Apbrīnojamajā fizikas pasaulē neiespējami, kaut arī ne uzreiz, bet tomēr kļūst iespējami. Un pēdējā laikā zinātniekiem ir izdevies panākt patiešām super neiespējamas lietas. Zinātne progresē. Tikai viens makaronu monstrs zina, kas vēl mūs sagaida visnoslēptākajās zarnās. Šodien mēs analizēsim duci nereālu lietu, stāvokļu un objektu, kas kļuvuši iespējami, pateicoties mūsdienu fizikai.
Neticami zemas temperatūras
Iepriekš zinātnieki nav spējuši atdzesēt objektus, kas atrodas zem tā saucamā "kvantu limita" sliekšņa. Lai kaut ko atdzesētu līdz šādam stāvoklim, ir nepieciešams izmantot lāzeru ar ļoti lēnām kustīgiem atomiem un apspiest to radītās siltumu radošās vibrācijas.
Tomēr fiziķi ir atraduši pareizo risinājumu. Viņi izveidoja īpaši niecīgu alumīnija vibrējošu bungu un spēja to atdzesēt līdz 360 µK, kas ir 10 000 reizes lielāka par temperatūru ļoti kosmosa dziļumā.
Bungas diametrs ir tikai 20 mikrometri (cilvēka matu diametrs ir 40-50 mikrometri). To bija iespējams atdzesēt līdz tik zemām temperatūrām, pateicoties jaunajai tā saucamās "izspiestas gaismas" tehnoloģijai, kurā visām daļiņām ir viens virziens. Tas novērš siltumu radošās vibrācijas lāzerā. Kaut arī bungas ir atdzesētas līdz iespējami zemai temperatūrai, tas nav aukstākais vielas veids. Šis nosaukums pieder Bose - Einšteina kondensātam. Pat tad sasniegumiem ir liela nozīme. Kopš vienas dienas līdzīga metode un tehnoloģijas var tikt izmantotas, lai radītu īpaši ātru elektroniku, kā arī palīdz izprast materiālu dīvaino izturēšanos kvantu pasaulē, tuvojoties to īpašībām fiziskajām robežām.
Reklāmas video:
Spilgtākā gaisma
Saules gaisma ir akli mirdzoša. Tagad iedomājieties miljarda saules gaismu. Tieši viņu nesen laboratorijā izveidoja fiziķi, faktiski radot uz Zemes spožāko mākslīgo gaismu, kas turklāt uzvedas ļoti neparedzami. Tas maina objektu izskatu. Tomēr tas nav pieejams cilvēka redzei, tāpēc atliek tikai ķerties pie fiziķiem pie sava vārda.
Molekulārais melnais caurums
Fiziku grupa nesen izveidoja kaut ko tādu, kas uzvedas kā melnais caurums. Lai to izdarītu, viņi paņēma pasaulē visspēcīgāko rentgena lāzera Linac koherento gaismas avotu (LCLS) un izmantoja to, lai sadurstu jodmetāna un jodibenzola molekulas. Sākotnēji tika paredzēts, ka lāzera impulss izsit lielāko daļu elektronu no joda atomu orbītas, atstājot vakuumu viņu vietā. Eksperimentos ar vājākiem lāzeriem šo tukšumu, kā likums, nekavējoties piepildīja ar elektroniem no atomu orbītas attālākajām robežām. Kad trāpīja LCLS lāzers, gaidāmais process faktiski sākās, bet tad sekoja patiesi pārsteidzoša parādība. Saņēmis šādu uzbudinājuma līmeni, joda atoms burtiski sāka izdalīt elektronus no tuvumā esošajiem ūdeņraža un oglekļa atomiem. No ārpuses tas šķita kā mazs, melns caurums molekulas iekšpusē.
Sekojošie lāzera impulsi izsvītro piesaistītos elektronus, bet tukšums ievilkās arvien vairāk un vairāk. Cikls tika atkārtots, līdz visa molekula eksplodēja. Interesanti, ka joda molekulas atoms bija vienīgais, kas parādīja šādu izturēšanos. Tā kā tas ir vidēji lielāks nekā citi, tas spēj absorbēt milzīgu daudzumu rentgena enerģijas un zaudēt sākotnējos elektronus. Šis zaudējums atstāj atomu ar pietiekami spēcīgu pozitīvu lādiņu, ar kuru tas piesaista elektronus no citiem, mazākiem atomiem.
Metālisks ūdeņradis
To sauca par "Augsta spiediena fizikas svēto Grālu", taču vēl nesen nevienam nebija izdevies to iegūt. Iespēja ūdeņradi pārveidot par metālu pirmo reizi tika paziņota 1935. gadā. Tā laika fiziķi ierosināja, ka šādu pārvērtību varētu izraisīt ļoti spēcīgs spiediens. Problēma bija tā, ka tā laika tehnoloģijas nevarēja radīt šādu spiedienu.
2017. gadā Amerikas fiziķu komanda nolēma atgriezties pie vecās idejas, taču izvēlējās citu pieeju. Eksperiments tika veikts īpašā ierīcē, ko sauc par dimanta vāzi. Šīs vāzes radīto spiedienu rada divi sintētiski dimanti, kas atrodas abās preses pusēs. Pateicoties šai ierīcei, tika sasniegts neticams spiediens: vairāk nekā 71,7 miljoni psi. Pat zemes centrā spiediens ir zemāks.
Datoru mikroshēma ar smadzeņu šūnām
Ieelpojot dzīvi elektronikā, gaisma kādu dienu varētu aizstāt elektrību. Fiziķi apzinājās gaismas pārsteidzošo potenciālu pirms gadu desmitiem, kad kļuva skaidrs, ka gaismas viļņi var ceļot paralēli viens otram un tādējādi veikt daudzus vienlaicīgus uzdevumus. Mūsu elektronika paļaujas uz tranzistoriem, lai atvērtu un aizvērtu ceļus elektrības ceļam. Šī shēma uzliek daudz ierobežojumu. Tomēr nesen zinātnieki ir izveidojuši pārsteidzošu izgudrojumu - datora mikroshēmu, kas imitē cilvēka smadzeņu darbu. Pateicoties mijiedarbīgo gaismas staru izmantošanai, kas darbojas kā neironi dzīvās smadzenēs, šī mikroshēma spēj ļoti ātri "domāt".
Iepriekš zinātnieki varēja izveidot arī vienkāršus mākslīgos neironu tīklus, taču šāds aprīkojums aizņēma vairākas laboratorijas tabulas. Tika uzskatīts par neiespējamu kaut ko radīt ar tādu pašu efektivitāti, bet daudz mazākā izmērā. Un tomēr tas izdevās. Silīcija bāzes mikroshēma ir tikai dažu milimetru izmēra. Un viņš veic skaitļošanas operācijas, izmantojot 16 integrētus neironus. Tas notiek šādi. Mikroshēmai tiek piegādāta lāzera gaisma, kas ir sadalīta vairākos staros, no kuriem katrs satur signāla numuru vai informāciju, kas atšķiras pēc spilgtuma līmeņa. Lāzera izvades intensitāte sniedz atbildi uz skaitlisku problēmu vai visu informāciju, kurai bija nepieciešams risinājums.
Neiespējamā matērijas forma
Pastāv vielas veids, ko sauc par "superfluid solid". Un patiesībā šis jautājums nav tik briesmīgs, kā varētu šķist no nosaukuma. Fakts ir tāds, ka šai ļoti savādajai matērijas formai ir kristāliska struktūra, kas raksturīga cietām vielām, bet tajā pašā laikā tā ir šķidra. Šis paradokss ilgu laiku netika realizēts. Tomēr 2016. gadā divas neatkarīgas zinātnieku grupas (Amerikas un Šveices) izveidoja vielu, kuru pamatoti var attiecināt uz superšķidrās cietvielas īpašībām. Interesanti, ka abas komandas tās veidošanā izmantoja dažādas pieejas.
Šveice radīja Bose-Einšteina kondensātu (aukstāko vielu, kas zināma), atdzesējot rubīdija gāzi līdz ārkārtīgi zemai temperatūrai. Tad kondensāts tika ievietots divu kameru iekārtā, kurā katrā kamerā tika uzstādīti mazi spoguļi, kas vērsti viens pret otru. Kamerās tika novirzīti lāzera stari, kas izraisīja pārvērtības. Gāzes daļiņas, reaģējot uz lāzera darbību, izveidoja cietās vielas kristālisko struktūru, bet kopumā viela saglabāja šķidruma īpašības.
Amerikāņi ieguva līdzīgu hibrīdu, pamatojoties uz nātrija atomu kondensātu, kas arī tika stipri atdzesēts un pakļauts lāzeram. Pēdējie tika izmantoti, lai mainītu atomu blīvumu pirms kristāliskas struktūras parādīšanās šķidrā formā.
Negatīvs masas šķidrums
2017. gadā fiziķi izveidoja patiešām foršu lietu: jaunu matērijas veidu, kas virzās uz spēku, kas to atgrūž. Kaut arī tas nav īsti bumerangs, šim jautājumam ir tā, ko jūs varētu saukt par negatīvu masu. Ar pozitīvu masu viss ir skaidrs: jūs kādam objektam piešķirat paātrinājumu, un tas sāk virzīties virzienā, kurā šis paātrinājums tika pārraidīts. Tomēr zinātnieki ir izveidojuši šķidrumu, kas darbojas pavisam savādāk nekā jebkas fiziskajā pasaulē. Nospiežot, tas paātrinās līdz izmantotā paātrinājuma avotam.
Un šajā sakarā atkal nāca glābšanā Bose - Einšteina kondensāts, kura loma bija rubīdija atomi, kuri tika atdzesēti līdz ļoti zemai temperatūrai. Tādējādi zinātnieki ir ieguvuši superšķidrumu ar normālu masu. Tad viņi spēcīgi saspieda atomus ar lāzeriem. Pēc tam ar otro lāzeru komplektu tie spēcīgi uzbudināja atomus, tik daudz, ka mainīja spinus. Kad atomi tika atbrīvoti no saķeres ar lāzeru, parastā šķidruma reakcija būs vēlme virzīties no fiksācijas centra, ko faktiski var interpretēt kā stumšanu. Tomēr no rubīdija izgatavotais superšķidrais šķidrums, kura atomiem tika nodrošināts pietiekams paātrinājums, palika savā vietā, kad to atbrīvoja no lāzera saķeres, tādējādi parādot negatīvu masu.
Laika kristāli
Kad Frenks Vilčeks, Nobela prēmijas laureāts, pirmo reizi ierosināja laika kristālu ideju, tā izklausījās traka. Īpaši tajā daļā, kurā tika paskaidrots, ka šie kristāli var kustēties, paliekot miera stāvoklī, tas ir, demonstrējot zemāko matērijas enerģijas līmeni. Tas šķita neiespējami, jo kustībai ir nepieciešama enerģija, un teorija savukārt teica, ka šādos kristālos enerģijas praktiski nav. Vilczeks uzskatīja, ka pastāvīgu kustību var panākt, mainot kristāla atoma pamata stāvokli no stacionāra uz periodisku. Tas bija pretrunā ar mums zināmajiem fizikas likumiem, bet 2017. gadā, 5 gadus pēc tam, kad Vilczeks to ierosināja, fiziķi atrada veidu, kā to izdarīt. Tā rezultātā Hārvarda universitātē tika izveidots laika kristāls, kurā slāpekļa piemaisījumi "rotēja" dimantos.
Bragg spoguļi
Bragg spogulis nav ļoti atstarojošs un sastāv no 1000–2000 atomiem. Bet tas spēj atspoguļot gaismu, kas padara to noderīgu visur, kur nepieciešami mazi spoguļi, piemēram, uzlabotajā elektronikā. Arī šāda spoguļa forma ir neparasta. Tās atomi ir suspendēti vakuumā un atgādina lodīšu ķēdi. 2011. gadā vācu zinātnieku grupa spēja izveidot Bragg spoguli, kam tajā laikā bija visaugstākais atstarojuma līmenis (apmēram 80 procenti). Lai to izdarītu, zinātnieki ir apvienojuši 10 miljonus atomu vienā režģa struktūrā.
Tomēr vēlāk Dānijas un Francijas pētījumu grupas atrada veidu, kā ievērojami samazināt nepieciešamo atomu skaitu, vienlaikus saglabājot augstu atstarojošo efektivitāti. Tā vietā, lai cieši saišķētos ap otru, atomi tika novietoti gar mikroskopisku optisko šķiedru. Pareizi izvietojot, rodas nepieciešamie apstākļi - gaismas vilnis tiek atspoguļots tieši atpakaļ uz tā sākumpunktu. Kad tiek pārraidīta gaisma, daži fotoni izdalās no šķiedras un saduras ar atomiem. Dānijas un Francijas komandu demonstrētā efektivitāte ir ļoti atšķirīga un ir attiecīgi aptuveni 10 un 75 procenti. Tomēr abos gadījumos gaisma atgriežas (tas ir, ir atstarots) sākotnējā vietā.
Papildus daudzsološām priekšrocībām tehnoloģiju attīstībā, šādi spoguļi var būt noderīgi kvantu ierīcēs, jo atomi papildus izmanto gaismas lauku, lai mijiedarbotos savā starpā.
2D magnēts
Fiziķi kopš septiņdesmitajiem gadiem ir mēģinājuši radīt divdimensiju magnētu, taču vienmēr ir izgāzušies. Patiesam 2D magnētam jāsaglabā savas magnētiskās īpašības pat tad, ja tas ir atdalīts līdz stāvoklim, kurā tas kļūst divdimensionāls vai tikai viena atoma biezs. Zinātnieki pat sāka šaubīties, vai šāda lieta vispār ir iespējama.
Tomēr 2017. gada jūnijā fiziķi, izmantojot hroma triiodīdu, beidzot varēja izveidot divdimensiju magnētu. Savienojums izrādījās ļoti interesants no vairākām pusēm vienlaikus. Tā slāņainā kristāla struktūra ir lieliska sašaurināšanās dēļ, turklāt elektroniem ir vēlamais griešanās virziens. Šīs svarīgās īpašības ļauj hroma triiodīdam saglabāt magnētiskās īpašības pat pēc tam, kad tā kristāla struktūra ir samazināta līdz pēdējo atomu slāņu biezumam.
Pasaulē pirmo 2D magnētu varēja ražot salīdzinoši augstā temperatūrā -228 grādi pēc Celsija. Tā magnētiskās īpašības vairs nedarbojas istabas temperatūrā, jo skābeklis to iznīcina. Tomēr eksperimenti turpinās.
NIKOLAY KHIZHNYAK