Квантовые технологии – Революция в науке и ИТ

Один из самых глубоких и загадочных вопросов современной космологии связан с тёмной энергией — гипотетической силой, ответственной за ускоренное расширение Вселенной. Долгое время считалось, что её свойства постоянны, но новые результаты эксперимента DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) указывают на то, что эта картина может быть гораздо сложнее. Согласно свежим данным, тёмная энергия может не быть фиксированной константой природы, а изменяться во времени и пространстве, причём её источником могут выступать чёрные дыры.

В конце XX века астрономы обнаружили нечто совершенно неожиданное: Вселенная не просто расширяется, ее расширение ускоряется. Открытие было сделано во многом благодаря взрывам особого типа звезд — сверхновым Ia. Чтобы объяснить ускорение, в космологическую модель пришлось добавить загадочный компонент, получивший название темной энергии. Почти три десятилетия простейшее объяснение выглядело достаточно убедительно: темная энергия постоянна. Теперь крупнейшая подборка сверхновых заставляет снова проверить это предположение.

Современная космология переживает один из самых интересных этапов своего развития. За последние десятилетия ученым удалось построить чрезвычайно точную модель эволюции Вселенной, которая успешно объясняет реликтовое излучение, образование галактик, распределение материи и ускоренное расширение космоса. Однако в этой стройной картине существует серьезное противоречие, известное как «напряжение Хаббла». Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, проверило одну из самых необычных гипотез последних лет — возможность того, что темная энергия в прошлом меняла знак. Оказалось, что даже столь радикальная модификация стандартной космологической модели не способна полностью устранить существующее расхождение.

Когда учёные впервые осознали, что Вселенная расширяется, они предположили, что со временем это расширение замедлится под действием гравитации. Однако в конце XX века астрономы сделали шокирующее открытие – Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Эта находка полностью изменила представления о космологии. Было выдвинуто предположение о существовании таинственной силы, расталкивающей галактики и преодолевающей гравитационное притяжение. Её назвали темной энергией.

Слабый гравитационный гул, пронизывающий современную Вселенную, может оказаться своеобразным эхом процессов, происходивших более 13 миллиардов лет назад. Новое теоретическое исследование связывает наногерцовый фон гравитационных волн с одной из самых необычных гипотез ранней космологии — существованием сверхмассивных темных звезд, которые могли стать зародышами первых гигантских черных дыр.

Наука всё ближе подбирается к разгадке одного из самых фундаментальных тайн Вселенной — природы темной материи. В центре внимания нового исследования оказались загадочные объекты, получившие название «темные карлики». Они могут существовать в ядре Млечного Пути и стать прямым свидетельством того, из чего на самом деле состоит темная материя — неуловимая субстанция, составляющая примерно 25% всей массы-энергии во Вселенной, но не взаимодействующая со светом и, следовательно, недоступная для прямого наблюдения.

В центре нашей Галактики может скрываться особый класс небесных объектов, который способен пролить свет на одну из главных загадок современной космологии — природу тёмной материи. Исследователи назвали эти гипотетические объекты «тёмными карликами». В отличие от привычных звёзд, которые светят благодаря термоядерному синтезу, их энергия может рождаться из процессов аннигиляции частиц тёмной материи, накопившейся в их недрах.

В поисках разгадки одной из величайших тайн современной физики — природы темной материи — ученые сделали важный шаг вперед. Исследователи из Вашингтонского университета и Института теоретической физики Периметра предложили инновационный подход, который может реабилитировать темные фотоны как серьезных кандидатов на роль частиц темной материи. Этот гипотетический класс частиц, обладающих массой и слабо взаимодействующих с обычной материей, долгое время рассматривался как потенциальный компонент темной материи, но сталкивался с фундаментальными теоретическими ограничениями.

Когда в 1980 году Стивен Хокинг выступал с лекцией о будущем теоретической физики, казалось, что объединяющая теория, описывающая и космос, и квантовый мир, появится в течение нескольких десятилетий. Но спустя почти полвека поиски «теории всего» продолжаются, а главным кандидатом остаётся теория струн — математический аппарат, в котором фундаментальные частицы рассматриваются не как точки, а как крошечные вибрирующие струны. Их колебания определяют массу, заряд и тип частицы, подобно тому как вибрации струны музыкального инструмента создают разные звуки.

Спустя более ста лет после появления общей теории относительности Альберта Эйнштейна физики продолжают подвергать ее самым строгим экспериментальным испытаниям. Новое международное исследование стало еще одним важным подтверждением того, что фундаментальная теория гравитации по-прежнему исключительно точно описывает устройство окружающей Вселенной. Используя специально созданный спутник LARES-2 и современные методы лазерных измерений, ученые смогли с беспрецедентной точностью зарегистрировать один из самых трудноуловимых эффектов общей теории относительности — увлечение пространства-времени вращением Земли.

Космологическая постоянная остается одной из самых сложных и фундаментальных проблем современной теоретической физики. Она описывает энергию вакуума, которая приводит к ускоренному расширению Вселенной — эффекту, подтвержденному наблюдениями космических телескопов, включая Хаббл. Однако ее значение вызывает глубокое противоречие между общей теорией относительности и квантовой теорией поля.

Можно ли представить, что время — не прямая линия, как мы привыкли думать, а полноценная трёхмерная структура, внутри которой возникает само пространство? Согласно новой гипотезе физика Гюнтера Клетечки из Университета Аляски в Фэрбенксе, именно время, обладающее тремя независимыми осями, служит базовой реальностью, на фоне которой «появляется» всё остальное. Пространство в этой системе играет второстепенную роль — как краска на холсте, а не сам холст.

Может ли пространство быть не первичной структурой, а производной формой существования? Согласно новой теоретической работе Гюнтера Клетечки, исследователя Геофизического института Университета Аляски в Фэрбенксе, именно время — и притом не одно, а три его измерения — может лежать в основе всего сущего. Эта идея ставит под сомнение один из основополагающих принципов современной физики: концепцию пространства-времени как единого четырёхмерного континуума, предложенного Эйнштейном.

В физике элементарных частиц редко бывает так, что одна серия экспериментов окончательно закрывает гипотезу, обсуждавшуюся десятилетиями. Именно такой случай произошёл с так называемым стерильным нейтрино — гипотетической частицей, которая более тридцати лет считалась одним из главных кандидатов на объяснение загадочных нейтринных аномалий. Новые результаты эксперимента MicroBooNE показали, что эта частица, по всей видимости, никогда не существовала.

Космические лучи остаются одной из самых загадочных составляющих нашей Вселенной. Эти высокоэнергетические частицы непрерывно бомбардируют Землю из глубин космоса, однако ученые уже более ста лет пытаются окончательно установить, где именно они рождаются и какие процессы способны разгонять частицы до колоссальных энергий. Новое исследование международной коллаборации LHAASO приблизило науку к решению этой фундаментальной загадки.

Остатки взорвавшихся звезд остаются одними из самых загадочных и динамичных объектов во Вселенной. Именно здесь рождаются ударные волны колоссальной мощности, формируются экзотические структуры и происходят процессы ускорения частиц до энергий, недостижимых даже для крупнейших земных ускорителей. Новое исследование международной группы астрономов позволило детально изучить одну из таких систем — туманность пульсарного ветра внутри остатка сверхновой CTA 1, расположенного примерно в 4600 световых годах от Земли.

У чёрной дыры действительно могут быть «волосы». Правда, увидеть их невозможно даже в самый мощный телескоп, и к привычным волосам они не имеют никакого отношения. Так физики называют дополнительную структуру или материю, способную изменить свойства чёрной дыры по сравнению с простейшим предсказанием общей теории относительности. Теперь исследователи Нагойского университета предложили новый способ искать такие волосы — буквально прислушиваясь к тому, как чёрная дыра «звенит» после столкновения.

Современные технологии термоядерного синтеза сталкиваются с рядом сложностей, одной из которых является эффективный нагрев плазмы до экстремальных температур. Это необходимо для запуска реакции синтеза — источника практически неограниченной и экологически чистой энергии. Для этого используются электромагнитные волны, аналогичные микроволнам, которые нагревают плазму внутри токамаков. Однако помимо полезных волн, нагревающих плазму, в процессе их создания образуются так называемые «медленные моды» — лишние волны, которые тратят энергию, не принося пользы.

Вселенная постоянно перерабатывает собственное вещество. Звезды рождаются из межзвездного газа, миллиарды лет производят в своих недрах новые химические элементы, а в конце жизни возвращают значительную часть материала обратно в окружающее пространство. Из обогащенного таким образом газа позднее формируются новые поколения звезд и планет. Теперь астрономам удалось непосредственно увидеть одну из наиболее трудноуловимых стадий этого круговорота — постепенное разрушение выброшенных звездой оболочек и их смешивание с межзвездной средой.

Сверхмассивные черные дыры способны создавать одни из крупнейших структур во Вселенной. Когда вещество активно падает на черную дыру в центре галактики, часть энергии может выбрасываться в виде двух узких релятивистских джетов. Они простираются на сотни тысяч и даже миллионы световых лет, формируя гигантские области радиоизлучающей плазмы. Но что происходит, когда центральный двигатель неожиданно выключается?