Stāsts

Jauna matērijas forma, ko radījuši zinātnieki, izmantojot gaismu

Jauna matērijas forma, ko radījuši zinātnieki, izmantojot gaismu


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kad mēs runājam par matēriju, mūsu prātā parasti ir kaut kas pēc būtības, ko mēs varam pieskarties un turēt. Tomēr Hārvardas un MIT zinātnieki ir apšaubījuši mūsu uzskatus par matēriju un veidu, kā mēs uztveram gaismu, atklājot veidu, kā fotonus (daļiņu, kas attēlo gaismas kvantu) var izmantot molekulu veidošanai.

Šis atklājums, pēc Hārvardas universitātes profesora Mihaila Lūkina teiktā, ir pretrunā ar to, kas gadsimtiem ir pieņemts par gaismas dabu, proti, ka fotoni ir elementāras daļiņas, kurām nav masas un kuras nesadarbojas viena ar otru.

Zinātniskajai komandai izdevās izveidot vidi, kurā fotoni mijiedarbojas tik spēcīgā veidā, ka tie veido molekulas un rada masu.

Šādam atklājumam nākotnē varētu būt daudz pielietojumu, tiklīdz tā mehānika tiks izprasta labāk. Pirmā lielā palīdzība būs kvantu datoros, kur tie, iespējams, varēs manipulēt ar fotoniem un veikt loģiskas darbības molekulārā līmenī. Lai nākotnē to sasniegtu vēl vairāk, iespējams, ka no gaismas būs iespējams izveidot sarežģītas trīsdimensiju struktūras, piemēram, kristālus.

Par šo jauno tēmu ir jāveic daudz pētījumu. Galu galā tā ir jauna matērijas forma, ar kuru mēs nekad iepriekš neesam saskārušies. Kā teica profesors Lukins: "Mēs to darām prieka pēc un tāpēc, ka mēs virzāmies uz zinātnes robežām."

Izskatās, ka zvaigžņu karu gaismas zobens galu galā var kļūt par realitāti ...


    Gaismas pētījumu vēsture

    Daudzi pētnieki laikmetā ir uzņēmušies izaicinājumu noskaidrot, kas ir gaisma? & Rdquo
    Optika kopā ar mehāniku ir pazīstama kā vecākā disciplīna.
    Gaismas izpētes progresu ir guvuši šeit iepazīstinātie lielie zinātnieki no dažādām jomām, vienlaikus vadot citu disciplīnu un cieši iesaistoties rūpniecības un kultūras izaugsmē.


    Saturs

    Masas saglabāšanas likumu klasiskajā mehānikā var formulēt tikai tad, ja ar atsevišķu sistēmu saistītās enerģijas skalas ir daudz mazākas nekā mc 2 >, kur m ir a masa tipisks sistēmas objekts, ko mēra atskaites sistēmā, kur objekts atrodas miera stāvoklī, un c < displaystyle c> ir gaismas ātrums.

    Likumu var matemātiski formulēt šķidruma mehānikas un nepārtrauktības mehānikas jomās, kur masas saglabāšanu parasti izsaka, izmantojot nepārtrauktības vienādojumu, kas dots diferenciālā formā kā

    kur ρ < texttyle rho> ir blīvums (masa uz tilpuma vienību), t < texttyle t> ir laiks, ∇ ⋅ < texttyle nabla cdot> ir novirze un v < texttyle mathbf > ir plūsmas ātruma lauks. Masas nepārtrauktības vienādojuma interpretācija ir šāda: attiecībā uz noteiktu sistēmas slēgtu virsmu virsmas norobežotās masas laika izmaiņas ir vienādas ar masu, kas šķērso virsmu, pozitīva, ja viela ieiet, un negatīva, ja lieta iziet. Visai izolētai sistēmai šis nosacījums nozīmē, ka kopējā masa M < texttyle M>, visu sistēmas komponentu masu summa, nemainās laikā, t.i.

    kur d V < texttyle < text> V> ir diferenciālis, kas nosaka integrālu visā sistēmas tilpumā.

    Masas nepārtrauktības vienādojums ir daļa no Eilera šķidruma dinamikas vienādojumiem. Daudzi citi konvekcijas -difūzijas vienādojumi apraksta masas un vielas saglabāšanu un plūsmu noteiktā sistēmā.

    Ķīmijā reaģējošo vielu un produktu daudzuma aprēķināšana ķīmiskajā reakcijā jeb stehiometrija ir balstīta uz masas saglabāšanas principu. Princips nozīmē, ka ķīmiskās reakcijas laikā reaģentu kopējā masa ir vienāda ar produktu kopējo masu. Piemēram, sekojošā reakcijā

    kur viena metāna molekula (CH
    4 ) un divas skābekļa molekulas O
    2 tiek pārvērsti vienā oglekļa dioksīda molekulā (CO
    2 ) un divi ūdens (H
    2 O). Reakcijas rezultātā iegūto molekulu skaitu var noteikt pēc masas saglabāšanas principa, jo sākotnēji ir četri ūdeņraža atomi, 4 skābekļa atomi un viens oglekļa atoms (kā arī gala stāvoklī), tad ūdens molekulu skaits saražotā oglekļa dioksīda molekulai jābūt tieši diviem.

    Daudzas inženiertehniskās problēmas tiek atrisinātas, ievērojot konkrētās sistēmas masas sadalījumu laikā; šī prakse ir pazīstama kā masas bilance.

    Svarīga ideja sengrieķu filozofijā bija tāda, ka "nekas nenāk no nekā", tāpēc tas, kas pastāv tagad, vienmēr ir bijis: neviena jauna matērija nevar rasties tur, kur tās nebija agrāk. Skaidrs paziņojums par to, kā arī vēl viens princips, ka nekas nevar pāriet uz neko, ir atrodams Empedoklē (ap 4.gs.pmē.) lai tas tiktu radīts vai dzirdēts, ka tas, kas ir, ir pilnībā jāiznīcina. " [4]

    Vēl vienu saglabāšanas principu ap 3. gadsimtu pirms mūsu ēras paziņoja Epikurs, kurš, aprakstot Visuma dabu, rakstīja, ka "lietu kopums vienmēr bija tāds, kāds tas ir tagad, un būs vienmēr". [5]

    Džaina filozofija, filozofija, kas nav radīta, balstoties uz Mahavīras (6. gs. P.m.ē.) mācībām, [6] norāda, ka Visumu un tā sastāvdaļas, piemēram, matēriju, nevar iznīcināt vai radīt. Džaina tekstā Tattvarthasutra (2. gadsimtā pēc mūsu ēras) teikts, ka viela ir pastāvīga, bet tās veidus raksturo radīšana un iznīcināšana. [7] Matērijas saglabāšanas principu norādīja arī Nasīr al-Dīn al-Tūsī (ap 13. gs.). Viņš rakstīja, ka "matērijas ķermenis nevar pilnībā pazust. Tas tikai maina savu formu, stāvokli, sastāvu, krāsu un citas īpašības un pārvēršas citā sarežģītā vai elementārā matērijā". [8]

    Atklājumi ķīmijā Rediģēt

    Līdz 18. gadsimtam masas saglabāšanas princips ķīmisko reakciju laikā tika plaši izmantots, un tas bija svarīgs pieņēmums eksperimentu laikā, pat pirms definīcijas oficiālas noteikšanas [9], kā redzams Džozefa Bleka, Henrija Kavendiša un Žans Rejs. [10] Pirmais principu ieskicēja Mihails Lomonosovs 1756. gadā. Viņš, iespējams, to pierādīja eksperimentos un noteikti bija apspriedis šo principu 1748. gadā, sarakstoties ar Leonhardu Eileru [11], lai gan viņa apgalvojums par šo tēmu dažreiz tiek apstrīdēts. [12] [13] Saskaņā ar padomju fiziķa Jakova Dorfmana teikto:

    Universālo likumu Lomonosovs formulēja, pamatojoties uz vispārējiem filozofiskiem materiālistiskiem apsvērumiem, viņš nekad to neapšaubīja un nepārbaudīja, bet gluži pretēji - kalpoja viņam kā stabila izejas pozīcija visos pētījumos visas dzīves garumā. [14]

    Izsmalcinātāku eksperimentu sēriju vēlāk veica Antuāns Lavozjē, kurš 1773. gadā izteica savu secinājumu un popularizēja masas saglabāšanas principu. Principa demonstrācijas noraidīja tolaik populāro flogistona teoriju, kas apgalvoja, ka sadegšanas un siltuma procesos var iegūt vai zaudēt masu.

    Masas saglabāšana tūkstošiem gadu bija neskaidra, jo Zemes atmosfēras peldspēja ietekmēja gāzu svaru. Piemēram, koka gabals pēc dedzināšanas sver mazāk, šķiet, tas liek domāt, ka daļa no tās masas pazūd vai tiek pārveidota vai pazudusi. Tas netika noraidīts, kamēr netika veikti rūpīgi eksperimenti, kuros tika atļauts notikt ķīmiskām reakcijām, piemēram, rūsēšanai aizzīmogotās stikla ampulās, un tika konstatēts, ka ķīmiskā reakcija nemaina aizzīmogotā trauka svaru un tā saturu. Gāzu nosvēršana, izmantojot svarus, nebija iespējama līdz vakuumsūkņa izgudrošanai 17. gadsimtā.

    Kad masa tika saprasta, tai bija liela nozīme, pārejot no alķīmijas uz mūsdienu ķīmiju. Kad agrīnie ķīmiķi saprata, ka ķīmiskās vielas nekad nepazūd, bet tiek pārveidotas tikai par citām vielām ar tādu pašu svaru, šie zinātnieki pirmo reizi varēja uzsākt vielu pārvērtību kvantitatīvos pētījumus. Ideja par masveida saglabāšanu, kā arī pieņēmums, ka dažas "elementāras vielas" arī nevar pārvērst citos ķīmisku reakciju rezultātā, savukārt lika saprast ķīmiskos elementus, kā arī ideja, ka visi ķīmiskie procesi un pārvērtības (piemēram, dedzināšana) un vielmaiņas reakcijas) ir reakcijas starp šo ķīmisko elementu nemainīgajiem daudzumiem vai svariem.

    Pēc Lavozjē novatoriskā darba Žana Stasa izsmeļošie eksperimenti atbalstīja šī likuma konsekvenci ķīmiskajās reakcijās [15], lai gan tie tika veikti ar citiem nodomiem. Viņa pētījumi [16] [17] norādīja, ka noteiktās reakcijās zaudējumi vai ieguvumi nevarēja būt lielāki par 2 līdz 4 daļām no 100 000. [18] Atšķirība starp precizitāti, kuru, no vienas puses, mērķēja un sasniedza Lavozjē, bet Morlijs un Stass, no otras puses, ir milzīga. [19]

    Mūsdienu fizika Rediģēt

    Masas saglabāšanas likums tika apstrīdēts līdz ar īpašās relativitātes parādīšanos. Vienā no Alberta Einšteina dokumentiem Annus Mirabilis 1905. gadā viņš ierosināja līdzvērtību starp masu un enerģiju. Šī teorija ietvēra vairākus apgalvojumus, piemēram, ideju, ka sistēmas iekšējā enerģija varētu veicināt visas sistēmas masu vai ka masu varētu pārvērst elektromagnētiskajā starojumā. Tomēr, kā norādīja Makss Planks, masas izmaiņas, kas rodas, iegūstot vai pievienojot ķīmisko enerģiju, kā to paredz Einšteina teorija, ir tik nelielas, ka to nevarēja izmērīt ar pieejamajiem instrumentiem un nevarēja uzrādīt kā testu. uz īpašo relativitāti. Einšteins spekulēja, ka enerģija, kas saistīta ar jaunatklāto radioaktivitāti, ir pietiekami nozīmīga, salīdzinot ar to sistēmu masu, kas to rada, lai varētu izmērīt to masas izmaiņas, tiklīdz reakcijas enerģija ir izņemta no sistēmas. Tas vēlāk patiešām izrādījās iespējams, lai gan galu galā tā bija pirmā mākslīgā kodola transmutācijas reakcija 1932. gadā, ko pierādīja Kokrofts un Voltons, un tas izrādījās pirmais veiksmīgais Einšteina teorijas tests par masu zudumiem un enerģijas zudumiem.

    Masas saglabāšanas likums un līdzīgais enerģijas saglabāšanas likums beidzot tika atcelti ar vispārīgāku principu, kas pazīstams kā masas un enerģijas ekvivalence. Īpašā relativitāte arī no jauna definē masas un enerģijas jēdzienu, ko var izmantot savstarpēji aizvietojami un kas attiecas uz atskaites sistēmu. Konsekvences labad bija jādefinē vairākas definīcijas atpūtas masa daļiņu (masa daļiņas pārējā rāmī) un relativistiskā masa (citā kadrā). Pēdējais termins parasti tiek lietots retāk.

    Speciālās relativitātes rediģēšana

    Īpašajā relativitātē masas saglabāšana netiek piemērota, ja sistēma ir atvērta un enerģija izplūst. Tomēr tas joprojām attiecas uz pilnīgi slēgtām (izolētām) sistēmām. Ja enerģija nevar izkļūt no sistēmas, tās masa nevar samazināties. Relativitātes teorijā, kamēr sistēmā tiek saglabāta jebkura veida enerģija, šai enerģijai ir masa.

    Turklāt masa ir jānošķir no matērijas, jo matērija var jābūt perfekti konservētiem izolētās sistēmās, lai gan šādās sistēmās vienmēr tiek saglabāta masa. Tomēr ķīmijā matērija ir tik gandrīz saglabājusies, ka vielas saglabāšanas pārkāpumi netika izmērīti līdz kodola laikmetam, un pieņēmums par vielas saglabāšanu joprojām ir svarīgs praktisks jēdziens lielākajā daļā sistēmu ķīmijā un citos pētījumos, kas neietver raksturīgās lielās enerģijas radioaktivitāte un kodolreakcijas.

    Ar ķīmisko enerģijas daudzumu saistītā masa ir pārāk maza, lai izmērītu Edit

    19. gadsimta laikā nepamanīja masas izmaiņas noteiktās atvērtās sistēmās, kurās atomiem vai masīvām daļiņām nav ļauts izplūst, bet cita veida enerģijai (piemēram, gaismai vai siltumam) ir atļauts iekļūt, izkļūt vai apvienoties. jo masas izmaiņas, kas saistītas ar neliela daudzuma siltuma vai starojuma enerģijas pievienošanu vai zudumu ķīmiskās reakcijās, ir ļoti nelielas. (Teorētiski masa vispār nemainītos eksperimentos, kas veikti izolētās sistēmās, kur siltums un darbs nebija atļauts iekļūt vai iziet.)

    Masveida saglabāšana paliek pareiza, ja netiek zaudēta enerģija Rediģēt

    Relatīvistiskās masas saglabāšana nozīmē viena novērotāja viedokli (vai skatu no viena inerciāla rāmja), jo mainot inerciālos rāmjus, var mainīties sistēmas kopējā enerģija (relativistiskā enerģija), un šis daudzums nosaka relativistisko masu.

    Princips, ka daļiņu sistēmas masai jābūt vienādai ar to atpūtas masu summu, kaut arī klasiskajā fizikā tā ir patiesība, īpašā relativitātes teorijā var būt nepatiesa. Iemesls, kāpēc atpūtas masas nevar vienkārši pievienot, ir tas, ka netiek ņemtas vērā citas enerģijas formas, piemēram, kinētiskā un potenciālā enerģija, un bez masas esošās daļiņas, piemēram, fotoni, kas visi var (var arī neietekmēt) kopējo masu. sistēmas.

    Lai pārvietotu masīvas daļiņas sistēmā, dažādu daļiņu atpūtas masu pārbaude nozīmē arī daudzu dažādu inerciālu novērošanas rāmju ieviešanu (kas ir aizliegts, ja tiek saglabāta kopējā sistēmas enerģija un impulss), kā arī tad, ja atrodas vienas sistēmas atpūtas rāmī. daļiņu, šī procedūra ignorē citu daļiņu būtību, kas ietekmē sistēmas masu, ja pārējās daļiņas ir kustībā šajā kadrā.

    Īpaša veida masai, ko sauc par nemainīgu masu, inerciālā novērošanas rāmja maiņa visai slēgtajai sistēmai neietekmē sistēmas nemainīgās masas mērījumu, kas paliek gan saglabāts, gan nemainīgs (nemainīgs) pat dažādiem novērotājiem, kuri uzskata, ka visu sistēmu. Nemainīgā masa ir enerģijas un impulsa sistēmas kombinācija, kas ir nemainīga jebkuram novērotājam, jo ​​jebkurā inerciālā rāmī dažādu daļiņu enerģijas un momenti vienmēr tiek pievienoti vienam un tam pašam daudzumam (impulss var būt negatīvs, tāpēc papildinājums ir atņemšana). Nemainīgā masa ir sistēmas relativistiskā masa, skatoties impulsa rāmja centrā. Tā ir minimālā masa, ko sistēma var uzrādīt, skatoties no visiem iespējamiem inerciālajiem rāmjiem.

    Gan relativistiskās, gan nemainīgās masas saglabāšana attiecas pat uz daļiņu sistēmām, kas radītas pāra ražošanas rezultātā, kur enerģija jaunām daļiņām var nākt no citu daļiņu kinētiskās enerģijas vai no viena vai vairākiem fotoniem kā daļa no sistēmas, kas papildus citām daļiņām ietver arī citas daļiņas fotonu. Atkal, ne relativistiskā, ne nemainīgā pilnīgi slēgto (tas ir, izolēto) sistēmu masa nemainās, kad tiek radītas jaunas daļiņas. Tomēr dažādi inerces novērotāji nepiekritīs šīs konservētās masas vērtībai, ja tā ir relativistiskā masa (t.i., relativistiskā masa ir saglabāta, bet nav nemainīga). Tomēr visi novērotāji vienojas par konservētās masas vērtību, ja izmērītā masa ir nemainīgā masa (t.i., nemainīgā masa ir gan saglabāta, gan nemainīga).

    Masas un enerģijas ekvivalences formula sniedz atšķirīgas prognozes neizolētās sistēmās, jo, ja enerģijai ļaus izkļūt no sistēmas, izbēgs arī relativistiskā masa un nemainīgā masa. Šajā gadījumā masas un enerģijas ekvivalences formula paredz, ka mainīt masas sistēmā ir saistīta ar mainīt savā enerģijā sakarā ar enerģijas pievienošanu vai atņemšanu: Δ m = Δ E / c 2. < displaystyle Delta m = Delta E/c^<2>.> Šī veidlapa, kas ietver izmaiņas, bija forma, kādā šo slaveno vienādojumu sākotnēji uzrādīja Einšteins. Šajā ziņā masas izmaiņas jebkurā sistēmā tiek izskaidrotas vienkārši, ja tiek ņemta vērā sistēmā pievienotās vai no tās izņemtās enerģijas masa.

    Formula paredz, ka saistīto sistēmu nemainīgā masa (sistēmas atpūtas masa) ir mazāka par to daļu summu, ja pēc sistēmas sasaistīšanas ir atļauts iziet no sistēmas. Tas var notikt, pārveidojot sistēmas potenciālo enerģiju cita veida aktīvajā enerģijā, piemēram, kinētiskajā enerģijā vai fotonos, kas viegli izplūst no saistītās sistēmas. Sistēmas masu atšķirība, ko sauc par masas defektu, ir saistošās enerģijas mērs saistītās sistēmās - citiem vārdiem sakot, enerģija, kas nepieciešama sistēmas sadalīšanai. Jo lielāks masas defekts, jo lielāka saistošā enerģija. Saistošā enerģija (kurai pašai ir masa) ir jāatbrīvo (kā gaisma vai siltums), kad detaļas apvienojas, veidojot saistīto sistēmu, un tāpēc saistītās sistēmas masa samazinās, kad enerģija iziet no sistēmas. [20] Kopējā nemainīgā masa faktiski tiek saglabāta, ja tiek ņemta vērā aizbēgušās saistošās enerģijas masa.

    Vispārējā relativitāte Rediģēt

    Vispārējā relativitātes teorijā kopējā nemainīgā fotonu masa pieaugošā telpas tilpumā samazināsies šādas izplešanās sarkanās nobīdes dēļ. Tāpēc gan masas, gan enerģijas saglabāšana ir atkarīga no dažādām teorijā veiktajām enerģijas korekcijām, jo ​​mainās šādu sistēmu gravitācijas potenciāla enerģija.


    Zinātnieki atklāj, kā pārvērst gaismu matērijā pēc 80 gadus ilgiem meklējumiem

    Imperiālie fiziķi ir atklājuši, kā radīt matēriju no gaismas - varoņdarbs šķita neiespējams, kad šī ideja tika teorētizēta pirms 80 gadiem.

    Tikai vienas dienas laikā pie vairākām kafijas tasītēm nelielā birojā Imperial & rsquos Blackett fizikas laboratorijā trīs fiziķi izstrādāja salīdzinoši vienkāršu veidu, kā fiziski pierādīt teoriju, ko zinātnieki Breits un Vīlers 1934. gadā pirmo reizi izstrādāja.

    Breits un Vīlers ierosināja, ka vajadzētu būt iespējai pārvērst gaismu matērijā, sašķeļot kopā tikai divas gaismas daļiņas (fotonus), lai radītu elektronu un pozitronu, un vienkāršākais veids, kā gaismu pārvērst matērijā. Aprēķins tika atzīts par teorētiski pamatotu, taču Breits un Vīlers sacīja, ka viņi nekad negaidīja, ka kāds fiziski parādīs savu prognozi. Laboratorijā nekad nav novērots, un iepriekšējos eksperimentos, lai to pārbaudītu, bija jāpievieno masīvas augstas enerģijas daļiņas.

    Jaunais pētījums, kas publicēts Nature Photonics, pirmo reizi parāda, kā Breit un Wheeler & rsquos teoriju varētu pierādīt praksē. Šis & lsquophoton-photon collider & rsquo, kas gaismu tieši pārvērstu matērijā, izmantojot jau pieejamo tehnoloģiju, būtu jauna veida augstas enerģijas fizikas eksperiments. Šis eksperiments atjaunos procesu, kas bija svarīgs Visuma pirmajās 100 sekundēs un kas redzams arī gamma staru uzliesmojumos, kas ir lielākie sprādzieni Visumā un viens no lielākajiem neatrisinātajiem fizikas noslēpumiem.

    Zinātnieki pētīja nesaistītas problēmas kodolsintēzes enerģijā, kad saprata, ka to, pie kā viņi strādā, var attiecināt uz Breit-Wheeler teoriju. Izrāviens tika panākts sadarbībā ar kolēģi teorētisko fiziķi no Maksa Planka Kodolfizikas institūta, kurš nejauši apmeklēja Imperial.

    Breit-Wheeler teorijas demonstrēšana sniegtu fizikas mīklas pēdējo mozaīkas gabalu, kurā aprakstīti vienkāršākie gaismas un matērijas mijiedarbības veidi (skat. Attēlu). Seši citi šīs mīklas gabali, ieskaitot Dirac & rsquos 1930 teoriju par elektronu un pozitronu iznīcināšanu un Einšteina & rsquos 1905 teoriju par fotoelektrisko efektu, ir saistīti ar Nobela prēmijas laureāta pētījumiem (skat. Attēlu).

    Profesors Stīvs Rouzs no Londonas Imperiālās koledžas Fizikas departamenta sacīja: & ldquo Neskatoties uz to, ka visi fiziķi teoriju atzīst par patiesu, Breits un Vīlers pirmo reizi ierosināja teoriju, viņi teica, ka nekad nav gaidījuši, ka tā tiks parādīta laboratorijā. Šodien, gandrīz 80 gadus vēlāk, mēs pierādām, ka viņi kļūdās. Tas, kas mums bija tik pārsteidzošs, bija atklājums, kā mēs varam radīt matēriju tieši no gaismas, izmantojot mūsdienās Apvienotajā Karalistē pieejamo tehnoloģiju. Tā kā mēs esam teorētiķi, mēs tagad runājam ar citiem, kuri var izmantot mūsu idejas, lai veiktu šo nozīmīgo eksperimentu. & Rdquo

    Teorijas, kas raksturo gaismas un matērijas mijiedarbību. Kredīts: Olivers Pike, Londonas Imperiālā koledža

    Zinātnieku ierosinātais sadursmes eksperiments ietver divus galvenos soļus. Pirmkārt, zinātnieki izmantotu ārkārtīgi spēcīgu augstas intensitātes lāzeru, lai elektronus paātrinātu līdz gaismas ātrumam. Pēc tam viņi izšautu šos elektronus zelta plāksnē, lai radītu fotonu staru, kas ir miljardu reižu enerģiskāks par redzamo gaismu.

    Nākamais eksperimenta posms ietver mazu zelta kārbu, ko sauc par hohlraum (vācu val. & Lsquoempty room & rsquo). Zinātnieki izšautu augstas enerģijas lāzeru pie šīs zelta kārbas iekšējās virsmas, lai radītu termiskā starojuma lauku, radot gaismu, kas līdzīga zvaigžņu izstarotajai gaismai.

    Pēc tam viņi novirzītu fotonu staru no eksperimenta pirmā posma caur kārbas centru, izraisot abu avotu fotonu sadursmi un veidojot elektronus un pozitronus. Pēc tam būtu iespējams noteikt elektronu un pozitronu veidošanos, kad tie iziet no kārbas.

    Vadošais pētnieks Olivers Pike, kurš pašlaik pabeidz doktora grādu plazmas fizikā, sacīja: & ldquoLai arī teorija ir konceptuāli vienkārša, to ir bijis ļoti grūti pārbaudīt eksperimentāli. Mēs varējām ļoti ātri attīstīt sadursmes ideju, taču mūsu piedāvāto eksperimentālo dizainu var veikt salīdzinoši viegli un ar esošajām tehnoloģijām. Dažu stundu laikā pēc tam, kad meklējām hohlraumu pielietojumu ārpus to tradicionālās lomas kodolsintēzes enerģijas pētniecībā, mēs bijām pārsteigti, konstatējot, ka tie nodrošina ideālus apstākļus fotonu sadursmes radīšanai. Skrējiens eksperimenta veikšanai un pabeigšanai ir sācies! & Rdquo

    Atsauce: Pike, O, J. et al. 2014. & lsquoFoton & ndashphoton collider in vakuuma hohlraum & rsquo. Nature Photonics, 2014. gada 18. maijs.


    Kāda nozīme būtu melnā cauruma izveidošanai LHC?

    Melnā cauruma izveide LHC apstiprinātu teorijas, ka mūsu Visums nav četrdimensiju (3 telpa plus 1 laika dimensija), bet patiešām mitina citas dimensijas. Tas būtu diezgan iespaidīgs filozofisks iznākums! Tādā pašā veidā, kā relativitātes teorija vai kvantu mehānika radīja revolūciju mūsu domāšanas veidā, papildu dimensiju esamības atklāšana būtu jauns pagrieziena punkts mūsu izpratnē par Visumu.

    Lai to zinātu, nav acīmredzama pielietojuma. Daudzi cilvēki sāks spekulēt par šo papildu dimensiju izmantošanu kosmosa un laika ceļojumiem vai kā tīras enerģijas avotu, un kas zina, kas vēl. [CERN]

    Tagad abonējiet šo emuāru, lai ikdienā savā iesūtnē iegūtu vairāk pārsteidzošu ziņu, kas tieši jums tiek veidotas (šeit ir mūsu jaunā biļetena piemērs).

    Jūs varat arī sekot mums Facebook un/ vai Twitter. Un, starp citu, jūs varat arī ziedot, izmantojot Paypal. Paldies!

    Jums patiešām vajadzētu abonēt QFiles. Jūs iegūsit ļoti interesantu informāciju par dīvainiem notikumiem visā pasaulē.


    Jauna matērijas forma, ko radījuši zinātnieki, izmantojot gaismu - vēsture

    Luiss de Broglijs, Matērija un gaisma: jaunā fizika, trans. W. H. Johnston (Allen & amp Unwin, 1937) prezentēts Heisenbergā, Fiziķa dabas jēdziens, 176-178.

    . Laboratorijas pētījumi pēdējo gadu laikā gandrīz katru dienu ir devuši vislielākās intereses rezultātus. Bet arī teorētiskā fizika, kuras funkcija ir nodrošināt eksperimentālās fizikas virzošo gaismu, nav palikusi dīkstāvē.

    Teorētiskās fizikas vēsturē pēdējo trīsdesmit gadu laikā ir divi lieliski orientieri: relativitātes teorija un kvantu teorija, divas visplašākās doktrīnas un relativitātes teorija ir mazāk cieši saistīta ar atomu fizika, tā ir pazīstamāka vīrietim uz ielas. Tās izcelsme meklējama dažās Gaismas izplatīšanās parādībās, kuras nevar izskaidrot ar vecākām teorijām, bet ar intelektuālu piepūli, kas vienmēr ieņems ievērojamu vietu zinātnes gadagrāmatās, Einšteins novērsa grūtības, ieviešot pilnīgi jaunas idejas par telpas un laika būtība un to savstarpējā saistība. Tādējādi radās šī ievērojamā relativitātes teorija, kas vēlāk sasniedza vēl vispārīgāku darbības jomu, sniedzot mums pilnīgi jaunu gravitācijas koncepciju. Ir taisnība, ka dažas no teorijas eksperimentālajām pārbaudēm ir bijušas un joprojām ir debates, taču ir pilnīgi droši, ka tā sniedz mums ārkārtīgi jaunus un auglīgus viedokļus. Tā ir parādījusi, kā dažu iepriekš pieņemtu ideju atcelšana, kas pieņemta ar ieradumu, nevis loģiku, ļāva pārvarēt šķēršļus, kas tiek uzskatīti par nepārvaramiem, un tādējādi atklāt neparedzētus apvāršņus, un fiziķiem relativitātes teorija ir bijis brīnišķīgs vingrinājums garīgās stingrības pārvarēšanai .

    Kvantu teorija un tās attīstība, ja tā nav tik plaši pazīstama, noteikti ir vismaz tikpat svarīga, jo, izmantojot šo teoriju, ir bijis iespējams izmantot eksperimentālās fizikas atklājumus, veidojot zinātni par atomu parādībām. Kad tika uzskatīts, ka ir nepieciešams precīzāks šo parādību apraksts, atklājās pamatfakts, ka obligāti jāievieš pilnīgi jauni jēdzieni, kas klasiskajai fizikai bija pilnīgi nezināmi. Lai aprakstītu atomu pasauli, nepietiek ar metodēm un attēliem, kas ir derīgi cilvēka vai astronomijas mērogā, pārvietot citā un ļoti mazākā mērogā. Mēs redzējām, ka pēc Bora zinātniekiem izdevās iedomāties, ka atomi ir miniatūras saules sistēmas, kurās elektroni spēlē planētu lomu, un izsekot to orbītām ap centrālo sauli ar pozitīvu lādiņu. Bet, lai šis attēls sniegtu patiešām vērtīgus rezultātus, vēl vairāk bija jāpieņem, ka atomu Saules sistēma ievēro kvantu likumus un tie ir pilnīgi atšķirīgi no likumiem, kas reglamentē sistēmas, ar kurām nodarbojas astronomija. Jo rūpīgāk šī atšķirība tika atkal apsvērta, jo vairāk sāka novērtēt tās plašo darbības jomu un fundamentālo nozīmi kvantu iejaukšanās rezultātā, kas radīja pārtraukuma ieviešanu atomu fizikā, un šim ievadam ir būtiska nozīme, jo bez tā atomi būtu būt nestabilam un matērija nevar pastāvēt.

    Mēs redzējām, ka elektronu dubultās dabas atklāšanai, kas vienlaikus bija korpuskulāra un nemainīga, sekoja izmaiņas kvantu teorijā, tāpēc pirms dažiem gadiem tam tika piešķirta jauna forma, ko sauc par viļņu mehāniku. Jaunā forma ir guvusi daudzus panākumus, un viļņu mehānika ir ļāvusi labāk izprast un prognozēt tās parādības, kas ir atkarīgas no atomu kvantēto stacionāro stāvokļu esamības. Katra zinātnes nozare, ieskaitot ķīmiju, ir guvusi labumu no jaunās teorijas radītā impulsa, jo tas ir radījis pilnīgi jaunu un interesantu ķīmisko kombināciju interpretācijas veidu.

    Tādējādi viļņu mehānikas attīstība ir piespiedusi fiziķus piešķirt saviem jēdzieniem arvien plašāku un plašāku darbības jomu. Jo saskaņā ar jaunajiem principiem dabas likumiem vairs nav tā stingrā rakstura, kāds tiem piemīt klasiskajā fizikā: parādības (citiem vārdiem sakot) vairs nav pakļautas stingram determinismam, bet tikai pakļaujas varbūtības likumiem. Slavenais nenoteiktības princips, ko izvirzīja Heizenbergs, sniedz precīzu šī fakta formulējumu. Pat cēloņsakarības un individualitātes jēdzieni ir jāpārbauda no jauna, un šķiet skaidrs, ka šī lielā krīze, kas ietekmē mūsu fizisko jēdzienu pamatprincipus, būs tādu filozofisku seku avots, kuras vēl nevar skaidri uztvert.


    "Einšteinam bija taisnība: jūs varat pārvērst enerģiju lietā"

    Būtībā vienādojums saka, ka masa un enerģija ir cieši saistītas. Atombumbas un kodolreaktori ir praktiski piemēri formulai, kas darbojas vienā virzienā, pārvēršot matēriju enerģijā.

    Bet līdz šim nav bijis iespējas rīkoties otrādi, pārvērst enerģiju matērijā. Īpaši grūti to padara tas c 2 termins, gaismas ātrums kvadrātā. Tas veido milzīgo enerģijas daudzumu, kas izdalās kodolreakcijās, un milzīgo daudzumu, kas jums jāievada, lai enerģiju pārvērstu matērijā.

    Iepriekšējie eksperimenti vienmēr ir prasījuši nelielu masu, pat ja tas bija tikai elektronu vērts.

    Alberta Einšteina slavenā formula atkal triumfē (Fotoattēls: DonkeyHotey)

    Taču Londonas Imperiālās koledžas zinātnieki (tostarp viesfiziķis no Vācijas Maksa Planka kodolfizikas institūta) domā, ka ir izdomājuši, kā enerģiju pārvērst tieši matērijā.

    Olivers Pīks, Fēlikss Makenrots, Edvards Hils un Stīvs Rouzs ir ierosinājuši veidu, kā pārvērst fotonu pāri, gaismas daļiņas, par elektronu un tā antidaļiņu - pozitronu.

    Viņi nāca klajā ar ideju nepilnas dienas laikā pie vairākām kafijas tasītēm Imperial's Blackett fizikas laboratorijā.

    Viņi sāka runāt par kodolsintēzi, taču saprata, ka viņu darbu var attiecināt uz kādu agrāku problēmu - ideju, ko 1934. gadā ierosināja divi ASV zinātnieki Gregorijs Breits un Džons Vīlers.

    Breits un Vīlers, kuri turpināja strādāt pie Amerikas Manhetenas projekta, lai izveidotu pirmo A bumbu, uzskatīja, ka teorētiski ir iespējams sasist divus fotonus kopā, lai iegūtu elektronu un pozitronu.

    "Neskatoties uz to, ka visi fiziķi teoriju atzīst par patiesu, kad Breits un Vīlers pirmo reizi ierosināja šo teoriju, viņi teica, ka nekad nav gaidījuši, ka tā tiks parādīta laboratorijā," sacīja profesors Rouzs. "Šodien, gandrīz 80 gadus vēlāk, mēs pierādām, ka viņi kļūdās."

    Viņu raksts Dabas fotonika ierosina izveidot jaunu sadursmju veidu, kas protonu vietā sagrauj fotonus, piemēram, Lielajā hadronu sadursmē CERN, kur pagājušajā gadā tika atklāts Higsa bozons.

    Viņu sasniegumam ir milzīgas sekas, tas ne tikai vēlreiz pierāda Einšteina teoriju aspektu, bet arī atjauno “procesu, kas bija svarīgs Visuma pirmajās 100 sekundēs un kas redzams arī gamma staru uzliesmojumos, kas ir lielākie sprādzieni. Visumā, ”sacīja Imperiāls.

    Pirmais solis būtu paātrināt elektronus ar augstas enerģijas lāzeru līdz gaismas ātrumam (300 000 km/s) un sasmalcināt tos zelta plāksnē, kas radītu miljardu reižu intensīvāku gaismas staru gaisma no Saules.

    Tas būtu vērsts dobā zelta apvalkā, ko sauc par a hohlraum (Vācu valoda - tukša istaba). Apvalks būtu satraukti ar citu lāzeru, lai radītu termiskā starojuma lauku, kas izstaro zvaigžņu gaismai līdzīgu gaismu.

    Kad abi gaismas avoti šķērso, daži sadursies un radīs elektronus un tiem atbilstošās antimateriālu daļiņas, pozitronus, kurus varētu noteikt, kad tie atstāja hohlraum. Viņi aprēķina, ka eksperimentā vajadzētu iegūt 100 000 daļiņu pāru.

    "Tas, kas mums bija tik pārsteidzošs, bija atklājums, kā mēs varam radīt matēriju tieši no gaismas, izmantojot mūsdienās pieejamo tehnoloģiju," sacīja Roze. “As we are theorists we are now talking to others who can use our ideas to undertake this landmark experiment.”

    Pike, the lead author on the paper, said: "Although the theory is conceptually simple, it has been very difficult to verify experimentally. We were able to develop the idea for the collider very quickly, but the experimental design we propose can be carried out with relative ease and with existing technology. Within a few hours of looking for applications of hohlraums outside their traditional role in fusion energy research, we were astonished to find they provided the perfect conditions for creating a photon collider. The race to carry out and complete the experiment is on."

    Among candidate locations for the experiment are the Omega laser in Rochester, New York and the Orion laser at Aldermaston, the UK atomic weapons facility in Berkshire.


    Artificial life breakthrough after scientists create new living organism using synthetic DNA

    In a major step toward creating artificial life, US researchers have developed a living organism that incorporates both natural and artificial DNA and is capable of creating entirely new, synthetic proteins.

    The work, published in the journal Daba, brings scientists closer to the development of designer proteins made to order in a laboratory.

    Previous work by Floyd Romesberg, a chemical biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California, showed that it was possible to expand the genetic alphabet of natural DNA beyond its current four letters: adenine(A), cytosine(C), guanine (G) and thymine(T).

    In 2014, Romesberg and colleagues created a strain of E. coli bacteria that contained two unnatural letters, X and Y.

    Ieteicams

    In the latest work, Romesberg’s team has shown that this partially synthetic form of E. coli can take instructions from this hybrid genetic alphabet to make new proteins.

    “This is the first time ever a cell has translated a protein using something other than G, C, A or T,” Romesberg said.

    Although the actual changes to the organism were small, the feat is significant, he said in a telephone interview. “It’s the first change to life ever made.”

    It’s a goal Romesberg has been working toward for the past 20 years. Creating new forms of life, however, is not the main point. Romesberg is interested in using this expanded genetic alphabet to create new types of proteins that can be used to treat disease.

    In 2014, he formed a company called Synthorx Inc, which is working on developing new protein-based treatments.

    Ieteicams

    “A lot of proteins that you want to use as drugs get cleared in the kidney very quickly,” Romesberg said. The new system would allow scientists to attach fat molecules to drugs to keep them in the body longer.

    Romesberg is aware that the creation of semi-synthetic organisms might raise concerns of hybrid life forms spreading beyond the lab, but the system they used makes such an escape unlikely.

    For example, in natural DNA, base pairs are attracted to each other through the bonding of hydrogen atoms. Romesberg’s X and Y bases are attracted through an entirely different process, which prevents them from accidentally bonding with natural bases.


    Scientists Create Solid Light

    On a late summer afternoon it can seem like sunlight has turned to honey,਋ut could liquid—or even solid—light be more than a piece of poetry? Princeton University electrical engineers say not only is it possible, they’ve already made it happen.

    In Physical Review X, the researchers reveal that they have locked individual photons together so that they become like a solid object.

    "It&aposs something that we have never seen before," says Dr. Andrew Houck, an associate professor of electrical engineering and one of the researchers. "This is a new behavior for light."

    The researchers constructed what they call an 𠇊rtificial atom” made of 100 billion atoms engineered to act like a single unit. They then brought this close to a superconducting wire carrying photons. In one of the almost incomprehensible behaviors unique to the quantum world, the atom and the photons became entangled so that properties passed between the 𠇊tom” and the photons in the wire. The photons started to behave like atoms, correlating with each other to produce a single oscillating system.

    As some of the photons leaked into the surrounding environment, the oscillations slowed and at a critical point started producing quantum divergent behavior. In other words, like Schroedinger&aposs Cat, the correlated photons could be in two states at once.

    "Here we set up a situation where light effectively behaves like a particle in the sense that two photons can interact very strongly," said co-author Dr. Darius Sadri. "In one mode of operation, light sloshes back and forth like a liquid in the other, it freezes."

    As cool as it is to produce solidified light, the team was not acting out of curiosity alone. When connected together the photons of light behave like subatomic particles, but are in some ways easier to study. Consequently, the team is hoping to use the solid light to simulate subatomic behavior.

    Attempts to model the behavior of large numbers of particles usually use statistical mechanics, and often simplify by assuming no interaction between particles and a system at equilibrium. However, in a point we can all relate to, Houck and his colleagues note, “The world around us is rarely in equilibrium.” The solidified light offers a chance to observe a subatomic system as it starts to diverge from equilibrium, with potential for a basic understanding of how these systems operate.

    The system created so far is very simple, with the light entangled with the atom at two points. However, it should be possible to increase this, greatly expanding the complexity and range of possibilities of what is being constructed.

    As well as providing an easy-to-study model of atomic systems that actually exist, Houck and his team hope the frozen light could be made to behave like materials that do not exist, but have been hypothesised by physicists, allowing them to explore how these things would react if they were real.


    Something from Nothing? A Vacuum Can Yield Flashes of Light

    A vacuum might seem like empty space, but scientists have discovered a new way to seemingly get something from that nothingness, such as light. And the finding could ultimately help scientists build incredibly powerful quantum computers or shed light on the earliest moments in the universe's history.

    Quantum physics explains that there are limits to how precisely one can know the properties of the most basic units of matter&mdashfor instance, one can never absolutely know a particle's position and momentum at the same time. One bizarre consequence of this uncertainty is that a vacuum is never completely empty, but instead buzzes with so-called &ldquovirtual particles&rdquo that constantly wink into and out of existence.

    These virtual particles often appear in pairs that near-instantaneously cancel themselves out. Still, before they vanish, they can have very real effects on their surroundings. For instance, photons&mdashpackets of light&mdashcan pop in and out of a vacuum. When two mirrors are placed facing each other in a vacuum, more virtual photons can exist around the outside of the mirrors than between them, generating a seemingly mysterious force that pushes the mirrors together.

    This phenomenon, predicted in 1948 by the Dutch physicist Hendrick Casimir and known as the Casimir effect, was first seen with mirrors held still . Researchers also predicted a dynamical Casimir effect that can result when mirrors are moved, or objects otherwise undergo change. Now quantum physicist Pasi Lähteenmäki at Aalto University in Finland and his colleagues reveal that by varying the speed at which light can travel, they can make light appear from nothing.

    The speed of light in a vacuum is constant, according to Einstein's theory of relativity, but its speed passing through any given material depends on a property of that substance known as its index of refraction. By varying a material's index of refraction, researchers can influence the speed at which both real and virtual photons travel within it. Lähteenmäki says one can think of this system as being much like a mirror, and if its thickness changes fast enough, virtual photons reflecting off it can receive enough energy from the bounce to turn into real photons. "Imagine you stay in a very dark room and suddenly the index of refraction of light [of the room] changes," Lähteenmäki says. "The room will start to glow."

    The researchers began with an array of 250 superconducting quantum-interference devices, or SQUIDs&mdashcircuits that are extraordinarily sensitive to magnetic fields. They inserted the array inside a refrigerator. By carefully exerting magnetic fields on this array, they could vary the speed at which microwave photons traveled through it by a few percent. The researchers then cooled this array to 50 thousandths of a degree Celsius above absolute zero. Because this environment is supercold, it should not emit any radiation, essentially behaving as a vacuum. "We were simply studying these circuits for the purpose of developing an amplifier, which we did," says researcher Sorin Paraoanu, a theoretical physicist at Aalto University. "But then we asked ourselves&mdashwhat if there is no signal to amplify? What happens if the vacuum is the signal?"

    The researchers detected photons that matched predictions from the dynamical Casimir effect. For instance, such photons should display the strange property of quantum entanglement&mdashthat is, by measuring the details of one, scientists could in principle know exactly what its counterpart is like, no matter where it is in the universe, a phenomenon Einstein referred to as "spooky action at a distance." The scientists detailed their findings online February 11 in Nacionālās Zinātņu akadēmijas raksti.

    "This work and a number of other recent works demonstrate that the vacuum is not empty but full of virtual photons," says theoretical physicist Steven Girvin at Yale University, who did not take part in the Aalto study.

    Another study from physicist Christopher Wilson and his colleagues recently demonstrated the dynamical Casimir effect in a system mimicking a mirror moving at nearly 5 percent of the speed of light. "It's nice to see further confirmation of this effect and see this area of research continuing," says Wilson, now at the University of Waterloo in Ontario, who also did not participate in the Aalto study. "Only recently has technology advanced into a new technical regime of experiments where we can start to look at very fast changes that can have dramatic effects on electromagnetic fields," he adds.

    The investigators caution that such experiments do not constitute a magical way to get more energy out of a system than what is input. For instance, it takes energy to change a material's index of refraction.

    Instead, such research could help scientists learn more about the mysteries of quantum entanglement, which lies at the heart of quantum computers&mdashadvanced machines that could in principle run more calculations in an instant than there are atoms in the universe. The entangled microwave photons the experimental array generated "can be used for a form of quantum computation known as 'continuous variable' quantum information processing,&rdquo Girvin says. &ldquoThis is a direction which is just beginning to open up.&rdquo

    Wilson adds that these systems &ldquomight be used to simulate some interesting scenarios. For instance, there are predictions that during cosmic inflation in the early universe, the boundaries of the universe were expanding nearly at light-speed or faster than the speed of light. We might predict there'd be some dynamical Casimir radiation produced then, and we can try and do tabletop simulations of this."

    So the static Casimir effect involves mirrors held still the dynamical Casimir effect can for instance involve mirrors that move.