वर्ष के भौतिक परिणाम - 2019

नमस्कार, हेब्र! नए साल के पहले कार्य सप्ताह में, 2019 की सफलताओं को पीछे मुड़कर देखने और याद करने का समय है। बीते साल को तकनीकी सफलताओं और नई वैज्ञानिक समस्याओं द्वारा याद किया गया था। आइए सबसे दिलचस्प परिणामों पर एक नज़र डालें।

ब्लैक होल चित्र

वसंत में, इवेंट होरिजन टेलीस्कोप सहयोग ने दुनिया को पड़ोसी M87 आकाशगंगा में एक सुपरमैसिव ब्लैक होल की पहली छवि पेश की। यह विशाल काम का एक उत्कृष्ट परिणाम था - कई दिनों के लिए, अंटार्कटिका सहित दुनिया भर के आठ रेडियो वेधशालाओं ने एक साथ एक ब्लैक होल देखा। डेटा को एमआईटी और एमपीआईएफआर में क्लस्टर पर संसाधित किया गया था, और उन्हें हार्ड ड्राइव पर वितरित किया गया था - यह इंटरनेट पर पेटेबाइट्स की मात्रा को दूरस्थ वेधशालाओं (विशेष रूप से अंटार्कटिका से) में स्थानांतरित करने के लिए अवास्तविक है। छवि प्रसंस्करण और पुनर्निर्माण पर कुछ और महीने बिताए गए। एक प्रयोग के विवरण के बारे में एक अच्छी कहानी को पढ़ा जा सकता है, उदाहरण के लिए, तत्वों ( एक , दो ) या एन + 1 पर ।

छवि में ही, हम एक अभिवृद्धि डिस्क देखते हैं - एक गर्म पदार्थ, एक ब्लैक होल में गिरने से पहले सर्पिल में घूमता है। केंद्र में स्पॉट ब्लैक होल नहीं है, बल्कि इससे निकलने वाली छाया: ब्लैक होल के पास से गुजरने वाला प्रकाश गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के कारण झुकता है, इसलिए यह ब्लैक होल के घटना क्षितिज की तुलना में छाया कई गुना बड़ा होता है।

इस ब्लैक होल की अभिवृद्धि डिस्क को उसके तल से हमारी ओर घुमाया जाता है। यदि यह हमारे (शनि के छल्लों की तरह) बग़ल में स्थित होता, तो हमें इंटरसेलर से ब्लैक होल जैसा कुछ दिखाई देता। दुर्भाग्य से, खगोल विज्ञान एक विशेष रूप से अवलोकन विज्ञान है: हमारे पास इन भव्य प्रक्रियाओं को प्रभावित करने या यहां तक ​​कि महान दूरी के कारण उन्हें एक अलग कोण से देखने का मामूली मौका नहीं है।

यह जोड़ना बाकी है कि यह छवि अकेले ब्लैक होल की उपस्थिति को साबित नहीं करती है - हम अन्य परिणामों के द्रव्यमान के कारण उनके अस्तित्व में आश्वस्त हैं। आकाशगंगाओं के नाभिक में क्या हो रहा है, इसके बारे में हमारे विचारों की पुष्टि करने में इसका मूल्य अधिक है। और निश्चित रूप से, एक विशाल अंतरराष्ट्रीय सहयोग बनाने में जो कि टेलीस्कोप से पृथ्वी के आकार के साथ व्यवस्थित अवलोकन की अनुमति देता है। निकट भविष्य में, नेटवर्क में नए, छोटे-तरंग दैर्ध्य दूरबीनों का समावेश, और M87 और मिल्की वे के नाभिक में ब्लैक होल के आसपास प्रक्रियाओं की गतिशीलता का अध्ययन।

हबल लगातार समस्याएं

हमारे ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है: पड़ोसी आकाशगंगाओं के बीच की दूरी लगातार बढ़ रही है; इस विस्तार की दर हबल स्थिरांक द्वारा निर्धारित की जाती है। ब्रह्मांड विज्ञान के लिए इसके सटीक माप सबसे महत्वपूर्ण कार्य हैं, और साथ ही यह कार्य बहुत कठिन है। कुछ समय पहले तक, प्रत्येक चीज़ लगभग 70 किमी / प्रति मेगापार्कस के मान में परिवर्तित होती थी। अंतिम से पहले केवल एक वर्ष के लिए अच्छी सटीकता हासिल की गई थी: प्लैंक उपग्रह के डेटा का विश्लेषण , जिसने सीएमबी विकिरण के अनिसोट्रॉपी को मापा, जिसके परिणामस्वरूप हबल 67.4 / 0.5 किमी / एस / एमपीसी था। डार्क एनर्जी सर्वे सहयोग, जिसने ऑप्टिकल टेलीस्कोप के एक नेटवर्क का उपयोग करके यूनिवर्स में पदार्थ के घनत्व में उतार-चढ़ाव का अध्ययन किया, को एक ही परिणाम मिला।

लेकिन 2019 आश्चर्य लेकर आया। कई समूह जो विभिन्न अंतरिक्ष वस्तुओं पर लंबी अवधि के आंकड़े एकत्र करते हैं - क्वासर्स , सेफिड्स , अंतरिक्ष मेसर्स - लगभग 74 किमी / एस / एमपीसी (ग्राफ पर नीले डॉट्स) के मूल्य पर परिवर्तित। पिछले वर्ष के परिणामों के विपरीत, इन सभी कार्यों में, मौजूदा सुविधाओं की दूरी को मापा गया था। राहत विकिरण के उतार-चढ़ाव और पदार्थ का घनत्व ब्रह्मांड के भोर में क्या हुआ, यह दर्शाता है। परिणामस्वरूप, हमारे पास प्रारंभिक और वर्तमान ब्रह्मांड के मूल्यों के बीच चार से अधिक मानक विचलन हैं, जो निस्संदेह पेचीदा है और कम से कम नई भौतिकी के बारे में चर्चा को जन्म देता है।

यहां आप बहुत सारे विवादास्पद बिंदु पा सकते हैं: उदाहरण के लिए, कई वस्तुओं की दूरी एक ही मानक मोमबत्तियों का उपयोग करके कैलिब्रेट की गई थी, इसलिए उन्हें स्वतंत्र नहीं माना जा सकता है। केक पर चेरी सुपरमैसिव रेड दिग्गज (रेड डॉट) द्वारा बनाई गई माप है: यह 69.8 किमी / एस / एमपीसी का एक समझौता परिणाम देता है, लेकिन विडंबना यह है कि इन लाल दिग्गजों के लिए दूरी का अंशांकन भी कम सटीक है। अब इस विषय पर समुदाय में अधिक सक्रिय बहस चल रही है, और विसंगति का कारण अभी भी स्पष्ट नहीं है। मेरा मानना ​​है कि निकट भविष्य में विरोधाभास का समाधान होना शुरू हो जाएगा।

प्रोटॉन त्रिज्या

माइक्रोवर्ल्ड में कुछ ऐसा ही होता है: एक प्रोटॉन के आकार का माप (अधिक सटीक रूप से, इसका आवेश त्रिज्या) अलग परिणाम देता है । और यहाँ विसंगतियां और भी महत्वपूर्ण हैं।

सामान्य तौर पर, एक प्रोटॉन की त्रिज्या को मापने के दो सरल तरीके हैं:

• इलेक्ट्रॉन बम प्रोटॉन: एक प्रोटॉन के जितना करीब उड़ान भरता है, उसके मार्ग की वक्रता उतनी ही आकर्षक होती है। बिखरने वाले पैटर्न का उपयोग करके, एक त्रिज्या को फिर से संगठित किया जा सकता है जिसमें प्रोटॉन चार्ज केंद्रित होता है।
• हाइड्रोजन की स्पेक्ट्रोस्कोपी। हाइड्रोजन नाभिक प्रोटॉन है, और इसका आकार उन ऊर्जा स्तरों को प्रभावित करता है जिन पर इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं। एक साथ दो स्तरों की ऊर्जा को मापकर, आप नाभिक की त्रिज्या की गणना कर सकते हैं।

दोनों विधियों ने एक ही परिणाम दिया: लगभग 0.875 महिलामीटर। 2010 में, MPQ टीम ने हाइड्रोजन परमाणु में एक म्यूऑन के साथ इलेक्ट्रॉन की जगह, समान गुणों वाला एक भारी प्राथमिक कण प्रस्तावित किया। भारी म्यूऑन प्रोटॉन के करीब घूमता है, इसलिए प्रोटॉन की त्रिज्या का इसके ऊर्जा स्तरों पर अधिक प्रभाव पड़ता है। माप परिणाम अप्रत्याशित रूप से कम था - 0.841 fm। 2013 में माप दोहराया गया था, परिणाम समान था।

जबकि पूरी दुनिया यह सोच रही थी कि म्यूऑन हाइड्रोजन एक विशेष तरीके से व्यवहार क्यों करता है और अगर यहां कोई नई भौतिकी है, तो एमपीक्यू ने साधारण हाइड्रोजन के साथ प्रयोग को दोहराने का फैसला किया - और फिर से एक छोटा प्रोटॉन त्रिज्या प्राप्त किया! एक साल बाद, 2018 में, पेरिस में साधारण हाइड्रोजन में अन्य स्तरों के स्पेक्ट्रोस्कोपी को दोहराया गया ... और पुराने त्रिज्या मान प्राप्त किया गया था! यहां, चर्चाओं का जोर आम त्रुटियों की खोज पर चला गया है, दो प्रयोगशालाओं के बीच ऊंचाई में अंतर को ध्यान में रखते हुए: सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपी अनिवार्य रूप से प्रसिद्ध आवृत्ति / समय मानक के साथ तुलना है, और सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के अनुसार, समय पेरिस और म्यूनिख में थोड़ा अलग तरीके से बहता है। पृथ्वी के केंद्र के लिए अलग दूरी के लिए।

पिछले वर्ष ने मुझे पहले से ही दो प्रयोगों से प्रसन्न किया है, और यहां तक ​​कि दूसरे महाद्वीप से भी। सबसे पहले, टोरंटो के एक समूह ने हाइड्रोजन स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ प्रयोग दोहराया और एमपीक्यू के समान परिणाम मिला। और जल्द ही इसे अमेरिकी सहयोग से इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन बिखरने वाले प्रयोग द्वारा पुष्टि की गई । इसके समानांतर, एमपीक्यू समूह ने ठीक वही प्रयोग शुरू किया जो 2018 में फ्रांसीसी ने आयोजित किया था - आधुनिक विज्ञान में अभूतपूर्व प्रजनन क्षमता के लिए एक परीक्षण! पहले से ही प्रारंभिक परिणाम हैं, लेकिन लेखकों ने अभी तक उनका खुलासा नहीं किया है - वे केवल इस बात में पेचीदा हैं कि वे दिलचस्प होंगे। विसंगति का कारण अभी भी अज्ञात है, लेकिन जाहिर है कि निकट भविष्य में सब कुछ स्पष्ट हो जाएगा।

क्वांटम श्रेष्ठता

गिरावट में, प्रकृति ने एक लेख प्रकाशित किया जिसमें Google टीम ने क्वांटम श्रेष्ठता का प्रदर्शन किया। उनकी 53-क्वांट क्वांटम चिप Sycamore 200 सेकंड में एक विशिष्ट समस्या को हल करने में सक्षम थी। एक क्लासिक सुपर कंप्यूटर पर इसे हल करने में 10 हजार साल लगेंगे।

कार्य ही, जिस पर परिणाम दिखाया गया था, काफी हद तक निकला। एक क्वांटम कंप्यूटर एक सामान्य से भिन्न होता है जिसमें वह कर सकता है, अहम, क्वांटम संचालन को शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए दुर्गम करता है (धन्यवाद, कैप!)। इसलिए, प्रयोग में, क्वांटम चिप ने क्वांटम परिचालनों का एक यादृच्छिक सेट प्रदर्शित किया, और एक क्लासिक कंप्यूटर ने उसी कार्यों के सेट का अनुकरण किया।

परिणाम के चारों ओर एक गंभीर चर्चा सामने आई है। उदाहरण के लिए, आईबीएम के शोधकर्ताओं का कहना है कि एक अनुकूलित क्लासिक एल्गोरिथ्म समस्या को हजारों वर्षों में नहीं, बल्कि कुछ दिनों में हल कर देगा। त्रुटि सुधार का मुद्दा और भी तीव्र है: क्वांटम मेमोरी इतनी नाजुक है कि सॉफ्टवेयर त्रुटि सुधार यहां नहीं बचा है, और हार्डवेयर में प्रसिद्ध सुधार तंत्र परिमाण के आदेशों द्वारा क्वांटम चिप्स की वास्तुकला को जटिल करते हैं। दर्जनों क्वांटम से लेकर कम से कम सैकड़ा तक क्वांटम चिप्स की पैदावार वर्तमान में प्राप्त करने योग्य है। इसलिए, Google का परिणाम बहुत मिश्रित है: हाँ, हमने क्वांटम युग की दहलीज पर कदम रखा है, लेकिन हम कितनी दूर तक आगे बढ़ सकते हैं - और क्या हम बिल्कुल भी अनजान रह सकते हैं।

LIGO के लिए संपीड़ित प्रकाश

हर किसी ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों की हालिया खोज और उसके बाद 2017 के नोबेल पुरस्कार के बारे में सुना। अब दुनिया में गुरुत्वाकर्षण तरंगों की तीन पर्याप्त संवेदनशील वेधशालाएँ हैं: संयुक्त राज्य अमेरिका में दो LIGO डिटेक्टर और इटली में VIRGO। ये अविश्वसनीय रूप से सटीक लेजर इंटरफेरोमीटर हैं : वर्तमान सटीकता प्राप्त करने के लिए, विभिन्न शक्तियों को विभिन्न प्रकृति के शोर को मापने और उन्हें अनुकूलित करने में निवेश किया गया था:

आज, शोर का मुख्य स्रोत प्रकाश (लीलाक वक्र) का क्वांटम शॉट शोर है: यह इस तथ्य के कारण है कि लेजर यादृच्छिक समय पर फोटॉन का उत्सर्जन करता है। निचोड़ा हुआ प्रकाश का उपयोग करके ऐसे शोर से निपटा जा सकता है - प्रकाश की किरण में प्रेरित सहसंबंध जो प्रकाश की तीव्रता के शोर को उसके चरण के शोर में पुनर्वितरित करता है, जो हमारे उद्देश्य के लिए हानिरहित है। इस तकनीक का जर्मन GEO600 इंटरफेरोमीटर पर पहले ही परीक्षण किया जा चुका है, और पिछले साल इसे अंततः LIGO और VIRGO दोनों के संचालन में लगाया गया था। व्यावहारिक रूप से, व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए संपीड़ित प्रकाश का यह पहला अनुप्रयोग है। अब डिटेक्टरों की संवेदनशीलता काफी बढ़ जाएगी (कुछ आवृत्ति रेंज में दो गुना तक), और हम ब्रह्मांड के सुदूर कोनों से और अधिक दिलचस्प घटनाएं सुनने की उम्मीद करते हैं।

और यह भी हबर के लिए एक विशेष परिणाम है - उसके लिए हमें मिखाइल शफ़्फ़ को धन्यवाद देना चाहिए, जो सीधे इस विषय में शामिल है और उसने LIGO के बारे में और न केवल कई दिलचस्प लेख लिखे हैं। धन्यवाद और नई सफलताएँ!

न्यूट्रिनो द्रव्यमान सीमा

न्यूट्रिनो सबसे रहस्यमय प्राथमिक कणों में से एक है: वे व्यावहारिक रूप से पदार्थ के साथ बातचीत नहीं करते हैं और आसानी से पृथ्वी के माध्यम से गुजर सकते हैं। हम जानते हैं कि उनके पास न्यूट्रिनो दोलनों से कम से कम कुछ द्रव्यमान है: सूर्य से हमारे रास्ते में, न्यूट्रिनो का हिस्सा एक अलग प्रकार के न्यूट्रिनो में बदल जाता है। परिवर्तन एक गतिशील प्रक्रिया है, जिसका अर्थ है कि समय न्युट्रीनो संदर्भ फ्रेम में बहता है - अर्थात, वे अपने द्रव्यमान के कारण प्रकाश की गति से धीमी गति से उड़ते हैं।

इस द्रव्यमान को मापना अधिक कठिन है। इसकी निचली सीमा - लगभग 9 meV - हम न्यूट्रिनो दोलनों से जानते हैं। जर्मनी के कार्लज़ूए में कैटरीन परियोजना ने ऊपरी सीमा का माप लिया । यह विचार था कि ट्रिटियम के रेडियोधर्मी क्षय को हीलियम -3, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो में देखा जाए: उत्तरार्द्ध का पता लगाना असंभव है, लेकिन आप शेष कणों के वेग को माप सकते हैं और लापता ऊर्जा की गणना कर सकते हैं। व्यवहार में, इलेक्ट्रॉनों के साथ काम करना सबसे आसान है: उच्चतम प्राप्त गति का मतलब है कि सभी क्षय ऊर्जा न्यूट्रिनो और इलेक्ट्रॉन में चली गई है। इस तरह के मामले निराधार हैं, इसलिए, एक निश्चित ऊर्जा के इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने के लिए डिटेक्टर को अच्छी तरह से अनुकूलित किया जाना चाहिए।

इस कारण से, KATRIN परियोजना को तैयार होने में लंबा समय लगा, लेकिन इसने ऑपरेशन के एक महीने बाद पहला परिणाम दिया: न्यूट्रिनो ऊर्जा की ऊपरी सीमा 1.1 eV थी, जिसने पिछले अनुमान को दोगुना कर दिया था। यह योजना बनाई गई है कि KATRIN एक और पांच साल के लिए आंकड़े हासिल करेगा, सटीकता को 0.2 eV में सुधार करेगा। और एक ही विचार पर आधारित अधिक उन्नत प्रयोग माप सटीकता को 40 meV तक बढ़ा सकते हैं।

एक निष्कर्ष के बजाय

मेरी राय में, पिछला वर्ष बहुत सामाजिक रहा: जिन उपलब्धियों को उन्होंने याद किया, वे कई समूहों के संयुक्त प्रयासों और नए मुद्दों के कारण हैं - उनके बीच का अंतर। विज्ञान में टीमवर्क - डेस्कटॉप प्रयोगों से लेकर अंतर्राष्ट्रीय सहयोग तक - सार्थक परिणाम प्राप्त करने के लिए तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है। मुझे उम्मीद है कि हम यह सुनिश्चित करने के लिए हर संभव प्रयास करेंगे कि हमारा काम और भी अधिक उत्पादक हो, और आने वाले वर्ष के परिणाम भी कम दिलचस्प नहीं हैं।

क्वांटा पत्रिका , विज्ञान और अमेरिकी भौतिक समाज पर आधारित है।