Самое главное в физике за 2011 год

В конце года многие люди традиционно подводят его итоги. И ученые, надобно заметить, тоже. Поэтому публикации рейтингов самых замечательных открытий и изобретений за год для научных журналов — обычное дело. "Правда. Ру" предлагает своим читателям ознакомиться с самыми выдающимися достижениями физиков в 2011 году по версии журнала Physics World.

Сразу бросается в глаза, что в этом рейтинге отсутствуют упоминание и о загадочном бозоне Хиггса, который ученые почти что поймали в этом году, а также о нейтрино, превысившем скорость света. И хотя данным достижениям научно-популярные СМИ в этом году уделили немало внимания, однако серьезный Physics World не счел их чем-то замечательным. И не спроста — ведь бозон Хиггса, как ни крути, так и не обнаружили, а что касается якобы нарушивших положение общей теории относительности нейтрино, то большинство физиков так и не сочли результаты экспериментов OPERA, где и был зарегистрирован данный феномен, достоверными.

Итак, что же возглавляет рейтинг? Первое место было отдано работе коллектива физиков из Университета Тороното о "слабом" измерении импульса фотонов. Чтобы оценить важность этой работы, а также понять ее смысл, необходимо вспомнить принцип неопределенности 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 дает 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 ее 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.

Однако канадским ученым, похоже, все-таки удалось совершить невозможное. Авторы этой работы вначале получили 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.

Важным элементом данного исследования стал тонкий двоякопреломляющий кристалл кальцита CaCO3. Применялся он следующим образом — фотоны, выходящие из оптоволокна, налетали на кристалл под углом, зависящим от их поперечного импульса, а кальцит слегка изменял их поляризацию, причем это изменение также зависело от импульса.

Так как амплитуда вращения плоскости поляризации оставалась небольшой (по сравнению с неопределенностью 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.

Так что, как видите, впервые физикам удалось одновременно (то есть в одном опыте) измерить и траекторию, и импульс частицы. Правда, не отдельной — он все-таки был усредненным. Однако это исследование, по признанию многих ученых, является большим методологическим прогрессом — теперь закономерности квантового мира можно будет изучить куда более тщательно, а описания микромира еще на шаг подвинулись от абстрактных математических выкладок к экспериментально проверяемым картинам.

На втором месте - тоже работа по квантовой физике. И тоже специалистов из Канады, правда, на этот раз сотрудников Института национальных измерительных эталонов. Используя метод "слабого" измерения, опробованный коллегами, им удалось представить новый, более точный способ определения волновой функции Ψ, которая, как принято считать, дает полное описание квантово-механической системы. Это также поможет ученым составлять более реалистичное описания объектов микромира.

На третье место попала работа "соседей" — физиков из Корнелльского университета (США), которым удалось создать устройство для маскировки событий. Основываясь на эксперименте своих британских коллег (о котором вы можете прочитать в статье "Ученые смогли похитить время"), они создали устройство, которое может изменять траекторию распространения света так, чтобы он не рассеивался предметом, и соответственно, никакие изменения (то есть события) при этом невозможно зарегистрировать. Правда, длительность событий, которые удалось скрыть при помощь такого приспособления (называемого временной линзой), не превышает миллионной доли секунды, однако это уже огромное достижение. Возможно, в ближайшем будущем ученые научатся прятать события длительностью в минуты и даже часы.

Четвертое место Physics World отдал работе по астрофизике — это работа датских и австралийских ученых, которые предложили новый способ измерения расстояний между объектами в открытом космосе на чрезвычайно больших дистанциях. Он позволит уточнить расстояния до весьма удаленных от нас объектов. Метод основан на оценке истинной светимости активных ядер галактик и сравнения ее с наблюдаемой.

Пятое место уверенно заняла работа физиков из Швеции, США и Японии, которым удалось впервые продемонстрировать динамический эффект Казимира (подробнее об этом можно прочитать в статье "Ученые создали свет из ничего"). Напомню, что эффектом Казимира называется явление взаимного притяжения двух параллельных проводящих незаряженных пластин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Считается, что это происходит в результате рождения реальных фотонов из вакуума. Это было предсказано довольно давно, однако возможность такого явления в реальности удалось доказать лишь в этом году.

На шестом месте уверенно обосновалась работа физиков из США, Индии и Китая, которым удалось проникнуть в одну из тайн рождения Вселенной, а именно — экспериментально определить, при каких условиях из массы кварков и глюонов формируются всем нам известные элементарные частицы протоны и нейтроны. Подобное, по предположениям теоретиков, происходило сразу после знаменитого Большого взрыва, много миллиардов лет тому назад. Физики определили критическую температуру перехода между "нормальной" материей и кварк-глюонной плазмой, равную 2•10¹²К (175⁺¹_-7 МэВ).

Седьмое место было отдано работе участников международного проекта T2K (Tokai-to-Kamioka эксперимент в Японии), зафиксировавших "появление" электронных нейтрино в подготовленном пучке мюонных (подробнее об этом читайте в статье "Физики зарегистрировали превращение нейтрино"). Эти данные свидетельствуют о том, что предсказанные теоретиками электронные нейтрино действительно существуют в природе. Таким образом, был обнаружен еще один тип частиц, существование которых постулируется Стандартной моделью.

На восьмом месте — оригинальная работа сотрудников американской Гарвардской медицинской школы по созданию первого биологического лазера. Основой такого лазера служит природный материал — зеленый флуоресцентный белок, испускающий излучение при попадании на него синего света. Взяв клетку печени эмбриона человека, экспрессирующую этот белок, физики поместили ее между двумя зеркалами, образовавшими небольшой оптический резонатор, и направили на нее наносекундные лазерные импульсы.

Когда энергия падающего излучения превысила пороговую величину, испускаемое зеленое свечение стало гораздо более интенсивным, а в его спектре выделилось небольшое количество четких пиков. Эти изменения ученые посчитали явными признаками лазерной генерации. Они также отметили, что живые клетки в эксперименте легко выдерживали продолжительные периоды работы в качестве лазера, и их "самочувствие" не ухудшалось.

Девятое место Physics World присудил физикам из Калифорнийского университета (США), которым удалось создать работающий квантовый компьютер, основанный на модели фон Неймана. Напомню, что архитектура фон Неймана, подразумевает выделение центрального процессора и памяти, общей для команд и данных. В квантовом варианте этой базовой схемы роль процессора сыграли два сверхпроводящих кубита (о том, что это такое, читайте в статье "Физики записали информацию на атом"), соединенных посредством резонатора, а пара других сверхпроводящих резонаторов стала памятью.

Созданное американскими физиками устройство прекрасно работало. Правда, мощность его еще не велика, однако в дальнейшем, возможно, на базе этого устройства можно будет создать полноценный квантовый компьютер.

И наконец, на десятое место списка помещена недавняя работа американских астрономов, которые проанализировали спектры двух квазаров и обнаружили пару облаков "чистого", лишенного тяжелых 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. Это исследование лишний раз подтвердило представление теоретиков о том, как формировалась Вселенная — ведь, согласно расчетам, именно такие облака должны были образовываться в первую очередь после Большого взрыва.

Итак, как видите, 2011 год был весьма плодотворным для физиков, как для теоретиков, так и для экспериментаторов. Удалось подтвердить многие предположения, создать первые образцы устройств, о которых ученые мечтали много лет и еще чуть глубже проникнуть в тайны мироздания. Physics World считает, что следующий, 2012 год будет ознаменован не менее интересными и важными физическими открытиями. Что же, поживем — увидим…

Антон Евсеев