"Частица Бога", кристаллы времени, телепортация: главные достижения в физике за 15 лет

5 июля 1687 Исаак Ньютон опубликовал свой фундаментальный труд "Математические начала натуральной философии" (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica). В этой научной работе Ньютон, сформулировал закон всемирного тяготения и три закона движения (законы Ньютона), которые стали основой классической механики. Эта работа заложила основу для современной физики и астрономии. Фокус составил собственный список самых важных достижений в физике за последние 15 лет.

Три закона Ньютона

Ученые считают "Математические начала натуральной философии" Ньютона одной из важнейших работ по физике за всю историю человечества. Ученый показал, что физические законы справедливы для всего, что есть во Вселенной. Ньютон описал, как движение тела меняется под воздействием гравитации. В начале XX века Альберт Эйнштейн развил эту идею и доказал, что на движения объектов влияет не какая-то конкретная сила, а искривление пространства-времени. То есть гравитация является следствием искривления пространства-времени, которое создают объекты, имеющие массу.

Три закона Ньютона лежат в основе классической механики и описывают движение тел под действием сил.

• Первый закон Ньютона: тело находится в состоянии покоя или совершает равномерное прямолинейное движение, пока на него не действуют другие силы.
• Второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально его массе.
• Третий закон Ньютона: силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению.

Стоит отметить, что сейчас физики используют вместо термина "тело" термин "материальная точка", что лучше соответствует современному пониманию физических законов.

Главные достижения в физике за последние 15 лет

На самом деле достаточно сложно создать всеобъемлющий список открытий и достижений в физике за последние годы, ведь их достаточно много. Но есть те, которые являются одними из наиболее значимых и помогли расширить наше понимание природы Вселенной.

Бозон Хиггса

В 2012 году физики на Большом адронном коллайдере открыли последнюю недостающую частицу Стандартной модели физики элементарных частиц – бозон Хиггса. Его часто называют "частица Бога", хотя естественно это никоим образом не связано с религией, а скорее с представлением о том, какое значение имеет бозон Хиггса для Вселенной.

Бозон Хиггса — это фундаментальная элементарная частица, которая является квантом поля Хиггса. Согласно Стандартной модели, именно взаимодействие с этим полем наделяет другие элементарные частицы массой. Частица была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году.

Без поля Хиггса и бозонов Хиггса Вселенная не смогла бы сформировать звезды, планеты и жизнь.

Гравитационные волны

В начале XX века Альебрт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн — пульсаций в ткани пространства-времени, которые распространяются по Вселенной почти со скоростью света. Эти волны возникают при столкновении черных дыр. В 2015 году астрофизики впервые с помощью обсерватории LIGO обнаружили гравитационные волны. Они образовались в результате двух черных дыр примерно 1,3 млрд лет назад.

Этот открытие дало возможность лучше понять черные дыры, которые являются одними из самых загадочных объектов во Вселенной, и даже обнаруживать их, не наблюдая напрямую.

Кристаллы времени

В 2017 году физики впервые создали новую фазу материи — темпоральные кристаллы или кристаллы времени.

Кристаллы в пространстве – это система с регулярным расположением атомов на больших расстояниях. В физике пространство и время рассматривается на одном и том же уровне. В 2012 году физик Фрэнк Вильчек предположил, что кроме кристаллов в пространстве должны существовать кристаллы во времени. Для того, чтобы существовали такие кристаллы, одно из их физических свойств должно спонтанно начать меняться периодически во времени, даже если в системе не происходит соответствующее периодическое вмешательство.

Кристаллы времени обладают структурой, которая периодически повторяется не только в пространстве, но и во времени, меняя свои свойства без затрат энергии.

Первые фотографии черных дыр

Черные дыры поглощают все, что попадает в зону их гравитационного влияния, даже свет. Ничто не может выйти за пределы горизонта событий черной дыры. Казалось бы, увидеть напрямую черную дыру невозможно.

Но в 2019 году астрофизики получили первую в истории фотографию черной дыры в центре галактики М87. ВА в 2022 году была получена фотография черной дыры в центре Млечного Пути. На снимках на самом деле видна так называемая тень черной дыры, окруженная светящимся веществом, которое поглощает черная дыра.

Это достижение астрофизиков позволило получить много важных данных о самых плотных объектах во Вселенной, имеющих самую сильную гравитацию.

Квантовое превосходство

В 2019 году компания Google объявила о достижении квантового превосходства. Это значит, что квантовые компьютеры смогли совершать те же вычисления за секунды, на которые у обычных суперкомпьютеров ушли бы тысячи лет. Это настоящий прорыв в квантовых вычислениях, основанных на принципах квантовой физики.

В квантовых вычислениях используются суперпозиция и квантовая запутанность. Вместо обычных битов, принимающих значение 0 или 1, компьютеры оперируют кубитами.

Кубит может находиться не только в состоянии 0 или 1, но и в обоих состояниях одновременно. Благодаря этому компьютер может обрабатывать огромное количество вариантов параллельно. Изменение состояния одного кубита мгновенно меняет состояние другого, даже на расстоянии. Это многократно увеличивает вычислительную мощность.

Квантовая телепортация

В 2026 году ученые из Оксфордского университета впервые продемонстрировали квантовую телепортацию, основанную на принципах квантовой физики.

Исследователи успешно передали квантовое состояние напрямую между двумя независимыми квантовыми компьютерами с использованием квантовой запутанности. Это была мгновенная передача состояния одного кубита на другой без физического переноса самой частицы.

Этот открывает совершенно новые возможности для квантовых вычислений, которые можно сделать еще быстрее.