"Частинка Бога", кристали часу, телепортація: головні досягнення у фізиці за останні 15 років

5 липня 1687 року Ісаак Ньютон опублікував свою фундаментальну працю "Математичні основи природничої філософії" (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica). У цій науковій праці Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння та три закони руху (закони Ньютона), які стали основою класичної механіки. Ця праця заклала основу для сучасної фізики та астрономії. Фокус склав власний перелік найважливіших досягнень у фізиці за останні 15 років.

Три закони Ньютона

Вчені вважають працю Ньютона "Математичні основи натуральної філософії" однією з найважливіших праць з фізики за всю історію людства. Вчений довів, що фізичні закони діють для всього, що існує у Всесвіті. Ньютон описав, як рух тіла змінюється під впливом гравітації. На початку XX століття Альберт Ейнштейн розвинув цю ідею й довів, що на рух об’єктів впливає не якась конкретна сила, а викривлення простору-часу. Тобто гравітація є наслідком викривлення простору-часу, яке створюють об’єкти, що мають масу.

Три закони Ньютона лежать в основі класичної механіки та описують рух тіл під дією сил.

• Перший закон Ньютона: тіло перебуває у стані спокою або рухається рівномірно прямолінійно, доки на нього не діють інші сили.
• Другий закон Ньютона: прискорення тіла прямо пропорційне прикладеній силі й обернено пропорційне його масі.
• Третій закон Ньютона: сили, з якими тіла діють одне на одне, рівні за величиною та протилежні за напрямком.

Варто зазначити, що зараз фізики замість терміна "тіло" використовують термін "матеріальна точка", що краще відповідає сучасному розумінню фізичних законів.

Найважливіші досягнення у фізиці за останні 15 років

Насправді досить складно скласти вичерпний перелік відкриттів і досягнень у фізиці за останні роки, адже їх досить багато. Але є такі, що є одними з найважливіших і допомогли розширити наше розуміння природи Всесвіту.

Бозон Хіггса

У 2012 році фізики на Великому адронному колайдері відкрили останню відсутню частинку Стандартної моделі фізики елементарних частинок — бозон Хіггса. Його часто називають "частинкою Бога", хоча, звісно, це жодним чином не пов’язано з релігією, а скоріше з уявленням про те, яке значення має бозон Хіггса для Всесвіту.

Бозон Хіггса — це фундаментальна елементарна частинка, яка є квантом поля Хіггса. Згідно зі Стандартною моделлю, саме взаємодія з цим полем надає масу іншим елементарним частинкам. Частинку передбачив Пітер Хіггс у 1964 році.

Без поля Хіггса та бозонів Хіггса Всесвіт не зміг би утворити зірки, планети та життя.

Гравітаційні хвилі

На початку XX століття Альберт Ейнштейн передбачив існування гравітаційних хвиль — пульсацій у тканині простору-часу, які поширюються Всесвітом майже зі швидкістю світла. Ці хвилі виникають під час зіткнення чорних дір. У 2015 році астрофізики вперше за допомогою обсерваторії LIGO виявили гравітаційні хвилі. Вони утворилися в результаті зіткнення двох чорних дір приблизно 1,3 млрд років тому.

Це відкриття дало змогу краще зрозуміти чорні діри, які є одними з найзагадковіших об’єктів у Всесвіті, і навіть виявляти їх, не спостерігаючи безпосередньо.

Кристали часу

У 2017 році фізики вперше створили нову фазу речовини — темпоральні кристали, або кристали часу.

Кристали у просторі — це система з регулярним розташуванням атомів на великих відстанях. У фізиці простір і час розглядаються на одному й тому ж рівні. У 2012 році фізик Френк Вільчек припустив, що крім кристалів у просторі повинні існувати кристали в часі. Щоб такі кристали могли існувати, одна з їхніх фізичних властивостей має спонтанно почати періодично змінюватися в часі, навіть якщо в системі не відбувається відповідного періодичного втручання.

Кристали часу мають структуру, яка періодично повторюється не лише у просторі, а й у часі, змінюючи свої властивості без витрат енергії.

Перші фотографії чорних дір

Чорні діри поглинають усе, що потрапляє в зону їхнього гравітаційного впливу, навіть світло. Ніщо не може вийти за межі горизонту подій чорної діри. Здавалося б, побачити чорну діру безпосередньо неможливо.

Але у 2019 році астрофізики отримали першу в історії фотографію чорної діри в центрі галактики М87. У 2022 році було отримано фотографію чорної діри в центрі Чумацького Шляху. На знімках насправді видно так звану тінь чорної діри, оточену світиться речовиною, яку поглинає чорна діра.

Це досягнення астрофізиків дозволило отримати багато важливих даних про найщільніші об’єкти у Всесвіті, що мають найсильнішу гравітацію.

Квантова перевага

У 2019 році компанія Google оголосила про досягнення квантової переваги. Це означає, що квантові комп’ютери змогли виконати ті самі обчислення за лічені секунди, на що звичайним суперкомп’ютерам знадобилися б тисячі років. Це справжній прорив у квантових обчисленнях, заснованих на принципах квантової фізики.

У квантових обчисленнях використовуються суперпозиція та квантова заплутаність. Замість звичайних бітів, які приймають значення 0 або 1, комп’ютери оперують кубітами.

Кубіт може перебувати не лише у стані 0 або 1, а й в обох станах одночасно. Завдяки цьому комп’ютер може обробляти величезну кількість варіантів паралельно. Зміна стану одного кубіта миттєво змінює стан іншого, навіть на відстані. Це багаторазово збільшує обчислювальну потужність.

Квантова телепортація

У 2026 році вчені з Оксфордського університету вперше продемонстрували квантову телепортацію, засновану на принципах квантової фізики.

Дослідники успішно передали квантовий стан безпосередньо між двома незалежними квантовими комп’ютерами, використовуючи квантову заплутаність. Це була миттєва передача стану одного кубіта на інший без фізичного переміщення самої частинки.

Це відкриває абсолютно нові можливості для квантових обчислень, які можна зробити ще швидшими.