Темная энергия может быть изучена в лаборатории
Кристиан Бек и Майкл Маккей www.maths.qmul.ac.uk/~beck/ и www.cnd.mcgill.ca/bios/mackey/mackey.html)
Два физика - один из Великобритании, а другой из Канады - утверждают, что для измерения важнейших свойств таинственной "темной энергии", которая все последнее десятилетие буквально сводила с ума астрономов и космологов, достаточно поставить простой лабораторный эксперимент. Его можно провести с помощью хорошо известных устройств, основанных на явлении сверхпроводимости. Речь идет о так называемом джозефсоновском контакте (Josephson junctions). Именно эффект Джозефсона - то есть протекание сверхпроводящего тока через тонкую (порядка нанометра) изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками, - теоретически предсказанный в 1962 году и уже в следующем году обнаруженный экспериментально, поможет ответить на самый интригующий вопрос о природе темной энергии во Вселенной - является ли она следствием квантовых вакуумных флюктуаций или чем-то иным.
К настоящему времени целый ряд вполне надежных и независимых друг от друга астрофизических наблюдений показывает, что наша Вселенная на 73% или даже больше состоит из темной энергии - то есть своего рода антигравитации, которая заставляет Вселенную расширяться со все ускоряющейся скоростью. Однако до сих пор доподлинно неизвестно, что собой представляет эта самая темная энергия. Энергия самого вакуума принадлежит к числу тех кандидатов, которые в первую очередь приходят на ум - ведь согласно одной из самых красивых гипотез, вся наша Вселенная и является одной такой гигантской вакуумной флюктуацией. Однако количество вакуумной энергии, вычисленное в соответствии с современными теориями, оказывается приблизительно в 120 раз меньшим того, что требуется для согласия с наблюдениями.
Квантовые флюктуации возникают потому, что вакуум на самом деле не является "абсолютной пустотой", как это было принято в классической физике. Ведь в рамках квантовой механики всегда существуют своего рода нулевые колебания вакуума, то есть процессы постоянного рождения и распада пар виртуальных частиц и соответствующих античастиц. Это прямое следствие фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому у частиц и квантовых полей невозможно одновременно измерить точное значение координат и импульса (а в случае "классического" вакуума они были бы известны и равны нулю). Именно вследствие такой физической "особенности" вакуум и обладает столь богатой структурой, а "кипение" вакуума выражается в различных эффектах вроде известного эффекта Казимира. Проявление своеобразной "вакуумной энергии" можно изучить и в случае джозефсоновского контакта.
В 1982 году Роджер Кох (Roger Koch) и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли (University of California at Berkeley) и Лаборатории имени Лоуренца в Беркли (Lawrence Berkeley Laboratory) поставили эксперимент, в ходе которого они изучали частотный спектр колебаний тока в джозефсоновском контакте. Их установка была охлаждена до температур порядка милликельвинов, и таким образом тепловые колебания частиц были сведены к минимуму, оставляя место только квантовым "нулевым" колебаниям.
Теперь Кристиан Бек (Christian Beck) из лондонского Университета королевы Марии (Queen Mary University) и Майкл Маккей (Michael Mackey) из Университета МакГилл (McGill University) в Монреале заново проанализировали полученные тогда данные в свете новых астрофизических оценок плотности темной энергии во Вселенной. Они предполагают, что нулевые колебания квантовых полей, измеренные группой Коха, говорят о том, что плотность вакуумной энергии отлична от нуля, и вместе с тем это значение не может превысить значение плотности темной энергии во Вселенной. Используя эту предпосылку, можно предсказать, что в спектре колебаний на частоте приблизительно nu_c=1,69х1012 герц должен быть провал.
Таким образом максимальные частоты, которые были достигнуты к настоящему времени в экспериментах, имеют тот же самый порядок величины, как и nu_c, и связаны с нижней границей плотности темной энергии во Вселенной. Бек и Маккей полагают, что будущие эксперименты с новым поколением "джозефсоновских контактов", оперирующие более высокими частотами, могут помочь выяснить, действительно ли существует предсказанный ими провал. Такие эксперименты способны установить связь темной энергии с энергией вакуума.
Нужно отметить, что за будущими экспериментами по дальнейшему изучению эффекта Джозефсона дело, скорее всего, не станет. Ведь сверхпроводящие элементы, магнитные квантовые эффекты и джозефсоновские переходы теперь оказались на самом переднем краю науки и техники - они теснейшим образом связаны с новейшими разработками в области квантовых компьютеров и нанотехнологий.
Источники:
Could dark energy be studied in the lab? - PhysicsWeb
Has dark energy been measured in the lab? - arXiv
Обсудить
Справка
Джозефсоновские контакты и квантовые компьютеры
Эффект Джозефсона обнаруживается при изучении вольт-амперной характеристики джозефсоновских контактов. При пропускании через джозефсоновские контакты достаточно слабого тока напряжение на контакте отсутствует, то есть ток является чисто сверхпроводящим (джозефсоновский ток). Его существование связано с неполным разрушением куперовских пар электронов при их прохождении через очень тонкую несверхпроводящую прослойку. Такой режим называется стационарным эффектом Джозефсона, он обнаружен экспериментально в 1963 году. При увеличении тока через контакт на контакте возникает напряжение (это называется уже нестационарным эффектом Джозефсона). Свойство джозефсоновских контактов переключаться с нулевого на конечное напряжение при превышении током критического значения в совокупности с малой емкостью позволяет использовать их в качестве быстродействующих логических элементов компьютера.
Один или несколько джозефсоновских контактов, включенных в обычную электрическую цепь, могут обеспечивать автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному. Так как электроны в сверхпроводнике ведут себя "скоррелированно" (образуют так называемые куперовские пары, обладающие свойствами бозонов), ток и созданный им магнитный поток квантуются: в кольце из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока.
Элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Трехмерные структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как единственная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам.
Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов.
В физических лабораториях уже разработано множество джозефсоновских элементов и устройств для применения в качестве не только логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, но и генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, а также высокочувствительных датчиков магнитного поля, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д. Подобные датчики при регистрации малых сигналов имеют чувствительность вблизи фундаментального квантового предела, т.е. в тысячи, десятки тысяч раз выше, чем у традиционных полупроводниковых устройств. Это позволяет использовать их в бесконтактной медицинской диагностике (магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы).
Источники:
"Физическая энциклопедия", М., 1988
Нанотехнологическая революция стартовала! - Юрий Головин
Статьи по теме
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Темная энергия может быть изучена в лаборатории
Два физика - британский и канадский - утверждают, что для измерения важнейших свойств таинственной "темной энергии", которая все последнее десятилетие буквально сводила с ума астрономов и космологов, достаточно поставить простой лабораторный эксперимент. Его можно провести с помощью хорошо известных устройств, основанных на явлении сверхпроводимости.
Изобретена телепортация нового типа и получены пятерки "спутанных" фотонов
Коллектив ученых из Китая и Австрии разработал и успешно применил метод физического эксперимента, позволяющий получать пятерки "спутанных" квантов света. Исследователям также впервые удалось осуществить квантовую телепортацию нового типа, которую они назвали телепортацией открытого назначения. Это достижение знаменует собой важный шаг на пути к созданию квантовых компьютеров.
Телепортация на атомном уровне
Ученые из Соединенных Штатов и Австрии независимо друг от друга осуществили квантовую телепортацию одиночных атомов. Принципиальная возможность подобного процесса была осознана в начале девяностых годов прошлого века. Этим эффектом очень интересуются разработчики квантовых компьютеров, которые рассчитывают использовать его в своих устройствах.
Впервые получены триплеты и квартеты спутанных световых квантов
Независимо друг от друга физики из Канады и Австрии впервые получили системы "спутанных" световых квантов, в которые объединено более двух частиц. Исследователи из Университета Торонто изготовили тройку "спутанных" фотонов, а их коллеги из Венского университета - четверку.
Американские физики научились создавать электронные приборы из отдельных молекул
Американские физики провели серию экспериментов, которые впервые позволили наносить по одному атому на единственную многоатомную молекулу. Дальнейшие исследования в этой области обещают значительно расширить возможности электронных технологий близкого будущего. Стандартными строительными блоками следующих поколений электронных приборов, по всей вероятности, станут отдельные крупные молекулы, а их придется легировать с помощью абсолютно новых технологий.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
"Чандра" открывает новый этап в исследованиях темной энергии
Полученные космической рентгеновской обсерваторией "Чандра" снимки ионизированного газа в скоплениях галактик позволили астрономам применить новый метод определения массы и энергии, содержащихся в нашей Вселенной. Было получено независимое подтверждение небывалого явления: примерно 6 млрд лет назад стадия замедляющегося расширения Вселенной прекратилась и сменилась стадией ускоренного расширения, продолжающегося до сих пор.
Теорию суперструн проверят экспериментально
Теорию суперструн можно проверить экспериментально, изучая последствия Большого взрыва. Такое заявление сделал американский физик Ричард Истэр. До сих пор теория суперструн подвергалась критике как малоосмысленная "философия", которая не может получить экспериментального подтверждения на нынешнем этапе развития науки. Проявить себя теория суперструн может только в случае экстремально малых расстояний и при очень высоких энергиях.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Обнародован "портрет" юной Вселенной, полученный зондом WMAP
Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.
Темная энергия: астрономы узнали время "космического рывка" в истории Вселенной
Адам Рисс и его коллеги с помощью космического телескопа "Хаббл" наблюдали 6 вспышек от отдаленных сверхновых, которые взорвались приблизительно 9-11 млрд лет назад. Выяснилось, что свет от этих взрывов был менее ярок, чем ожидалось, исходя из их красных смещений и современных темпов расширяющейся Вселенной, это доказывает, что расширение Вселенной в те отдаленные времена замедлялось. А вот момент, когда сила темной энергии преодолела гравитацию, положил начало все ускоряющемуся расширению нашей Вселенной, которое продолжается до сих пор.
Английские астрофизики уверяют, что WMAP намерял "туфту"
Многие астрономы теперь убеждены в том, что Вселенная в основном заполнена "темным веществом" и таинственной "темной энергией". Едва ли не самым весомым аргументом в пользу этой теории считаются недавние исследования космического микроволнового фона, проведенные с помощью спутника WMAP. Однако теперь группа астрофизиков из Великобритании утверждает, что картина распределения этого реликтового излучения - своеобразного микроволнового "эха" Большого взрыва - фактически была искажена или даже "разрушена" в процессе движения реликтовых фотонов сквозь скопления галактик. В результате можно очень сильно усомниться как в существовании темной энергии, так и темного вещества.
На крупнейшей карте Вселенной обнаружили темную энергию
Астрономы составили самую детальную на текущий момент 3D-модель окружающей нас Вселенной и уверены, что эта карта позволяет откинуть все сомнения по поводу "темной энергии": она действительно существует и заполняет весь космос.
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Найдены "голые" галактики, лишенные "шубы" из темной материи
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Теория "холодного темного вещества" получила экспериментальное подтверждение
Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".
Новости по теме
