Resultados Físicos do Ano - 2019

Olá Habr! Na primeira semana de trabalho do ano novo, é hora de olhar para trás e lembrar os sucessos de 2019. O ano passado foi lembrado por avanços tecnológicos e novos problemas científicos. Vamos dar uma olhada nos resultados mais interessantes.

Retrato de buraco negro

Na primavera, a colaboração do Event Horizon Telescope apresentou ao mundo a primeira imagem de um buraco negro supermassivo na galáxia M87 vizinha. Este foi um excelente resultado de um trabalho gigantesco - por vários dias, oito observatórios de rádio ao redor do mundo, incluindo a Antártica, observaram simultaneamente um buraco negro. Os dados foram processados ​​em clusters no MIT e MPIfR e entregues em discos rígidos - não é realista transferir o volume de petabytes na Internet de observatórios remotos (especialmente da Antártica). Mais alguns meses foram gastos no processamento e reconstrução de imagens. Uma boa história sobre os detalhes de um experimento pode ser lida, por exemplo, em Elementos ( um , dois ) ou em N + 1 .

Na própria imagem, vemos um disco de acréscimo - uma substância aquecida, girando em espiral antes de cair em um buraco negro. O ponto no centro não é o buraco negro propriamente dito, mas a sombra: a luz que passa perto do buraco negro é dobrada devido a lentes gravitacionais; portanto, a sombra é várias vezes maior que o horizonte de eventos do buraco negro.

O disco de acréscimo desse buraco negro é virado em nossa direção por seu plano. Se estivesse localizado de lado para nós (como os anéis de Saturno), veríamos algo semelhante a um buraco negro da Interestelar. Infelizmente, a astronomia é uma ciência exclusivamente observacional: não temos a menor chance de influenciar esses processos grandiosos ou até de olhá-los de um ângulo diferente, devido à grande distância que eles têm.

Resta acrescentar que esta imagem sozinha não prova a presença de buracos negros - estamos confiantes em sua existência devido à massa de outros resultados. Seu valor é mais provável em confirmar nossas idéias sobre o que está acontecendo nos núcleos das galáxias. E, é claro, na criação de uma enorme colaboração internacional que permite observações sistemáticas com um telescópio do tamanho da Terra. Num futuro próximo, a inclusão de novos telescópios de menor comprimento de onda na rede e o estudo da dinâmica de processos em torno de buracos negros nos núcleos do M87 e da Via Láctea.

Problemas constantes do Hubble

Nosso universo está se expandindo: as distâncias entre galáxias vizinhas estão aumentando constantemente; a taxa dessa expansão é determinada pela constante Hubble. Suas medições precisas são a tarefa mais importante para a cosmologia e, ao mesmo tempo, a tarefa é muito difícil. Até recentemente, tudo convergia a um valor de cerca de 70 km / s por megaparsec. A boa precisão foi alcançada apenas no ano anterior: uma análise dos dados do satélite Plank, que mediu a anisotropia da radiação CMB, levou a uma constante de Hubble de 67,4 ± 0,5 km / s / Mpc. A colaboração do Dark Energy Survey, que estudou flutuações na densidade da matéria no Universo usando uma rede de telescópios ópticos, obteve o mesmo resultado.

Mas 2019 trouxe surpresas. Vários grupos que coletaram estatísticas de longo prazo sobre vários objetos espaciais - quasares , cefeidas , masters espaciais - convergiram a um valor de cerca de 74 km / s / Mpc (pontos azuis no gráfico). Em contraste com os resultados do ano passado, em todos esses trabalhos, a distância até as instalações existentes foi medida. As flutuações da radiação relíquia e a densidade da matéria refletem o que aconteceu no início do Universo. Como resultado, temos uma diferença de mais de quatro desvios-padrão entre os valores do Universo primitivo e atual, o que é indubitavelmente intrigante e pelo menos gera discussões sobre a nova física.

Aqui você pode encontrar muitos pontos controversos: por exemplo, as distâncias para muitos dos objetos foram calibradas usando as mesmas velas padrão, para que não possam ser consideradas independentes. A cereja no bolo é uma medida feita por gigantes supermassivos vermelhos (ponto vermelho): fornece um resultado de compromisso de 69,8 km / s / Mpc, mas, ironicamente, a calibração das distâncias para esses gigantes vermelhos é ainda menos precisa. Agora, há um debate bastante ativo na comunidade sobre esse tópico, e o motivo da discrepância ainda não está claro. Eu gostaria de acreditar que em um futuro próximo o paradoxo começará a ser resolvido.

Raio de prótons

Algo semelhante acontece no microworld: medições do tamanho de um próton (mais precisamente, seu raio de carga) fornecem resultados diferentes . E as discrepâncias aqui são ainda mais significativas.

Em geral, existem duas maneiras simples de medir o raio de um próton:

• O elétron bombardeia um próton: quanto mais próximo o elétron voa do próton, mais atraente é a curvatura de seu caminho. Usando o padrão de dispersão, é possível reconstruir o raio no qual a carga de prótons está concentrada.
• Espectroscopia de hidrogênio. O núcleo de hidrogênio é o próton, e seu tamanho afeta os níveis de energia nos quais o elétron pode estar. Medindo simultaneamente a energia de dois níveis, você pode calcular o raio do núcleo.

Ambos os métodos deram o mesmo resultado: cerca de 0,875 femtômetros. Em 2010, a equipe do MPQ propôs substituir o elétron no átomo de hidrogênio por um múon, uma partícula elementar mais pesada com propriedades semelhantes. O múon pesado gira mais perto do próton, de modo que o raio do próton tem um efeito mais forte em seus níveis de energia. O resultado da medição foi inesperadamente menor - 0,841 fm. As medições foram repetidas em 2013, o resultado foi o mesmo.

Enquanto o mundo inteiro pensava por que o hidrogênio do múon se comporta de uma maneira especial e se existe alguma nova física aqui, a MPQ decidiu repetir o experimento com o hidrogênio comum - e novamente obteve um raio de próton menor! Um ano depois, em 2018, a espectroscopia de outros níveis no hidrogênio comum foi repetida em Paris ... e o antigo valor do raio foi obtido! Aqui, a ênfase das discussões mudou para a busca de erros comuns, até levar em conta a diferença de altura entre os dois laboratórios: a espectroscopia precisa é essencialmente uma comparação com o conhecido padrão de frequência / tempo e, de acordo com a teoria geral da relatividade, o tempo flui em Paris e Munique de maneiras ligeiramente diferentes. por diferentes distâncias para o centro da terra.

O ano passado já me agradou com dois experimentos e até de outro continente. Primeiro, um grupo de Toronto repetiu o experimento com espectroscopia de hidrogênio e obteve o mesmo resultado que o MPQ. E logo foi confirmado pelo experimento de espalhamento de elétrons e prótons da colaboração americana. Paralelamente, o grupo MPQ iniciou exatamente o mesmo experimento que os franceses realizaram em 2018 - um teste de reprodutibilidade sem precedentes na ciência moderna! Já existem resultados preliminares, mas os autores ainda não os divulgaram - eles são apenas intrigantes, pois serão interessantes. A razão da discrepância ainda é desconhecida, mas aparentemente tudo ficará claro no futuro próximo.

Superioridade quântica

No outono, a Nature publicou um artigo em que a equipe do Google demonstrava superioridade quântica . Seu chip quântico de 53 qubit, Sycamore, conseguiu resolver um problema específico em 200 segundos. Levaria 10 mil anos para resolvê-lo em um supercomputador clássico.

A tarefa em si, na qual o resultado foi mostrado, acabou sendo bastante banal. Um computador quântico difere do normal, pois pode, ahem, executar operações quânticas inacessíveis aos computadores clássicos (obrigado, Cap!). Portanto, no experimento, o chip quântico executou um conjunto aleatório de operações quânticas e um computador clássico simulou o mesmo conjunto de ações.

Uma discussão séria se desenrolou em torno do resultado. Por exemplo, os pesquisadores da IBM dizem que um algoritmo clássico otimizado resolveria o problema não em milhares de anos, mas em alguns dias. Ainda mais aguda é a questão da correção de erros: a memória quântica é tão frágil que a correção de erros de software não salva aqui, e mecanismos de correção conhecidos no hardware complicam a arquitetura dos chips quânticos por ordens de magnitude. E escalar chips quânticos de dezenas de qubits a pelo menos centenas está muito além do que é atualmente alcançável. Portanto, o resultado do Google é muito misto: sim, subimos no limiar da era quântica, mas até onde podemos avançar - e se é que podemos - permanece desconhecido.

Luz comprimida para LIGO

Todos ouviram falar da recente descoberta de ondas gravitacionais e do Prêmio Nobel de 2017 que se seguiu. Agora, existem três observatórios suficientemente sensíveis das ondas gravitacionais no mundo: dois detectores LIGO nos Estados Unidos e VIRGO na Itália. Estes são interferômetros a laser incrivelmente precisos : para alcançar a precisão atual, enormes forças foram investidas na medição de ruídos de diversas naturezas e na otimização deles:

Hoje, a principal fonte de ruído é o ruído quântico da luz (curva lilás): é causado pelo fato de o laser emitir fótons em momentos aleatórios. Esse ruído pode ser tratado usando correlações induzidas pela luz compactada em um raio de luz que redistribui o ruído da intensidade da luz no ruído de sua fase, o que é inofensivo ao nosso objetivo. Essa técnica já foi testada no interferômetro alemão GEO600 e, no ano passado, foi finalmente colocada em operação no LIGO e no VIRGO . Aparentemente, esta é a primeira aplicação de luz compactada para resolver problemas práticos. Agora, a sensibilidade dos detectores aumentará significativamente (até duas vezes em algumas faixas de frequência), e esperamos ouvir fenômenos mais interessantes dos cantos distantes do Universo.

E este também é um resultado especial para Habr - para ele, devemos agradecer a Mikhail Shkaff , que está diretamente envolvido neste tópico e escreveu muitos artigos interessantes sobre o LIGO e não apenas. Obrigado e novos sucessos!

Limite de massa de neutrinos

Os neutrinos continuam sendo uma das partículas elementares mais misteriosas: eles praticamente não interagem com a matéria e podem facilmente passar através da Terra. Sabemos que eles têm pelo menos alguma massa de oscilações de neutrinos: a caminho do Sol para nós, parte do neutrino se transforma em um neutrino de um tipo diferente. A transformação é um processo dinâmico, o que significa que o tempo flui no referencial de neutrinos - ou seja, eles voam mais devagar que a velocidade da luz devido à sua massa.

Medir essa massa é muito mais difícil. Seu limite inferior - cerca de 9 meV - sabemos de oscilações de neutrinos. O projeto KATRIN em Karlsruhe, Alemanha, adotou a medição do limite superior. A idéia era observar o decaimento radioativo do trítio no hélio-3, um elétron e um antineutrino: é impossível detectar o último, mas você pode medir as velocidades das partículas restantes e calcular a energia que está faltando. Na prática, é mais fácil trabalhar com elétrons: as velocidades mais altas alcançáveis ​​significam que toda a energia de decomposição foi transferida para o neutrino e o elétron. Esses casos não são frequentes; portanto, o detector deve ser bem otimizado para detectar elétrons de uma determinada energia.

Por esse motivo, o projeto KATRIN levou muito tempo para ser preparado, mas deu o primeiro resultado após um mês de operação: o limite superior de energia de neutrinos foi de 1,1 eV, o que dobrou a estimativa anterior. Está previsto que o KATRIN obtenha estatísticas por mais cinco anos, melhorando a precisão para 0,2 eV. E experimentos mais avançados baseados na mesma idéia podem aumentar a precisão da medição para 40 meV.

Em vez de uma conclusão

Na minha opinião, o ano passado acabou sendo muito social: as conquistas que ele lembrou devem-se aos esforços conjuntos de muitos grupos e a novas questões - as diferenças entre eles. O trabalho em equipe na ciência - desde experimentos em computadores até colaborações internacionais - está se tornando cada vez mais importante para alcançar resultados significativos. Espero que envidemos todos os esforços para garantir que nosso trabalho seja ainda mais produtivo e que os resultados do próximo ano não sejam menos interessantes.

Baseado na revista Quanta , na Science e na American Physical Society .