Физика – Основы устройства мира

Квантовая механика уже более века остаётся одной из самых загадочных и плодотворных теорий в физике. Она объясняет, почему электроны могут «проходить сквозь» потенциальные барьеры, которые они, казалось бы, не должны преодолевать. Это явление, известное как квантовое туннелирование, имеет ключевое значение в таких технологиях, как туннельные микроскопы и ядерный синтез. Но остаётся фундаментальный вопрос: сколько времени частица действительно проводит внутри барьера?

Реальный эксперимент, выполненный почти через сто лет после знаменитых теоретических споров начала XX века, дал убедительное подтверждение тому, что Нильс Бор был прав в одном из самых принципиальных разногласий с Альбертом Эйнштейном о природе квантового мира. Речь идёт о принципе дополнительности — фундаментальном положении квантовой механики, согласно которому некоторые физические свойства квантовых объектов принципиально невозможно измерить одновременно с произвольной точностью. Этот результат не только укрепляет позиции копенгагенской интерпретации, но и демонстрирует, как философские дискуссии прошлого превращаются в проверяемую экспериментальную физику XXI века.

Большой адронный коллайдер позволил физикам заглянуть внутрь атомного ядра с разрешением значительно меньше размера протона и получить новые данные о поведении глюонов — частиц, которые обеспечивают сильное взаимодействие между кварками. Результаты эксперимента ALICE в ЦЕРНе показывают, что традиционная модель ядерного затенения может быть недостаточной для объяснения происходящего при высоких энергиях. Наблюдения оказались совместимы с другим эффектом, предсказанным квантовой хромодинамикой, — насыщением глюонов.

Космос, с его бескрайними просторами, всегда был вызовом для инженеров и ученых. Однако с развитием электрических ракетных двигателей (ЭР) мир вступает в новую эру исследований космоса. Эти двигатели обещают совершить революцию в дальних миссиях, делая их более устойчивыми и экономичными. Исследования Чэня Цуя, доцента Университета Вирджинии, сосредоточены на изучении поведения плазмы в таких двигательных системах, чтобы обеспечить их долговременную надежность.

На протяжении десятилетий развитие электроники шло по пути увеличения производительности, уменьшения размеров компонентов и повышения вычислительной мощности. Однако существует фундаментальная проблема, которую даже самые современные микросхемы пока не смогли полностью решить. Человеческое тело представляет собой мягкую, гибкую и постоянно изменяющуюся среду, тогда как большинство электронных устройств остаются жесткими и механически несовместимыми с живыми тканями. Именно поэтому инженеры по всему миру работают над созданием принципиально нового поколения электроники, которая сможет не только взаимодействовать с организмом, но и буквально вести себя как его естественная часть.

Квантовые компьютеры считаются одной из самых перспективных технологий XXI века. В отличие от традиционных компьютеров, которые обрабатывают информацию с помощью битов, принимающих значения только 0 или 1, квантовые системы используют кубиты — особые квантовые объекты, способные одновременно находиться сразу в нескольких состояниях благодаря принципу суперпозиции. Именно эта особенность позволяет выполнять некоторые вычисления во много раз быстрее, чем на самых мощных современных суперкомпьютерах.

Исследователи Оксфордского университета выявили удивительную особенность квантовых часов: основная энергетическая стоимость связана не с их работой, а с самим актом измерения. В ходе экспериментов выяснилось, что считывание квантовых тиков требует энергии примерно в миллиард раз больше, чем затрачивает сам квантовый механизм. Этот результат показывает, что основная доля энтропии в таких системах возникает в момент преобразования квантовых событий в классическую информацию, а не в процессе их естественного течения.

Открытие ускоренного расширения Вселенной в конце XX века стало одним из крупнейших научных сюрпризов современной космологии. Согласно наиболее распространённой сегодня модели ΛCDM, причиной этого ускорения является загадочная тёмная энергия, которую математически описывает космологическая постоянная Эйнштейна. Несмотря на впечатляющее согласие модели с большинством наблюдений, сама природа тёмной энергии остаётся неизвестной. Более того, стандартная космология сталкивается с рядом серьёзных теоретических трудностей. Среди них особенно выделяются проблема тонкой настройки, требующая невероятно малого значения космологической постоянной по сравнению с предсказаниями квантовой теории поля, а также растущие расхождения между различными методами измерения постоянной Хаббла, известные как проблема Хаббла. Эти обстоятельства заставляют физиков искать альтернативные объяснения космического ускорения.

Гравитация остается одной из самых загадочных фундаментальных сил природы. Долгие десятилетия ученые пытались объединить общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию в макроскопических масштабах, с квантовой механикой, управляющей поведением частиц на субатомном уровне. Новое исследование, опубликованное в Physical Review D профессором Джинестрой Бьянкони из Лондонского университета королевы Марии, предлагает радикально новый подход к решению этой проблемы. Исследование вводит концепцию энтропийной гравитации, где гравитация возникает как следствие квантовой относительной энтропии, связывая два фундаментальных аспекта физики в единую структуру.

В современной космологии почти 95% содержимого Вселенной приходится на две загадочные составляющие — тёмную материю и тёмную энергию. Первая, как считается, удерживает галактики от разрушения, вторая отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Несмотря на десятилетия поисков, природа обеих остается неизвестной. Новая работа, опубликованная в 2026 году в журнале Journal of Experimental and Theoretical Physics, предлагает неожиданную альтернативу: возможно, обе эти сущности вообще не являются отдельными формами материи или энергии, а представляют собой разные проявления единого энтропийного поля вакуума.

Второй закон термодинамики считается одним из самых фундаментальных законов природы. Еще Альберт Эйнштейн называл его уникальным среди всех физических законов, полагая, что он вряд ли когда-либо будет опровергнут. Согласно этому принципу, энтропия — физическая величина, характеризующая количество возможных состояний системы и часто связываемая с ростом беспорядка, — в замкнутой системе со временем может только увеличиваться. Именно этот закон определяет направление течения времени и объясняет необратимость большинства процессов, происходящих в природе.

Эрвин Шрёдингер занимает особое место в истории науки. Его имя известно даже людям, далёким от физики, благодаря знаменитому мысленному эксперименту с котом, однако реальное значение его работ намного глубже. Именно Шрёдингер создал волновую механику — одну из фундаментальных формулировок квантовой теории, вывел уравнение, ставшее основой современной атомной, молекулярной и твердотельной физики, а также внес огромный вклад в философское осмысление природы материи и жизни. Многие технологии XXI века, от полупроводников до квантовых компьютеров, так или иначе опираются на математический аппарат, созданный австрийским ученым почти сто лет назад.

Современная астрономия продолжает открывать новые страницы истории ранней Вселенной. Недавно международная группа исследователей опубликовала результаты анализа галактики SMILES-GS-191748, которую они назвали Эриду в честь одного из древнейших шумерских городов. Такое название отражает как предполагаемый ранний возраст объекта, так и его спокойный характер. Наблюдения, выполненные с помощью космических телескопов имени Джеймса Уэбба и «Хаббла», показали, что Эриду представляет собой массивную, но уже давно «успокоившуюся» систему, сформировавшуюся на рубеже космической истории, когда возраст Вселенной составлял всего около 2,5 миллиарда лет.

В физике существует немало явлений, которые противоречат здравому смыслу, однако эффект Ааронова — Бома занимает среди них особое место. Этот феномен заставил ученых пересмотреть представления о том, какие физические величины действительно являются фундаментальными. Он показал, что квантовая частица способна реагировать на магнитное поле даже тогда, когда в той области пространства, где она движется, никакого магнитного поля нет.

В космосе можно наблюдать явления, которые на Земле кажутся почти невозможными. Одно из самых известных связано с неожиданными переворотами вращающихся предметов. Это явление получило название эффект Джанибекова и стало одним из самых наглядных примеров того, как фундаментальные законы механики способны удивлять даже опытных космонавтов. История началась в 1985 году на борту орбитальной станции «Салют-7». Советский космонавт Владимир Джанибеков выполнял обычную работу с крепежными элементами и обратил внимание на странное поведение барашка крепления груза. После того как деталь была закручена и отпущена в невесомости, она начала вращаться в полете. Однако вместо стабильного вращения вокруг одной оси барашек через равные промежутки времени неожиданно переворачивался примерно на 180 градусов, после чего продолжал вращение и снова совершал такой же переворот.

Когда мы представляем себе пустоту, обычно возникает образ абсолютного ничто — пространства, в котором нет вещества, света и каких-либо физических процессов. Однако современная физика рисует совершенно иную картину. Согласно квантовой теории поля, вакуум вовсе не является пустым. Даже в идеальной пустоте непрерывно происходят микроскопические процессы: рождаются и исчезают пары частиц и античастиц, возникают квантовые колебания полей, появляются и исчезают виртуальные частицы. Вместо безжизненного пространства физики видят своеобразный бурлящий океан квантовых флуктуаций.

Одним из самых удивительных открытий современной космологии стало осознание того, что Вселенная хранит собственную фотографию младенческого возраста. Речь идет о реликтовом космическом микроволновом фоне — древнейшем свете, который возник спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва и до сих пор пронизывает все пространство. Именно благодаря изучению этого излучения ученые смогли проследить путь от едва заметных неоднородностей ранней Вселенной до гигантской космической сети галактик, скоплений и пустот, наблюдаемой сегодня.

Существует ли абсолютная пустота во Вселенной или даже вакуум зависит от того, кто и как на него смотрит? Этот вопрос долгое время казался скорее философским, чем физическим. Однако современная квантовая теория поля дает неожиданный ответ: пустота не является универсальным понятием. То, что один наблюдатель считает идеальным вакуумом, для другого может оказаться наполненным тепловым излучением.

Почти столетие физики по всему миру пытаются разгадать загадку тёмной материи — невидимой субстанции, которая, по современным оценкам, составляет около 80% массы Вселенной. Несмотря на десятки экспериментов, попытки зафиксировать её в лабораторных условиях пока не увенчались успехом. Тёмная материя не взаимодействует со светом, поэтому напрямую её «увидеть» невозможно, однако она оказывает тонкое гравитационное воздействие на звёзды, галактики и космические структуры. Главная трудность заключается в том, что это воздействие настолько мало, что существующие методы измерений его не улавливают.

Яков Борисович Зельдович — один из тех советских учёных, чья биография одновременно отражает историю науки XX века и формирует её. Он прошёл путь от химической кинетики до космологии, оставив фундаментальные результаты в областях, которые кажутся несовместимыми между собой. Его считали универсальным теоретиком, способным одинаково проникновенно рассматривать физику взрывов, процессы горения, квантовые явления, астрофизику и происхождение Вселенной.