещество), то мы можем уничтожить все клетки, провоцирующие воспаление, включая стареющие клетки. Как мы уже говорили, если с возрастом стареющие клетки, провоцирующие воспалительные процессы, скапливаются в органах, то возникает явление старения. Значит, если эти клетки удалить, то, возможно, процесс улучшится", — рассказал ученый.

В качестве такого ингибитора решили использовать препарат, который уже существует и проходит клинические испытания в качестве лекарства от некоторых видов рака, рост клеток которого тоже зависит от GLS1. Старой мыши ввели этот препарат, тормозящий действие фермента GLS1. В результате чего стали происходить изменения по целому ряду симптомов старческих заболеваний.
У мыши стали лучше функционировать почки: улучшились показатели креатинина сыворотки крови и азота мочевины крови. Изменения произошли также в печени, легких.
"Произошло резкое улучшение в органах и структурах, претерпевших возрастные изменения. После инъекции мы увидели улучшение симптомов диабетической болезни и атеросклероза. Скопление стареющих клеток, провоцирующих воспаление, вызывают и такие возрастные недуги, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Сейчас мы исследуем, можно ли добиться улучшения и этих заболеваний. Благодаря уничтожению клеток, провоцирующих воспалительные процессы, можно будет облегчить многие возрастные заболевания и связанные с возрастом ослабления функций различных органов. Одним препаратом можно добиться улучшения сразу по многим видам возрастных заболеваний, добиться омоложения. Мы сами очень удивлены и считаем это крайне интересным", — сказал профессор.
Эксперименты на мышах показали не только омоложение внутренних органов, но и укрепление всего организма. Одно из возрастных изменений — ослабление мышечной силы. Если молодая мышь способна удерживаться на жердочке 200 секунд, то старая через 30 секунд падает вниз. Подопытная старая мышь за счет отмирания стареющих клеток стала удерживаться на жердочке в течение 100 секунд.
"Можно сказать, что это омоложение. Во всяком случае мы наблюдаем подобный эффект. Это суть нашего открытия", — подчеркнул профессор Наканиси.
Более того, возможно, практическое применение этого открытия на людях тоже не за горами.

"Самое главное, что это лекарство уже существует и проходит первую фазу клинических испытаний. Если у него не будет побочного действия, то его, вероятно, можно будет использовать и против возрастных изменений. То есть вполне возможно, что его широкое применение на самом деле очень близко. Это внушает большую надежду. Хотелось бы, чтобы уже через пять-десять лет его можно было применить для обычных пожилых людей", — сказал ученый.

Если в ходе этих клинических экспериментов будет доказана безопасность препарата для человека, то станет возможным сначала его применение для людей с прогерией — синдромом преждевременного старения, считает профессор. Далее возможно его использование для тех, кто из-за возрастного ослабления мышц не может вести обычный образ жизни, а также для пациентов, у которых отказали почки и кому необходим диализ.
Профессор Макото Наканиси считает, что если будет доказаны безопасность препарата и его эффективность для воздействия на стареющие клетки у человека, то можно будет добиться увеличения продолжительности жизни и сокращения разрыва между общей продолжительностью жизни и здоровым состоянием человека. Сейчас этот разрыв составляет в среднем около десяти лет.

"Считается, что максимальная продолжительность жизни человека — 120 лет. Один из основных механизмов, почему с возрастом увеличивается процент смертности, заключается в том, что скапливаются клетки, возбуждающие воспалительные процессы. Если удалить этот механизм, то, возможно, процент смертности с возрастом не будет расти. То есть человек сможет дожить здоровым до 100 лет. Он сохранит здоровье и не будет болеть (от старости), но максимальная продолжительность жизни в 120 лет при этом не изменится. Мы считаем, что так произойдет: продолжительность жизни подойдет к 100-120 годам и плюс к этому разница между здоровым состоянием и временем, когда человек умирает, будет сокращено до нуля", — подчеркнул ученый.

https://ria.ru/20210218/starenie-1597941154.html?from=article_link
http://rupubmed.com/rak/rak-grudi/60569
byzantine

Квантовая теория времени Джоан Ваккаро.


Физик Джоан Ваккаро (Joan Vaccaro) из Университета Гриффита в Австралии считает, что время во Вселенной и законы сохранения могли возникнуть из-за нарушения обратной временной симметрии Т-симметрии

По словам исследовательницы, она раскрыла механизм, из-за которого некоторые физические явления необратимы. Например, второе правило термодинамики запрещает передачу тепла от менее нагретого тела к более нагретому. В частности, физик обратила внимание на поведение мезонов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, которое отвечает за связи между кварками. Ранее эксперименты продемонстрировали, что при обращении времени превращение этих частиц в другие происходит с иной вероятностью.

Изучив поведение мезонов, Ваккаро пришла к выводу, что без нарушения Т-инвариантности во Вселенной могли бы происходить странные явления. Например, объекты перемещались бы во времени с той же легкостью, как и в пространстве. Появляясь в одной точке, они сразу бы исчезали. В таких условиях законы сохранения не смогли бы работать, говорит физик.

Следующим этапом исследования Ваккаро является теоретическая разработка экспериментов, которые должны будут проверить предсказания ее гипотезы.


Исследователи из Университета Гриффита, Национального института измерений и исследовательского института ANSTO попытаются измерить нарушения Т-симметрии у нейтрино. Эти частицы можно получить в ядерном реакторе, так что ученые установили двое очень точных атомных часов в реакторе OPAL в Сиднее. Их замысел заключается в том, что если часы рассинхронизируются, это станет доказательством замедления квантового времени, которое, в свою очередь, укажет на локальное нарушение Т-симметрии.

Экспериментаторы будут непрерывно собирать данные в течение полгода. И хотя ученые почти полностью убеждены, что результаты окажутся нулевыми, если все же свидетельства замедления времени будут обнаружены, это станет огромным прорывом в физике.

https://hightech.plus/2021/02/04/avstraliiskie-fiziki-provedut-eksperiment-po-kvantovomu-zamedleniyu-vremeni
byzantine

Детальный разбор видов антител.