Научная среда – новости о науке и технике. Выпуск #72

В эту среду мы сделаем акцент на успехи физиков (просто они хорошо поработали):

• Квантовый процессор превратили во временной кристалл.
• В рамках теории струн получено описание Вселенной с реалистичным значением плотности темной энергии.
• Физики впервые увидели процесс Брейта – Уилера.
• Ученые объяснили, почему мы лучше запоминаем информацию, когда делаем перерывы в обучении.
• Физики намагнитили материал без внешнего поля.
• Более 8 часов в сидячем положении снижают уровень психологического благополучия.

Новости одной строкой

• Более 8 часов в сидячем положении снижают уровень психологического благополучия, сообщают британские ученые.
• Ученые из Гонконга обратили внимание на то, что в период карантинных ограничений дети стали больше времени проводить дома и пользоваться гаджетами. Исследование показало, что за первых восемь месяцев пандемии близорукость у детей развивалась быстрее, чем в среднем за три года.
• Трое среднестатистических американцев создают достаточно выбросов углерода, чтобы убить одного человека. Имеется в виду условный американец - дело в том, что "средний" человек во всем мире производит около четверти количества выбросов за жизнь от того, что воспроизводит "средний" американец.
• Физические упражнения помогают детям учить новые слова.
• Учёные выяснили, что уровень тестостерона в организме мужчины вовсе не связан с тем, насколько больших социальных и экономических успехов он достигает.

Научная среда

Квантовый процессор превратили во временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями

Исследователи из Google и нескольких американских университетов сообщили о создании истинного дискретного временного кристалла с упорядоченными собственными состояниями. Такое состояние было получено на кубитах квантового процессора Sycamore от Google. Ученые продемонстрировали, что созданный ими временной кристалл удовлетворяет целому ряду критериев, которые позволяют считать его истинным временным кристаллом.

В основе их работы лежит идея упорядоченных собственных состояний многочастично-локализованной системы. В общем случае, когда система подвергается периодическому воздействию, спектр ее состояний может иметь беспорядочный характер. Когда же состояния системы «заморожены» локализацией, их четные суперпозиции выстраиваются в фазовом пространстве ровно напротив их нечетных суперпозиций. При наложении на такую систему периодического возмущения она может демонстрировать отклик с удвоенным периодом сколь угодно долго. Энергия при этом не рассеивается и не забирается от возмущающей волны.

Физики провели серию измерений для доказательства того, что их установка удовлетворяет всем критериям. В частности, временная периодичность свойств кубитов исследовалась с помощью автокорреляционных функций, внесение беспорядка — с помощью квантового скремблера, а отделение декогерентности от термализации — с помощью дополнительного, инвертированного по времени воздействия на систему. Наконец, ученые повторили свои опыты для цепочек из 8, 12 и 16 кубитов, чтобы убедиться в увеличении пространственно-временных ограничений исследуемого состояния. Последнее, по словам авторов, дает базу для масштабирования истинно временных кристаллов.

На данный момент не конца ясно, сможет ли истинный временной кристалл найти практическое применение. Однако, как утверждают авторы, их результат показывает концептуальную возможность существования стабильной неравновесной фазы. В конечном итоге такие исследования дают возможность взглянуть на природу пространства и времени под другим углом. Кроме того, создание временных кристаллов на квантовых процессорах может стать дополнительной мотивацией разработки квантовых компьютеров.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Магнитное пересоединение экспоненциально быстро лишило черную дыру магнитного поля

С помощью компьютерного моделирования американские физики показали, что из-за магнитного пересоединения черная дыра Керра, окруженная сильно намагниченной плазмой, экспоненциально быстро теряет магнитное поле. Результаты методов кинетики релятивистской плазмы и резистивной магнитогидродинамики согласуются с теоремой об отсутствии волос, которая говорит, что черные дыры характеризуются только массой, угловым моментом и зарядом. Кроме того, потеря сильного магнитного поля становится причиной жесткого рентгеновского излучения из магнитосферы черной дыры.

В качестве начального состояния физики выбрали черную дыру с дипольным магнитным полем, предполагая, что она уже поглотила нейтронную звезду, окруженную плазмой, но еще не начала терять поле. Оба метода моделирования показали, что эволюция магнитосферы проходит в несколько стадий: сначала плазма в эргосфере вращается вокруг черной дыры, увлекает за собой ее магнитное поле и продуцирует полоидальное магнитное поле (линии которого проходят вдоль меридианов) по правилу буравчика. По мере раздувания полоидального магнитного поля силовые линии вытягиваются и сгущаются у экватора. В итоге картина силовых линий напоминает поля двух магнитных монополей (split-monopole field) — в северном полушарии линии направлены прямо от черной дыры, в южном — к черной дыре. Тороидальное магнитное поле (чьи линии направлены вдоль параллелей) также противоположно направлено в двух полушариях. Подобная конфигурация магнитных полей в соответствии с первым уравнением Максвелла рождает токовый лист в плоскости экватора, вдоль которого происходит магнитное пересоединение полей.

Ученые обнаружили излучение при перезамыкании магнитных линий и посчитали общую диссипативную мощность, видимую при этом наблюдателем на бесконечности. Как и ожидалось, в магнитном поле выше миллиона гауссов и в пределе высокой намагниченности плазмы почти вся магнитная энергия переходит в излучение в жестком рентгеновском диапазоне, что со стороны может выглядеть как вспышка галактического магнетара.

Полную версию материала читайте по ссылке.

В рамках теории струн получено описание Вселенной с реалистичным значением плотности темной энергии

Одной из главных проблем современной теоретической физики фундаментальных взаимодействий, основанной на Стандартной модели элементарных частиц и Общей теории относительности, описывающей гравитацию, является противоречие между предсказанным значением плотности темной энергии (она же — энергия вакуума) и ее значением, измеренным по скорости расширения Вселенной. Расхождение составляет впечатляющие 10123 раз. Соответственно, верное теоретическое предсказание этой плотности является важнейшим требованием к любой теории квантовой гравитации, претендующей на описание всех взаимодействий в рамках единого формализма. Основным кандидатом на роль такой теории в настоящее время является теория струн. Уравнения этой теории имеют огромное количество космологических решений, большая часть которых не похожа на наблюдаемую нами Вселенную. В частности, значение плотности темной энергии в этих решениях обычно существенно превышает наблюдаемое. Но недавно группа физиков нашла решение, которое очень напоминает нашу Вселенную и имеет очень малое значение плотности темной энергии.

Согласно теории струн, не проверенной, правда, в настоящее время экспериментально, все частицы не являются точечными, а представляют собой микроскопические одномерные объекты. То, что кажется нам различными частицами, в теории струн представляет собой разные колебательные состояния одного и того же объекта — фундаментальной струны.

Пару недель назад в архиве электронных препринтов появилась статья, в которой описано многообразие Калаби — Яу (так называемый ориентифолд Калаби — Яу), обеспечивающее очень маленькое значение плотности темной энергии с точки зрения низкоэнергетической четырехмерной Вселенной (эта плотность тоже зависит от формы многообразия Калаби — Яу — как и спектр, и детали взаимодействия частиц).

Полную версию материала читайте по ссылке.

Физики впервые увидели процесс Брейта – Уилера

Физики впервые увидели рождение электрон-позитронной пары в столкновении двух реальных фотонов. Возможность рождения электрона и его античастицы из двух квантов света была предсказана Брейтом и Уилером еще в 1934 году, но теперь физикам впервые удалось с уверенностью пронаблюдать этот процесс в эксперименте. Ученые зарегистрировали 6085 таких событий в периферических столкновениях релятивистских ядер золота с помощью детектора STAR на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Помимо всего прочего, полученные данные потенциально позволят изучить эффект двойного лучепреломления в вакууме.

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция — вместо пары частица-античастица рождаются два кванта света. Процесс аннигиляции знаком, пожалуй, всем, кто когда-либо сталкивался с понятием антиматерии, но не все знают, что возможен и обратный процесс: столкновение двух фотонов может породить электрон-позитронную пару. Это явление называется процессом Брейта — Уилера, и впервые он был описан еще в 1934 году. Но уже тогда ученые поняли, что вероятность экспериментального наблюдения такого эффекта крайне мала, ведь контролируемое столкновение двух фотонов кажется практически нереализуемой задачей.

Тем не менее, Брейт и Уилер допустили возможность протекания такого процесса в столкновениях релятивистских ядер. Если заряженную частицу ускорить до околосветовых скоростей, то Лоренцево сокращение приведет к ее очень сильному сжатию вдоль направления ее движения. Это значит, что и заряд частицы будет сильно сконцентрирован вдоль одной оси, а значит такая сжатая заряженная частица будет источником сильного электромагнитного поля, направленного перпендикулярно оси ее движения.

Полученные результаты недавних исследований открывают возможности для изучения еще одного интересного эффекта: двулучепреломления в вакууме, предсказанного Гейзенбергом и Эйлером в 1936 году.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Астрономы смогли раскрыть тайну "скоростного" остатка сверхновой

Исследователи наблюдали при помощи нескольких телескопов за звездой LP 40-365. Ученые показали, что этот объект не только движется с огромной скоростью после пережитого взрыва сверхновой, но и вращается при этом. Это объясняет резкие колебания светимости звезды.

Основываясь на относительно медленной скорости вращения LP 40-365, авторы работы делают вывод, что этот объект представляет собой остаток звезды, которая самоуничтожилась после того, как ее компаньон отдал ей слишком большое количество вещества, когда они вращались друг вокруг друга на высокой скорости. Из-за того, что звезды вращались вокруг друг друга так быстро и близко, взрыв сверхновой сказался на обоих объектах. Астрономы предполагают, что остатки одного из них полностью поглотил другой.

Взрыв также породил огромное количество энергии, которое увеличило скорость движения LP 40-365 и заставило звезду вращаться с высокой скоростью — полный оборот светило делает всего за девять часов. Для сравнения, Солнце делает оборот вокруг своей оси за 27 дней. По словам ученых, такие объекты, как LP 40-365, являются не только одними из самых быстрых известных звезд, но и объектами с самым высоким содержанием металлов. Звезды, подобные нашему солнцу, состоят из гелия и водорода, но звезда, которая пережила сверхновую, состоит в основном из металлов, потому как в процессе взрыва термоядерный синтез сильно активизируется.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Ученые объяснили, почему мы лучше запоминаем информацию, когда делаем перерывы в обучении

Техника интервальных повторений хороша тем, что позволяет надолго запоминать информацию. Благодаря длительным перерывам между учебными сессиями данные сохраняются в долговременной памяти, и в будущем к ним можно вернуться без особых затруднений. Более 100 лет исследований подтверждают этот факт, но до сих пор не было ясно, что лежит в основе этого явления.

В ходе эксперимента исследователи наблюдали за активностью в дорсомедиальной префронтальной коре головного мозга, которая ответственна за запоминание. Специалисты интуитивно предполагали, что короткие перерывы при обучении будут способствовать активации одних и тех же нейронных путей, а при длинных паузах мозг будет воспринимать информацию как новую и, соответственно, активизировать другие нейроны.

Но оказалось, все работает как раз наоборот. Только при длинных перерывах в обучении обнаруживалась схожая активность нейронов. Ученые считают, что во время длительных пауз мозг успевает кодировать и архивировать данные, а также укреплять нейронные пути.

У мышей оптимальный интервал между фазами обучения составил 30 или 60 минут. Только при таких перерывах был виден эффект на следующий день. Более короткие или длительные промежутки не давали особых преимуществ для сохранения информации в длительной памяти.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Разработан метод доставки лекарств в сетчатку

Ученые из РХТУ имени Д.И. Менделеева и их немецкие коллеги разработали систему адресной доставки лекарственных веществ, эффективных для терапии глазных заболеваний, и опробовали ее эффективность на крысах. Через 15 минут после инъекции полимерных наночастиц, наполненных кумарином-6, большая часть вещества проходила через гематоретинальный барьер и распределялась по сетчатке глаза.

Труднорастворимые вещества можно включать в наночастицы, состоящие из биодеградируемых полимеров, а потом водные дисперсии этих наночастиц использовать в качестве инъекционных лекарственных форм, удобных для внутривенного введения, — говорит соавтор исследования Светлана Гельперина. — Этот подход мы использовали в новой работе и надеялись, что наночастицы будут проникать в сетчатку. Но этого не произошло, они остались ассоциированными со стенками сосудов. При этом главное, что включенное в наночастицы модельное вещество очень эффективно проникало в сетчатку. Мы это наблюдали и фиксировали в реальном времени,— это означает, что наш подход работает и, таким образом, мы сможем доставлять и лекарственные вещества к сетчатке.

Оказалось, что сами наночастицы оставались внутри сосудов. Но кумарин-6 проходил через их стенки в сетчатку и распространялся по ней в течении 15 минут. Результаты работы позволяют предположить высокую скорость действия таких препаратов при использовании реальных терапевтических средств. Способ доставки прост и может быть быстро и эффективно масштабирован до создания производственной линии. В дальнейшем ученые планируют расширить этот подход и использовать его, чтобы лечить заболевания центральной нервной системы.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Физики намагнитили материал без внешнего поля

Исследователи предложили метод намагничивания парамагнитной соли в результате адиабатического сжатия. Для появления магнитных свойств при этом нет необходимости во внешнем магнитом поле.

Парамагнитные материалы, такие как алюминий, намагничиваются только при приложении внешнего магнитного поля. Ферромагнитные материалы, в том числе железо, могут иметь намагниченность даже при отсутствии приложенного магнитного поля, потому что у них есть магнитные домены. Домены представляют собой участки материала, в которых спины электронов на внешних оболочках атомов направлены в одну сторону. Эти крошечные участки и обуславливают магнитные свойства материалов.

В новом исследовании ученые проводили эксперимент, сжимая парамагнитную соль вдоль одной из осей. Применение одноосного напряжения уменьшает объем соли. Поскольку этот процесс адиабатический, то есть проводится без какого-либо обмена энергией с окружающей средой, то сжатие приводит к повышению температуры материала. Повышение температуры увеличивает энтропию образца. Чтобы сохранить общую энтропию в системе постоянной, материалу необходимо понизить ее, компенсировав рост за счет других эффектов. В результате спины внутри материала выравниваются, что приводит к намагничиванию системы.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Древний всплеск концентрации кислорода на Земле совпал с массовым вымиранием

Исследователи из Университета штата Флорида обнаружили, что массовое пермское вымирание совпало с внезапным всплеском и последующим падением содержания кислорода в океане.

Двести пятьдесят два миллиона лет назад множество видов животных на планете Земля оказалось на грани гибели. В результате события, ознаменовавшего конец пермского периода, более 96% морских видов планеты и 70% ее наземных обитателей внезапно вымерли. Это было самое большое вымирание в истории Земли. О причинах этого события ученые спорят до сих пор.

Хотя концентрация кислорода перед всплеском постепенно снижалась и оставалась низкой после него, это геологически быстрое колебание уровней и долгосрочная нехватка этого газа для дыхания, вероятно, была более вредной для жизни, чем постепенное снижение его содержания. Углекислый газ, выделившийся во время этого вулканического извержения, вызвал потепление атмосферы Земли, что снизило содержание кислорода в океанах и привело к тому, что океаны стали относительно безжизненными на миллионы лет.

Невозможно напрямую измерить уровень кислорода в морской или атмосферной среде, поэтому исследовательская группа вместо этого анализировала содержание изотопов таллия, которые косвенно предоставили информацию для понимания уровня кислорода в морской среде прошлого. Теперь исследователи планируют изучить другие древние вымирания, чтобы увидеть, совпадали ли подобные резкие колебания кислорода с любым из этих событий.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Физики объяснили, почему некоторые квантовые системы не достигают равновесия

Некоторые физические системы, особенно квантовые, не достигают устойчивого равновесия даже через большое количество времени. Теперь исследователи нашли элегантное объяснение этому феномену.

Если вы достанете из холодильника напиток и поставите его на стол в комнате, спустя какое-то время температура жидкости будет равна комнатной. Это значит, что между двумя системами установилось тепловое равновесие. В макромире такой закон равновесия работает во всех ситуациях — если не совершать работу, пытаясь сохранить систему в неравновесном состоянии, она через какое-то время придет к своему балансу.

Однако существуют квантовые, в которых за обозримый промежуток времени равновесного состояния не достигается. Это похоже на то, как если бы вы достали из холодильника стакан с напитком, а он вдруг начал нагреваться до температуры выше или ниже комнатной в зависимости от своего начального состояния. До сих пор такие системы озадачивали физиков.

Каждое распределение является результатом различной суперпозиции вероятностей для отдельных мест и соответствует определенному энергетическому состоянию частицы. Получается, что число устойчивых энергетических состояний совпадает с числом степеней свободы системы и, следовательно, точно соответствует числу допустимых положений. Важным моментом является то, что все стабильные распределения вероятностей в начальной точке не равны нулю. Таким образом, в какой-то момент фигурка возвращается в свое начальное местоположение.

Для квантовой частицы это означает, что существует бесконечное число способов, которыми вероятности отдельных местоположений могут быть объединены для формирования распределений. Таким образом, он может занимать уже не только определенные дискретные энергетические состояния, но и все возможные в непрерывном спектре.

Полную версию материала читайте по ссылке.

Научные видео

Основные источники:

• neuronovosti.ru
• popmech.ru
• nplus1.ru
• elementy.ru

Спасибо за внимание, и помните, что никогда не поздно "Учиться, учиться и еще раз учиться!"

Прошлый выпуск рубрики:

• Ученые объяснили, почему нельзя играть в игры на телефоне от скуки.
• InSight померил толщину марсианской коры.
• "Спектр-РГ" увидел ранние стадии разрыва звезды сверхмассивной черной дырой.
• Напечатанная на 3D-принтере роборука прошла первый уровень в Super Mario.
• Кошки чаще заражаются коронавирусом, чем собаки.
• Разнообразие динозавров начало снижаться за 10 миллионов лет до падения Чиксулубского астероида.

Немного истории:

Источник