Физики воссоздали первую молекулу во Вселенной
Около 13,8 млрд лет назад произошел Большой взрыв, породивший Вселенную с экстремально высокой температурой и плотностью. Спустя лишь несколько секунд после этого события началось ее быстрое расширение и охлаждение, позволившее сформироваться простейшим химическим элементам. Они оставались полностью ионизированными вплоть до того момента, пока возраст Вселенной не достиг примерно 380 000 лет, пишет ScienceDaily.
Старейшей обнаруженной молекулой во Вселенной считается ион гидрида гелия (HeH+). Он образуется из нейтрального атома гелия и ионизованной частицы водорода. Появление этого иона инициирует цепочку дальнейших химических превращений, ведущих к формированию молекулярного водорода (H₂), самого распространенного химического соединения в космосе.
На начальном этапе эволюции Вселенной простые молекулы, включая HeH⁺ и H⁺, сыграли значимую роль в рождении первых звезд. Чтобы сжатый газ облака будущей звезды мог достигнуть достаточной плотности для начала ядерного синтеза, избыток тепла должен был удаляться. Энергообмен происходил главным образом через столкновения, возбуждавшие атомы и молекулы, которые потом высвобождали поглощенную энергию в виде фотонов.
Впрочем, при температурах ниже примерно 10 000 °C такой механизм становился недостаточным для преобладающего водорода. Эффективное дальнейшее охлаждение возможно было лишь при участии молекул, способных дополнительно отдавать энергию через вращательные и вибрационные движения. Именно ион гидрида гелия (HeH⁺), обладая значительным дипольным моментом, оказался крайне эффективным при таких низких температурах и долго считался потенциальным кандидатом на роль основного охлаждающего агента при образовании первых звезд. Именно столкновения с атомами водорода выступали основной причиной разложения ионов HeH⁺, порождая нейтральный гелий и ионы H⁺. Затем H⁺ соединялись с другими атомами водорода. Так получался молекулярный водород.
Ученые из Института ядерной физики общества Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые смогли экспериментально повторить данную реакцию в условиях, приближенных к начальной стадии существования Вселенной. Они исследовали взаимодействие HeH⁺ с дейтерием, изотопом водорода, содержащим в ядре атома наряду с протоном дополнительный нейтрон. В результате реакции между HeH⁺ и дейтерием вместо H⁺ возникал ион HD⁺ вместе с нейтральным атомом гелия.
Криогенное накопительное кольцо CSR.
Эксперимент проводили на специальном устройстве — криогенном накопителе CSR. Это уникальное оборудование позволяет изучать атомные и молекулярные реакции в условиях, аналогичных межзвездным. Ионы HeH⁺ удерживались внутри кольца длиной 35 метров до 60 секунд при сверхнизкой температуре (около −267 °C). После этого ионный поток сталкивался с направленным навстречу пучком нейтральных атомов дейтерия. Ученые регулировали относительную скорость обоих потоков, изучая таким образом, как частота столкновений зависит от энергии столкновений, напрямую коррелирующей с температурой. Оказалось, что вопреки более ранним предсказаниям, скорость этой реакции не замедляется с понижением температуры, а остается практически постоянной.
«Ранее существовавшие модели утверждали, что вероятность протекания реакции должна резко снижаться при низких температурах, но наши эксперименты и новейшие расчеты, выполненные коллегами, не подтвердили это предположение. Получается, что реакции иона HeH⁺ с нейтральными атомами водорода и дейтерия имели большее значение для химической эволюции молодой Вселенной, чем считалось раньше», — заключет доктор Хольгер Креккель из MPIK.
Тем временем на Солнце зафиксировали сильнейшие вспышки за последнее время.
Скрытая сторона света: физики описали редкое оптическое явление
Согласно законам электродинамики, два световых луча могут существовать в одной точке пространства, не влияя друг на друга. Именно поэтому сражения со световыми мечами из научной фантастики в реальности выглядели бы скучно. Однако квантовая физика допускает редкий эффект — «рассеяние света на свете», пишет ScienceDaily.
Явление столь слабо, что обычным лазерам его не заметить, но оно зафиксировано на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. В ходе этого процесса виртуальные частицы могут возникать из ниоткуда, взаимодействовать с фотонами и изменять их направление. Эффект очень мал, но его необходимо подробно изучить для проверки физической теории элементарных частиц в экспериментах с мюонами. Ученые из Венского технического университета (TU Wien) установили, что в этом важном аспекте ключевую роль играют тензорные мезоны, которые ранее были недооценены.
Виртуальные частицы появляются и исчезают мгновенно, поэтому наблюдать их напрямую невозможно. Однако они оказывают влияние на реальные частицы. Исследования требуют учета всех виртуальных частиц, что усложняет работу, но придает ей особую привлекательность. Так, при рассеянии света фотон иногда превращается в пару электрон-позитрон, а затем снова собирается в фотон. Все становится сложнее, когда начинают появляться более тяжелые частицы, такие как мезоны, участвующие в сильном ядерном взаимодействии.
«Есть разные виды мезонов, и теперь мы убедились, что один из них — тензорные мезоны — играет значительно большую роль, чем считалось ранее», — комментирует ведущий автор исследования Йонас Магер. Благодаря новой работе стало ясно, что тензорные мезоны влияют на магнитные свойства мюонов. Это знание пригодится для точной проверки Стандартной модели физики элементарных частиц.
Важного результата удалось достичь благодаря использованию необычного подхода — голографической квантовой хромодинамики. Вместо сложных четырехмерных расчетов ученые перенесли проблему в пятимерное пространство с гравитацией, где ее решение упростилось. «Используя голографический подход, мы можем сопоставлять тензорные мезоны с пятимерными гравитонами, чье поведение четко задано уравнениями Эйнштейна», — объясняет эксперт.
Таким образом, ученые из Венского технического университета устранили несоответствия между старыми методами расчета и современными компьютерными симуляциями, открыв новые горизонты для дальнейших исследований и экспериментов с тензорными мезонами.
Ранее физики обнаружили новую форму существования материи.
Эйнштейн все-таки ошибался: физики решили квантовый спор длиной в 100 лет
Используя отдельные атомы и одиночные фотоны, специалисты из Массачусетского технологического института (MIT) показали с беспрецедентной точностью двойственную природу света и подтвердили, что Альберт Эйнштейн ошибался в одном из ключевых квантовых вопросов.
Эксперимент с двумя щелями был впервые проведен в 1801 году Томасом Юнгом и продемонстрировал волновую природу света. В XX веке, с развитием квантовой механики, стало ясно, что свет ведет себя и как частица, и как волна, но не одновременно. Попытка зафиксировать фотон как частицу мгновенно «стирает» волновую интерференционную картину, и наоборот. Этот эффект стал краеугольным камнем квантовой теории и долгое время оставался объектом философских споров между физиками, в частности между Эйнштейном и Нильсом Бором.
В 1927 году Эйнштейн выдвинул идею, что, если фотон проходит через одну из двух щелей, он должен оказать крошечное воздействие на стенку этой щели — словно птица, задевающая лист при пролете. По его мнению, измерив это воздействие, можно было бы одновременно зафиксировать и частицу, и волну. Бор, опираясь на принцип неопределенности, доказал, что сама попытка узнать путь фотона разрушает интерференционную картину.
Команда MIT во главе с лауреатом Нобелевской премии Вольфгангом Кеттерле воспроизвела эту концепцию в максимально «чистой» форме. Они использовали более 10 000 сверхохлажденных атомов, которые удерживались лазерным светом в форме кристаллической решетки, каждая ячейка которой играла роль отдельной щели. Через эту решетку пропускали слабый световой луч так, чтобы каждый атом взаимодействовал максимум с одним фотоном. Настраивая квантовые состояния атомов, ученые могли точно контролировать, какую информацию атомы получают о пути фотона.
Вывод оказался однозначным: чем больше информации удавалось получить о том, через какой «щелевой атом» прошел фотон, тем менее выраженной становилась волновая интерференционная картина. Это полностью подтвердило предсказания квантовой механики и опровергло гипотезу Эйнштейна. Взаимодействие фотона с атомом действительно нарушает интерференцию — именно это явление наблюдали физики.
Особенно важным стало то, что ученые смогли исключить «пружину» — элемент, о котором рассуждал Эйнштейн. Они кратковременно отключили лазерное удержание атомов, позволяя им «плавать» в свободном пространстве. Даже без какого-либо удерживающего механизма наблюдался тот же квантовый эффект: невозможно одновременно зафиксировать и частицу, и волну.
Схема эксперимента Массачусетского технологического института: два отдельных атома, плавающих в вакуумной камере, освещаются лазерным лучом и действуют как две щели. Интерференция рассеянного света регистрируется высокочувствительной камерой, изображающей экран. Некогерентный свет выглядит как фон и подразумевает, что фотон действовал как частица, прошедшая только через одну щель
Ключевой аспект эксперимента заключался в контроле «размытости» атомов. Чем слабее лазер удерживал атом, тем «фазово неопределеннее» он становился и тем выше была вероятность того, что он запомнит путь фотона, нарушив тем самым интерференцию. В результате ученые продемонстрировали, что не механическое воздействие или макроскопические измерения определяют квантовую природу света, а исключительно степень квантовой запутанности между фотонами и атомами.
Это исследование не только подтверждает фундаментальные положения квантовой теории, но и является символичным вкладом в науку в год, когда отмечается столетие со дня ее возникновения. В 2025 году, провозглашенном ООН Международным годом квантовой науки и технологий, эксперимент MIT стал элегантным научным ответом на спор, длившийся почти век — и лишний раз подчеркнул, насколько парадоксальна и точна природа квантового мира.
Тем временем физики описали редкое оптическое явление: рассеяние света на свете.
Свежие комментарии