Körperliche Ergebnisse des Jahres - 2019

Hallo habr In der ersten Arbeitswoche des neuen Jahres ist es Zeit, zurückzublicken und an die Erfolge von 2019 zu erinnern. Das vergangene Jahr war geprägt von technologischen Durchbrüchen und neuen wissenschaftlichen Problemen. Schauen wir uns die interessantesten Ergebnisse genauer an.

Schwarzes Loch Porträt

Im Frühjahr brachte die Event Horizon Telescope- Kollaboration das weltweit erste Bild eines supermassiven Schwarzen Lochs in der benachbarten M87-Galaxie auf den Markt. Dies war ein hervorragendes Ergebnis einer gigantischen Arbeit - acht Radioobservatorien auf der ganzen Welt, darunter die Antarktis, beobachteten mehrere Tage lang gleichzeitig ein Schwarzes Loch. Die Daten wurden auf Clustern in MIT und MPIfR verarbeitet und auf Festplatten ausgeliefert - es ist unrealistisch, das Petabyte-Volumen im Internet von entfernten Observatorien (insbesondere aus der Antarktis) zu übertragen. Einige weitere Monate wurden für die Bildverarbeitung und -rekonstruktion aufgewendet. Eine gute Geschichte über die Details eines Experiments kann zum Beispiel auf Elements ( eins , zwei ) oder auf N + 1 gelesen werden.

Im Bild selbst sehen wir eine Akkretionsscheibe - eine erhitzte Substanz, die sich spiralförmig dreht, bevor sie in ein Schwarzes Loch fällt. Der Fleck in der Mitte ist nicht das Schwarze Loch selbst, sondern der Schatten davon: Das Licht, das in der Nähe des Schwarzen Lochs verläuft, wird durch die Gravitationslinse gebogen, sodass der Schatten um ein Vielfaches größer ist als der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs.

Die Akkretionsscheibe dieses Schwarzen Lochs wird von seiner Ebene zu uns gewandt. Wenn es sich seitwärts zu uns befindet (wie die Ringe des Saturn), würden wir etwas sehen, das einem Schwarzen Loch von Interstellar ähnelt. Leider ist die Astronomie eine extrem beobachtende Wissenschaft: Wir haben nicht die geringste Chance, diese grandiosen Prozesse zu beeinflussen oder sie aufgrund der großen Entfernung auch nur aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten.

Es bleibt hinzuzufügen, dass dieses Bild allein nicht das Vorhandensein von Schwarzen Löchern beweist - wir sind zuversichtlich, dass sie aufgrund der Masse anderer Ergebnisse existieren. Sein Wert ist wahrscheinlicher für die Bestätigung unserer Vorstellungen darüber, was in den Kernen von Galaxien geschieht. Und natürlich bei der Schaffung einer riesigen internationalen Zusammenarbeit, die systematische Beobachtungen mit einem Teleskop von der Größe der Erde ermöglicht. In naher Zukunft sollen neue, kürzerwellige Teleskope in das Netzwerk aufgenommen und die Dynamik von Prozessen um Schwarze Löcher in den Kernen der M87 und der Milchstraße untersucht werden.

Hubble konstante Probleme

Unser Universum dehnt sich aus: Die Abstände zwischen benachbarten Galaxien nehmen ständig zu; Die Geschwindigkeit dieser Expansion wird durch die Hubble-Konstante bestimmt. Seine genauen Messungen sind die wichtigste Aufgabe für die Kosmologie, und gleichzeitig ist die Aufgabe sehr schwierig. Bis vor kurzem konvergierte alles mit einem Wert von etwa 70 km / s pro Megaparsec. Eine gute Genauigkeit wurde erst im vorletzten Jahr erreicht: Eine Analyse der Daten des Satelliten Plank, die die Anisotropie der CMB-Strahlung maßen, führte zu einer Hubble-Konstante von 67,4 ± 0,5 km / s / Mpc. Die Zusammenarbeit mit Dark Energy Survey, die Schwankungen der Materiedichte im Universum mithilfe eines Netzwerks optischer Teleskope untersuchte, erzielte das gleiche Ergebnis.

Aber 2019 brachte Überraschungen. Mehrere Gruppen, die Langzeitstatistiken zu verschiedenen Weltraumobjekten sammelten - Quasare , Cepheiden , Raumfahrer - konvergierten mit einem Wert von etwa 74 km / s / Mpc (blaue Punkte in der Grafik). Im Gegensatz zu den Ergebnissen des letzten Jahres wurde bei all diesen Arbeiten die Entfernung zu den vorhandenen Einrichtungen gemessen. Die Fluktuationen der Reliktstrahlung und der Materiedichte spiegeln wider, was zu Beginn des Universums geschah. Infolgedessen haben wir eine Differenz von mehr als vier Standardabweichungen zwischen den Werten für das frühe und das aktuelle Universum, was zweifellos faszinierend ist und zumindest Diskussionen über die neue Physik hervorruft.

Hier finden Sie viele kontroverse Punkte: Beispielsweise wurden die Abstände zu vielen Objekten mit denselben Standardkerzen kalibriert, sodass sie nicht als unabhängig betrachtet werden können. Die Kirsche auf dem Kuchen ist ein Maß, das von supermassiven roten Riesen (roter Punkt) gemessen wird: Es ergibt ein Kompromissergebnis von 69,8 km / s / Mpc, aber ironischerweise ist die Kalibrierung der Abstände zu diesen roten Riesen noch ungenauer. Jetzt gibt es in der Community eine ziemlich aktive Debatte zu diesem Thema, und der Grund für die Diskrepanz ist noch unklar. Ich würde gerne glauben, dass sich das Paradoxon in naher Zukunft auflösen wird.

Protonenradius

Ähnliches passiert in der Mikrowelt: Messungen der Größe eines Protons (genauer seines Ladungsradius) ergeben unterschiedliche Ergebnisse . Und die Diskrepanzen sind hier noch größer.

Im Allgemeinen gibt es zwei einfache Möglichkeiten, den Radius eines Protons zu messen:

• Elektronen bombardieren ein Proton: Je näher das Elektron dem Proton kommt, desto attraktiver ist die Krümmung seines Weges. Mit Hilfe des Streumusters kann der Radius rekonstruiert werden, in dem die Protonenladung konzentriert ist.
• Spektroskopie von Wasserstoff. Der Wasserstoffkern ist das Proton und seine Größe beeinflusst die Energieniveaus, bei denen sich das Elektron befinden kann. Indem Sie die Energie zweier Ebenen gleichzeitig messen, können Sie den Radius des Kerns berechnen.

Beide Methoden ergaben das gleiche Ergebnis: ca. 0,875 Femtometer. 2010 schlug das MPQ- Team vor, das Elektron im Wasserstoffatom durch ein Myon zu ersetzen, ein schwereres Elementarteilchen mit ähnlichen Eigenschaften. Das schwere Myon dreht sich näher an das Proton heran, so dass der Radius des Protons einen stärkeren Einfluss auf sein Energieniveau hat. Das Messergebnis war unerwartet kleiner - 0,841 fm. Die Messungen wurden 2013 wiederholt, das Ergebnis war das gleiche.

Während die ganze Welt darüber nachdachte, warum sich Myonwasserstoff auf besondere Weise verhält und ob es hier eine neue Physik gibt, entschied sich MPQ, das Experiment mit gewöhnlichem Wasserstoff zu wiederholen - und bekam wieder einen kleineren Protonenradius! Ein Jahr später, im Jahr 2018, wurde in Paris die Spektroskopie anderer Konzentrationen von gewöhnlichem Wasserstoff wiederholt ... und der alte Radiuswert wurde erhalten! Hier hat sich der Schwerpunkt der Diskussionen auf die Suche nach alltäglichen Fehlern verlagert, bis hin zur Berücksichtigung des Höhenunterschieds zwischen den beiden Laboratorien: Die genaue Spektroskopie ist im Wesentlichen ein Vergleich mit dem bekannten Frequenz-Zeit-Standard, und nach der allgemeinen Relativitätstheorie fließt die Zeit in Paris und München auf leicht unterschiedliche Weise. für unterschiedliche Entfernungen zum Erdmittelpunkt.

Das vergangene Jahr hat mich bereits mit zwei Experimenten und sogar von einem anderen Kontinent gefreut. Zunächst wiederholte eine Gruppe aus Toronto das Experiment mit Wasserstoffspektroskopie und erhielt das gleiche Ergebnis wie MPQ. Und bald wurde es durch das Elektronen-Protonen-Streuexperiment aus der amerikanischen Kollaboration bestätigt. Parallel dazu begann die MPQ-Gruppe genau das gleiche Experiment, das die Franzosen 2018 durchgeführt hatten - ein in der modernen Wissenschaft beispielloser Test auf Reproduzierbarkeit! Es gibt bereits vorläufige Ergebnisse, aber die Autoren haben sie noch nicht veröffentlicht - sie sind nur insofern faszinierend, als sie interessant sein werden. Der Grund für die Diskrepanz ist noch unbekannt, aber anscheinend wird in naher Zukunft alles klar werden.

Quantenüberlegenheit

Im Herbst veröffentlichte Nature einen Artikel, in dem das Google-Team die Quantenüberlegenheit unter Beweis stellte. Ihr 53-Qubit-Quantenchip Sycamore konnte ein bestimmtes Problem in 200 Sekunden lösen. Es würde zehntausend Jahre dauern, um es auf einem klassischen Supercomputer zu lösen.

Die Aufgabe selbst, auf der das Ergebnis gezeigt wurde, stellte sich als ziemlich banal heraus. Ein Quantencomputer unterscheidet sich von einem normalen darin, dass er Quantenoperationen ausführen kann, die für klassische Computer unzugänglich sind (danke, Cap!). Daher führte der Quantenchip im Experiment eine zufällige Menge von Quantenoperationen durch, und ein klassischer Computer simulierte dieselbe Menge von Aktionen.

Um das Ergebnis hat sich eine ernsthafte Diskussion entwickelt. Zum Beispiel sagen IBM-Forscher , dass ein optimierter klassischer Algorithmus das Problem nicht in Tausenden von Jahren, sondern in wenigen Tagen lösen würde. Noch dringlicher ist die Frage der Fehlerkorrektur: Der Quantenspeicher ist so zerbrechlich, dass hier keine Softwarefehlerkorrektur anfällt, und bekannte Korrekturmechanismen in der Hardware erschweren die Architektur von Quantenchips um Größenordnungen. Und die Skalierung von Quantenchips von Dutzenden von Qubits auf mindestens Hunderte liegt weit über dem derzeit Erreichbaren. Daher ist das Ergebnis von Google sehr uneinheitlich: Ja, wir sind an die Schwelle der Quantenära getreten, aber wie weit wir vorankommen können - und ob wir es überhaupt können -, bleibt unbekannt.

Drucklicht für LIGO

Jeder hörte von der jüngsten Entdeckung der Gravitationswellen und dem darauf folgenden Nobelpreis 2017. Mittlerweile gibt es weltweit drei ausreichend empfindliche Observatorien für Gravitationswellen: zwei LIGO-Detektoren in den USA und VIRGO in Italien. Dies sind unglaublich genaue Laserinterferometer : Um die Genauigkeit des Stroms zu erreichen, wurden enorme Kräfte in die Messung und Optimierung des Rauschens verschiedener Art investiert:

Die Hauptrauschquelle ist heute das Quantenrauschen des Lichts (Flieder-Kurve): Es wird dadurch verursacht, dass der Laser zu zufälligen Zeiten Photonen emittiert. Solches Rauschen kann durch gezwungene lichtinduzierte Korrelationen in einem Lichtstrahl behoben werden, die das Rauschen der Lichtintensität in das Rauschen seiner Phase umverteilen, was für unseren Zweck harmlos ist. Diese Technik wurde bereits am deutschen Interferometer GEO600 getestet und letztes Jahr endlich sowohl an LIGO als auch an VIRGO in Betrieb genommen. Anscheinend ist dies die erste Anwendung von komprimiertem Licht, um praktische Probleme zu lösen. Jetzt wird die Empfindlichkeit der Detektoren erheblich zunehmen (bis zu zweimal in einigen Frequenzbereichen), und wir hoffen, weitere interessante Phänomene aus den entlegenen Ecken des Universums zu hören.

Und dies ist auch ein besonderes Ergebnis für Habr - für ihn gilt es Michail Shkaff zu danken, der sich direkt mit diesem Thema beschäftigt und viele interessante Artikel über LIGO geschrieben hat und nicht nur. Vielen Dank und neue Erfolge!

Neutrinomassenbegrenzung

Neutrinos bleiben eines der mysteriösesten Elementarteilchen: Sie interagieren praktisch nicht mit Materie und können leicht die Erde passieren. Wir wissen, dass sie zumindest eine gewisse Masse aus Neutrinoschwingungen haben: Auf dem Weg von der Sonne zu uns verwandelt sich ein Teil des Neutrinos in ein Neutrino eines anderen Typs. Transformation ist ein dynamischer Prozess, dh die Zeit fließt im Neutrino-Bezugssystem - das heißt, sie fliegen aufgrund ihrer Masse langsamer als die Lichtgeschwindigkeit.

Das Messen dieser Masse ist sehr viel schwieriger. Seine Untergrenze - etwa 9 meV - kennen wir aus Neutrinoschwingungen. Das KATRIN-Projekt in Karlsruhe hat die Messung der Obergrenze aufgenommen. Die Idee war, den radioaktiven Zerfall von Tritium in Helium-3, ein Elektron und ein Antineutrino zu beobachten: Es ist unmöglich, letzteres nachzuweisen, aber Sie können die Geschwindigkeiten der verbleibenden Teilchen messen und die fehlende Energie berechnen. In der Praxis ist es am einfachsten, mit Elektronen zu arbeiten: Die höchstmöglichen Geschwindigkeiten bedeuten, dass die gesamte Zerfallsenergie in das Neutrino und das Elektron geflossen ist. Solche Fälle sind selten, daher sollte der Detektor für die Detektion von Elektronen einer bestimmten Energie gut optimiert sein.

Aus diesem Grund dauerte die Vorbereitung des KATRIN-Projekts lange, doch nach einem Monat Betrieb wurde das erste Ergebnis erzielt: Die Obergrenze der Neutrinoenergie betrug 1,1 eV, was die vorherige Schätzung verdoppelte. Es ist geplant, dass KATRIN für weitere fünf Jahre Statistiken erstellt und die Genauigkeit auf 0,2 eV verbessert. Weiterführende Experimente, die auf der gleichen Idee basieren, können die Messgenauigkeit auf 40 meV erhöhen.

Anstelle einer Schlussfolgerung

Meiner Meinung nach war das vergangene Jahr sehr sozial: Die Erfolge, an die er sich erinnerte, sind auf die gemeinsamen Anstrengungen vieler Gruppen und auf neue Themen zurückzuführen - auf die Unterschiede zwischen ihnen. Teamwork in der Wissenschaft - vom Desktop-Experiment bis zur internationalen Zusammenarbeit - wird immer wichtiger, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Ich hoffe, wir werden alles daran setzen, dass unsere Arbeit noch produktiver wird und die Ergebnisse des kommenden Jahres nicht weniger interessant sind.

Basierend auf Quanta Magazine , Science und der American Physical Society .