W niesamowitym świecie fizyki niemożliwe, choć nie od razu, ale wciąż staje się możliwe. Ostatnio naukowcom udało się osiągnąć naprawdę super niemożliwe rzeczy. Nauka się rozwija. Tylko jeden makaronowy potwór wie, co jeszcze nas czeka w swoich najbardziej skrytych wnętrznościach. Dzisiaj przeanalizujemy kilkanaście nierzeczywistych rzeczy, stanów i obiektów, które stały się możliwe dzięki współczesnej fizyce.
Niesamowicie niskie temperatury
W przeszłości naukowcy nie byli w stanie schłodzić obiektów poniżej tak zwanej „granicy kwantowej”. Aby schłodzić coś do takiego stanu, konieczne jest użycie lasera z bardzo wolno poruszającymi się atomami i wytłumienie generujących ciepło wibracji.
Jednak fizycy znaleźli właściwe rozwiązanie. Stworzyli ultra-mały aluminiowy bęben wibrujący i byli w stanie schłodzić go do 360 µK, czyli 10 000 razy więcej niż temperatura w głębi kosmosu.
Średnica bębna to tylko 20 mikrometrów (średnica ludzkiego włosa to 40-50 mikrometrów). Do tak ultra niskich temperatur udało się go schłodzić dzięki nowej technologii tzw. „Ściśniętego światła”, w której wszystkie cząsteczki mają ten sam kierunek. Eliminuje to wibracje generujące ciepło w laserze. Chociaż bęben został schłodzony do najniższej możliwej temperatury, nie jest to najzimniejszy rodzaj materii. Ten tytuł należy do kondensatu Bosego - Einsteina. Mimo to osiągnięcia odgrywają ważną rolę. Od pewnego dnia podobna metoda i technologia mogą znaleźć zastosowanie do tworzenia ultraszybkiej elektroniki, a także pomóc w zrozumieniu dziwnego zachowania materiałów w świecie kwantowym, zbliżając się swoimi właściwościami do granic fizycznych.
Film promocyjny:
Najjaśniejsze światło
Światło słoneczne jest oślepiająco jasne. Teraz wyobraź sobie światło miliarda słońc. To on został niedawno stworzony przez fizyków w laboratorium, w rzeczywistości stworzył najjaśniejsze sztuczne światło na Ziemi, które ponadto zachowuje się w bardzo nieprzewidywalny sposób. Zmienia wygląd obiektów. Jednak nie jest to dostępne dla ludzkiego wzroku, więc pozostaje wziąć fizyków na słowo.
Molekularna czarna dziura
Grupa fizyków stworzyła ostatnio coś, co zachowuje się jak czarna dziura. Aby to zrobić, wzięli najpotężniejsze na świecie laser rentgenowski Linac Coherent Light Source (LCLS) i wykorzystali go do zderzenia cząsteczek jodometanu i jodobenzenu. Początkowo oczekiwano, że impuls laserowy wytrąci większość elektronów z orbity atomów jodu, pozostawiając na ich miejscu próżnię. W eksperymentach ze słabszymi laserami ta pustka z reguły była natychmiast wypełniana elektronami z najbardziej zewnętrznych granic orbity atomowej. Kiedy uderzył laser LCLS, oczekiwany proces faktycznie się rozpoczął, ale potem nastąpiło naprawdę niesamowite zjawisko. Otrzymawszy taki poziom podniecenia, atom jodu zaczął dosłownie pożerać elektrony z pobliskich atomów wodoru i węgla. Z zewnątrz wyglądał jak mała czarna dziura wewnątrz cząsteczki.
Kolejne impulsy laserowe wybijały przyciągane elektrony, ale próżnia wciągała coraz bardziej. Cykl powtarzano, aż eksplodowała cała cząsteczka. Co ciekawe, atom cząsteczki jodu był jedynym, który wykazywał takie zachowanie. Ponieważ jest średnio większy niż inne, jest w stanie pochłonąć ogromną ilość energii promieniowania rentgenowskiego i stracić swoje pierwotne elektrony. Utrata ta pozostawia atom z wystarczająco silnym ładunkiem dodatnim, dzięki któremu przyciąga on elektrony z innych, mniejszych atomów.
Metaliczny wodór
Nazywano go „Świętym Graalem Wysokich Ciśnień”, ale do niedawna nikt nie był w stanie go zdobyć. Możliwość zamiany wodoru na metal po raz pierwszy ogłoszono w 1935 roku. Fizycy tamtych czasów sugerowali, że taką przemianę może spowodować bardzo silny nacisk. Problem polegał na tym, że ówczesne technologie nie mogły wytworzyć takiej presji.
W 2017 roku amerykański zespół fizyków zdecydował się wrócić do starego pomysłu, ale przyjął inne podejście. Eksperyment przeprowadzono w specjalnym urządzeniu zwanym imadłem diamentowym. Ciśnienie generowane przez to imadło jest wytwarzane przez dwa syntetyczne diamenty umieszczone po obu stronach prasy. Dzięki temu urządzeniu uzyskano niesamowite ciśnienie: ponad 71,7 miliona psi. Nawet w środku ziemi ciśnienie jest niższe.
Chip komputerowy z komórkami mózgowymi
Tchnąc życie w elektronikę, światło może pewnego dnia zastąpić elektryczność. Fizycy zdali sobie sprawę z niesamowitego potencjału światła dziesiątki lat temu, kiedy stało się jasne, że fale świetlne mogą podróżować równolegle do siebie, a tym samym wykonywać wiele jednoczesnych zadań. Nasza elektronika opiera się na tranzystorach, które otwierają i zamykają ścieżki przepływu energii elektrycznej. Ten schemat nakłada wiele ograniczeń. Jednak ostatnio naukowcy stworzyli niesamowity wynalazek - chip komputerowy, który naśladuje pracę ludzkiego mózgu. Dzięki zastosowaniu oddziałujących wiązek światła, które działają jak neurony w żywym mózgu, chip ten jest w stanie naprawdę „myśleć” bardzo szybko.
Wcześniej naukowcy mogli również tworzyć proste sztuczne sieci neuronowe, ale taki sprzęt zajmował kilka stołów laboratoryjnych. Uznano za niemożliwe stworzenie czegoś z taką samą wydajnością, ale przy znacznie mniejszych rozmiarach. A jednak się udało. Chip na bazie krzemu ma rozmiar zaledwie kilku milimetrów. I wykonuje operacje obliczeniowe przy użyciu 16 zintegrowanych neuronów. Dzieje się tak. Światło lasera jest dostarczane do chipa, który jest podzielony na kilka wiązek, z których każda zawiera numer sygnału lub informacje o różnym poziomie jasności. Natężenie wyjściowe laserów stanowi odpowiedź na problem numeryczny lub wszelkie informacje, dla których potrzebne było rozwiązanie.
Niemożliwa forma materii
Istnieje rodzaj materii zwany „substancją stałą nadciekłą”. I faktycznie sprawa nie jest tak straszna, jak mogłoby się wydawać z nazwy. Faktem jest, że ta bardzo dziwna forma materii ma strukturę krystaliczną charakterystyczną dla ciał stałych, ale jednocześnie jest cieczą. Ten paradoks długo pozostawał niezrealizowany. Jednak w 2016 roku dwie niezależne grupy naukowców (amerykańska i szwajcarska) stworzyły materię, którą słusznie można przypisać właściwościom nadciekłej substancji stałej. Co ciekawe, oba zespoły zastosowały przy jej tworzeniu różne podejścia.
Szwajcarzy stworzyli kondensat Bosego-Einsteina (najzimniejszą znaną materię) przez schłodzenie rubidu do ekstremalnie niskich temperatur. Następnie kondensat został umieszczony w instalacji dwukomorowej, w każdej komorze zainstalowano skierowane ku sobie małe lusterka. Do kamer skierowano promienie laserowe, które wyzwoliły transformację. Cząsteczki gazu, w odpowiedzi na działanie lasera, tworzyły strukturę krystaliczną ciała stałego, ale ogólnie materia zachowała swoje właściwości płynne.
Amerykanie uzyskali podobną materię hybrydową opartą na kondensacie atomów sodu, który również został mocno schłodzony i wystawiony na działanie lasera. Te ostatnie posłużyły do przesunięcia gęstości atomów przed pojawieniem się struktury krystalicznej w postaci ciekłej.
Ujemny płyn masowy
W 2017 roku fizycy stworzyli naprawdę fajną rzecz: nową formę materii, która porusza się w kierunku siły, która ją odpycha. Chociaż tak naprawdę nie jest to bumerang, ta sprawa ma coś, co można nazwać masą ujemną. Przy dodatniej masie wszystko jest jasne: przyspieszasz jakiś obiekt i zaczyna się on poruszać w kierunku, w którym to przyspieszenie zostało przekazane. Jednak naukowcy stworzyli płyn, który działa zupełnie inaczej niż cokolwiek w świecie fizycznym. Popchnięty przyspiesza do źródła wywieranego przyspieszenia.
I znowu z pomocą w tej sprawie przyszedł kondensat Bosego - Einsteina, którego rolę pełniły atomy rubidu schłodzone do ultraniskich temperatur. W ten sposób naukowcy otrzymali nadciekły płyn o normalnej masie. Następnie mocno skompresowali atomy za pomocą laserów. Następnie drugim zestawem laserów silnie wzbudzili atomy, tak bardzo, że zmienili swoje obroty. Gdy atomy zostały uwolnione z uchwytu lasera, reakcją zwykłej cieczy byłaby chęć przemieszczenia się od środka fiksacji, co w rzeczywistości można zinterpretować jako pchanie. Jednak nadciekły rubid, którego atomy otrzymały wystarczające przyspieszenie, pozostawał na miejscu po uwolnieniu z uchwytu lasera, tym samym wykazując ujemną masę.
Kryształy czasu
Kiedy Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla, jako pierwszy zaproponował ideę kryształów czasu, brzmiało to szaleńczo. Szczególnie w części, w której wyjaśniono, że kryształy te mogą poruszać się pozostając w stanie spoczynku, czyli wykazując najniższy poziom energii materii. Wydawało się to niemożliwe, ponieważ do ruchu potrzebna jest energia, a teoria z kolei mówiła, że w takich kryształach praktycznie nie ma energii. Wilczek uważał, że ruch wieczny można osiągnąć, zmieniając stan podstawowy atomu kryształu ze stacjonarnego na okresowy. Było to sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki, ale w 2017 roku, 5 lat po tym, jak zaproponował to Wilczek, fizycy znaleźli na to sposób. W rezultacie na Uniwersytecie Harvarda powstał kryształ czasu, w którym zanieczyszczenia azotowe „obracały się” w diamentach.
Lustra Bragga
Lustro Bragga nie jest silnie odblaskowe i składa się z 1000-2000 atomów. Ale jest w stanie odbijać światło, dzięki czemu jest przydatny wszędzie tam, gdzie potrzebne są małe lusterka, na przykład w zaawansowanej elektronice. Nietypowy jest też kształt takiego lustra. Jej atomy zawieszone są w próżni i przypominają łańcuch koralików. W 2011 roku niemieckiej grupie naukowców udało się stworzyć lustro Bragga, które w tym czasie miało najwyższy poziom odbicia (około 80 proc.). Aby to zrobić, naukowcy połączyli 10 milionów atomów w jednej strukturze sieciowej.
Jednak później zespoły badawcze z Danii i Francji znalazły sposób na znaczne zmniejszenie liczby potrzebnych atomów przy zachowaniu wysokiej skuteczności odblaskowej. Atomy zamiast ciasno wiązać się wokół siebie, zostały umieszczone wzdłuż mikroskopijnego światłowodu. Przy prawidłowym umieszczeniu powstają niezbędne warunki - fala świetlna odbija się bezpośrednio z powrotem do jej punktu początkowego. Kiedy przepuszczane jest światło, niektóre fotony wyrywają się z włókna i zderzają się z atomami. Efektywność odblaskowa wykazana przez zespoły z Danii i Francji jest bardzo różna i wynosi odpowiednio około 10 i 75 procent. Jednak w obu przypadkach światło wraca (to znaczy odbija się) do swojego punktu początkowego.
Oprócz obiecujących zalet w rozwoju technologii, takie lustra mogą być przydatne w urządzeniach kwantowych, ponieważ atomy dodatkowo wykorzystują pole świetlne do interakcji ze sobą.
Magnes 2D
Fizycy próbowali stworzyć dwuwymiarowy magnes od lat 70., ale zawsze im się to nie udawało. Prawdziwy magnes 2D musi zachować swoje właściwości magnetyczne nawet po oddzieleniu go do stanu, w którym staje się dwuwymiarowy lub ma grubość tylko jednego atomu. Naukowcy nawet zaczęli wątpić, że coś takiego jest w ogóle możliwe.
Jednak w czerwcu 2017 roku fizycy korzystający z trójjodku chromu byli w stanie w końcu stworzyć dwuwymiarowy magnes. Połączenie okazało się bardzo interesujące z kilku stron naraz. Jego warstwowa struktura krystaliczna doskonale nadaje się do zwężania, a ponadto elektrony mają pożądany kierunek spinu. Te ważne właściwości pozwalają trójjodkowi chromu zachować swoje właściwości magnetyczne nawet po zredukowaniu struktury krystalicznej do grubości ostatnich warstw atomowych.
Pierwszy na świecie magnes 2D można było wyprodukować w stosunkowo wysokiej temperaturze -228 stopni Celsjusza. Jego właściwości magnetyczne przestają działać w temperaturze pokojowej, ponieważ niszczy go tlen. Jednak eksperymenty są kontynuowane.
NIKOLAY KHIZHNYAK