Физики впервые ускорили лучи света в искривленном пространстве в лаборатории

Физикам уже удалось продемонстрировать ускорение световых лучей на плоских поверхностях, когда ускорение приводило к тому, что лучи следовали изогнутым траекториям. Однако новый эксперимент расширил границы того, что можно показать в лаборатории. Впервые физики продемонстрировали ускорение светового луча в искривленном пространстве. Вместо того чтобы двигаться по геодезической траектории (кратчайший путь на изогнутой поверхности), луч отклонялся от траектории из-за ускорения.

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, «открывает двери в новую область исследований ускоряемых лучей. До сих пор ускорение лучей изучалось лишь в среде с плоской геометрией, вроде плоского свободного пространства или в волноводах. В настоящей работе оптические лучи следовали изогнутым траекториям в искривленной среде», говорит Анатолий Пацик, физик Израильского технологического института.

Успешный эксперимент, проведенный физиками Израильского технологического института, Гарвардского университета и Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, увеличит исследовательский потенциал дальнейших лабораторных исследований явлений вроде гравитационного линзирования. Проводя такие эксперименты в лаборатории, ученые смогут изучать явления, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, в тщательно контролируемых условиях.

Сперва ученые ускорили лазерный пучок, отражая его от пространственного светового модулятора, предназначенного для модуляции амплитуды, фазы или поляризации световых волн. Отскок луча от этого устройства отпечатывает определенный фронт волны на луче, который ускоряется, сохраняя свою форму. Затем ученые направили ускоренный лазер на внутреннюю часть лампы накаливания, окрашенной таким образом, чтобы свет рассеялся и стал виден исследователям.

Ученые наблюдали, что двигаясь внутри лампы, луч отклонял траекторию от геодезической линии. Сравнивая это движение с лучом, который не ускорялся, они обнаружили, что когда ускорения нет, луч будет следовать по линии.

Это исследование может стать отправной точкой для будущих исследований явлений, которые подпадают под общую теорию относительности Эйнштейна. Пацик заявил, что «уравнения общей теории относительности Эйнштейна определяют, среди прочего, эволюцию электромагнитных волн в искривленном пространстве. Оказывается, эволюция электромагнитных волн в искривленном пространстве по уравнениям Эйнштейна эквивалентна распространению электромагнитных волн в материальной среде, описываемой электрической и магнитной восприимчивостью, которые могут меняться в пространстве».

Этот эксперимент должен дать толчок развитию исследований на тему гравитационного линзирования и колец Эйнштейна, гравитационного синего или красного смещения и многого другого. В дальнейшем ученые планируют изучить, могут ли плазменные лучи (у которых вместо света колеблется плазма) также ускорятся в искривленном пространстве.

Эксперименты физиков доказали существование четверного пространственного измерения

Мы живем в трехмерной Вселенной с тремя пространственными измерениями и одним дополнительным в виде времени. Однако эксперименты двух групп ученых показали, что наличие четвертого пространственного измерения действительно возможно и оно не ограничивается простыми направлениями вверх и вниз, влево и вправо, а также вперед и назад.

Следует сразу принять во внимание, что подобные выводы противоречат известным законам физики, были основаны на очень сложных вычислениях, частично теоретических экспериментах и с использованием законов квантовой механики.

Сопоставив результаты наблюдения за двумя специально созданными двумерными средами, две независимые команды ученых из Европы и США смогли обнаружить путь в четвертое пространственное измерение, сгенерировав так называемый квантовый эффект Холла — феномен проводимости двухмерного газа при низких температурах в сильных магнитных полях.

«Физически у нас нет 4-мерного пространства, но мы можем добиться 4-мерного квантового эффекта Холла при помощи низкоразмерной системы, поскольку высокоразмерная система закодирована в ее сложной структуре», — говорит Макаел Рехтсман, профессор Университета штата Пенсильвания.

«Возможно, нам удастся придумать новую физику в более высоком измерении, а затем создать устройства, обладающие этим преимуществом в более низких измерениях».

Другими словами, трехмерные объекты отбрасывают двухмерные тени, по которым можно догадаться о форме этих объектов. Наблюдая же за некоторыми реальными физическими трехмерными системами, мы можем кое-что понять об их четырехмерной природе, так как, по мнению физиков, трехмерные объекты могут представлять собой тени четырехмерных объектов, проявляющихся в более низких измерениях. Все это может привести к некоторым новым фундаментальным открытиям в науке.

Благодаря очень сложным вычислениям, за которые в 2016 была выдана Нобелевская премия, мы теперь знаем, что квантовый эффект Холла указывает на существование четвертого измерения в пространстве. Новейшие же эксперименты двух команд физиков, опубликованные в журнале Nature, дают нам пример эффектов, которые это четвертое измерение может иметь.

Европейская команда ученых охладила атомы до температуры, близкой к абсолютному нулю, и с помощью лазеров поместила их в двухмерную решетку. Применив квантовый «нагнетательный насос» для возбуждения пойманных атомов, физики заметили небольшие вариации в движении, которые соответствуют проявлениям четырехмерного квантового эффекта Холла, что указывает на возможность доступа к этому четвертому измерению.

Американская команда физиков также использовала лазеры, но для управления светом, проходящим через стеклянный блок. Имитируя эффект электрического поля на заряженных частицах, ученые также смогли наблюдать последствия четырехмерного квантового эффекта Холла.

По словам ученых, оба эксперимента отлично дополняют друг друга.

Конечно же, физического доступа к этому четырехмерному миру у нас нет (так как мы зажаты в трехмерном пространстве), однако ученые считают, что посредством квантовой механики мы сможем больше узнать о четырехмерном пространстве и расширить наши ограниченные знания о Вселенной.

Для наглядности советуем посмотреть видео ниже. В нем показано, как персонаж из двухмерного платформера неожиданно попадает в трехмерный мир. Согласно нашей перспективе, нам будет казаться, что мы по-прежнему находимся в двухмерном мире, но по мере нашего передвижения в нем мы будем видеть некие искажения пространства, так как трехмерный мир будет накладываться на двухмерную плоскость. Аналогичные искажения были увидены учеными в вышеописанных экспериментах. Они-то и указали на существование четырехмерного пространства, которое мы не можем видеть физически, но эффекты которого накладываются на нашу трехмерную плоскость.

Несмотря на то, что физически мы не можем попасть в четырехмерное пространство, мы получили доказательство его существования и более четкую картину того, как оно работает. Ученые же, в свою очередь, хотят использовать результаты этих наблюдений для более детального анализа. Кто знает, возможно, в ходе дальнейшей работы они смогут совершить и другие открытия.

Бактерий смогли превратить в нанороботов

Нанороботы могли бы очень пригодиться для самых разных вещей: с их помощью можно было бы проводить операции, исследовать недоступные ранее места, проводить диагностику организма и доставлять лекарства в определённые места человеческого тела… Впрочем, на что способны микроскопические роботы из фантастических романов, все мы прекрасно знаем. Известны и их реальные возможности. На деле современные нанороботы нигде не применяются из-за отсутствия приличных двигателей, способных заставить микро-ботов двигаться. Но недавно учёные обратили внимание на бактериальные жгутики, а затем, исследовав их, предложили необычное решение проблемы.

Законы физики наномира сильно отличаются от нашего, поэтому уменьшившись до размера бактерии, человек просто не смог бы двигаться в воде, например, или другой жидкости. Бактерии же отлично справляются с задачей, используя для движения свои спиральные жгутики. Ранее учёные уже пытались скопировать их, создавая примитивные нано-аналоги, но они обладали целым рядом недостатков,в числе которых была высокая цена, плохая подвижность и хрупкость изделий.

Сейчас же вместо того, чтобы создавать жгутики «с нуля», исследователи просто вырастили колонию бактерий Salmonella typhimurium, а затем «настригли» с них жгутики, которые затем покрыли оксидом кремния и никелем — это позволило воздействовать на жгутики с помощью магнитных полей. В ходе испытаний новые «двигатели» смогли передвигаться ничуть не хуже обычных, преодолевая за секунду расстояние, превышающее их собственную длину в два раза.

Исследователи уверены, что их разработка сможет помочь в развитии новых направлений медицины и наверняка пригодится в электронике, а пока команда учёных продолжает обкатывать получившиеся «движки» в лаборатории. Кто знает, может, с их помощью получится создать нанороботов-убийц раковых клеток, или ещё что-нибудь полезное?

Как сделать путешествие назад во времени физически возможным?

Мысль о том, что мы могли бы вернуться назад во времени, дабы изменить прошлое, стала одним из любимых приемов в фильмах, литературе и телесериалах. «Гарри Поттер», «Назад в будущее», «День Сурка» и многие другие фильмы обещали нам возможность сделать повторный выбор в своем прошлом. Для большинства людей такая возможность будет оставаться фантастической, потому что все законы физики указывают на то, что движение вперед во времени — это неизбежно и необходимо. В философии даже возник парадокс, подчеркивающий абсурдность такой возможности: если бы путешествия назад во времени были возможны, вы могли бы отправиться назад во времени и убить своего дедушку до того, как ваши родители вообще встретились, тем самым устранив возможность своего собственного существования. Долгое время считалось, что пути обратно нет. Но благодаря прелюбопытнейшим свойствам пространства и времени в общей теории относительности Эйнштейна, путешествие назад во времени может стать возможным, считает физик Итан Зигель.

Иллюстрация ранней Вселенной, состоящей из квантовой пены, в которой квантовые флуктуации проявляются на мельчайших масштабах. Положительные и отрицательные флуктуации энергии могут создавать крошечные квантовые червоточины

Начнем с физической идеи червоточины. В известной нам Вселенной в мельчайших масштабах на ткани пространства-времени проявляются крошечные квантовые флуктуации. Сюда входят энергетические флуктуации в положительных и отрицательных направлениях, зачастую происходящие очень близко друг к другу. Сильная, плотная, положительная флуктуация энергии может создавать определенным образом изогнутое пространство, а сильная, плотная, отрицательная флуктуация энергии будет искривлять пространство противоположным образом. Если соединить два этих региона кривизны, вы получите — ненадолго — квантовую червоточину. Если червоточины проживет достаточно долго, вы можете попробовать провести через нее частицу, так что она мгновенно исчезнет в одном месте пространства-времени и появится в другом.

Точный математический график лоренцевой червоточины. Если один конец червоточины построен из положительной массы/энергии, а другой из отрицательной массы/энергии, червоточина станет проходимой

Чтобы масштабировать все это, например, и позволить пройти через червоточину человеку, потребуется кое-что сделать. Хотя все известные частицы в нашей Вселенной обладают положительной энергией и либо положительной, либо нулевой массой, возможно существование частиц с отрицательной массой и энергией в рамках ОТО. Конечно, мы их пока не нашли, но если верить физикам-теоретикам, нет ничего, что исключало бы возможность их существования.

Если вещество с отрицательной массой и энергией существует, создание сверхмассивной черной дыры и ее аналога с отрицательной массой и энергией, а затем последующее их соединение позволит создать проходимую червоточину. Независимо от того, как далеко вы разводите два этих совмещенных объекта, если у них имеется достаточно массы и энергии — как положительных, так и отрицательных — мгновенная связь сохранится. Все это замечательно подходит для мгновенных путешествий через пространство. Но как насчет времени? И вот здесь-то в игру вступают законы специальной теории относительности.

Согласно закону специальной теории относительности, стационарные и движущиеся части стареют с разной скоростью

Если вы путешествуете близко к скорости света, вы испытываете явление, известное как замедление времени. Ваше движение в пространстве и движение во времени связаны скоростью света: чем быстрее вы движетесь через пространство, тем медленнее — через время. Представьте, что у вас есть пункт назначения в 40 световых годах отсюда, а вы можете двигаться с невероятной скоростью: свыше 99,9% скорости света. Если вы сядете в корабль, отправитесь к звезде почти на скорости света, затем остановитесь, развернетесь и вернетесь на Землю, обнаружится нечто странное.

Из-за замедления времени и сокращения длины, вы можете добраться до места назначения всего за год, а затем вернуться еще через год. Но на Земле пройдет 82 года. Все, кого вы знали, сильно постареют. Именно так с точки зрения физики возможны путешествия во времени: вы отправляетесь в будущее, и путешествие во времени будет зависеть только от вашего движения в пространстве.

Возможны ли путешествия во времени? Имея достаточно большую червоточину, например, созданную двумя сверхмассивными черными дырами (положительных и отрицательных масс и энергий), мы могли бы попытаться

Если же вы построите червоточину вроде той, что мы описали выше, история изменится. Представьте, что один конец червоточины будет недвижим, например, где-нибудь рядом с Землей, а другой будет путешествовать на скорости, близкой к световой. После года быстрого движения одного из концов червоточины, вы через нее проходите. Что происходит дальше?

Что ж, год будет для всех разным, особенно если все будут двигаться во времени и пространстве по-разному. Если мы говорим о тех же скоростях, что и раньше, «движущийся» конец червоточины постареет на 40 лет, но «спокойный» конец — всего на 1 год. Встаньте в релятивистский конец червоточины и попадете на Землю только через год после создания червоточины, а вы сами постареете на 40 лет.

Если 40 лет назад кто-то создал такую пару запутанных червоточин и отправил их в подобное путешествие, можно было бы шагнуть в одну из таких сегодня, в 2017 году, и отправиться в 1978 год. Единственная проблема заключается в том, что вы сами тоже не могли быть в этом месте в 1978 году; вам нужно было быть с одним из концов червоточины или же путешествовать через космос, чтобы догнать ее.

Варп-путешествие в представлении NASA. Если создать червоточину между двумя точками пространства, чтобы одна нора двигалась релятивистски относительно другой, проходящие через нее наблюдатели старели бы по-разному

И кстати, такая форма путешествия во времени также запрещает парадокс дедушки! Даже если бы червоточина была создана до того, как были зачаты ваши родители, вы никаким образом не могли бы появиться на другом конце червоточины достаточно рано, чтобы вернуться обратно во времени и найти своего дедушку до этого важнейшего момента. В лучшем случае вы могли бы взять своих новорожденных отца и мать на корабль, догнать другой конец червоточины, дать им повзрослеть, постареть, зачать вас и затем отправиться самостоятельно по червоточине обратно. Тогда вы встретите дедушку в расцвете сил, но технически это будет происходить уже в то время, когда родились ваши родители.

Вселенная дает волю самым необычным вещам. Особенно если отрицательная масса и энергия действительно существует во Вселенной и их можно контролировать. Но путешествие обратно во времени — это что-то совершенно из ряда вон выходящее. Из-за странностей как специальной, так и общей теории относительности путешествие во времени в прошлое может быть возможным не только в фантастике.

Что, если бы вы стали… темной материей?

Тело человека состоит примерно из 1028 частиц, сопряженных вместе. Обычный человек весит от 50 до 100 килограммов и стоит на поверхности Земли. Но темная материя ведет себя по-другому. Она не взаимодействует с ядерными или электромагнитными силами. Она не сталкивается с другими частицами или с собой. Она взаимодействует только с гравитационной силой и, насколько мы можем судить, это единственная сила, с которой она имеет дело. Что было бы с вами, с человеком, если бы внезапно все частицы вашего тела превратились в частицы темной материи?

Разница между тем, что вы есть, и тем, чем вы можете стать, огромная.

На Земле мы состоим из обычной материи: по большей части в форме атомов. На субатомном уровне наши атомные ядра связаны сильной ядерной силой, позволяющей большому разнообразию элементов из периодической таблицы стабильно сосуществовать в одном теле. Именно электромагнитная сила удерживает ваше тело в едином целом, связывая атомы в молекулах, клетках, органах и всем теле. Гравитационное притяжение Земли удерживает нас на поверхности, а электромагнитные силы между атомами Земли не позволяют нам провалиться под землю. Между тем Земля вращается на орбите Солнца, которое крутится в галактике, которая мчится через космос.

МКС на орбите Земли, которая вращается вокруг Солнца и движется через галактику одновременно с этим

Представьте, что все клетки нашего тела внезапно оказались бы во власти темной материи?

Что, если вместо того, чтобы состоять из частиц Стандартной модели, которые испытывают полный набор фундаментальных взаимодействий, мы превратимся в частицы, которые взаимодействуют только гравитационно? Первым делом, конечно, ваше тело перестанет быть связанным в одно целое, и вы просто исчезнете. Ядерные силы, удерживающие ваши ядра и протоны вместе, испарятся; электромагнитные силы, которые удерживают атомы и молекулы вместе, исчезнут; ваши клетки и органы просто перестанут существовать.

Не будет никаких фантастических визуальных эффектов. Вы просто станете невидимыми, поскольку даже свет не будет отражаться от частиц вашего тела

Вместо этого, из-за тепловых движений частиц на скорости порядка 3000 м/с, темная материя, которая составляла ваше тело, просто разлетится во всех направлениях. Но даже на такой скорости частицы темной материи останутся привязанными к Земле, поскольку скорости их движения будет недостаточно, чтобы преодолеть гравитационное притяжение планеты. Каждая отдельно взятая частица, несмотря на движение в случайных направлениях, внезапно выходит на эллиптическую орбиту с центром Земли в одном из фокусов. Без электромагнитной силы, препятствующей проходу темной материи через Землю, она просто летит, пока не возвращается в исходную позицию: путешествие занимает порядка 88 минут.

Что примечательно, частицы темной материи, которые когда-то вас составляли, не теряют энергию при прохождении через Землю. Поскольку никаких сил, кроме гравитации, им не мешает, они будут оставаться на орбитах бесконечно долго, взмывая над поверхностью Земли и возвращаясь в исходное положение, где было ваше тело. Вы никогда не восстановите форму своего тела из этих частиц темной материи, вместо этого каждая частица всегда будет проходить через точку, в которой было ваше тело.

Поскольку Земля, Солнце, галактика и все остальное также подчиняются законам гравитации, только приливные силы в конечном итоге приводят к тому, что темная материя ведет себя отлично от атомов Земли. Очень и очень медленно приливное трение Луны и Солнца приводит к тому, что вращение нашей планеты замедляется. Чуть удлиненный день означает, что все на поверхности Земли, от земли и океанов с атмосферой, будет дольше возвращаться в свою изначальную точку с каждым оборотом. Но не темная материя.

Вместо этого темная материя будет медленно дрейфовать с течением времени, удаляясь из своего первоначального местоположения по мере замедления вращения Земли. Видите ли, темная материя не зависит ни от чего, кроме гравитации, поэтому даже в то время, когда изменяется вращение Земли, темная материя никак на это не реагирует. Спустя один лишь год, местоположение, в которое возвращается темная материя, сместится примерно на полметра и будет удаляться геометрически с течением времени.

Пока гравитационный танец нашего мира, Солнечной системы и галактики будет продолжаться, темная материя, которая когда-то оставалась привязанной к Земле (вместе с вами), будет дрейфовать по отношению ко всей остальной материи, проводя большую часть времени в глубине Земли. Но время от времени она будет возвращаться в ваше изначальное место, поскольку никаких рассеивающих сил на нее влиять не будет. От вас останется лишь энергия и импульс.