Новые физические законы и свойства материи являются важным объектом исследований в современной науке. С появлением новых технологий и методов исследования, ученые постоянно расширяют свои знания о мире вокруг нас. В этой статье мы рассмотрим некоторые из самых интересных и значимых новых физических законов и свойств материи.
1. Материя из света
Одно из самых захватывающих новых открытий в физике - это возможность создания материи из света. Ученые смогли доказать, что при определенных условиях фотоны, которые являются элементарными частицами света, могут взаимодействовать таким образом, что образуют новые структуры, ведущие себя как частицы материи.
Исследователи из коллаборации RHIC/STAR Брукхейвенской национальной лаборатории в США предоставили убедительное доказательство физического явления, предсказанного более 80 лет назад: свет может рождать электрон-позитронные пары. Этот удивительный процесс открывает новые перспективы для создания новых материалов и технологий.
2. Материя с отрицательной массой
Другим интересным свойством материи, которое было недавно обнаружено, является возможность существования материи с отрицательной массой. В противоположность обычной материи, которая имеет положительную массу, материя с отрицательной массой обладает рядом удивительных свойств, таких как отталкивание вместо притяжения гравитационных сил.
Группе физиков из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST (Окинава, Япония) и Шанхайского университета удалось получить вещество, которое проявляет некоторые свойства гипотетического материала с отрицательной массой. Например, если толкнуть это вещество, то оно ускорится не в направлении приложения силы, а в обратном направлении. То есть оно ускоряется в обратную сторону.
Для создания вещества со свойствами отрицательной массы учёные подготовили конденсат Бозе — Эйнштейна, в охлажденной массе рубидия частицы начинают вести себя как волны. Например, они синхронизируются между собой и протекают через капилляры без трения, то есть не теряя энергии — эффект так называемой сверхтекучести. Это открытие вызвало большой интерес ученых и может привести к революционным изменениям в нашем понимании физики и космологии.
3. Тёмная материя
Понятие тёмной материи исторически связано с проблемой скрытой массы, когда наблюдаемое движение небесных тел отклоняется от законов небесной механики; как правило, это явление находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус B.
Физики из Тайваня и Испании смоделировали темную материю как бозе-эйнштейновский конденсат вещества. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature Physics, а кратко с ним можно ознакомиться на сайте Университета Страны Басков.
Ученые пришли к выводу, что возмущения бозе-эйнштейновского конденсата легких бозонов холодной темной материи привели к современной наблюдаемой крупномасштабной структуре распределения этого вещества во Вселенной. В своем исследовании физики моделировали вещество темной материи в качестве холодной квантовой жидкости, находящейся в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна.
4. Антиматерия
Антиматерия (или антивещество) — это вещество, состоящее из античастиц. Как и любое другое вещество, антивещество состоит из атомов, которые состоят в свою очередь из протонов и нейтронов (ядро атома) и электронов (внешняя оболочка атома). За тем лишь уточнением, что это антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны. Последние, кстати, называются позитроны.
Осенью 2023 года стало известно, что физикам из ЦЕРНа удалось совершить интересное открытие в рамках проекта ALPHA, посвященного изучению антиматерии. Во время экспериментов на установке ALPHA-g впервые удалось зафиксировать свободное падение атомов антиматерии под воздействием гравитации Земли. Это наблюдение опровергло предположение, что гравитация может отталкивать антиматерию с той же силой, с какой притягивает обычное вещество.
5. Экситоний
Международная группа исследователей доказала существование новой формы материи — экситония. Он является конденсатом экситонов — связанных друг с другом электронов и «дырок». Ученые доказали существование экситония с помощью модифицированной спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS). Образцы подвергаются облучению электронами с узким диапазоном энергий, после этого изучаются потери энергии последних.
Проявления экситония (конденсата экситонов) неотличимы от фазы Пайерлса — деформации кристаллов, происходящей из-за взаимодействия электронов и фононов (квантов колебательного движения атомов кристалла).
6. Квантовая телепортация
Кроме того, недавно были разработаны новые физические законы, описывающие поведение материи на квантовом уровне. Эти законы позволяют более точно предсказывать и объяснять различные квантовые явления, такие как квантовая запутанность и квантовое туннелирование. Передача энергии кванта на расстоянии основана на принципах квантовой физики, которая позволяет передавать информацию или энергию между квантовыми системами на больших расстояниях.
Ключевая идея квантовой телепортации энергии заключается в том, что энергия любой квантовой системы постоянно колеблется. Именно эти естественные колебания энергии можно использовать на квантовом уровне. Энергия не приобретается и не теряется, как показал Масахиро Хотта, она просто передается. Если энергию одной из связанных квантовых частиц можно измерить, то эту же величину (по аналогии с передачей состояния или «информации») можно извлечь из другой связанной квантовой частицы, где бы она ни находилась в этот момент во Вселенной.
Такие открытия создают новые горизонты для развития квантовой физики и ее применения в различных областях, от квантовых компьютеров до квантовой криптографии.
В заключение, новые физические законы и свойства материи продолжают удивлять и вдохновлять нас своей сложностью и удивительными возможностями. С помощью постоянных исследований и экспериментов ученые продолжают расширять наше понимание мира и создавать новые технологии, которые могут изменить нашу жизнь в будущем.
