Архивы Квантовая запутанность

Правда ли, что лето 2023 будет очень жарким в России и в мире?

Климатологи считают, что с каждым годом волны жары будут становится все интенсивнее. Так какое же лето нас ждет в 2023 году?

Любите ли вы жару? Или напротив, держитесь подальше от Солнца? Вне зависимости от ответа и личных предпочтений, ученые считают, что нас ожидает все больше и больше солнечных дней. Так, аномальная жара в северо-западной Европе будет становится все более интенсивной, а на северо—западе Тихого океана температура во многих местах уже превышает сезонную норму на 6 градусов Цельсия. В то же самое время на другую сторону земного шара обрушилась целая серия тайфунов, а впереди – лесные пожары, ураганы и наводнения. По прогнозам специалистов, экстремальные периоды жары, обрушившиеся на планету в последние годы, станут неотъемлемой частью грядущего лета по всему миру, включая Россию. Согласно последним сообщениям синоптиков, лето 2023 года в нашей стране может стать самым жарким за последние 150 лет.

Антропогенное изменение климата – климатические изменения, связанные с деятельностью человека. В результате хозяйственной и промышленной деятельности в атмосферу попадает огромное количество углеводородов, диоксида серы, диоксида азота, метана и твердых веществ.

Аномальная жара

Всего пару десятилетий назад проблемы, вызванные изменением климата, были не так очевидны. Переломным, вероятно, стало лето 2010 года, когда аномальная жара обрушилась на Северное полушарие, включая Европу, Северную Америку и Азию. В России жара стала одной из причиной массовых пожаров, сопровождавшихся густым смогом в городах и регионах. Более того, ее продолжительность и интенсивность не имели аналогов за более чем вековую историю наблюдений.

Эта погодная аномалия, увы, была не единственной – мы буквально живем от одного температурного рекорда до другого, а волны жары становятся все более распространенными и продолжительными. Исследователи объясняют происходящее выбросами в атмосферу огромного количества удерживающего тепло углекислого газа и метана, что приводит к росту средней глобальной температуры на Земле.

С каждым годом планета становится все горячее – так работает парниковый эффект

Вы наверняка заметили, что высокие температуры держатся даже в ночное время, а волны жары возникают в разных частях планеты одновременно. Экстремальная жара также приводят к засухам и масштабным лесным пожарам, которые охватили Канаду, Китай и Южную Азию, хотя лето еще не наступило.

Пожарные службы в Альберте борются с 92 лесными пожарами, почти треть из которых, по официальным данным, «вышли из-под контроля», а к 16 мая около 19 500 человек были вынуждены покинуть свои дома, –сообщает CBC News.

Аномальная жара обрушилась на китайскую провинцию Юньнань (с умеренным климатом), температура в которой поднялась до 40 градусов по Цельсию. Эксперты отмечают, что жара пришла преждевременно и может нанести существенный ущерб посевам. Еще одним примером служит ситуация в испанской Кордове, где 29 апреля зафиксировали рекордно высокую температуру за всю историю наблюдений.

Больше по теме: Экстремальная жара может стать для Европы нормой в ближайшее время

Самый жаркий год в истории наблюдений

Согласно данным Всемирной метеорологической организации (ВМО), последние восемь лет стали самыми теплыми за всю историю наблюдений в мире. Так, в 2022 году средняя глобальная температура была примерно на 1,15°C выше доиндустриальных уровней (1850-1900). Рост температур привел к масштабным засухам и разрушительным наводнениям, которые затронули миллионы человек и нанесли серьезный ущерб мировой экономике.

В 2022 году мы столкнулись с погодными катаклизмами, которые унесли слишком много жизней, подорвали продовольственную, энергетическую и водную безопасность. Обширные районы Пакистана были затоплены, а продолжительная засуха в Африке может привести к гуманитарной катастрофе, – заявил генеральный секретарь ВМО профессор Петтери Таалас.

Всемирная метеорологическая организация при Организации Объединенных Наций занимается вопросами погоды, климата и водных ресурсов.

Эксперты ВМО используют шесть международных наборов данных для обеспечения достоверной оценки температуры, включая данные, основанные на климатологических данных с мест наблюдений, судов и буев в глобальных морских сетях. Эти же данные используются в ежегодных отчетах о состоянии климата, которые информируют международное сообщество о глобальных климатических показателях.

Каждое десятилетие, начиная с 1980-х годов, теплее предыдущего. Эта тенденция, по мнению исследователей, продолжится, а самыми жаркими за последние восемь лет стали 2016, 2019 и 2020 годы.

Отчет ВМО также включает наборы данных повторного анализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды и его Службы по изменению климата Copernicus, а также Японского метеорологического агентства (JMA). Масштабные объемы данных, а также сочетание наблюдений с смоделированными значениями позволяет оценивать температуру в любое время и в любом месте по всему земному шару, даже в районах с ограниченным объемом данных.

Экстремальная жара 2023

Изучив тенденции изменения температуры в самый жаркий летний день по всей северо-западной Европе и сравнив данные с тенденциями изменения средних летних температур, авторы работы, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters, пришли к выводу, что в период с 1960 по 2021 год северо-западная Европа нагревалась вдвое быстрее (на 0,6°C), чем в среднем по региону в летние дни. Это означает, что в будущем в регионе могут чаще наблюдаться чрезвычайно жаркие дни.

Выявленная нами тенденция не отражена в современных климатических моделях. Неспособность смоделировать рост экстремальных температур на северо-западе Европы означает, что связанные с жарой последствия изменения климата могут быть намного хуже, чем ожидалось, – пишут авторы научной работы.

Экстремальная жара 2023. Самые жаркие летние дни на северо-западе Европы часто связаны с движением горячего воздуха над Испанией или Сахарой (снимок 2019 года). Фото.

Самые жаркие летние дни на северо-западе Европы часто связаны с движением горячего воздуха над Испанией или Сахарой (снимок 2019 года)

Результаты работы также показали, что в период с 1960 по 2021 год температура в Великобритании повышалась примерно на 0,25°C за десятилетие (по сравнению с более чем на 0,5°C за десятилетие на большей части территории Испании). Следовательно, потоки все более горячего воздуха, которые переносятся на север из этих регионов, приведут к росту температур, часто превышающей порог, который можно классифицировать как “экстремальный”.

Изменение климата приводит к тому, что в Испании и Северной Африке становится теплее быстрее, чем в северо-западной Европе.

Авторы исследования отмечают, что экстремальная жара может усугубить респираторные и сердечно-сосудистые заболевания и увеличить риск теплового удара, что создает дополнительную нагрузку на службы здравоохранения и скорой помощи. Ранее мой коллега Рамис Ганиев рассказывал о проблемах со здоровьем, которые могут возникнуть из-за аномальной жары, не пропустите!

Мировой океан и эффект Эль-Ниньо

Еще одним фактором, способным усугубить жару этим летом является так называемый эффект Эль-Ниньо (ENSO) – повторяющийся климатический цикл, который из года в год оказывает серьезное влияние на глобальные погодные условия. Он чередуется между прохладной фазой, называемой Ла-Нинья, и теплой фазой – Эль-Ниньо. Согласно данным NOAA, опубликованным 11 мая, Эль-Ниньо, вероятно, проявится в ближайшие месяцы и продлится до зимы.

Эксперты отмечают, что Эль-Ниньо имеет тенденцию повышать глобальную температуру в среднем на 0,2 градуса Цельсия. Среди причин роста температур нельзя не отметить и состояние мирового океана. На приведенной ниже карте показано, как в апреле в океанах по всему миру наблюдались рекордно высокие температуры:

Мировой океан и эффект Эль-Ниньо. Карта показывает разницу температур в океанах в период с апреля 2023 года по апрель 2023 года, а также разницу температур поверхности моря по сравнению со средним показателем за 1985-1993 годы. Фото.

Карта показывает разницу температур в океанах в период с апреля 2023 года по апрель 2023 года, а также разницу температур поверхности моря по сравнению со средним показателем за 1985-1993 годы.

Подробнее: Ученые увидели из космоса признаки резкого повышения температуры на Земле в ближайшее время

Мировой океан является главным индикатором здоровья планеты но в результате климатических изменений меняет свою структуру, течение и даже цвет. Напомним, что глобальное повышение температур ограничивает смешивание слоев воды в океане, уменьшая количество кислорода и питательных веществ, от которых зависит жизнь обитателей океанских глубин.

Ухудшение состояние Мирового океана также затрудняет прогнозирование грядущих событий. При этом согласно данным 2019 года, океаны поглощали 90% тепла, однако к 2100 станут поглощать в 5-7 раз больше (если не сократить количество вредных выбросов в атмосферу).

Эль-Ниньо может обернуться настоящей катастрофой. Будем надеяться что этого не произойдет

Не пропустите: Что происходит с океанами Земли?

Лето 2023 в России

20 мая научный руководитель Гидрометцентра Роман Вильфанд сообщил, что к концу месяца в центральные регионы России с большой вероятностью придет июльская жара. «Предварительные расчеты показывают, что с вероятностью более 80 процентов, ночная температура в период с 25 по 28 мая составит 10–15 градусов, а дневная 23–28», — сказал синоптик.

При этом температуры, характерные для климатической нормы июля в центральной России зафиксировали уже 18 мая. В Петербург, однако, аномальная жара пришла еще раньше – 15 мая температура достигла максимума за 10-дневный период — 23,9 градуса.

Точно предсказать погоду на длительный период времени невозможно.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Некоторые эксперты ранее высказали предположение о том, что грядущее лето станет одним из самых теплых в истории наблюдений. Так, по словам эксперта в области изменения климата Михаила Юлкина, «все будет зависеть от того, дойдут ли до России волны жары из Атлантики».

Синоптики, тем не менее, не спешат соглашаться с климатологами. В конечном итоге метеорология – наука не точная и составить долгосрочный прогноз на несколько месяцев вперед попросту невозможно. Так, специалист прогностического центра «METEO» Александр Шувалов считает, что высокие аномальные температуры летом 2023 года возможны только на юге Европейской России и на крайнем юге Сибири.

Пережить жаркое лето – по-настоящему сложная задача.

Это интересно: Истинные масштабы изменения климата хуже чем считалось раньше

И все же, вне зависимости от того, кто прав, а кто нет, аномальная жара представляет собой серьезную угрозу для здоровья и особенно для жителей мегаполисов. Эксперты в области здравоохранения напоминают, что лучший способ пережить жару – подготовиться к ней заранее. Подробнее о том, как сохранить здоровье себе и близким мы рассказывали здесь, не пропустите!

Физики получили детальное изображение ядра внутри атома

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

Первое изображение атома

Атомы настолько малы, что увидеть их невооруженным глазом, даже с помощью самого мощного микроскопа, невозможно. По крайней мере так было до 2009 года, пока физики не сфотографировали атом и окружающие его электроны. На снимках, опубликованных в журнале Physical Review B, показаны подробные изображения электронного облака одиночного атома углерода.

Отметим, что это первый случай, когда ученым удалось непосредственно наблюдать внутреннюю структуру атома. До этого, начиная с 1980-х годов, физики отображали атомную структуру материала с помощью математики и методов визуализации.

Первое изображение атома. Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов. Фото.

Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов.

Часть проблемы заключалась в том, что согласно принципам квантовой механики электрон не существует как отдельная точка, которую можно увидеть – он распространяется вокруг ядра в облаке под названием орбиталь. Нежно-голубые сферы и расщепленные облака на изображении показывают два расположения электронов на орбиталях в атоме углерода. Эти структуры подтверждают ранние выводы ученых, так как соответствуют установленным принципам квантовой механики.

Больше по теме: Ученые наблюдали новый вид квантовой запутанности внутри атомных ядер

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.

Метод электронной птихографии. Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз. Фото.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Подробнее о том, как птихография позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях и в каких еще областях науки можно применить эту технологию можно прочитать здесь.

Изображение ядра внутри атома

Итак, вот мы и подобрались к последнему по-настоящему поразительному открытию. На этот раз инструментом физиков стал не электронный микроскоп а релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), в основе работы которого лежит принцип квантовой запутанности.

Напомним, что квантовой запутанностью называется связь двух (и более) частиц, свойства которых остаются одинаковыми вне зависимости от того, как далеко эти частицы находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн, кстати, называл запутанность «сверхъестественной».

Изображение ядра внутри атома. RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) — релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Фото.

RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) — релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (золота, медь, уран и др.) на релятивистских скоростях. Как объясняют авторы изображения, принцип работы коллайдера напоминает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая позволяет увидеть что происходит внутри мозга и других органов.

Благодаря новому методу, физики смогли получить представление о внутреннем строении атомов, а также стать свидетелями нового типа квантовой запутанности. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике – в ходе эксперимента ученые наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера RHIC и в результате заглянули внутрь атомных ядер.

Как увидеть атом?

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» – π+ и π-. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.

Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят.

Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Но вот что особенно важно – и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами.

Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.

Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой

Не пропустите: Мир в суперпозиции: три теории параллельных вселенных

К счастью, будущие эксперименты на RHIC (а также других коллайдерах и еще более мощных инструментах), позволят физикам не только детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер, но лучше понять сложно и таинственное устройство Вселенной. Больше о том, могут ли частицы появляться из ничего мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.

Ученые наблюдали новый вид квантовой запутанности внутри атомных ядер

Коллайдер тяжелых ионов (RHIC) позволяет отслеживать частицы, возникающию в результате столкновений в центре детектора.

Как устроена реальность? И не является ли она постоянной иллюзией? Физики десятилетиями пытаются ответить на эти вопросы, но чем больше они узнают о мире, тем более странным он становится. Мы знаем, что материя состоит из крошечных частиц, а их взаимодействие между собой едва ли можно представить. Взять, к примеру, квантовую суперпозицию – согласно этому принципу частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, однако определить результат их состояния до момента наблюдения невозможно. Еще одним фундаментальным принципом физики элементарных частиц является квантовая запутанность, согласно которой частицы остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. И хотя «привычная» запутанность демонстрирует иллюзорность нашей реальности, в начале 2023 года физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) сообщили о ее новом виде, обнаруженном впервые в истории.

Новая квантовая запутанность

Фундаментальные принципы квантовой механики раз за разом бросают вызов здравому смыслу, показывая что реальность в значительной степени иллюзорна. К счастью, современные научные инструменты позволяют детально изучать форму и детали внутри атомных ядер – последнее удалось физикам из Брукхейвенской национальной лаборатории США с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC).

В ходе эксперимента исследователи наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера и обнаружили новый тип квантовой запутанности. Но вот что еще удивительнее – ученые также наблюдали совершенно новый вид квантовой интерференции – экзотического эффекта, согласно которому частица вроде фотона при движении может пересекать собственную траекторию. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике. Но обо всем по-порядку.

Законы, по которым работает Вселенная, весьма странные.

Интересный факт Изучая одну запутанную частицу, ученые сразу же узнают о другой, даже если они находятся на расстоянии миллионов световых лет друг от друга. Эта странная связь между двумя (и более) частицами происходит мгновенно, по-видимому, нарушая фундаментальный закон Вселенной. По этой причине Альберт Эйнштейн называл запутанность "жуткой" и "сверхъестественной".

Коллайдер RHIC располагается в учреждении Министерства образования и науки США, где физики могут изучать строительные блоки ядерной материи – т.е. кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны. Сталкивая ядра тяжелых атомов, например золота, исследователи наблюдали их движение в противоположных направлениях вокруг коллайдера со скоростью, близкой к скорости света.

Это означает, что интенсивность столкновений между ядрами может «расплавить» границы между отдельными протонами и нейтронами, позволяя изучать кварки и глюоны такими, какими они существовали вскоре после Большого взрыва – до образования протонов и нейтронов, – говорится в работе.

Новая квантовая запутанность. На самом деле никто не знает, какие квантовые процессы в реальном мире отвечают за создание пространства-времени. Фото.

На самом деле никто не знает, какие квантовые процессы в реальном мире отвечают за создание пространства-времени.

Как гласит принцип квантовой запутанности, аспекты одной частицы запутанной пары зависят от аспектов другой частицы, вне зависимости от того, насколько далеко друг от друга они находятся (и что лежит между ними). Этими частицами могут быть, например, электроны или фотоны, а аспектом может быть состояние, в котором они находятся, к примеру, «вращение» в том или ином направлении. Физики также хотят знать, как кварки и глюоны ведут себя внутри атомных ядер в их нынешнем состоянии чтобы лучше понять силу, которая удерживает эти строительные блоки материи вместе.

Больше по теме: Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?

Что происходит внутри атомных ядер

Чтобы узнать больше информации о частицах и их поведении, физики использовали «облака» фотонов (частиц света), которые окружали ускоряющиеся ионы вокруг коллайдера RHIC – именно этот способ позволил ученым заглянуть внутрь ядер. Если два иона золота проходили мимо друг друга на близком расстоянии и не сталкивались, фотоны, окружающие один ион, позволяли изучить внутреннюю структуру другого.

Эта двумерная визуализация, как показали результаты эксперимента, оказалась революционной – атомное ядро выглядит слишком большим по сравнению с тем, что предсказывали теоретические модели. Более того, поляризованный свет позволил получить подробные изображения атомных ядер с высокой энергией и рассмотреть распределение глюонов (вдоль направления движения фотона и перпендикулярно ему).

Что происходит внутри атомных ядер. Полученные результаты также совпадают с теоретическими предсказаниями распределения глюонов и измерения распределения электрического заряда внутри ядер. Фото.

Полученные результаты также совпадают с теоретическими предсказаниями распределения глюонов и измерения распределения электрического заряда внутри ядер

Еще больше интересных статей о последних открытиях в области квантовой механики и высоких технологий читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте

Новые измерения также показали, что импульс и энергия самих фотонов запутываются с импульсом и энергией глюонов. Измерение только вдоль направления фотона (или его неизвестного направления) приводит к искажению изображения фотонными эффектами. Но измерение в поперечном направлении позволяет избежать «размытия» частиц света.

Теперь мы можем сделать снимок, на котором можно различить плотность глюонов под заданным углом и радиусом. Полученные изображения настолько точны, что мы начинаем видеть разницу между тем, где находятся протоны, и тем, где расположены нейтроны внутри этих больших ядер, – пишут авторы исследования.

Коллайдер в Брукхейвенской национальной лаборатории США

Измеряя две частицы с различными зарядами физики наблюдали интерференционную картину, что указывает на запутанность или синхронизацию частиц друг с другом, даже если эти частицы разные (включая заряд).

Вам будет интересно: Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Новый взгляд на запутанность и интерференцию

Авторы работы, опубликованной в начале 2023 года в журнале Science Advances, отмечают, что все частицы, о которых идет речь в работе,
существуют не только как физические объекты, но и как волны – подобно ряби на поверхности пруда, они ударяются о камень (математические “волновые функции”) и могут интерферировать, усиливая или нейтрализуя друг друга.

Интерференция возникает между двумя волновыми функциями идентичных частиц, но без запутывания (между двумя разнородными частицами) эта интерференция была бы невозможна. Вот так квантовая механика становится все более и более странной – новый эксперимент показал, что квантовая запутанность существует между разнородными частицами.

«Этот метод похож на позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ-сканирование), чтобы увидеть происходящие внутри мозга и других частей тела процессов», – объясняет Джеймс Дэниел Бранденбург из Брукхейвенской лаборатории (США). В последние годы ученые уделяют все больше внимания квантовой механике. Одна из причин повышенного внимания заключается в создании новых мощных средств связи и компьютеров.

Запутанность квантовых состояний – это реальность.

Исследователи также намерены проводить новые измерения в RHIC с более тяжелыми частицами (чтобы проверить другие возможные сценарии квантовой запутанности). Подробнее о том, какие открытия 2022 года оказали огромное влияние на наши знания об устройстве Вселенной мы рассказывали здесь, не пропустите!

Нобелевская премия по физике 2022: квантовая запутанность и телепортация

Нобелевскую премию по физике 2022 года вручили за изучение квантовой запутанности и технологий

«Квантовая физика настолько сложная, что ее никто не понимает», – писал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И это не удивительно, так как даже Альберт Эйнштейн относился к ней настороженно, называя феномен квантовой запутанности «сверхъестественным» и «жутким». В вероятностной природе квантовой механики сомневался ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основоположники этой теории. Но несмотря на споры и разногласия, таинственный мир элементарных частиц стал драйвером современной цивилизации: интернет, компьютеры, смартфоны, лазеры, оптоволоконные сети и атомная энергетика существуют благодаря науке о квантах. Только представьте к чему могут привести дальнейшие открытия, которых с каждым годом становится все больше. Так, в 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали стразу трое ученых, которые независимо друг от друга проводили эксперименты с запутанными фотонами, сенсорными технологиями и безопасной передаче информации. К слову, не обошлось без квантовой телепортации, но обо всем по-порядку.

Нобелевская премия 2022

Каждый год Шведская королевская академия наук отмечает выдающиеся открытия в разных областях науки, способствуя ее развитию и популяризации в обществе. Всего за несколько лет научно-технический прогресс позволил физикам подтвердить существование черных дыр и гравитационных волн, разработать физические модели климата Земли и даже обнаружить далекие экзопланеты на орбите солнцеподобных звезд – каждое из этих открытий удостоилось награды Нобелевского комитета.

Напомним, что Нобелевскую премию присуждают за открытия в области физиологии и медицины, физики, химии, экономических наук, литературы и миротворческой деятельности. Подробнее о премии и ее основателе мы рассказывали здесь, рекомендуем ознакомиться

Квантовая запутанность возникает в тот момент, когда две или более частицы становятся связанными между собой.

В 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер. Трое физиков удостоились награды за эксперименты по квантовой запутанности, в основе которых лежат труды таких выдающихся ученых как Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и Джон Белл – все они хотели понять природу странного поведения элементарных частиц, способных находиться далеко друг от друга сохраняя между собой связь.

Как отмечают представители Шведской королевской академии наук, в будущем работы Аспе, Клаузера и Цайлингера сыграют важную роль в области квантовых вычислений и безопасной передачи данных, открывая новую главу в истории квантовой механики. Интересно, что исследователи работали независимо друг от друга пытаясь объяснить «жуткий» феномен запутанных элементарных частиц.

Больше по теме: Тайны квантовой механики – что такое квантовая запутанность?

Запутанность и неравенство

Итак, согласно принципам квантовой механики, частицы могут существовать одновременно в двух местах или более, а также не приобретают формальных свойств до тех пор, пока за ними не наблюдают. Но стоит кому-то проследить за положением или «вращением» одной элементарной частицы, как он становится наблюдателем за ее партнером (вне зависимости от расстояния между частицами). Именно это взаимодействие делает квантовую механику похожей на магию. Но как разобраться в причинах этого явления?

Квантовая механика на примере обыкновенных мячей

Представим машину, внутри которой находятся два «запутанных» мяча и мы их не видим. Единственное, что о них известно – это серый цвет и две возможные характеристики – мячи могут быть только белого и черного цвета. Но стоит машине одновременно выбросить их в противоположных направлениях, как наблюдатель ловит мяч и видит что он белый – в эту же секунду второй мяч становится черным.

Объяснить это странное явление удалось с помощью «неравенства Белла», согласно которому частицы могут содержать секретную информацию или «скрытые переменные», определяющие их свойства. Если Белл прав, то в системе должны присутствовать скрытые параметры, подтверждая гипотезу локального реализма при которой физические объекты существуют и оказывают влияние на свое ближайшее окружение.

Безумные эксперименты

В 1972 году Джон Клаузер и его покойный коллега Стюарт Фридман решили проверить предположения Белла показав, что частицы, в данном случае фотоны, не содержат скрытой информации. Подход американских физиков заключался в передаче свойств одной частицы к другой, несмотря на большие расстояния между ними.

Если объяснять на мячах, то в приведенном выше сценарии скрытой информации об их свойствах не существует. При этом цвет мяча, попавшего в руки наблюдателя, будет определен случайно. Стоит ли говорить, что в 1970-е годы академическое сообщество не воспринимало всерьез подобные предположения.

Квантовая запутанность может объяснить как устроен мир на уровне атомов

Мой научный руководитель считал, что эксперименты с запутанностью – ужасная трата времени и что я разрушаю свою карьеру, — рассказал Клаузер в интервью The Washington Post.

К счастью, Клаузер не был единственным физиком, заигрывающим с запутанностью – его французский коллега Ален Аспе из Университета Париж-Сакле проводил похожие эксперименты в 1980-х, а Антон Цайлингер из Венского университета в 1990-х изучал запутанные квантовые системы, включающие в себя больше двух частиц. Он предположил, что запутанные состояния являются ключом к созданию новых способов хранения, передачи и обработки информации.

Не пропустите: Что квантовая физика может рассказать о природе реальности?

Квантовая информация

Представители Нобелевского комитета уверены, что в будущем новаторские эксперименты могут привести к созданию квантовой телепортации. Звучит провокационно, так что поясним – речь не идет о телепортации человека из одного места в другое, как, например, в сериале «Звездный Путь». Увы, но такая телепортация – удел научной фантастики.

Как объясняют Аспе, Клаузер и Цайлингер, феномен запутанности квантовых частиц может переносить информацию об объекте из одного места в другое, однако с крупными объектами подобное невозможно – на сегодняшний день ученые могут перемещать только частицы вне зависимости от их массы (из-за принципа организации атомов).

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2022 года: французский ученый Ален Аспе, физик из Австрии Антон Цайлингер и американский исследователь Джону Клаузер

Проведенные эксперименты показали, что поведение «запутанных» квантовых частиц полностью противоречит нашим представлениям о том, как должны вести себя независимые отдельные объекты», – указано в заявлении Нобелевского комитета.

Но что насчет квантовых технологий? В 2016 году бывший ученик Цайлингера Цзянь-Вей Пан возглавил китайскую группу исследователей, которая запустила на орбиту спутник Micius с парой фотонов, расстояние между которыми составило более 1000 километров и не изменило их запутанного состояния.

Квантовая телепортация позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой, являясь единственным способом передачи квантовой информации без единой потери.

Квантовая телепортация позволяет перемещать квантовое состояние от одной частицы к другой на расстоянии.

В это трудно поверить, но подобная демонстрация квантовых свойств прокладывает путь к созданию новейших инструментов по передаче информации, тотально защищенной от «взлома». Исследователи надеются, что в будущем все больше устройств покинут лаборатории и покорят реальный мир. В конечном итоге потенциальное применение принципов квантовой механики кажется безграничным. А как вы думаете, какие открытия ожидают нас в будущем? Ответ, как и всегда, ждем здесь и в комментариях к этой статье!

С точки зрения квантовой физики время – всего лишь иллюзия

Время – абстрактная величина или математическое понятие, существующее в нашем представлении реальности.

Мы воспринимаем время как стрелу, указывающую вперед. К тому же, пространство и время неразрывно связаны между с собой. Их дуэт проявляется в движении и развитии материи. Что же до главой силы во Вселенной, то гравитация искусно вплетает материальные объекты в ткань пространства-времени и дуэт превращается в трио. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна удивительно точно описывает Вселенную. Но квантовая механика нарушает эту гармонию, ведь в мире субатомных частиц все устроено иначе. Две фундаментальные физические теории не согласуются друг с другом, что привело к кризису в современной физике. Но что, если взглянуть на ситуацию радикально по-другому? Существует ли вообще время? И если нет, то как тогда устроена Вселенная?

Что такое время?

Начнем с того, что структуру реальности абсурдно ставить под сомнение. Ведь мы только и делаем, что сверяемся со временем. Отмечаем дни рождения и другие ежегодные праздники, да уж там, вся наша жизнь – это одно большое расписание, график, к которому мы привыкли. Более того, все тонкие фрагменты времени, назовем их так, создают нас и повседневную жизнь повсюду.

Но если предположить, что радикальный пересмотр физической теории – это правильный путь, способный все расставить по своим местам, для начала нужно понять что такое время.

Физики определяют время как последовательность событий из прошлого в настоящее и в будущее. Время также можно рассматривать как четвертое измерение реальности, используемое для описания событий в трехмерном пространстве. Следовательно, для нас время движется вперед, как стрела.

Время во Вселенной может не существовать вовсе

И если Вселенную рассматривать как замкнутую систему, ее энтропия (степень беспорядка) не может уменьшиться. Это означает, что Вселенная не может вернуться в прежнее состояние, следовательно, время не может обернуться вспять. Вроде бы, все верно, но недавно физики нащупали кое-что интересное: на квантовом уровне время течет иначе, а частицы могут путешествовать в прошлое.

Можно ли отследить квантовые частицы без наблюдателя? Ответ ловите в этой статье и не забудьте подписаться на наш канал в Telegram, чтобы всегда оставаться курсе последних научных открытий!

Уравнения, на которых построена физическая наука, гласят, что квантовые системы могут одновременно развиваться по двум противоположным стрелам времени (вперед и назад во времени). А значит, квантовые системы могут двигаться как вперед, так и назад. Подробнее о том, как физики пришли к такому выводу, мы рассказывали ранее.

Движение вперед

Достижения в области физики предполагают, что времени действительно не существует, по крайне мере в нынешнем его понимании. Многие ученые всерьез рассматривают эту возможность. Как выяснили исследователи из Австралийского католического университета, новая физическая теория ставит под сомнение само существование времени в нашей реальности.

На квантовом уроне времени не существует.

Важно понимать, что данный подход обусловлен математическими уравнениями. Если взять трехмерный набор координат, например, (x, y, z) и убрать из него «z», предположив, что ее «больше не существует», решение уравнения покажет другой результат. Подобные решения привели физиков к теории квантовой гравитации.

Мы не так часто об этом задумываемся и все же, как считаете, было ли у Вселенной начало? Исследователи считают, что она существовала всегда, в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом. Продолжение можно прочитать здесь.

Безусловно, пересмотр нашей реальности – это немалый подвиг. Особенно, когда речь заходит о теории петлевой квантовой гравитации или теории струн. И несмотря на то, что обе теории в некотором смысле потерпели неудачу, мечта Альберта Эйнштейна о создании теории всего вдохновляет ученых. Но есть еще кое-что интересное: теория петлевой квантовой гравитации допускает отсутствие времени как фундаментального понятия реальности.

Теория квантовой гравитации

Знаменитый мысленный эксперимент Эдвина Шредингера с кошкой и коробкой, внутри которой находится радиоактивное вещество – это парадокс. Если мы откроем коробку, то кошка умрет из-за распада вещества. Но пока коробка закрыта и мы не видим кошку, она находится в квантовой суперпозиции, а значит и жива и мертва одновременно.

Для нас время может быть всего лишь иллюзией

Квантовая механика — это область исследований, которая рассматривает, как частицы взаимодействуют между собой, находясь в суперпозиции. Это также означает, что частица может находиться в двух или даже во «всех» возможных местах одновременно. Конечно, путь к прогрессу тернист, однако ученые не были готовы к тому, насколько странной становится квантовая механика.

Загвоздка в том, что квантовая суперпозиция противоречит ОТО, которая была интегрирована в стандартную модель физики элементарных частиц с тех самых пор, как Эйнштейн впервые сформулировал ее в начале 1900-х годов.

Согласно ОТО, существующие физические объекты ведут себя ответ на силу гравитации. Время течет по—разному в зависимости от того, где и как вы путешествуете в пространстве и является одним из ключевых законов Вселенной в рамках стандартной модели.

Но несмотря на популярную тенденцию подвергать сомнению природу времени, его физическая «реальность» не вызывает сомнений. Время является неотъемлемой частью Вселенной, а граница между событиями, которые были измерены, не определяет их исход.

Мы воспринимаем время как социальный конструкт

Согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики, квантовый мир существует так же как и реальный мир. Это разделение показывает нам что происходит в природе, когда ранее неопределенные вещи становятся определенными. Выходит, время может быть фундаментальным. Но может и нет. То же самое происходит с воспринимаемой нами стрелой времени.

Больше по теме: Что такое многомировая интерпретация квантовой механики?

Новая эра физики

Но если пойти еще дальше и предположить, что время – единственное, что удерживало человечество с самого зарождения цивилизации, будет уничтожено, то что останется Согласно классической физике, на выходе мы получим «причинно-следственную связь», то есть идею, согласно которой одно событие влечет за собой другое.

Это понятие не поддается никаким абсолютным понятиям и существует абстрактно, – полагают исследователи.

В попытках связать математические уравнения с реальностью, ученые предполагают, что если времени не существует, то оно не оказывает прямого влияния на нашу жизнь, даже если продвигает физику в новую эру. Дело в том, что мы воспринимаем время как социальный конструкт, который является для нас реальностью, а измеряем мы его просто посмотрев на часы.

И даже если время на самом деле не существует, наша жизнь будет идти своим чередом.

О том, как продвигаются исследования в этой области, можно узнать в одной из предыдущих статей, рекомендуем к прочтению.

В конечном итоге это довольно удобно, так как человеческий мозг с трудом справляется с такими понятиями, как бесконечность и ткань пространства-времени. Но так как взаимодействие элементарных частиц между собой вызывает массу вопросов, а ответы на них нам пока неизвестны, физики и математики над этим работают.

Апрель 2024
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	11	12	13	14
15	16	17	18	19	20	21
22	23	24	25	26	27	28
29	30