Ученые разбили атом об атом и выпустили на волю магнитного монстра. Инновационный эксперимент создал настолько сильное поле, что оно могло затмить хватку нейтронной звезды. Вращающиеся магниты могут создавать почти не поддающуюся физике левитацию. Впервые физики получили четкое представление о том, как отдельные атомы ведут себя как волна.
Вселенная – это место сильных магнитных крайностей. Магнетары, например, могут генерировать магнитные поля силой более 100 триллионов гаусс — для сравнения: магнит на вашем холодильнике создает поле силой всего в 100 гаусс. Этот чрезвычайно интенсивный магнетизм может исказить форму звезды до такой степени, что звезда излучает гравитационные волны во Вселенную. Но это изменяющее пространство-время магнитное поле даже близко не приближается к мощности полей, генерируемых в квантовом мире.
Созданное учеными магнитное поле было примерно в 10 000 раз сильнее, чем у магнетара
Новое исследование, проведенное Брукхейвенской национальной лабораторией в рамках эксперимента «Соленоидальный трекер» в RHIC (STAR), с использованием релятивистского коллайдера тяжелых ионов в Аптоне, штат Нью-Йорк, зафиксировало «сверхсильное» магнитное поле внутри кварк-глюонной плазмы, образовавшейся после выключения центрового столкновения тяжелых атомных ядер. Согласно результатам, опубликованным на прошлой неделе в журнале Physical Review X , это магнитное поле было примерно в 10 000 раз сильнее, чем у магнетара.
«Эти быстро движущиеся положительные заряды должны генерировать очень сильное магнитное поле, по прогнозам, величиной 1018 гаусс», — заявил в заявлении для прессы соавтор Ганг Ванг, физик STAR из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это, вероятно, самое сильное магнитное поле в нашей Вселенной».
Используя RHIC размером с дом, ученые отслеживали траектории столкновений тяжелых ионов (таких как золото) после столкновения не по центру. Теории предсказывают, что такое столкновение должно создать сильное магнитное поле — некоторые положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, не участвующие в столкновении, будут кружиться в образовавшейся кварк-глюонной плазме, когда они будут проходить со скоростью, близкой к скорости света.
Исключив другие причины такого сильного магнитного поля, исследователи обнаружили «зависимое от заряда отклонение», которое может быть вызвано только явлением, известным как индукция Фарадея (названным в честь знаменитого пионера электромагнетизма XIX века ). Эта специфическая индукция может быть вызвана только быстрым затуханием сильного магнитного поля. Взаимодействие повлияло на траекторию заряженных частиц, которую затем ученые смогли измерить.
Вид сверху вниз на столкновение вне центра. Фигура (B) представляет собой сверхсильное магнитное поле при его затухании, которое индуцирует электрический ток посредством индукции Фарадея. Это влияет на траекторию заряженных частиц, захватываемых RHIC. Величина отклонения связана с проводимостью кварк-глюонной плазмы.
И это хорошо, потому что в отличие от магнетаров, которые просто производят мощные магнитные поля в течение всей своей жизни, эти сверхсильные магнитные поля, возникающие в результате нецентральных столкновений, возникают только в течение десяти миллионных долей миллиардной или миллиардной доли секунды. Это делает невозможным захват самостоятельно, но его влияние можно увидеть в возникающем разбросе субатомных частиц .
«Мы можем вывести значение проводимости на основе наших измерений коллективного движения», — заявил в заявлении для прессы соавтор Дию Шен, физик STAR из Фуданьского университета в Китае. «Степень отклонения частиц напрямую зависит от силы электромагнитного поля и проводимости в КГП — и никто раньше не измерял проводимость КГП».
Понимание свойств кварк-глюонной плазмы помогает физикам понять, какой была Вселенная всего через несколько мгновений после Большого взрыва , до того, как свободно перемещающиеся кварки и глюоны объединились в адроны — протоны и нейтроны , образующие атомы. Эти столкновения также должны помочь экспертам изучить сложность магнитного эффекта хиральности (CME).
Оказывается, вращающиеся магниты могут создавать почти не поддающуюся физике левитацию
Гравитация в принципе не учитывается в разрабатываемом новом принципе магнитной левитации, основанной на вращении. В этой левитации со стабилизацией вращения используется вращающийся магнит, который стабилизирует левитирующий магнит и фиксирует его на месте.
Магнитная левитация уже используется во всем мире, и у нового принципа есть приложения с бесконтактным обращением с объектами.
Гравитация по сути не является частью уравнения физики, когда в дело вступает стабилизированная по вращению левитация. Поскольку исследования продолжают развивать новый тип магнитной левитации, который представляет собой вращающийся магнит ротора, который левитирует над ним поплавок, ученые пришли к выводу, что этот новый тип антигравитационной левитации имеет реальное применение.
Впервые продемонстрированная в 2021 году турецким инженером-электронщиком Хамди Укаром, исследовательская группа из Технического университета Дании расширила концепцию противодействия гравитации, опубликовав свои выводы в журнале Physical Review Applied в октябре 2023 года. В своем исследовании команда продемонстрировала, насколько просто эту концепцию создать и повторить.
Они также показали, какая удивительная и неожиданная физика заставляет весь этот процесс происходить.
Магнитная левитация (иногда называемая маглев) уже наблюдается во всем мире: от плавучих поездов до высокоскоростных машин. Но левитация, стабилизированная вращением, может упростить будущее использование магнитной левитации благодаря ее совместимости с бесконтактной конструкцией. Современные модели маглев требуют систем управления для подачи магнитной силы и проведения энергетических потоков. Вместо этого этот новый подход требует только вращения одного магнита, чтобы удерживать другой на месте.
«Магниты не должны зависать, когда они расположены близко друг к другу», — сказал Расмус Бьорк, руководитель исследования и физик из TU-Denmark, согласно The Debrief. «Обычно они либо притягивают, либо отталкивают друг друга. Но если покрутить один из магнитов, то, оказывается, можно добиться настоящего зависания. И это самое странное. Сила, воздействующая на магниты, не должна меняться только потому, что вы вращаете один из них, поэтому кажется, что между движением и магнитной силой существует связь».
Магнит ротора вращает. Если двигатель может поддерживать движение магнита ротора, он может выполнять работу по удержанию другого магнита, получившего название поплавка, в левитации. «Мы обнаружили, что при возникновении левитации, — пишут авторы в исследовании, — частота поплавкового магнита синхронизируется с магнитом ротора и, что примечательно, намагниченность поплавка ориентирована близко к оси вращения полюса магнита ротора».
Но почему? Что ж, в отличие от того, что можно было бы ожидать по законам магнитостатики, оказывается, что поплавок выравнивает свою намагниченность по существу перпендикулярно магнитному полю ротора.
«Вполне удивительно, что магнитная левитация развивается в такой относительно простой системе», — сказал Бьорк в интервью Physics World .
Это открытие означает, что поплавок может стабильно левитировать благодаря взаимодействию. «Всем интуитивно понятно, что магнитостатическая сила, которую один магнит оказывает на другой, может быть как притягивающей, так и отталкивающей», — рассказал Physics World Фредерик Лауст Дурхус, руководитель исследования и физик из TU-Denmark . «Без вращения свободный магнит будет вращаться, поэтому сила станет чисто притягивающей, а затем магниты столкнутся друг с другом. Что делает новую систему магнитной левитации такой особенной, так это то, что само вращение позволяет поплавку оставаться в противоречивой конфигурации, почти перпендикулярной полю поплавка, где магнитостатическая сила одновременно притягивает и отталкивает его».
Такая установка может оказаться полезной для всего: от магнитного улавливания микрочастиц до бесконтактных роботизированных приложений, благодаря настройке, которая значительно упрощена по сравнению с системами, зависящими от тока.
«Ключевым моментом нашего эксперимента, демонстрирующего магнитную левитацию, — рассказал Бьорк журналу Physics , — является то, насколько чрезвычайно просто ее реализовать».
В поиске квантовой гравитации
Левитация магнитов при минусовых температурах может привести к революционным космическим открытиям. Эйнштейн не смог разгадать код квантовой гравитации. Ученые стали на шаг ближе. Хотя три из четырех фундаментальных сил природы можно обнаружить в квантовом мире, гравитация остается единственным аутсайдером.
Новый эксперимент, проведенный международной группой европейских ученых, зафиксировал наименьшее за всю историю измерение силы тяжести — всего 30 аттоНьютонов (аН).
Измерив частицу весом всего 0,43 мг, будущие измерения могут проникнуть в квантовый мир и открыть вечно неуловимую квантовую гравитацию.
Общая теория относительности Эйнштейна помогла по-новому взглянуть на наше понимание того, как массивные тела во Вселенной взаимодействуют и влияют на структуру пространства-времени, а квантовая теория поля определяет атомный мир.
Хотя эти две теории хорошо описывают свои миры (хотя всегда есть возможности для совершенствования), они плохо сочетаются друг с другом, что является довольно большой проблемой, если вы хотите объединить физику космоса в рамках одного набора теорий и правил. В то время как физический мир содержит свидетельства существования четырех фундаментальных сил — электромагнетизма, слабого ядерного взаимодействия, сильного ядерного взаимодействия и гравитации, — квантовый мир демонстрирует только первые три. Вот почему физики уже почти столетие ищут любые доказательства, связанные с квантовой гравитацией.
Этот поиск квантовой гравитации сбил с толку величайшие умы, включая самого Эйнштейна, который сказал в своей «Общей теории относительности», что не было эксперимента, подтверждающего квантовую гравитацию. Хотя Эйнштейн был одним из самых одарённых физиков, когда-либо живших на свете, его предсказания не всегда сбывались. Эйнштейн когда-то думал, что, скорее всего, невозможно когда-либо обнаружить гравитационные волны, и теперь у LIGO их список постоянно растет. Итак, мог ли Эйнштейн ошибаться в отношении экспериментов по квантовой гравитации?
Международная группа учёных из британского Саутгемптонского университета, Лейденского университета в Нидерландах и итальянского института фотонных и нанотехнологий — жаждет это выяснить. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда подробно описывает инновационный процесс, с помощью которого им удалось обнаружить наименьшую из когда-либо зарегистрированных величин гравитации. Гравитация была зафиксирована на крошечной частице размером всего 0,43 мг. Это не совсем квантовый мир, но он настолько мал, что почти прилегает к нему.
«В течение столетия ученые пытались, но не смогли понять, как гравитация и квантовая механика работают вместе», — заявил в заявлении для прессы Тим Фукс из Университета Саутгемптона, ведущий автор исследования . «Теперь мы успешно измерили гравитационные сигналы при самой маленькой когда-либо зарегистрированной массе , а это означает, что мы стали на один шаг ближе к окончательному пониманию того, как это работает в тандеме. Отсюда мы начнем уменьшать масштаб источника, используя эту технику, пока не достигнем квантового мира с обеих сторон».
Как и большинство прорывов в квантовом мире, эта установка требует сверхнизких температур — всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля. Эта низкая температура в сочетании со сверхпроводящими устройствами, называемыми ловушками, позволила образцу левитировать. Согласно пресс-релизу, благодаря «усовершенствованной виброизоляции» чувствительные приборы смогли обнаружить слабую тягу всего в 30 аттоНьютонов (аН), что составляет одну миллиардную от миллиардной доли Ньютона (так же, как аттосекунда составляет миллиардную долю секунды). Если ученые смогут продолжать настаивать на том, насколько малыми могут быть гравитационные измерения, они вскоре смогут перейти в квантовую сферу.
«Наша новая методика, в которой используются чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частиц, вероятно, станет перспективой для измерения квантовой гравитации», — заявил в заявлении для прессы Хендрик Ульбрихт из Университета Саутгемптона, соавтор исследования. «Разгадка этих тайн поможет нам раскрыть больше тайн самой ткани Вселенной, от мельчайших частиц до величайших космических структур».
Новые изображения показывают, как атомы превращаются в квантовые волны — как и предсказывал Шрёдингер
Новая техника визуализации, которая фиксирует замороженные атомы лития, преобразующиеся в квантовые волны, может быть использована для исследования некоторых из наиболее плохо изученных аспектов квантового мира. Ученые, изобретшие технику визуализации, опубликовали свои выводы на сервере препринтов arXiv , поэтому их исследование еще не прошло рецензирование.
Впервые физики получили четкое представление о том, как отдельные атомы ведут себя как волна.
На изображении видны острые красные точки флуоресцирующих атомов, превращающиеся в нечеткие капли волновых пакетов, и это демонстрация идеи о том, что атомы существуют как частицы и волны — одного из краеугольных камней квантовой механики.
На изображении показаны атомы лития, охлажденные почти до абсолютного нуля, в виде красных точек. Объединив несколько таких изображений, авторы смогли наблюдать, как атомы ведут себя как волны. Верстратен и др.
«Волновая природа материи остается одним из самых ярких аспектов квантовой механики», — пишут исследователи в статье. Они добавляют, что их новая техника может быть использована для изображения более сложных систем, что даст понимание некоторых фундаментальных вопросов физики.
Впервые предложенный французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году и расширенный Эрвином Шредингером два года спустя, волновой корпускулярный дуализм утверждает, что все объекты квантового размера, а следовательно, и вся материя, существуют как частицы и волны одновременно.
Знаменитое уравнение Шредингера обычно интерпретируется физиками как утверждение, что атомы существуют как пакеты волнообразной вероятности в пространстве , которые затем при наблюдении схлопываются в дискретные частицы. Это причудливое свойство квантового мира, хоть оно и противоречит здравому смыслу, было подтверждено в многочисленных экспериментах .
Чтобы отобразить эту нечеткую двойственность, физики сначала охладили атомы лития до температур, близких к абсолютному нулю, бомбардируя их фотонами или световыми частицами из лазера, чтобы лишить их импульса. Как только атомы охлаждались, новые лазеры захватывали их в оптическую решетку в виде дискретных пакетов.
Когда атомы охлаждались и удерживались, исследователи периодически выключали и включали оптическую решетку, расширяя атомы из ограниченного состояния, близкого к частице, до состояния, напоминающего волну, а затем обратно.
Камера микроскопа зафиксировала свет, излучаемый атомами в состоянии частицы в два разных момента времени, причем между ними атомы вели себя как волны. Собрав множество изображений, авторы построили форму этой волны и наблюдали, как она расширяется со временем, что полностью соответствует уравнению Шредингера.
«Этот метод визуализации состоит в том, чтобы снова включить решетку, чтобы спроецировать каждый волновой пакет в одну яму, чтобы снова превратить его в частицу — это больше не волна», — соавтор исследования Тарик Йефса , физик из Французского национального центра. по научным исследованиям и Высшей нормальной школе в Париже, рассказал Live Science. «Вы можете рассматривать наш метод визуализации как способ измерения плотности волновой функции, мало чем отличающийся от пикселей ПЗС-камеры». ПЗС-камера — это распространенный тип цифровой камеры, в которой для захвата изображений используется устройство с зарядовой связью.
Ученые говорят, что это изображение — всего лишь простая демонстрация. Их следующим шагом будет использование его для изучения систем сильно взаимодействующих атомов, которые менее изучены.
«Изучение таких систем может улучшить наше понимание странных состояний материи, например тех, которые обнаружены в ядре чрезвычайно плотных нейтронных звезд или кварк-глюонной плазмы, которая, как полагают, существовала вскоре после Большого взрыва», — сказал Йефса.