На сайте Астрометрия Астрономические инструменты Астрономическое образование Астрофизика История астрономии Космонавтика, исследование космоса Любительская астрономия Планеты и Солнечная система Солнце

Физика 2002: итоги года
2.01.2003 13:49 | А. В. Селиверстов/Phys.Web.Ru

Прошедший год не давал физикам скучать. Многие важные исследования - от изучения космического реликтового излучения до получения антивещества в земной лаборатории - не сворачивались, несмотря на охлаждение интереса к фундаментальной науке в мире (и, соответственно, сокращение ее финансирования) - а, напротив, расширялись. Сервер PhysicsWeb международного Института физики отобрал 10 самых интересных физических новостей 2002 года - года, который также запомнится двумя громкими научными скандалами.

1. Антиатомы в ЦЕРНе
2. Поляризация реликтового излучения
3. Новое подтверждение нейтринных осцилляций
4. Нарушение второго начала
5. Прогресс сверхпроводников
6. Успехи в изучении ультрахолодных атомов
7. Нанологика на магнитах
8. Нейтроны для квантовой гравитации
9. На сцену выходят тетра-нейтроны
10. Яркие события в оптике
11. Закрытия года

1. Антиатомы в ЦЕРНе

Коллектор и аккумулятор антипротонов. Фото CERN.

В этом году впервые удалось получить большое количество антиатомов. В сентябре 2002 эксперимент ATHENA (ЦЕРН) позволил получить 50 000 "холодных" атомов антиводорода при соединении антипротонов и позитронов в серии магнитных и электростатических ловушек (подробнее читайте здесь).
Через два месяца другая ЦЕРНовская группа исследователей (эксперимент ATRAP) выдала "на-гора" примерно 170 000 атомов антиводорода и впервые смогла изучить их внутренние состояния. Оба коллектива использовали сходные экспериментальные методики для получения антиатомов, но различные методы регистрации.
Конечная цель обоих экспериментов - детальное сравнение энергетических уровней атомов водорода и антиводорода для проверки CPT-инвариантности. Любые нарушения симметрии заряда, четности и времени, которые могут проявиться, например, в различии энергий переходов электрона (и, соответственно, позитрона) с основного энергетического уровня на первый возбужденный, потребуют новых физических идей, выходящих за рамки принятой сегодня Стандартной Модели.

Cold antiatoms arrive in large numbers
First glimpses inside an anti-atom

2. Поляризация реликтового излучения

Интерферометр DASI.

Фото University of Chicago Department of Astronomy and Astrophysics

Астрономы США впервые обнаружили поляризацию реликтового излучения - эха Большого Взрыва (СВЧ-диапазон, иначе называемый микроволновым). Для уточнения модели Большого Взрыва и инфляционной модели Вселенной исследователи использовали Degree Angular Scale Interferometer (Интерферометр с градусным угловым разрешением, DASI), расположенный в Антарктике недадеко от Южного полюса. Еще один результат этого эксперимента - в том, что обычная материя составляет менее 5% общей массы-энергии Вселенной.

Несколько ранее Cosmic Background Imager получил наиболее детальные изображения самого древнего излучения во Вселенной. На них астрофизики впервые смогли увидеть те небольшие флуктуации плотности вещества, из которых впоследствии развились сегодняшние скопления галактик.

Именно поляризационные эксперименты способны пролить свет на развитие Вселенной в первые доли секунды после Большого Взрыва - в период ее стремительного расширения (инфляции). Если инфляционная модель правильна, то излученные в это время гравитационные волны должны были "оставить отпечатки" на поляризации реликтового излучения.

CBI zooms in on cosmic microwaves
Cosmic microwaves get polarized

3. Новое подтверждение нейтринных осцилляций

Разрушенный Суперкамиоканде. Фото Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

В апреле пришли новости из канадской Нейтринной обсерватории Садбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO). Исследователи представили новые доказательства осцилляций солнечных нейтрино, полученные с помощью ее гигантского детектора - превращений электронных нейтрино в другие виды (подробней см. здесь).

Предыдущие результаты SNO и взорвавшейся в прошлом году японской установки Суперкамиоканде (Superkamiokande) уже позволяли предположить, что осцилляции нейтрино вероятны. Это возможно только в том случае, если масса нейтрино отлична от нуля - еще один важный вывод, проливающий новый свет на строение материи.

Несколько позже эксперимент KamLAND показал, что электронные антинейтрино также осциллируют.

Нобелевская премия этого года отметила пионерские заслуги двух ученых в области нейтринной астрофизики. Рэймонд Девис (Ray Davis, University of Pennsylvania) и Масатоши Кошиба (Masatoshi Koshiba, University of Tokyo) поделили половину этой премии. Рикардо Джиаккони (Riccardo Giacconi) получил вторую половину премии за свой вклад в рентгеновскую астрономию.

New results back neutrino oscillation
Nobel Prize rewards neutrino astrophysics and X-ray astronomy
More evidence for neutrino oscillation

4. Нарушение второго начала

Второе начало (второй закон) термодинамики гласит, что энтропия (степень неупорядоченности) изолированной системы в циклическом процессе возрастает или остается постоянной. Однако в июле австралийские ученые показали, что на короткое время в малых системах энтропия может и уменьшаться (подробнее см. здесь). Это первая экспериментальная демонстрация отклонения от второго начала.

Исследователи утверждают, что их открытие может быть важным для разработки микромеханизмов, поскольку степень или время нарушения второго начала могут расти с уменьшением размеров системы. Эксперимент может иметь важные последствия не только для нанотехнологии, но и для понимания того, как "функционирует" живая материя.

Small systems defy second law

5. Прогресс сверхпроводников

В рядах сверхпроводящих элементов - новое пополнение. Ученые США и Японии обнаружили, что литий становится сверхпроводящим в условиях сверхвысоких давлений. Также (США, Германия) впервые обнаружили сверхпроводимость сплава плутония, кобальта и галлия при температурах ниже 18.5 К. Также этот сплав обладает высоким критическим током, что делало бы его перспективным с технологической точки зрения, если бы не радиоактивность плутония.

Более подробно были изучены свойства диборида магния, дебютировавшего в качестве сверхпроводника в январе 2001 г. Теоретики из США предположили, что его относительно высокая температура сверхпроводящего перехода может быть объяснена наличием двух сверхпроводящих щелей вместо одной.

Magnesium diboride: mind the gaps
Lithium joins the superconductors
Plutonium is also a superconductor

6. Успехи в изучении ультрахолодных атомов

В этом году успешными оказались исследования как бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК), так и вырожденного Ферми-газа.

Конденсат Бозе-Эйнштейна - новое состояние вещества, в котором все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Вырожденный Ферми-газ - эквивалент этого состояния для атомов, подчиняющихся статистике Ферми-Дирака.

Год начался с первого в мире наблюдения квантового фазового перехода в конденсате при переходе атомов из состояния с одинаковой фазой, когда они могут перемещаться без трения, в состояние, где свободное движение невозможно.

Также было обнаружено, что присутствие БЭК влияет на поведение Ферми-газа - это пробуждает надежду на открытие сверхтекучести в Ферми-газах.

В октябре впервые был получен бозе-эйнштейновский конденсат из атомов цезия.

New look for Bose condensates
Condensate cracks Fermi gas
Caesium joins the condensates
Caesium condensate makes its debut

7. Нанологика на магнитах

Система считывания для нановентиля. Фото Durham Nanoscale Magnetics Group

Британские физики продемонстрировали логический вентиль нанометровых размеров, созданный из металла и работающий при комнатной температуре. Обычно логические операции выполняются полупроводниковыми устройствами, но относительно низкая концентрация носителей заряда в полупроводниках ограничивает их минимальный размер. Плотность электронов в металлах выше, поэтому логический элемент можно сделать меньше.

Если можно будет реализовать таким образом весь спектр используемых в современной электронике логических устройств, то это даст новый импульс развитию таких устройств, как мобильные телефоны и смарт-карты - ведь хранение информации не будет требовать расхода энергии.

Magnets open the gate to nanoscale logic

8. Нейтроны для квантовой гравитации

Квантовые свойства электромагнитного поля проявляются в целом ряде явлений, таких как электронные орбитали в атомах или структура атомного ядра. Однако аналогичные эффекты для гравитационного поля на много порядков слабее на атомных масштабах, поэтому их существенно сложнее наблюдать.

Тем не менее, В.В. Несвижевский (Санкт-Петербургский институт ядерной физики им.Б.П.Константинова) и его коллеги из французского института Лауэ-Ланжевена (Institute Laue-Langevin, ILL) смогли наблюдать квантованные состояния движения ультрахолодных нейтронов в гравитационном поле (подробнее читайте здесь). Подобная установка может быть использована для проверки таких основ современной физики, как, например, принцип эквивалентности.

Neutrons reveal quantum effects of gravity

9. На сцену выходят тетра-нейтроны

Чтобы понять, как устроено ядро, необходимо изучить взаимодействия между нуклонами. Ранее уже было известно, что пары нейтронов могут существовать в "почти связанном" состоянии, но экспериментальное подтверждение этого факта затрудняется отсутствием электрического заряда у нейтронов и их кластеров.

В мае экспериментаторы, работающие на французском ускорителе GANIL, сообщили об обнаружении тетра-нейтронов - кластера, содержащего 4 нейтрона и ни одного протона. Из продуктов распада ядер бериллия, обогащенных нейтронами, было выделено шесть возможных кандидатов в нейтронные кластеры. Если этот результат будет подтвержден, то физики смогут продвинуться дальше в понимании внутриядерных сил.

Physicists get a taste of 'tetra-neutrons'

10. Яркие события в оптике

Живая клетка.Фото High Resolution Optical Microscopy Group, Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry, Gottingen

Оптики также не теряли времени даром. Исследователи из Геттинтена (Göttingen) с помощью обычной оптики получили изображения бактерии размером 33 нанометра - в 23 раза меньше длины волны света, которым ее освещали. Это достижение показывает, что т.н. микроскопы дальнего поля могут работать с объектами, меньшими дифракционного предела. Тем временем в Билефельде (Bielefeld, Германия) и Вене (Vienna, Австрия) продолжалась начавшаяся в прошлом году аттосекундная революция. Аттосекундные лазерные импульсы использовались для иследования динамики электронов в атомах криптона.

В квантовой оптике - первенцы: квантовый логический элемент "НЕ", хранение двух бит информации одним фотоном, клонирование фотона (правда, неполное: создание точной копии запрещено законами квантовой механики. Правда, в отличие от биологических клонов, фотонам не страшны болезни). Англичане и немцы поставили рекорд дальности (более 10 км) в передаче "квантового ключа" в разреженном воздухе, сделав новый шаг в квантовых системах защищенной связи.

Microscopes move to smaller scales
First light for attophysics
Quantum logic: to be, or NOT to be?
Single photons to soak up data
Photons get the quantum cloning treatment
Quantum key travels record distance

11. Закрытия года

Двое ученых были изгнаны из известных лабораторий в 2002 г. за фальсификацию результатов. В июне Виктор Нинов (Victor Ninov) покинул Берклеевскую национальную лабораторию им. Лоуренса (Lawrence Berkeley National Laboratory) - специальной комиссией было обнаружено, что данные об открытии 118 элемента таблицы Менделеева, самого тяжелого на сегодняшний день, были сфабрикованы им. Ян Хендрик Шон (Jan Hendrik Schön) был уволен из Bell Labs в сентябре, когда другая комиссия признала обоснованными 16 из 24 обвинений в подлоге. За последние пять лет Шон опубликовал более 100 статей, большинство из них - о свойствах органических полупроводников.

Bell Labs physicist fired for misconduct
In the matter of J Hendrik Schön

К сожалению, в списке мало российских ученых. Хотите рассказать о своих достижениях? Пишите нам!

Автор оригинального материала
Belle Dume, PhysicsWeb, 20.12.2002

Публикации с ключевыми словами: наука Публикации со словами: наука
См. также: 10 важнейших научных событий 2008 года Мария Митчел вдохновляет поколение Нужна ли астрономия в школьном обучении? Как сообщить о своем научном открытии Астрономия 2002: итоги года УРАНИЯ Научно-популярный образовательный журнал в "Русском переплете" (Astronomy.com) Все публикации на ту же тему >>