🧘🏼 🎈 👨🏼 Körperliche Ergebnisse des Jahres 🏷️ 🤽🏼 🌼

Hallo Giktayms! Die letzten Dezembertage liegen auf dem Hof, was bedeutet, dass es Zeit ist, eine Bestandsaufnahme des ausgehenden Jahres bei der American Physical Community vorzunehmen. Neben der Entdeckung von Pentaquark- und Bell-Ungleichungen wurden Mimiviren, dunkle Materie und platzende Luftballons in die kurze Liste aufgenommen . Willkommen bei Katze.

LHC, gib mir fünf!

Nach dem Standardmodell sind die Bausteine des Universums sechs Elementarteilchen, die Quarks genannt werden (und einige andere, aber heute geht es nicht um sie). Aufgrund der Art der Wechselwirkung werden Quarks nicht einzeln beobachtet, sondern in Gruppen von zwei oder drei gesammelt. Zum Beispiel bestehen ein Proton und ein Neutron aus drei Quarks.

Gibt es Partikel, die aus einer größeren Anzahl von Quarks bestehen? Diese Frage wurde vor einem halben Jahrhundert gestellt, und die endgültige Antwort „Ja“ aus der LHCb-Zusammenarbeit wurde erst im August dieses Jahres ausgesprochen. Für die Entdeckung wurde ein experimenteller Trick benötigt: Der Large Hadron Collider kollidiert zwei Partikel mit einer derart wilden Energie, dass sich eine Wolke aus einer großen Menge von Zerfallsprodukten bildet. Es ist fast unmöglich, die Flugbahnen einzelner Produkte in diesem Brei zu verfolgen.

Glücklicherweise leben die meisten Zerfallsprodukte sehr wenig. Die langlebigsten von ihnen schaffen es, vom Kollisionspunkt wegzufliegen, wo es viel einfacher ist, ihre Flugbahnen zu beobachten. So verhalten sich beispielsweise Lambda-Baryonen: Ihre Lebenszeit reicht aus, um über eine beträchtliche Distanz zu fliegen und dort in den begehrten Pentaquark und das K-Meson aufzubrechen. Daher überwachten die Autoren der Arbeit gezielt nur den Zerfall des Lambda-Baryons, wodurch sie nicht einmal einen, sondern zwei Pentaquarks nachweisen konnten.

Das Ende des lokalen Realismus

Nach der modernen Quantenmechanik können Manipulationen mit Teilchen A den Zustand eines beliebig entfernten Teilchens B ohne Kommunikationskanäle sofort ändern. In gewissem Sinne deutet dies auf eine überluminale Informationsübertragung hin. Einstein konnte das überhaupt nicht ertragen: In der speziellen Relativitätstheorie ist die Geschwindigkeit einer Wechselwirkung in der Natur streng durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Wenig später schlug Bell ein Experiment vor, mit dem der Widerspruch gelöst werden konnte. Die Idee war, zwei verschränkte Teilchen zu erzeugen, unabhängige Manipulationen mit ihnen durchzuführen und dann ihren Zustand zu messen. Das Experiment zeigte, dass Einstein falsch war; Es blieben jedoch einige Lücken: eine

Lücke in der Lokalität: Partikelmanipulation sollte unabhängig sein. Erstens müssen sie zufällig sein (Sie benötigen einen Hardware-Zufallszahlengenerator); Zweitens sollten Informationen von einer Manipulation nicht vor ihrer Fertigstellung zu einer anderen gelangen (was bedeutet, dass Sie sie weit genug voneinander entfernt im Raum verbreiten müssen).

Detektionslücke : Verwickelte Teilchen sind normalerweise Photonen, und die Detektionseffizienz einzelner Photonen ist nicht sehr hoch. Viele Photonen bleiben unentdeckt und können im Prinzip Informationen übertragen. Um diese Lücke zu schließen, müssen Sie sehr effektive Fotodetektoren verwenden. oder Photonen durch etwas anderes ersetzen.

Beide Schlupflöcher waren getrennt lange geschlossen. Dieses Jahr war gekennzeichnet durch das gleichzeitige Schließen beider Lücken in einem Experiment; Darüber hinaus wurde dies gleichzeitig von drei Gruppen erreicht - aus den Niederlanden , Österreich und NIST in Colorado. Das passt gut zur Quantenmechanik. Nachdem diese neuen Lücken aufgetreten waren, bezog sich diesmal der Mechanismus der Verschränkung von Partikeln; Es ist jedoch noch nicht klar, ob sie so bedeutend sind.

3D-Röntgen für das Virus

Wissen Sie, wie die DNA-Struktur entdeckt wurde? Dies ist eine wunderbare Geschichte , in der die Röntgenkristallographie eine wichtige Rolle spielte. Wenn Sie mit Röntgenstrahlung auf das Molekül scheinen, bildet es durch Wechselwirkung mit ihm ein Beugungsmuster, aus dem Sie die Struktur des Moleküls wiederherstellen können. Das Problem ist, dass das Beugungsmuster eines einzelnen Moleküls sehr unscharf ist. Um den Kontrast zu verbessern, werden viele identische Moleküle in einem Kristall gesammelt, um ein schwaches Signal von jedem von ihnen zu einem starken hinzuzufügen.

Einige Moleküle lassen sich leicht zu einem Kristall zusammensetzen, andere (wie DNA) sind etwas komplizierter. Was aber, wenn das Molekül überhaupt nicht kristallisiert? Bis vor kurzem schien es, dass in diesem Fall nichts getan werden konnte. In diesem Jahr hat sich alles geändert: Zusammenarbeit aus aller Weltverwendeten eine helle Röntgenquelle, um ein riesiges Mimivirus aus verschiedenen Winkeln zu beleuchten und 198 mehr oder weniger klare Beugungsmuster zu erhalten. Ein komplexer iterativer Algorithmus setzte diese Daten in ein dreidimensionales Bild um, aus dem die Form des Virus bestimmt werden konnte. Das Ergebnis war ein 3D-Modell (Bild unten rechts) mit einer Auflösung von 125 nm. Obwohl dies nicht sehr viel ist, besteht der Hauptdurchbruch dieser Arbeit darin, dass moderne Algorithmen und helle Röntgenquellen es uns ermöglichen, die Struktur eines einzelnen Moleküls herauszufinden.

Weltatlas der Dunklen Materie

Ein wesentlicher Teil der Materie im Universum ist dunkle Materie - eine unsichtbare Substanz, die nur der Gravitationswechselwirkung ausgesetzt ist. Aus diesem Grund kann sein Vorhandensein nur als zusätzliche Masse erkannt werden, was beispielsweise erklärt, warum sich die Kanten von Galaxien schneller drehen als sie sollten. Und massive Objekte biegen, wie Sie wissen, die Raumzeit. Sehr schwere Objekte (wie Schwarze Löcher) führen zu Gravitationslinsen und Einsteins Kreuzen . hellere - wie große Bereiche dunkler Materie - strecken Bilder leicht.

Diese Funktion wurde von einer großen internationalen Zusammenarbeit verwendet, um eine große Karte der Dunklen Materie zu erstellen .. Astronomen analysierten die Daten des Teleskops in Chile und bestimmten die Dehnung des Galaxienbildes. Wenn sich keine massiven Objekte auf ihrem Weg befänden, wären die Bilder unverzerrt. Das Vorhandensein dunkler Materie komprimiert das Bild und ermöglicht es Ihnen, die Masse dunkler Materie mit ziemlich hoher Genauigkeit zu bestimmen. Nach der Analyse der Bilder von zwei Millionen Galaxien konnten Astronomen eine ziemlich detaillierte Karte der Verteilung der Dunklen Materie im Universum erstellen. Übrigens wird diese Arbeit im Rahmen einer groß angelegten Studie von Dark Energy Survey durchgeführt, und heute wurden nur 3% der erwarteten Daten verarbeitet - was bedeutet, dass die Karte in den kommenden Jahren detaillierter wird.

Halbmetalle von Vale

Vor achtzig Jahren schlug der Mathematiker Deutsch Weil eine Gleichung vor, die Elementarteilchen mit einer Masse von Null und einer Chiralität ungleich Null beschreibt. Mit dem Namen des Autors wurden sie Fermionen von Weil genannt. Es wurden keine Elementarteilchen gefunden; Es stellte sich jedoch heraus, dass dieselbe Gleichung das Verhalten von Elektronen in einigen Halbmetallen beschreiben kann. Gleichzeitig fanden zwei Gruppen aus Princeton und Peking in diesem Jahr heraus, dass sich Elektronen in Tantalarsenid (TaAs) so verhalten. Eine andere Gruppe vom MIT untersuchte nicht Elektronen in einem periodischen TaAs-Kristall, sondern Photonen in einer künstlichen periodischen Struktur - einem photonischen Kristall. Sie konnten auch feststellen, dass das Verhalten des Photonensystems mit dem von Weil vorhergesagten übereinstimmt.

Im Allgemeinen ist das Verhalten von Elektronen in Tantalarsenid ihrem Verhalten in Graphen sehr ähnlich: In beiden Materialien haben Elektronen eine effektive Masse von Null. Dies ist der Grund für die Aussicht auf Entdeckung: Wie Graphen kann Tantalarsenid als Material mit gigantischer Mobilität von Ladungsträgern und extrem geringem elektrischen Widerstand verwendet werden.

Qubits - in die Umlaufbahn!

Die Übertragung von Informationen mit Licht ist einfach und bequem. Für die klassischen Bits "0" und "1" ist es üblich, durch Ein- oder Ausschalten der Lichtquelle zu codieren. Quantenbits (Qubits) können eine Kombination aus Null und Eins sein, und für ihre Übertragung wird normalerweise Lichtpolarisation verwendet: vertikal - "0", horizontal - "1", andere Zustände entsprechen den Kombinationen "0" und "1". Qubits werden heute erfolgreich über Lichtwellenleiter (Quantennetze in der Nähe von Wien und Genf, 50–80 km lang) und über die Luft (bis zu 150 km) übertragen.

Ist es möglich, ein Qubit noch weiter zu senden? Italienische Zusammenarbeit wagte zu sendenQubit-Photonen zum Satelliten, wo sie vom Eckreflektor reflektiert und zur Erde zurückgebracht wurden. Der Zweck des Experiments war es zu verstehen, wie stark das Qubit nach einem solchen Flug verzerrt ist und ob es möglich sein wird, es zu "lesen". Zum Vergleich wurden fünf verschiedene Satelliten verwendet: Einer von ihnen verzerrte absichtlich die Polarisation und sollte das Qubit irreversibel ruinieren, die anderen vier sollten keine Verzerrungen verursachen. Die Erwartungen wurden bestätigt: Der Kommunikationskanal durch die Atmosphäre erwies sich als ruhig, und wir konnten die Quanteninformationen nach einem Flug von tausend Kilometern lesen. Und das bedeutet, dass die Quantenkryptographie im Weltraum gleich um die Ecke ist.

Fermion-Mikroskop

Alle uns bekannten Teilchen sind in Bosonen (mit einem ganzen Spin) und Fermionen (mit einem halben ganzzahligen Spin) unterteilt. Eine beliebige Anzahl von Bosonen kann das gleiche Energieniveau einnehmen. Zum Beispiel bilden Bosonen, die einen Zustand mit minimaler Energie einnehmen, ein Bose-Einstein-Kondensat; Seine Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, und zahlreiche Studien klärten viele Nuancen in der Quantenmechanik und verwandten Bereichen auf.

Bei Fermionen ist das nicht so einfach: Das Pauli-Prinzip verbietet mehr als zwei Fermionen, ein Energieniveau einzunehmen. Wenn Fermionen weit voneinander entfernt sind (in einem Abstand von Mikrometern), fühlen sie sich fast nicht und können auf dem gleichen Niveau bleiben. In diesem Jahr bis zu drei Labors vom MIT , Harvard und Glasgowes gelang, viele Fermionen (Lithium- oder Kaliumatome) auf einen Zustand mit minimaler Energie abzukühlen; Platzieren Sie sie in den Knoten eines rechteckigen Gitters, damit sie sich nicht gegenseitig "stören" und erfolgreich fotografieren (dies ist eine separate Kunst). Zukünftige Pläne zwingen Fermionen in benachbarten Knoten dazu, miteinander zu interagieren. Dies öffnet eine neue Seite in der Physik und ermöglicht die Simulation des Verhaltens von Elektronen (die auch Fermionen sind) in verschiedenen Systemen. Beispielsweise kann die Simulation von Supraleitern Aufschluss über ihre Eigenschaften geben und die Schaffung neuer Hochtemperatursupraleiter ermöglichen.

Zeit, Bälle zu blasen

Es scheint, dass was in einem platzenden Ballon interessant sein könnte? Es stellt sich heraus, dass dies wichtig sein kann, um die Prozesse der Fehlerausbreitung in einer Vielzahl von Strukturen zu verstehen. und der Ball ist ein ideales Modellsystem für eine solche Untersuchung: Er kostet einen Cent und es ist unglaublich einfach, damit zu arbeiten. Dies motivierte Forscher aus Paris , die herausfanden, dass der Ball je nach Aufblasen auf völlig unterschiedliche Weise explodiert.

Die Energie des aufgeblasenen Balls wird in Form einer elastischen Spannung der Schale gespeichert; Durch eine Punktion können Sie diese Belastung beseitigen und die Schale wieder in ihre ursprüngliche Form bringen. Es stellt sich heraus, dass der Ball mit einer Reifenpanne versucht, die gespeicherte Energie so schnell wie möglich loszuwerden. Wenn die Hüllenspannung gering ist (z. B. wenn Sie einen leicht aufgeblasenen Ball mit einer Nadel gestoßen haben), breitet sich die Punktion in zwei Richtungen aus, bis die gesamte Luft austritt. Wenn die Schalenspannung hoch war (wir haben den Ball aufgeblasen, bis er platzte), reicht eine einzige Pause nicht aus, um die Energie schnell genug freizusetzen. Es wird vorteilhaft, nicht eine, sondern mehrere Lücken zu bilden, die sich radial von einer Punktion ausbreiten:

Je stärker der Ball aufgeblasen wurde, desto mehr radiale Diskontinuitäten werden gebildet. Dieses scheinbar merkwürdige Ergebnis erwies sich als sehr interessant für die Untersuchung der Fragmentierung und des Verhaltens von Fehlern und ähnlichen Defekten in verschiedenen Systemen. Frühere (hauptsächlich theoretische) Forschungen befassten sich mit dem Verhalten von sich überschneidenden oder verschmelzenden Diskontinuitäten. Eine neue Arbeit öffnete ihm die Augen für die Aufteilung solcher Mängel.

An diese Entdeckungen erinnerte sich das ausgehende Jahr. Wir hoffen, dass das kommende Jahr nicht weniger interessant wird =).

Körperliche Ergebnisse des Jahres