Hasil Fisik Tahun Ini - 2019

Halo, Habr! Pada minggu kerja pertama tahun baru, sekarang saatnya untuk melihat kembali dan mengingat keberhasilan 2019. Tahun lalu dikenang oleh terobosan teknologi dan masalah ilmiah baru. Mari kita lihat lebih dekat hasil yang paling menarik.

Potret lubang hitam

Pada musim semi, kolaborasi Event Horizon Telescope memperkenalkan dunia gambar pertama dari lubang hitam supermasif di galaksi M87 yang berdekatan. Ini adalah hasil kerja raksasa yang luar biasa - selama beberapa hari, delapan observatorium radio di seluruh dunia, termasuk Antartika, secara bersamaan menyaksikan sebuah lubang hitam. Data diproses pada cluster di MIT dan MPIfR , dan mereka dikirim pada hard drive - itu tidak realistis untuk mentransfer volume petabyte di Internet dari observatorium jarak jauh (terutama dari Antartika). Beberapa bulan lagi dihabiskan untuk pemrosesan dan rekonstruksi citra. Cerita yang bagus tentang detail percobaan dapat dibaca, misalnya, tentang Elemen ( satu , dua ) atau di N +1 .

Dalam gambar itu sendiri, kita melihat disk akresi - zat yang dipanaskan, berputar dalam spiral sebelum jatuh ke dalam lubang hitam. Titik di tengah bukan lubang hitam itu sendiri, melainkan bayangan dari itu: cahaya yang lewat di dekat lubang hitam itu bengkok karena pelensaan gravitasi, sehingga bayangan itu beberapa kali lebih besar dari horizon peristiwa lubang hitam.

Piringan akresi lubang hitam ini diputar ke arah kita dengan pesawatnya. Jika itu terletak di samping kita (seperti cincin Saturnus), maka kita akan melihat sesuatu yang mirip dengan lubang hitam dari Interstellar. Sayangnya, astronomi adalah ilmu yang sangat observasional: kami tidak memiliki kesempatan sedikit pun untuk mempengaruhi proses muluk ini atau bahkan melihatnya dari sudut yang berbeda karena jarak yang sangat jauh.

Tetap menambahkan bahwa gambar ini saja tidak membuktikan keberadaan lubang hitam - kami yakin akan keberadaannya karena banyaknya hasil lainnya. Nilainya lebih mungkin dalam mengkonfirmasi ide-ide kami tentang apa yang terjadi di inti galaksi. Dan tentu saja, dalam menciptakan kolaborasi internasional besar yang memungkinkan pengamatan sistematis dengan teleskop seukuran Bumi. Dalam waktu dekat, dimasukkannya teleskop baru dengan panjang gelombang lebih pendek dalam jaringan, dan studi tentang dinamika proses di sekitar lubang hitam di inti M87 dan Bima Sakti.

Masalah Konstan Hubble

Alam Semesta kita mengembang: jarak antara galaksi-galaksi yang berdekatan terus meningkat; laju ekspansi ini ditentukan oleh konstanta Hubble. Pengukurannya yang akurat adalah tugas yang paling penting untuk kosmologi, dan pada saat yang sama tugasnya sangat sulit. Sampai baru-baru ini, semuanya bertemu pada nilai sekitar 70 km / s per megaparsec. Akurasi yang baik dicapai hanya setahun sebelumnya: analisis data satelit Plank, yang mengukur anisotropi radiasi CMB, menghasilkan konstanta Hubble 67,4 ± 0,5 km / s / Mpc. Kolaborasi Survei Energi Gelap, yang mempelajari fluktuasi densitas materi di Semesta menggunakan jaringan teleskop optik, mendapat hasil yang sama.

Tapi 2019 membawa kejutan. Beberapa kelompok yang mengumpulkan statistik jangka panjang pada berbagai objek ruang angkasa - quasar , Cepheids , space maser - berkumpul pada nilai sekitar 74 km / s / Mpc (titik biru pada grafik). Berbeda dengan hasil tahun lalu, dalam semua pekerjaan ini, jarak ke fasilitas yang ada diukur. Fluktuasi radiasi peninggalan dan kepadatan materi mencerminkan apa yang terjadi pada awal alam semesta. Sebagai hasilnya, kami memiliki perbedaan lebih dari empat standar deviasi antara nilai-nilai untuk alam semesta awal dan saat ini, yang tidak diragukan menarik dan setidaknya memunculkan diskusi tentang fisika baru.

Di sini Anda dapat menemukan banyak titik kontroversial: misalnya, jarak ke banyak objek dikalibrasi menggunakan lilin standar yang sama, sehingga tidak dapat dianggap independen. Cherry pada kue adalah pengukuran yang dilakukan oleh raksasa merah supermasif (red dot): ini memberikan hasil kompromi 69,8 km / s / Mpc, tetapi, ironisnya, kalibrasi jarak ke raksasa merah ini bahkan kurang akurat. Sekarang ada perdebatan yang cukup aktif di masyarakat tentang topik ini, dan alasan perbedaan masih belum jelas. Saya ingin percaya bahwa dalam waktu dekat paradoks akan mulai terselesaikan.

Jari-jari proton

Sesuatu yang serupa terjadi di microworld: pengukuran ukuran proton (lebih tepatnya, radius muatannya) memberikan hasil yang berbeda . Dan perbedaan di sini bahkan lebih signifikan.

Secara umum, ada dua cara sederhana untuk mengukur jari-jari proton:

• Elektron membombardir proton: semakin dekat elektron terbang ke proton, semakin menarik lengkungan jalurnya. Dengan menggunakan pola hamburan, seseorang dapat merekonstruksi jari-jari di mana muatan proton terkonsentrasi.
• Spektroskopi hidrogen. Inti hidrogen adalah proton, dan ukurannya mempengaruhi tingkat energi di mana elektron dapat berada. Dengan mengukur energi dua level secara bersamaan, Anda dapat menghitung jari-jari nukleus.

Kedua metode memberikan hasil yang sama: sekitar 0,875 femtometer. Pada tahun 2010, tim MPQ mengusulkan untuk mengganti elektron dalam atom hidrogen dengan muon, partikel elementer yang lebih berat dengan sifat serupa. Muon yang berat berputar lebih dekat ke proton, sehingga jari-jari proton memiliki efek yang lebih kuat pada tingkat energinya. Hasil pengukuran secara tak terduga kurang - 0,841 fm. Pengukuran diulang pada tahun 2013, hasilnya sama.

Sementara seluruh dunia berpikir mengapa muon hidrogen berperilaku khusus dan jika ada fisika baru di sini, MPQ memutuskan untuk mengulangi eksperimen dengan hidrogen biasa - dan sekali lagi mendapatkan jari-jari proton yang lebih kecil! Setahun kemudian, pada tahun 2018, spektroskopi tingkat lain dalam hidrogen biasa diulangi di Paris ... dan nilai jari-jari lama diperoleh! Di sini, penekanan diskusi telah bergeser ke arah pencarian kesalahan yang umum, hingga memperhitungkan perbedaan ketinggian antara kedua laboratorium: spektroskopi yang akurat pada dasarnya adalah perbandingan dengan frekuensi / waktu standar yang terkenal, dan menurut teori relativitas umum, waktu mengalir di Paris dan Munich dengan cara yang sedikit berbeda. untuk jarak yang berbeda ke pusat bumi.

Tahun lalu telah membuat saya senang dengan dua percobaan, dan bahkan dari benua lain. Pertama, sekelompok dari Toronto mengulangi percobaan dengan spektroskopi hidrogen dan mendapat hasil yang sama dengan MPQ. Dan segera itu dikonfirmasi oleh percobaan hamburan elektron-proton dari kolaborasi Amerika. Sejalan dengan ini, kelompok MPQ memulai eksperimen yang persis sama dengan yang dilakukan Prancis pada tahun 2018 - sebuah tes untuk kemampuan reproduksi yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sains modern! Sudah ada hasil awal, tetapi penulis belum mengungkapkannya - mereka hanya menarik karena mereka akan menarik. Alasan perbedaan ini masih belum diketahui, tetapi tampaknya semuanya akan menjadi jelas dalam waktu dekat.

Keunggulan kuantum

Pada musim gugur, Nature menerbitkan sebuah artikel di mana tim Google menunjukkan keunggulan kuantum . Chip kuantum 53-qubit mereka Sycamore mampu menyelesaikan masalah tertentu dalam 200 detik. Butuh 10 ribu tahun untuk menyelesaikannya dengan superkomputer klasik.

Tugas itu sendiri, di mana hasilnya ditampilkan, ternyata cukup dangkal. Komputer kuantum berbeda dari yang normal karena ia dapat, ahem, melakukan operasi kuantum yang tidak dapat diakses oleh komputer klasik (terima kasih, Cap!). Oleh karena itu, dalam percobaan, chip kuantum melakukan serangkaian operasi kuantum acak, dan komputer klasik mensimulasikan serangkaian tindakan yang sama.

Sebuah diskusi serius telah terbuka mengenai hasilnya. Sebagai contoh, peneliti IBM mengatakan bahwa algoritma klasik yang dioptimalkan akan menyelesaikan masalah bukan dalam ribuan tahun, tetapi dalam beberapa hari. Yang lebih akut adalah pertanyaan tentang koreksi kesalahan: memori kuantum sangat rapuh sehingga koreksi kesalahan perangkat lunak tidak disimpan di sini, dan mekanisme koreksi yang terkenal dalam perangkat keras menyulitkan arsitektur chip kuantum berdasarkan pesanan besarnya. Dan penskalaan chip kuantum dari puluhan qubit ke setidaknya ratusan jauh melampaui apa yang saat ini dapat dicapai. Oleh karena itu, hasil Google sangat beragam: ya, kami telah melangkah di ambang era kuantum, tetapi seberapa jauh kami bisa maju - dan apakah kami bisa sama sekali - masih belum diketahui.

Lampu Terkompresi untuk LIGO

Semua orang mendengar tentang penemuan gelombang gravitasi baru-baru ini dan Hadiah Nobel 2017 yang mengikutinya. Sekarang ada tiga observatorium gelombang gravitasi yang cukup sensitif di dunia: dua detektor LIGO di Amerika Serikat dan VIRGO di Italia. Ini adalah interferometer laser yang sangat akurat : untuk mencapai akurasi saat ini, kekuatan besar diinvestasikan untuk mengukur kebisingan dari berbagai alam dan mengoptimalkannya:

Saat ini, sumber utama kebisingan adalah suara tembakan kuantum cahaya (kurva lilac): hal ini disebabkan oleh fakta bahwa laser memancarkan foton secara acak. Kebisingan seperti itu dapat diatasi dengan menggunakan korelasi yang dirangsang oleh cahaya dalam sinar cahaya yang mendistribusikan kembali kebisingan dari intensitas cahaya ke dalam kebisingan fase, yang tidak berbahaya bagi tujuan kita. Teknik ini telah diuji pada interferometer GEO600 Jerman, dan tahun lalu akhirnya dioperasikan pada LIGO dan VIRGO . Rupanya, ini adalah aplikasi pertama dari cahaya terkompresi untuk menyelesaikan masalah praktis. Sekarang sensitivitas detektor akan meningkat secara signifikan (hingga dua kali dalam beberapa rentang frekuensi), dan kami berharap dapat mendengar fenomena yang lebih menarik dari sudut-sudut jauh Semesta.

Dan ini juga merupakan hasil khusus untuk Habr - baginya kita harus berterima kasih kepada Mikhail Shkaff , yang terlibat langsung dalam topik ini dan telah menulis banyak artikel menarik tentang LIGO dan tidak hanya. Terima kasih dan sukses baru!

Batas massa Neutrino

Neutrino tetap menjadi salah satu partikel elementer paling misterius: mereka praktis tidak berinteraksi dengan materi dan dapat dengan mudah melewati Bumi. Kita tahu bahwa mereka memiliki setidaknya beberapa massa dari osilasi neutrino: dalam perjalanan dari Matahari ke kita, bagian dari neutrino berubah menjadi neutrino dari jenis yang berbeda. Transformasi adalah proses dinamis, yang berarti bahwa waktu mengalir dalam kerangka referensi neutrino - yaitu, mereka terbang lebih lambat daripada kecepatan cahaya karena massa mereka.

Mengukur massa ini jauh lebih sulit. Batas bawahnya - sekitar 9 meV - kita tahu dari osilasi neutrino. Proyek KATRIN di Karlsruhe, Jerman, mengambil pengukuran batas atas. Idenya adalah untuk mengamati peluruhan radioaktif dari tritium menjadi helium-3, elektron, dan antineutrino: tidak mungkin untuk mendeteksi yang terakhir, tetapi Anda dapat mengukur kecepatan partikel yang tersisa dan menghitung energi yang hilang. Dalam praktiknya, paling mudah untuk bekerja dengan elektron: kecepatan tertinggi yang dapat dicapai berarti bahwa semua energi peluruhan telah masuk ke dalam neutrino dan elektron. Kasus seperti itu jarang terjadi, oleh karena itu, detektor harus dioptimalkan dengan baik untuk mendeteksi elektron dari energi tertentu.

Karena alasan ini, proyek KATRIN membutuhkan waktu yang lama untuk dipersiapkan, tetapi proyek ini memberikan hasil pertama setelah sebulan operasi: batas atas energi neutrino adalah 1,1 eV, yang menggandakan perkiraan sebelumnya. Direncanakan bahwa KATRIN akan mendapatkan statistik untuk lima tahun ke depan, meningkatkan akurasi hingga 0,2 eV. Dan eksperimen yang lebih maju berdasarkan ide yang sama dapat meningkatkan akurasi pengukuran hingga 40 meV.

Alih-alih sebuah kesimpulan

Menurut pendapat saya, tahun lalu ternyata sangat sosial: prestasi yang dia ingat adalah karena upaya bersama banyak kelompok, dan karena masalah baru - perbedaan di antara mereka. Kerja tim dalam sains - mulai dari eksperimen desktop hingga kolaborasi internasional - menjadi semakin penting untuk mencapai hasil yang bermakna. Saya berharap bahwa kami akan melakukan segala upaya untuk memastikan bahwa pekerjaan kami bahkan lebih produktif, dan bahwa hasil tahun yang akan datang tidak kalah menarik.

Berdasarkan Quanta Magazine , Science dan American Physical Society .