Журнал Physics World подвёл итоги года

Редколлегия журнала Physics World составила список из десяти важнейших экспериментальных и теоретических результатов, полученных физиками в 2011-м.

Самыми обсуждаемыми физическими темами уходящего года стали поиски бозона Хиггса, ширина диапазона допустимых масс которого сократилась уже до ~10 ГэВ, и регистрация нейтрино, которые, если верить коллаборации OPERA, двигались со сверхсветовой скоростью. Эти исследования в отборе, однако, не участвовали, поскольку хиггсовская частица так до сих пор и не обнаружена, а данные OPERA многим кажутся ненадёжными.

После исключения двух главных новостей физики частиц на первый план вышла квантовая механика: НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМОЙ работой 2011-го сотрудники Physics World признали опубликованную в журнале Science статью о «слабом» измерении импульса фотонов.

Чтобы оценить важность этой работы, необходимо вспомнить принцип неопределённости Гейзенберга, который устанавливает запрет на одновременное и точное определение положения и скорости квантовой частицы. Такое ограничение делает невыполнимой задачу об установлении траектории одиночной частицы, разрешимую в классической физике. Доказательство истинности принципа Гейзенберга даёт опыт Юнга, где свет направляется на ширму с двумя параллельными прорезями, за которыми находится экран: оказывается, здесь невозможно определить, через какую щель прошла частица (то есть измерить её координаты), и одновременно регистрировать на экране эффекты интерференции (можно считать, что это эквивалентно измерению импульса). Корпускулярные (траектория, приписываемая частицам) и волновые (интерференция) свойства дополняют друг друга при описании квантовой системы, и наблюдать эти свойства в одном и том же опыте, согласно сформулированному Бором принципу дополнительности, нельзя.

Недавно рассмотренный нами простой мысленный эксперимент показывает, что традиционная формулировка принципа дополнительности не совсем верна. «Слабые» измерения, впервые рассмотренные ещё в 1988 году, дают возможность доказать это на практике.

Суть «слабого» измерения состоит в том, что оно позволяет собрать информацию о наблюдаемой величине, не оказывая существенного влияния на эволюцию квантовой системы. Разумеется, принципу неопределённости оно не противоречит, и получить точное значение интересующей величины не удастся: экспериментатор определит лишь её значение, усреднённое по множеству испытаний. В усреднении, что важно, может участвовать не весь ансамбль квантовых частиц, задействованных в опыте, а некая его часть, выбранная по заданному конечному состоянию частиц (возможно, даже по состоянию, отвечающему некоему значению величины, которая является дополнительной для измеряемой).

В реальном эксперименте квантовыми частицами становятся, естественно, фотоны. Авторы обсуждаемой работы получали отдельные кванты света с помощью охлаждаемой жидким гелием квантовой точки из арсенида индия-галлия. Испущенные фотоны попадали в оптоволокно с внутренним светоделителем, выходы которого соединялись с отдельными отрезками оптоволокна, заменившими прорези в ширме из классического опыта. За волоконными световодами устанавливался «экран» — ПЗС-камера.

Ключевым элементом опытной схемы стал тонкий двоякопреломляющий кристалл кальцита CaCO₃. Фотоны, выходящие из оптоволокон, налетали на кристалл под углом, зависящим от их поперечного импульса, а кальцит слегка изменял их поляризацию, причём это изменение также зависело от импульса. Так как амплитуда вращения плоскости поляризации оставалась небольшой (по сравнению с неопределённостью поляризации фотона), измерения импульса с применением CaCO₃ можно было считать «слабыми»; усредняя их результаты по большому количеству фотонов, физики получали представление о среднем значении измеряемой величины.

Данные с расположенной за световодами камеры помогали группировать частицы, занимавшие одинаковые позиции в плоскости изображения, и определять средний импульс групп фотонов. Выполнив эти операции для некоторой начальной плоскости, учёные устанавливали положение, которое соответствует траекториям частиц из разных групп на второй плоскости, находящейся чуть дальше от оптических волокон. Затем измерения импульса проводили заново, переходили к следующей плоскости, и вся процедура повторялась.

В результате исследователи получили набор усреднённых траекторий частиц, действительных в интервале расстояний (2,75 ± 0,05)–(8,20 ± 0,10) м. «Слабые» измерения при этом не препятствовали наблюдению интерференции.

80 реконструированных усреднённых траекторий фотонов (иллюстрация из журнала Science).

ВТОРОЕ место в списке также занимает исследование, посвящённое «слабым» измерениям. Его авторов, научную группу из канадского Института национальных измерительных эталонов, заинтересовал вопрос определения волновой функции Ψ, которая, как принято считать, даёт полное описание квантовомеханической системы. Несмотря на то что волновая функция, очевидно, имеет огромное значение, она обычно рассматривается как некий абстрактный элемент теории, лишённый явного определения, а суть её раскрывается через эксперимент: известное правило Борна даёт возможность, используя Ψ, рассчитать вероятность получения того или иного результата при измерении.

Как уже отмечалось выше, точное определение положения квантовой частицы, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, «нарушает» волновую функцию и не позволяет получить никакой информации об импульсе. Следовательно, установить волновую функцию отдельной квантовой системы, о которой мы ничего не знали до начала измерений, невозможно.

Ничто, однако, не мешает определять Ψ с помощью множества частиц, которые имеют одинаковые волновые функции. С этой целью над частицами проводят ряд измерений, а затем выясняют, какой вид Ψ лучше всего согласуется с набором полученных результатов. Такую методику косвенной оценки называют квантовой томографией.

Канадцы, напротив, реализовали прямой метод определения Ψ для ансамбля идентичных частиц, основанный на последовательных измерениях (первое из которых — «слабое») двух величин, дополняющих друг друга. На начальном этапе их эксперимента подготавливался поток фотонов с идентичными Ψ, а затем их поперечное положение определялось «слабым» способом. После этого физики проводили «обычное» измерение — отбирали частицы с поперечным импульсом, равным нулю. В этой группе рассчитывалось среднее значение результатов «слабого» измерения, которое помогало установить поперечную пространственную волновую функцию фотона.

Экспериментальное оборудование и графическое представление волновой функции фотона (иллюстрация Jeff Lundeen, Charles Bamber).

На ТРЕТЬЮ позицию Physics World поместил теоретическую и экспериментальную работы двух групп, пытавшихся сконструировать устройство для маскировки событий. Об этих исследованиях мы подробно рассказывали в июле.

Новое устройство можно назвать аналогом уже известных маскирующих приспособлений на базе метаматериалов, скрывающих объекты от наблюдения в каком-либо диапазоне спектра. Эффект маскировки здесь достигается за счёт того, что пути распространения излучения искусственно искривляются, и выбранная область пространства становится «невидимой». Для этого физикам приходится имитировать координатное преобразование, применённое к уравнениям Максвелла в вакууме, с помощью неоднородной среды, роль которой играет метаматериал.

При маскировке событий рассматривается схожее преобразование, в котором место одной из координат занимает время. Как оказалось, это позволяет создать своеобразный временнóй «коридор», скрывающий события, происходящие в окрестности определённой точки на оси времени.

ЧЕТВЁРТОЕ место оккупировала статья датских и австралийских астрофизиков, применивших на практике известную методику измерения космологических расстояний, учитывающую характеристики активных ядер галактик.

С теоретической точки зрения этот метод тривиален и основывается на общих представлениях о структуре активных ядер, в центрах которых, по всей видимости, находятся сверхмассивные чёрные дыры, окружённые высокоскоростными облаками газа. Быстрое движение газа естественным образом приводит к доплеровскому уширению, и эти облака дают широкие линии испускания, характерные для спектров ядер, расположенных так, что они смотрят в нашу сторону (то есть для квазаров и сейфертовских галактик первого типа). Радиус (r) области, формирующей широкие спектральные линии, определяется глубиной, на которую излучение центрального источника проникает в окружающий газ и ионизирует его. Следовательно, этот радиус должен быть пропорционален светимости источника, а точнее — квадратному корню из светимости.

Можно также заметить, что фотоны, испускаемые облаками газа, представляют собой «переработанные» кванты света от центрального источника. Вследствие этого колебания светимости последнего влияют на характеристики широких спектральных линий, изменяющиеся с некоторой задержкой, равной, очевидно, r/с, где с — скорость света. Измеряя такую задержку, астрономы получают возможность оценить истинную светимость активного ядра и сравнить её с наблюдаемой. По результатам сравнения вычисляется расстояние, отделяющее нас от ядра.

Хотя алгоритм кажется несложным, астрофизики, которые пытались использовать активные ядра галактик для измерения расстояний ещё в прошлом веке, особых успехов не добились. Основными причинами этого были высокие погрешности измерений.

Датско-австралийская группа объединила последние данные по тридцати восьми активным ядрам галактик и показала, что оценки расстояний получаются довольно точными. Описанная методика, как ожидается, будет применяться на чрезвычайно больших дистанциях (красном смещении, доходящем до z ≈ 4), где традиционный способ измерения с помощью сверхновых типа Ia уже не работает.

Замыкает первую ПЯТЁРКУ сообщение об экспериментальном наблюдении динамического эффекта Казимира. Результаты этого оригинального опыта были представлены физиками из Швеции, США и Японии в мае.

Эффект Казимира — явление взаимного притяжения двух параллельных проводящих незаряженных пластин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, — обычно связывают с рождением и исчезновением виртуальных частиц в вакууме. Можно показать, что образование виртуальных фотонов подавляется в узком зазоре между проводящими поверхностями, а во всём остальном пространстве — ничем не ограничено; поскольку фотоны оказывают давление на поверхности, в опытах регистрируется сила притяжения.

Динамический эффект Казимира, предсказанный около сорока лет назад, имеет примерно ту же физическую основу, но проявляется по-другому — как рождение реальных фотонов из вакуума в нестационарной полости. Нестационарность может обеспечиваться, скажем, перемещением ограничивающей полость стенки (зеркала), причём двигаться она должна со скоростью, отношение которой к скорости света достаточно велико.

Использовать для демонстрации динамического эффекта Казимира какое-либо материальное зеркало, совершающее механическое перемещение, нецелесообразно: соотношение скоростей будет невысоким, энергозатраты — огромными, а частота появления фотонов — мизерной. Зная об этом, учёные разработали собственную схему — сверхпроводящий контур, образованный линией передачи и находящимся у её основания СКВИД-устройством. Последнее представляет собой кольцо с двумя джозефсоновскими контактами (сверхпроводниками, соединёнными тонкой изолирующей прослойкой) и служило переменной индуктивностью, вариации которой можно представить как колебания электрической длины линии передачи.

Варьирование электрической длины, в свою очередь, в математическом смысле аналогично механическому движению, чем и воспользовались авторы. Задав высокий темп её изменения, они попытались зарегистрировать превращение виртуальных частиц в реальные — и обнаружили искомые сверхвысокочастотные фотоны.

На ШЕСТОЙ позиции оказалось исследование, выполненное специалистами в области физики высоких энергий и квантовой хромодинамики — теории, описывающей сильное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри элементарных частиц. Согласно ей, кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь особыми частицами (глюонами) восьми различных типов. Эффект «пленения» кварков в адронах (конфайнмент) при этом создаётся за счёт того, что глюонные силы не ослабевают при удалении одного кварка от другого.

Теория также рассматривает обратный эффект — переход в состояние кварк-глюонной плазмы, в котором кварки и глюоны, «пленённые» адронами в обычном ядерном веществе, освобождаются и получают возможность распространяться как квазисвободные частицы по всему объёму плазменной материи. Это превращение, как несложно догадаться, наблюдается только в экстремальных условиях (при чрезвычайно высоких температурах).

Для теоретического исследования перехода между ядерной материей и кварк-глюонной плазмой используют специальный метод численных вычислений, называемый квантовой хромодинамикой на решётке. Пространство-время здесь представляют в виде решётки с периодом а, в узлах которой определяются поля, представляющие кварки, а на рёбрах, соединяющих соседние узлы, — поля, отвечающие глюонам. Расчёты обычно проводятся для нескольких значений а, чтобы затем экстраполировать к а = 0.

С другой стороны, кварк-глюонную плазму можно (на очень короткое время) создавать в опытах по столкновению тяжёлых ядер с большой энергией. Такие эксперименты с ионами золота давно стартовали на американском Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов, к которому в прошлом году присоединился Большой адронный коллайдер, где были выполнены столкновения ядер свинца.

В работе, привлекшей внимание редакторов Physics World, проведено прямое сравнение экспериментальных и теоретических данных, обнаружившее их отличное согласование. Кроме того, физики определили критическую температуру перехода между «нормальной» материей и кварк-глюонной плазмой, равную 2•10¹² К (175⁺¹_–7 МэВ) и также хорошо совместимую с полученными ранее непрямыми оценками.

СЕДЬМОЕ место заняло опубликованное участниками международного проекта T2K сообщение о «появлении» электронных нейтрино в подготовленном пучке мюонных. Эти данные свидетельствуют о том, что предсказанные теоретиками нейтринные осцилляции действительно наблюдаются в природе.

Экспериментальную схему Т2К можно представить в виде трёх связанных друг с другом элементов, первым из которых будет ускоритель, разгоняющий протоны и направляющий их на графитовую мишень с целью получения пионов, распадающихся с образованием мюонов и мюонных нейтрино. В 280 метрах от мишени находится второй элемент — комплекс детекторов, которые оценивают параметры сформированного нейтринного пучка. Наиболее важный компонент схемы (подземный детектор Super-Kamiokande), удалённый на 295 км от ускорителя, имеет вид огромного цилиндра, разделённого на внешнюю и внутреннюю части. Последняя имеет больший объём и заполнена сверхчистой водой, с которой взаимодействуют приходящие нейтрино, рождая заряженные частицы и черенковское излучение; чтобы регистрировать это излучение, на стенках внутренней области разместили фотоэлектронные умножители.

При обработке информации, собранной в 2010-м и начале 2011-го, физики выделили 88 зафиксированных Super-Kamiokande нейтринных событий, причём шесть из них имели все признаки взаимодействий электронных нейтрино. Такой сигнал от электронных нейтрино по амплитуде заметно превосходит оценочный фоновый, не связанный с осцилляциями.

На ВОСЬМОЙ строчке списка находится небезынтересная статья, в которой сотрудники американской Гарвардской медицинской школы раскрывают секрет создания первого биологического лазера. Основой такого лазера служит природный материал — зелёный флуоресцентный белок, который испускает излучение при попадании на него синего света. Взяв клетку печени эмбриона человека, экспрессирующую этот белок, учёные поместили её между двумя зеркалами, образовавшими небольшой оптический резонатор, и направили на неё наносекундные лазерные импульсы.

Когда энергия падающего излучения превысила пороговую величину, испускаемое зелёное свечение стало гораздо более интенсивным, а в его спектре выделилось небольшое количество чётких пиков. Эти изменения американцы называют явными признаками лазерной генерации, отмечая, что живые клетки легко выдерживали даже продолжительные периоды работы в качестве лазера.

ДЕВЯТЫМ по значимости событием стала демонстрация квантовой машины фон Неймана, изготовленной физиками из Калифорнийского университета.

Классическая архитектура фон Неймана, напомним, подразумевает выделение центрального процессора и памяти, общей для команд и данных. В квантовом варианте этой базовой схемы роль процессора сыграли два сверхпроводящих кубита, соединённых посредством резонатора, а пара других сверхпроводящих резонаторов стала памятью. В структуру новой квантовой машины также вошли двухуровневые регистры.

Испытанное авторами устройство позволяет, к примеру, создать (запутанное) состояние Белла для кубитов и записать его в память, а затем сформировать новое запутанное состояние. «Избавиться» от последнего помогают регистры; когда кубиты вернутся в основное состояние, их можно использовать для чтения из памяти и удостовериться в том, что сохранённое состояние не разрушилось. Кроме того, при тестировании этот прототип компьютера успешно справлялся с квантовым преобразованием Фурье.

Наконец, на ДЕСЯТОЕ место помещена недавняя работа американских астрономов, которые проанализировали спектры двух квазаров и обнаружили пару облаков «чистого», лишённого тяжёлых элементов газа из молодой Вселенной. Расшифровав следы воздействия газа, выступающего в роли фильтра, на пропущенное излучение квазаров, исследователи отметили отпечатки водорода, но не нашли никаких указаний на присутствие других веществ. Этот факт позволил установить верхние пределы металличности (относительной концентрации элементов тяжелее гелия): у первого облака она не должна подниматься выше одной шеститысячной, а у второго — выше одной шестнадцатитысячной доли солнечного значения.

Интересно, что в одном из облаков американцы отыскали не только «обычный» водород, но и его изотоп (дейтерий), содержание которого в молодой Вселенной должно было превышать нынешние величины. Регистрация дейтерия подтверждает истинность стандартной космологической модели.