Мстители, квантовый город или будущее киновселенной
Кевин Файги, много раз уже говорил о путешествии, в квантовой реальности. Но мы расскажем, про фильм человек муравей и оса, где была квантовая реальность.
Перейдем к делу, и по прошу уйти физиков!
У нас фильм 2018 год, где четко показали о квантовой реальности. Что может делать квантовая реальность в киновселенной. Конечно же, путешествие во времени.
Муравей — в котором показали квантовую реальность. Ну и Тони, а так же Стив. Конечно же! не исключено, что мы мало чего знаем про мультивселенные, однако могу предположить, что все же, квантовые дыры, как раз, смогут вести куда угодно, или же какие нибудь различные другие (шторм, буря и т.д)
Но более, кто мало заметил это, вот этот интересный кадр.
Квантовый город! ДА! вон он, значит, могу сказать их очень много, а может и появление это квантового города, зависит судьба, вселенной marvel?
Может, там есть очень интересные персонажи, когда муравей нам только дает эту пасхалку, но все же, я полностью уверен, любая пасхалка в marvel может равняться целой планеты, особенно когда о ней говорили, намекнули, показали и даже подтвердили.
Как может влиять этот город? может там, хранится, один из злодеев? но мы плавно, переходим к Войне бесконечности. Потому что насчет этой темы, можно говорить вечно.
Какой самый опасный камень на ваш взгляд? скажи те мне друзья.
Обожаю этот камень, самый коварный. Ибо есть одна вещь, скажите мне, вдруг Танос, все показал, в камне реальности, да да, битва в Ваканде, Титане, а так же много всего? Самая низкая теория, но самая шокирующая.
Источник
Человек-муравей и квантовая физика
Кадры из фильма «Человек-муравей и Оса» (2018) © Marvel Studios
Киновселенная Marvel — это 20 супергеройских фильмов, объединенных общим сюжетом и персонажами. Последний на данный момент — «Человек-муравей и Оса», вышедший на экраны в июле. В фильме показаны технологии, умеющие увеличивать и уменьшать вплоть до квантовых размеров дома, машины и даже людей. А также супергерои Человек-муравей (не путать с Человеком-пауком!) и Оса, освоившие их для борьбы с преступностью. В отличие от других фильмов франшизы, где технологии подаются зрителю без объяснений, здесь авторы пытались подвести некую наукообразную базу под происходящее. Получилось так себе… Причем сценарист это, похоже, понимал, о чем свидетельствует хотя бы ироничная фраза главного героя: «А обязательно повторять слово «квантовый» через раз?»
Съешь меня и выпей меня
В кино : Герои запросто уменьшают автомобили и даже многоэтажки, а потом увеличивают обратно. Один из персонажей перевозит здание, словно чемодан на колесиках, а автомобили переносит в футляре. Более того — они уменьшают главного героя до размеров, меньших, чем атомное ядро!
В жизни: Вы ждали эти три заветных слова: «закон сохранения массы». Масса не может взяться ниоткуда и не может просто так исчезнуть. Потому масса уменьшенного здания будет той же, что у большого. Повозите-ка на колесиках «хрущевку»! Но из чего такой дом будет сделан? Если по высоте, ширине и длине здание уменьшится хотя бы в 20 раз, то его объем — в 8 000 раз. Во сколько же должна возрасти плотность его материалов? Бетон плотностью порядка 2 000 кг/м 3 превратится в нечто чудовищное с плотностью в 16 млн килограммов на кубометр. Нейтронные звезды бы делать из такого бетона! Но ни один материал невозможно сжать в 20 раз. При огромных давлениях изменение объема материалов составляет едва ли пару процентов, далее уже идет разрушение кристаллической структуры. Даже если предположить, что лишняя масса удаляется в окружающую среду (благодаря какому процессу?), а при увеличении домика — набирается из воздуха, то получается лажа. Тогда при уменьшении здания вокруг него образуется облако из силикатов (вредны для вдыхания!), которое толстым слоем пыли покроет все вокруг. А при увеличении оно начнет высасывать необходимые материалы из воздуха мгновенно. Вокруг здания образуется вакуум, куда тут же устремится ураганный ветер. Что уж говорить об уменьшении Человека-муравья до размеров атомного ядра. Если принять диаметр ядра за 10 -15 м, то плотность персонажа превысит 10 45 кг/м 3 . Это уже не нейтронная звезда, а вполне себе черная дыра.
Вечное сияние квантового разума
В кино: Мозги главного героя и женщины, попавшей в субатомный мир, квантово запутываются, благодаря чему они могут обмениваться мыслями и даже управлять сознанием друг друга. «Ваши мозги квантово запутались благодаря познеровским молекулам в ваших мозгах», — говорит главный физик.
В жизни: Эпизод отсылает к «квантовому сознанию», маргинальному направлению науки, согласно которому, так как наши мозги состоят из атомов (удивительный факт), то для них применимы различные эффекты из квантовой физики. Поначалу к «квантовому сознанию» относились серьезно, а Роджер Пенроуз даже написал книгу «Новый ум короля», неоднократно раскритикованную впоследствии. В фильме с запутыванием сразу несколько проблем. Во-первых, для запутывания частиц используются сложные процедуры, какие явно невозможно проделать с двумя мозгами. Во-вторых, запутывание предполагает изменение состояния одной частицы при изменении состояния другой — о передаче мыслей здесь речи не идет. В-третьих, мозг — это не лаборатория со сверхнизкими температурами и высоким вакуумом, и даже возникнув, любые связанные состояния разрушатся практически мгновенно. И здесь возникают «молекулы Познера», последняя надежда «квантового сознания». «Молекула Познера» — это комплекс Ca9(PO4)6 , часть гидроксоаппатита кальция. В 2015 году Мэтью Фишер опубликовал в «Annals of Physics» статью «Quantum cognition: the possibility of processing with nuclear spins in the brain», в которой показывает, что два кластера Познера могут быть запутанными довольно долго и работать как «квантовые кубиты» в «квантовом мозгу». Однако на данный момент это всего лишь красивая гипотеза. Но отметим, что создатели фильма — на острие новых веяний в физике!
Найти иголку в субатомном мире
В кино: Чтобы определить местонахождение героини, попавшей в субатомный мир, ее муж строит огромную установку. И таки получает нужные сведения! Но только «на два часа, потом волны вероятности сместят координату, и следующий раз определить удастся через 100 лет».
В жизни: Принцип неопределенности Гейзенберга. Если героиня настолько мала, что на нее действуют квантовые эффекты, то определить координату ни на два часа, ни на сколько-нибудь, будет невозможно. Квантовый мир показан переливами разноцветных волн, однако сами герои выглядят как обычно, только в триллионы раз меньше. Однако на таких масштабах у них также должны проявиться волновые свойства. Правда, учитывая все вышеописанное, еще одно прегрешение против физики не выглядит таким уж чудовищным. Главное, что фильм получился интересным.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
Человек-муравей и квантовая физика
Физик, выпускник МФТИ, Олег Фея рассказывает на примере популярных супергеройских фильмов «Человек-муравей» и «Человек-муравей и Оса» о фундаментальных законах нашей Вселенной, квантовом мире и квантовой запутанности.
Олег Фея: Мне кажется, что фильм «Человек-муравей» (франшиза про Человека-муравья, [включая] «Человек-муравей и оса») — это замечательный повод поговорить про квантовую физику, про те явления, которые там были показаны и которые были показаны практически везде неправильно, с физической точки зрения. Я на самом деле большой поклонник франшизы Marvel про супергероев, про Мстителей, и я абсолютно не против того, что там показаны какие-то магические вещи: инопланетяне, камни, которые могут разрушать биологические объекты по всей Вселенной мгновенно. Но я против того, чтобы так вольно обращались с законами физики, как они обращаются в фильме про Человека-муравья.
Собственно, про что этот фильм: этот фильм про мелкого жулика, который попал в переплёт, ему дали суперкостюм, благодаря которому он может уменьшаться и увеличиваться, причём увеличиваться…
В фильме показано, что он увеличился метров до двадцати, может быть, больше, а уменьшается практически вплоть до бесконечности, до субатомных размеров. И это, наверное, главная такая фича этого супергероя — Человека-муравья — как раз изменение в размерах.
При этом не только он сам там уменьшается, там уменьшают автомобили, здания, уменьшают и увеличивают детские игрушки…
Цитата из фильма:
Билл Фостер: Кстати, о рассинхронизации с реальностью…
Олег Фея: Какая основная с этим проблема? Основная проблема, как, наверное, вы можете догадаться — это закон сохранения массы. Один из фундаментальных законов, что масса не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда.
Давайте рассмотрим пример со зданием, потому что оно имеет форму параллелепипеда, и с ним легко делать расчёты. Вот здание, предположим, уменьшается в 20 раз, то есть, каждая его грань пусть уменьшится в 20 раз. Это значит, что, чтобы закон сохранения массы оставался в действии, все его параметры должны тоже измениться в 20х20х20 раз — в 8000 раз, потому что мы имеем дело с трёхмерным объектом.
Соответственно, если здание сделано из бетона, плотность бетона около 2000 кг на метр кубический, то плотность материала, из которого будет сделано маленькое здание, увеличится в 8000 раз. Это будет 16 миллионов килограмм на кубический метр, и я не уверен, что это не приближается к плотности каких-нибудь там белых карликов или, возможно, даже нейтронных звёзд. Такие здания точно нельзя будет таскать за собой как тележку, как это делают герои фильма.
При этом непонятно, из какого материала будет такое здание сделано, потому что самые плотные материалы, например, иридий, это 22 грамма на сантиметр кубический
Примечание: осмий слегка превосходит иридий — 22.61 против 22.56 грамма на сантиметр кубический.
То есть, они явно не дотягивают до такого суперматериала. Как можно пофантазировать, чтобы эта фича осталась у него? Можно предположить, что при уменьшении здания или какого-то объекта его масса куда-то освобождается, куда-то во внешнее пространство. В таком случае, если будет уменьшаться здание, то его маленькая копия будет находиться в облаке из силикатов, из какой-то пыли, которая из-за этого освободится, при этом непонятно, благодаря какому механизму это произойдёт, но тут настолько глубоко уже копаться не следует.
Что же будет, если оно будет внезапно увеличиваться? Если здание действительно такое лёгкое, что его можно таскать на руках, как вы видите в фильме, то ему нужно будет откуда-то добрать несуществующую массу. Откуда? Из окружающей среды. Например, из воздуха, из близлежащей территории, из грунта. И добрать такое огромное количество массы, даже, положим, если оно доберёт мгновенно (опять непонятно, по какому механизму, такого механизма просто не существует) из окружающей среды, из воздуха, то вокруг него образуется вакуум на какое-то мгновение, который тут же заполнится окружающим воздухом, произойдёт просто эпической силы взрыв.
Такой объект на самом деле можно использовать как бомбу. Например, Человек-муравей, который захочет таким образом взорвать [что-нибудь], он сам разорвётся, и это будет одноразовая бомба. Наверное, это не очень разумно — использовать супергероев таким образом.
Что же касается изменения размеров самого главного персонажа: вот он говорит, что он максимально увеличился до 20 метров:
Цитата из фильма:
Скотт Лэнг: 20 метров! Да?
Билл Фостер: Круут!
Скотт Лэнг: 20 метров.
Олег Фея: А уменьшался он до субатомных размеров. Атом водорода характеризуется размером в 1 ангстрем. Что такое 1 ангстрем? Это в 10 миллиардов раз меньше, чем метр. Это очень-очень мало, и в таких единицах измеряется то, что происходит в квантовом мире и в микромире. При уменьшении Человека-муравья до таких размеров его плотность будет больше 10 в 45 – 10 в 50 степени килограмм на метр кубический, это уже плотность порядка чёрной дыры. То есть он, уменьшившись, чтобы попасть в какое-то ядро атома и что-то там сделать по сюжету, превратится в маленькую чёрную дыру. Но в фильме показано, что такого не происходит, что он вполне себе выглядит как Человек-муравей, просто уменьшенный, а вокруг летают атомы, какие-то волны, какие-то электроны… Тут тоже возникает вопрос, из чего же он состоит, то есть из каких частиц состоит уменьшенный герой, если он сам имеет размеры порядка атомных размеров.
Давайте посмотрим, как создатели фильма изобразили квантовый мир:
Герой идёт по некой красивой долине, где разные цвета, и вообще это на самом деле похоже на какой-то наркотический трип, наверное, по крайней мере, они таким образом описываются.
Тут тоже возникает куча вопросов: почему она такая разноцветная? Что такое в принципе цвет? Цвет характеризуется какой-то длиной волны. Например, видимый свет — это очень-очень короткий диапазон длин волн, примерно от 400 до 700 нанометров. 700-нанометровая волна соответствует красному цвету, то есть если нам в глаз попадают волны длиной примерно 700 нанометров, то мы видим красный свет. 400 нанометров — это уже фиолетовый свет. Как мы уже определили, размер героя будет ангстрем или, может быть, несколько ангстрем, что в 10 раз меньше, чем нанометр. То есть его размер будет меньше в несколько сотен раз, чем длина волны того же красного света. В квантовом мире понятия цветов просто не существует. Все размеры будут меньше, чем длины волн, и сам Человек-муравей, и его друзья, которые попадают тоже в этот мир. То есть, мы не сможем видеть его доспехи, которые переливаются замечательным красным светом, просто потому что нет такой длины волны, на которой мы сможем это наблюдать.
Теперь о том, что вообще такое мы видим. Квантовая физика — это принципиально вероятностная наука, в квантовой физике нет такого понятия, как чёткое положение какой-то частицы. То есть любая частица, например, электрон, описывается волновой функцией, квадрат которой задаёт вероятность нахождения этой частицы где-то в пространстве.
Например, если мы узнаем волновую функцию электрона в атоме, мы возведём её в квадрат и будем знать, где, с какой вероятностью вокруг атома будет находиться электрон. Это называется ещё электронной плотностью.
Попытки увидеть квантовый мир пока что достаточно редки… Как это в принципе делается? Например, есть сканирующая туннельная микроскопия. Это прибор, сканирующий электронный микроскоп, с помощью которого можно как бы “увидеть” то, что происходит, увидеть структуру вещества, отдельные атомы можно увидеть с очень хорошим разрешением. Но почему я говорю “увидеть” в кавычках? Потому как сканирующая туннельная микроскопия работает как щуп, с помощью которого проходит… Вот, слепой человек, он идёт, он использует палочку, он как-то ощупывает объекты с помощью этой палочки, и он понимает, что же перед ним находится. Так же работает и сканирующая туннельная микроскопия.
Через иголочку, которая подводится к поверхности материала, пропускается ток, этот ток называется туннельным, потому что он будет идти дальше не по проводнику, он будет как бы туннелировать между концом этой иголочки, которая называется кантилевером, и поверхностью материала. При проведении иголочки вдоль поверхности происходит изменение силы тока, и по изменению силы тока уже компьютер достраивает по определённым алгоритмам то, над чем проходит иголочка, например, поверхность какого-то материала: золота или меди или чего угодно.
С помощью таких микроскопов перемещают отдельные атомы, вот, например, сделали “человека-молекулу”.
Так выглядел бы, возможно, Человек-муравей, если бы этот фильм больше соответствовал действительности: просто набор нескольких атомов. Но вряд ли он смог бы функционировать, выполнять какие-то действия, которые ему были положены по сюжету.
Это один из способов увидеть микромир. Есть ещё электронная микроскопия, когда материал бомбардируется огромным количеством электронов. Есть ещё попытки с помощью рентгеновской микроскопии увидеть то, что там происходит. То, что видят учёные, как-то особо не соответствует тому, что нарисовано было в фильме, но, наверное, к этому придираться особо не нужно, это было художественным приёмом.
Герои по сюжету фильма «Человек-муравей и Оса» пытаются найти жену одного из учёных (героев этого фильма), которая застряла 30 лет назад в этом субатомном мире. Они строят эпических размеров установку, которую называют квантовым туннелем, и с помощью этой установки они узнают её координаты.
При этом они говорят, что…
Цитата из фильма:
Сознание Джанет в теле Скотта Лэнга: У вас 2 часа. Потом поля вероятности сместятся, и следующего совмещения придётся ждать сотню лет!
Олег Фея: Этот момент противоречит принципу неопределённости Гейзенберга. О чём он говорит? Он говорит о том, что измерить величины и измерить некие параметры квантовых объектов, например, скорость квантового объекта (допустим, электрона) и его положение принципиально невозможно с максимальной точностью, со стопроцентной точностью. Потому как скорость или импульс этого электрона и его координаты будут связаны собственно неравенством Гейзенберга, которое закладывает некие ограничения. Если мы будем измерять очень точно его скорость, значит, мы всё меньше и меньше будем иметь возможность говорить о координате этого объекта. И наоборот, если мы знаем довольно неплохо координату объекта, то про скорость его мы практически ничего не можем сказать, погрешность её измерений будет огромная. То есть, определить точные координаты жены этого главного героя, размер которой несколько ангстрем, как мы уже говорили, просто невозможно. Тем более, довольно занятно, откуда они взяли число в следующие 100 лет… Это не то что будет невозможно сделать через 100 лет, это невозможно будет сделать через тысячу, через миллион лет, и через время, которое ещё будет существовать Вселенная.
Цитата из фильма:
Сознание Джанет в теле Скотта Лэнга: Буду ждать в этой точке, видите координаты? На пустоши, за квантовым вакуумом. Но осторожно, нагрузка на мозг, особенно наш, огромная!
Олег Фея: В чём герой прав, это в том, что нагрузка на мозг действительно будет огромная, особенно на наш с вами… При этом где мы будем искать эту героиню? Она будет “на пустошах за квантовым вакуумом”. Это в принципе звучит достаточно эпично и прикольно, наверное, но смысла… Вот я пытался понять какой-то смысл, что значит “пустоши за квантовым вакуумом” — я так и не понял.
Что говорит физика о вакууме? В физике вакуум — это не просто некая пустота, где вообще ничего не происходит (возможно, это как раз то, что они подразумевали под словом пустошь). Это некое пространство, где плотность частиц очень-очень маленькая, там постоянно возникают виртуальные частицы, то есть, парачастица может возникнуть, а потом тут же исчезает. Они аннигилируют, частица и античастица. В некоторых случаях эти частицы могут не аннигилировать, например, если находятся рядышком с чёрной дырой. Это так называемое излучение Хокинга, когда одна из частиц попадает в чёрную дыру, а другая, получив соответствующий импульс, по закону сохранения импульса (который в фильме тоже не везде сохраняется) будет улетать.
То есть тогда чёрная дыра будет генерировать как бы новые частицы, которые будут появляться как бы из ниоткуда, из вакуума. И вот эти процессы, в отличие от того, что показано в фильме с уменьшением и увеличением размеров объектов, не нарушают ни закона сохранения массы, ни закон сохранения энергии.
Так, а можно ли с помощью этих же самых муравьёв построить второе кольцо Большого адронного коллайдера, которое должно быть в длину 100 километров? На самом деле мы видим некий, как мне кажется, миф, который пошёл из кино, о том, что учёный-одиночка может построить огромную установку. Вопрос: откуда у него деньги на этот квантовый туннель? Он тогда супермиллиардер, а мы во франшизе Marvel знаем другого супермиллиардера — Тони Старка, который в принципе, наверное, может себе такое позволить. Но в реальном мире таких учёных-одиночек нет. Я допускаю, что они могут быть в очень хардкорной теоретической физике, в математике, где не нужны никакие установки, но если человек занимается прикладной физикой (а это самая что ни на есть прикладная физика: открыть туннель в квантовый мир и чего-то там сделать), то в реальности просто не найдётся человека с такими ресурсами, который сам бы всё это спроектировал. Тот же самый Большой адронный коллайдер, на туннель которого похож тот самый квантовый туннель, его делали десятки тысяч человек, инженеров, и каждый отвечал за какую-то небольшую задачу. Я не думаю, что есть на свете человек, который знает, как работают вообще все установки Большого адронного коллайдера, потому что это просто невозможно. Потому что это просто настолько сложная установка, физика настолько сложная, что один человек сейчас не может всю эту физику знать. Поэтому от образа героя, от образа талантливого, гениального, может безумного, учёного из кино, который сделал суперустановку, тоже нужно отходить. Это тоже я отношу к разряду фантастики. Такое построить в подсобке или где-то в гараже просто невозможно.
Цитата из фильма:
Билл Фостер: Два мозга взаимодействуют на квантовом уровне через познеровский молекулярный барьер.
Скотт Лэнг: Я так и думал.
Олег Фея: “Я так и думал”. Этот профессор рассказывает о такой, возможно, последней попытке ухватиться за квантовый разум, как молекулы Познера. Ну, давайте вернёмся немножко на момент пораньше, где персонаж мысленно связался с женой своего коллеги. То есть он говорит о том, что их мозги квантово запутались, и поэтому она может ему передавать свои мысли из квантового мира. Что такое квантовая запутанность? В двух словах, это когда у нас есть пара или больше квантовых объектов, например фотонов или электронов, и их свойства связаны таким образом, что если мы измеряем свойства одного из них, получаем, к примеру, положительную спиральность, то у другого фотона, спутанного с ним, будет отрицательная спиральность. Или у одного электрона будет спин направленный вверх, то у другого будет спин направленный вниз.
Эта история ведёт свое начало с тридцатых годов прошлого века, когда Альберт Эйнштейн попытался показать, что квантовая механика это полная ерунда. И он написал в довольно влиятельном научном журнале «Physics review» статью о том, что если представить, будто бы всё, что говорили Гейзенберг, Бор и компания, верно, то можно прийти к явлению, которое он назвал “жутким дальнодействием”.
Что если взять две частицы, которые будут иметь одинаковое происхождение, и измерить какие-либо параметры, одной частицы, то мы сможем знать параметры другой частицы, которая будет являться частью этой системы. Таким образом Эйнштейн пытался обойти принцип неопределённости Гейзенберга и показать, что нарушается теория относительности, в которой говорится, что передача информации не может идти быстрее скорости света, а здесь изменение свойств частиц будет происходить быстрее скорости света — мгновенно. Нильс Бор спустя год написал статью с точно таким же названием, в том же самом журнале, где он разбил аргументы Энштейна в пух и прах.
А потом история рассудила следующим образом: в 80-е годы учёный Ален Аспе провёл эксперименты, которые показали, что действительно, имеет смысл говорить о том, что Энштейн назвал “жутким дальнодействием”. Он проверил это неравенством Белла. С того времени началась история квантовой запутанности.
Схема классического эксперимента: пучки фотонов направляются на некий кристалл, там они разделяются на фотоны с разной поляризацией. Так как у этих фотонов было одинаковое происхождение, то на выходе получались спутанные попарно фотоны. Их разносили на достаточно большое расстояние — сначала на метр, потом на сотни километров, и смотрели, что действительно, свойства запутанных фотонов передаются мгновенно. Не со скоростью света, а просто мгновенно. Это теорию относительности, горячо любимую Эйнштейном, не нарушает, потому как информация не передаётся, передаётся состояние фотона. И так получилось, что то, что Эйнштейн считал полным абсурдом, имеет место быть.
Может ли такое произойти в мозгах людей? Могут ли молекулы в головах двух людей таким образом запутаться? Наверное, можно было бы подвести какой-то романтический базис, сказать, что вот так действует влюбленность. Я когда-то общался с девушкой, которая говорила, что люди, которые дружат или влюблены, у них волны, которые исходят из мозга, синхронизируются, в одной фазе находятся. Но эти молекулы должны иметь какое-то общее происхождение для того, чтобы запутаться. Просто так запутаться они не могут. Причём эти эксперименты проводятся в контролируемой среде, где либо низкие температуры, либо происходит всё очень быстро, так что передать какие-то мысли или образы из одного мозга в другой таким образом точно не получится.
Теперь, что касается молекул Познера. Познеровские молекулы — это, возможно, последняя такая надежда на квантовое сознание. Квантовое сознание — это теория, скорее стремящаяся к маргинальности в физическом мире. Она говорит о том, что наш мозг состоит из молекул, молекулы — это квантовые объекты, что, в принципе, очевидно, а значит, в мозге происходят некие квантовые явления, и из-за этих квантовых явлений мы можем мыслить и возможно делать что-то ещё. Например, запутывать наши мозги с мозгами других людей, или передавать мысли, или делать что-то силой мысли. Но это уже совсем маргинально и относится скорее к некоему квантовому мистицизму.
А вот то, что не маргинально — это то, что, собственно, относится к молекулам Познера. Это условная молекула, такой комплекс молекулярный, который состоит из большого числа атомов: там девять атомов кальция, которые расположены в уголках кубика. Если так представить, то в центре находятся пять молекул кальция и еще молекулы фосфора и кислорода. Общая формула Ca9(PO4)6. Это довольно крупный молекулярный комплекс.
Почему они так интересны? Их наблюдали в гидроксиапатите кальция, и оказалось, что эти молекулы сохраняют свои параметры, например спин, достаточно долго.
И группе учёных пришла мысль, что возможно если эти молекулы есть в нашем организме… А они точно есть: например предполагается, что кости растут благодаря тому, что вокруг этих молекул происходит нарастание костной массы. Есть свидетельства о том, что они есть в клетках других органов человека, в том числе в мозге. Предполагается, что раз они длительное время сохраняют свои свойства, то такие молекулы могут на длительное время запутываться квантовым образом, и эта квантовая запутанность будет длиться не наносекунды как в лабораторных экспериментах, а достаточно продолжительное время. Мне кажется, что это может выглядеть достаточно интересно, но всё-таки очень спорно и пока что просто красивая гипотеза. Но, по крайней мере, этот момент, когда профессор теоретической физики в фильме говорит о познеровских молекулах показывает, что создатели фильма находятся на острие научной мысли, может быть, немножко маргинальном, но, тем не менее, острие.
Цитата из фильма:
Хэнк Пим: Похититель, кто бы он ни был, хорошо подготовился.
Хоуп ван Дайн: И, похоже, освоил фазирование.
Олег Фея: Фазирование?
Скотт Лэнг: Фазирование?
Хэнк Пим: Квантовый процесс перехода из одной формы материи в другую.
Олег Фея: “Я так и думал”. Я посмотрел фильм с английскими субтитрами, и там то, что герои [в русском дубляже] называют “фазирование”, называется “quantum fasing”, или если говорить по-русски, квантовый фазовый переход. Где можно наблюдать такой фазовый переход? К примеру, самый известный фазовый переход — это когда тает лёд. Из твёрдого вещества получается жидкое. Или когда вода испаряется — из жидкого вещества получается газообразное. В данном случае мы имеем дело с персонажем, который в фильме называется призраком. Этот персонаж, который освоил “фазирование”, может внезапно сделать так, чтобы его тело становилось очень прозрачным и проходить, к примеру, через стены, объекты и прочие препятствия, например, других персонажей.
Как они про это говорят:
Цитата из фильма:
Эйва Старр/Призрак: Это называется молекулярная разбалансировка. Все клетки моего тела разрываются и сшиваются воедино. Снова и снова, каждый день.
Олег Фея: “Я так и думал”. То, что она называет молекулярной разбалансировкой, теоретически можно привести к испарению жидкости, когда связи между молекулами рвутся, и эти молекулы становятся гораздо более независимыми, чем они были в жидкости. Но, если предположить, что её тело самопроизвольно распадается на отдельные молекулы, она проходит через какие-то объекты, и потом она опять собирается, то можно прикинуть, сколько при этом выделяется энергии. Например, тело человека на довольно большой процент состоит из воды. Для простоты будем считать, что тело человека на сто процентов состоит из воды. Чтобы разорвать ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды нужно примерно 900 кДж/моль. Один моль воды весит восемнадцать грамм. Соответственно, для того, чтобы порвать все связи в молекулах воды человека, который весит 70 кг, потребуется больше трёх миллиардов джоулей. Это очень много, и если наша героиня не носит с собой ядерный реактор, как тот же Тони Старк, то, наверное, у неё просто не будет энергии на то, чтобы её тело распадалось. При этом для того, чтобы молекулы вновь собрались, эта энергия опять будет выделяться, то есть вокруг неё будет мини-взрыв. То есть, мы уже придумали несколько способов создать взрыв в этом фильме. Например, можно заслать куда-то Человека-муравья, он внезапно уменьшится, вокруг него образуется вакуум, туда устремится воздух, и всё взорвётся. Или героиня внезапно перейдёт из газообразного состояния в нормальное — и тоже выделится куча энергии, и всё взорвётся. Правда, это одноразовое применение таких супергероев.
Цитата из фильма:
Билл Фостер: В изолированной системе частицы сосуществуют в стабильном фазовом взаимодействии. При вмешательстве в систему на смену стабильности приходит хаос. В абсолютной изоляции квантовой системе свойственно разделение форм материи. Каждая спутана со своей, только ей характерной средой. То есть изучаемый объект будет синхронизирован и рассинхронизирован с множеством параллельных реальностей.
Олег Фея: Вполне возможно, что профессор квантовой физики говорит о многомировой интерпретации Эверетта. Это интерпретация квантовой механики, на основе которой строятся различные гипотезы о существовании параллельных вселенных. Эти гипотезы, на самом деле слишком натянутые, потому как сама интерпретация говорит о следующем: если весь мир представить огромной волновой функцией, которая будет включать в себя все атомы, электроны и все другие частицы, которые есть во Вселенной, то при попытках это измерить, то есть, к примеру, проверить, куда пошёл электрон в классическом двухщелевом опыте, волновая функция будет расщепляться. И, якобы, так может возникать параллельная вселенная. Возможно, это имеется в виду под синхронизацией и рассинхронизацией.
Давайте теперь поподробнее посмотрим на формулы, которые написаны у героя на доске.
К примеру, здесь видно уравнение Шрёдингера (2), которое записано более чем корректно. Здесь есть матрица плотности (1), тоже обычная вещь для квантовых расчётов. Правда, это такие самые базовые вещи. По-видимому, студенты в этом моменте фильма изучают азы квантовой физики. Бывают фильмы, где на доске пишется какая-то чушь, но здесь я ничего такого не увидел. Что ещё может свидетельствовать о том, что они рассматривают азы квантовой физики? А вот этот вот график.
То есть, я его особо рассмотреть не смог, этот график, он показан далеко, но возможно на нём изображён спектр абсолютно чёрного тела. Это как раз то явление, с которого началась вся квантовая физика. Именно в попытке объяснить абсолютно чёрное тело Макс Планк ввёл понятие кванта, коэффициент пропорциональности, который потом назвали постоянной Планка по его имени.
Цитата из фильма:
Хоуп ван Дайн: Лаборатория фонит радиацией. Так, может, отследим её с помощью квантоспектрометра?
Олег Фея: “Квантовый спектрометр”? “Дифракционный блок регулятора”? “Целебные частицы”? Ну, в принципе, в фильме ещё довольно много всяческой ерунды. Вы можете сами её поискать и написать в комментариях, что вы нашли. Всем спасибо за внимание. 🙂
Наука | Научпоп
6K пост 68.3K подписчиков
Правила сообщества
ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.
Основные условия публикации
— Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.
— Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.
— Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.
— Видеоматериалы должны иметь описание.
— Названия должны отражать суть исследования.
— Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.
Не принимаются к публикации
— Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.
— Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.
— Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.
— Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.
— Попытки использовать сообщество для рекламы.
— Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.
— Нарушение правил сайта в целом.
Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.
А я не против всякой дичи в голливудских фильмах ради красоты и экшена. И тем более не против, что они становятся поводом для таких вот разборов. Так сказать, пища и для ума, и для глаз. Пока только в процессе просмотра видео, но уже интересно. Спасибо!
Замечательная статья, любой фильм Марвел — это отличный повод поговорить о физике и разобрать на конкретных примерах отличие реального мира от фантастического, имея материал для сравнений. Удивили комменты желчных насмешников, не понимающих в чем суть обзора, так попробуйте написать что-то такое же захватывающее, а не пердеть желчью от своей глупости, видя возмущение чем-либо там, где его нет. Автору спасибо, статья читается на одном дыхании)
типичная «магическая наука». т.е. мы берем научные понятия (квантовая запутанность, излучение хокинга, принцип гейзинберга) и пишем сказку, где иван-царевич превращается в серого волка через фазовый переход
Научный обзор сказки :)?
Из разряда заморочился) класс
Очень понравился пост. Интересно было читать.
Насчёт квантового мозга и прочих объяснений того, то на квантовом уровне действует поле вероятностей, а не точные координаты. Недавно читал об этом в одной книге, смысл которой назвали бы маргинальным.
Суть в том, что раз всё сущее состоит из молекул и атомов, то стало быть реальность носит вероятностный характер. Материя — суть энергия, функция, которая схлопывается при взаимодействии с наблюдателем ( а наблюдатель — это сознание )
Может и звучит как бред из моих уст, но при прочтении мне верилось в каждое слово =)
Научный анализ голливудского экшена? Серьёзно?
Лол, вы взяли марвеловский фильм про супер- героеви ищите там «научные факты»? Вы серьезно?
Я лучше еще раз ЧП пересмотрю, чем буду читать эту нудятину.
Рассказать анекдот? Хотя какой нахер анекдот, ТС сразу напишет еще один опус на тему событий в анекдоте.
Мнимые числа для описания реальности?
Новый мысленный эксперимент показывает, что квантовая механика не работает без странных чисел, которые становятся отрицательными при возведении в квадрат.
Много веков назад математики были обеспокоены, когда обнаружили, что вычисление свойств определенных кривых требует, казалось бы, невозможного: чисел, которые при умножении сами на себя становятся отрицательными.
Все числа на числовой прямой, возведенные в квадрат, дают положительное число; 22 = 4 и (-2)2 = 4. Математики начали называть эти знакомые числа «вещественными», а, казалось бы, невозможную разновидность чисел — «мнимыми».
Мнимые числа, помеченные единицами i (где, например, (2i)2 = -4), постепенно стали неотъемлемой частью абстрактной области математики. Однако для физиков вещественные числа были достаточными для количественной оценки реальности. Иногда так называемые комплексные числа с вещественной и мнимой частями, такие как 2+3i, упрощают вычисления. При этом показания ни одного прибора никогда не содержат i (мнимую единицу).
Однако физики, возможно, только что впервые показали, что мнимые числа в определенном смысле вещественны.
Группа теоретиков в области квантовой физики разработала эксперимент, результат которого зависит от того, есть ли у природы мнимая сторона. При условии, что квантовая механика верна — предположение, с которым мало кто поспорит, — аргумент команды по существу гарантирует, что комплексные числа являются неизбежной частью описания материальной вселенной.
«Эти комплексные числа обычно являются просто удобным инструментом, но здесь оказывается, что они действительно имеют какое-то материальное значение», — сказал Тамаш Вертези, физик из Института ядерных исследований Венгерской академии наук, который много лет назад утверждал обратное. «Мир таков, что ему действительно нужны эти комплексные числа», — сказал он.
В квантовой механике поведение частицы или группы частиц выражается волнообразным объектом, известным как волновая функция или ψ. Волновая функция прогнозирует вероятные результаты измерений, такие как вероятное положение или импульс электрона. Так называемое уравнение Шрёдингера описывает, как волновая функция изменяется во времени — и это уравнение включает i.
Физики никогда не знали, что с этим делать. Когда Эрвин Шрёдингер вывел уравнение, которое теперь носит его имя, он надеялся избавиться от i. «Что неприятно и против чего прямо следует возражать, так это против использования комплексных чисел, — писал он Хендрику Лоренцу в 1926 году, — Ψ, безусловно, является вещественной функцией».
Желание Шрёдингера, безусловно, было правдоподобным с математической точки зрения: любое свойство комплексных чисел может быть зафиксировано комбинациями вещественных чисел, а также новыми правилами, открывая математические возможности полностью вещественной версии квантовой механики.
Действительно, переход оказался достаточно простым, так что Шрёдингер почти сразу открыл то, что он считал «истинным волновым уравнением», которое «сторонилось» i. «Еще один камень с души упал», — написал он Максу Планку менее чем через неделю после своего письма Лоренцу. Все вышло именно так, как хотелось.
Но использование вещественных чисел для моделирования сложной квантовой механики неудобное и абстрактное занятие, и Шрёдингер признал, что его полностью вещественное уравнение слишком громоздко для повседневного использования. В течение года он описывал волновые функции как комплексные, в том виде, в каком их представляют сегодня физики.
«Любой, кто хочет выполнить работу, использует комплексное описание», — сказал Мэтью МакКейг, учёный в области информатики из Технологического университета Квинсленда в Австралии.
Однако формулировка квантовой механики с помощью вещественных чисел сохранилась как свидетельство того, что комплексная версия просто необязательна. Например, команды, включая Вертези и МакКейга, показали в 2008 и 2009 годах, что и без i они могут идеально предсказать результат известного эксперимента в квантовой физике, известного как тест Белла.
Новое исследование, которое было опубликовано на сервере научных препринтов arxiv.org в январе, обнаружило, что ранние предложения по тестам Белла просто недостаточно продвинулись, чтобы опровергнуть версию квантовой физики с вещественными числами. Это исследование предлагает более сложный эксперимент Белла, который, похоже, требует комплексных чисел.
Ранние исследования привели людей к выводу, что «в квантовой теории комплексные числа лишь удобны, но не необходимы», — писали авторы, в число которых входят Марк-Оливье Рену из Института фотонных наук в Испании и Николя Жизен из Женевского университета. «Мы доказываем ошибочность этого вывода».
Группа отказалась публично обсуждать свою работу, поскольку он все еще находится на экспертной оценке.
Тест Белла показывает, что пары удаленных друг от друга частиц могут обмениваться информацией в едином «запутанном» состоянии. Если бы монета 25 центов в штате Мэн могла «запутаться», например, с такой же монетой в Орегоне, то повторяющиеся подбрасывания показали бы, что всякий раз, когда одна монета падает орлом, ее дальний партнер, как ни странно, выпадет решкой. Точно так же в стандартном эксперименте теста Белла запутанные частицы отправляются двум физикам с вымышленными именами Алиса и Боб. Они измеряют частицы и, сравнивая измерения, обнаруживают, что результаты коррелированы таким образом, что это не поддаётся объяснению, разве что частицы обмениваются информацией.
Модернизированный эксперимент добавляет второй источник пар частиц. Одна пара достается Алисе и Бобу. Вторая пара, «родом» из другого места, отправляется Бобу и третьему лицу, Чарли. В квантовой механике с комплексными числами частицы, которые получают Алиса и Чарли, не обязательно должны быть запутаны друг с другом.
Однако никакое описание в виде вещественных чисел не может воспроизвести модель корреляций, которую будут измерять три физика. В новой статье показано, что рассмотрение системы как вещественной требует введения дополнительной информации, которая обычно находится в мнимой части волновой функции. Частицы Алисы, Боба и Чарли должны разделять эту информацию, чтобы воспроизводить те же корреляции, что и в стандартной квантовой механике. И единственный путь приспособиться к этому разделению — это перепутать все их частицы друг с другом.
В предыдущих воплощениях теста Белла электроны Алисы и Боба поступали из одного источника, поэтому дополнительная информация, которую они должны были нести в описании вещественных чисел, не представляла проблемы. Но в тесте Белла с двумя источниками, где частицы Алисы и Чарли происходят из независимых источников, фиктивная трехсторонняя запутанность не имеет физического смысла.
Даже без привлечения Алисы, Боба и Чарли для фактического проведения эксперимента, который представляет новая статья, большинство исследователей крайне уверены, что стандартная квантовая механика верна и, следовательно, эксперимент найдет ожидаемые корреляции. Если это так, то одни только вещественные числа не могут полностью описать природу.
«В статье устанавливается, что существуют истинные комплексные квантовые системы», — сказал Вальтер Моретти, физик-математик из Университета Тренто в Италии. Этот результат стал для него совершенно неожиданным.
Тем не менее велика вероятность того, что когда-нибудь эксперимент состоится. Это будет непросто, но технических препятствий нет. И глубокое понимание поведения усложняющихся квантовых сетей будет становиться все более актуальным, поскольку исследователи продолжают связывать многочисленные Алисы, Бобы и Чарли через возникающие квантовые сети.
«Поэтому мы верим, что опровержение вещественной квантовой физики произойдет в ближайшем будущем», — пишут авторы.
Автор оригинала: Charlie Wood
Что скрывают протоны?
Двадцать лет назад физики начали исследовать загадочную асимметрию внутреннего строения протона. Результаты их работы, опубликованные в конце февраля 2021 года, объясняют, как антивещество помогает стабилизировать ядро каждого атома.
Очень редко упоминается тот факт, что протоны — позитивно заряженные частицы в центре атома — являются отчасти антивеществом.
В школе нам говорили, что протон представляет собой группу из трех элементарных частиц под названием кварки — два u-кварка (верхних) и один d-кварк (нижний), чьи электрические заряды +2/3 и -1/3 соответственно в сумме дают протону заряд +1. Но за этой элементарной картиной скрывается гораздо более странная и еще неразгаданная история.
Издалека кажется, что протон состоит из трех частиц под названием кварки. Но если приглядеться получше, можно увидеть множество появляющихся и исчезающих частиц.
На самом деле, внутри протона вращается вихрь из меняющегося количества шести типов кварков, их противоположно заряженных аналогов из антивещества (антикварков) и глюонов, элементарных безмассовых частиц, которые связывают вместе другие частицы, трансформируются в них и быстро множатся. Каким-то образом этот бурлящий вихрь оказывается совершенно стабильным и на первый взгляд простым, имитируя по определенным аспектам трио кварков. «То, как это все функционирует, честно говоря, похоже на чудо», — отметил Дональд Гисаман, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали, что различные типы антивещества в нем будут распределены равномерно, но было похоже, что количество нижних антикварков значительно превышало количество верхних антикварков. Затем десять лет спустя другая группа исследователей заметила намеки на неподдающиеся объяснению вариации в соотношении верхних и нижних антикварков. Но эти результаты были на грани чувствительности эксперимента.
Итак, 20 лет назад Дональд Гисаман и его коллега Пол Раймер начали работать над новым экспериментом, чтобы получше разобраться в этом вопросе. Эксперимент, получивший название SeaQuest («Морской квест»), наконец завершился, и исследователи опубликовали его результаты в журнале Nature. Они измерили внутреннее антивещество протона тщательнее, чем когда бы то ни было, и обнаружили, что на каждый верхний антикварк в среднем приходится 1,4 нижних антикварка.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Эти данные непосредственно говорят в пользу двух теоретических моделей протонного моря. «Появилось первое реальное доказательство, подтверждающее эти модели», — сказал Раймер.
Одна из них — модель «пионного облака» — это популярный подход, существующий уже несколько десятилетий, который делает упор на тенденцию протона испускать и реабсорбировать частицы под названием пионы, которые принадлежат к группе частиц, известных как мезоны. Вторая, так называемая статистическая модель, рассматривает протон как контейнер, наполненный газом.
Дальнейшие запланированные эксперименты помогут исследователям выбрать одну из этих двух моделей. Но какая бы из них ни была верной, массив данных эксперимента SeaQuest о внутреннем антивеществе протона принесет непосредственную пользу, особенно физикам, которые сталкивают протоны на околосветовых скоростях на Большом адронном коллайдере. Обладая точной информацией о составе сталкиваемых объектов, они смогут более эффективно разбирать продукты, оставшиеся после столкновения, в поисках доказательств существования новых частиц или эффектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, который оказывает помощь в анализе данных БАК, считает, что результаты эксперимента SeaQuest могут иметь большое влияние на поиски новой физики, которые в настоящее время «ограничены нашими знаниями о структуре протона, в частности о его антивеществе».
Третий не лишний
В течение короткого периода времени около полувека назад физики полагали, что разобрались с протоном.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, получившую впоследствии название кварковая: идея заключалась в том, что протоны, нейтроны и связанные с ними более редкие частицы представляют собой пучки из трех кварков (как их назвал Гелл-Манн), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема объясняла какофонию частиц, разлетающихся из ускорителей частиц высокой энергии, поскольку спектр их зарядов мог быть построен из двух- и трехчастных комбинаций. Затем, примерно в 1970 году, исследователи, работающие на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), казалось, подтвердили кварковую модель: выстрелив высокоскоростными электронами в протоны, они увидели, как электроны отрикошетили от объектов внутри.
Но вскоре картина стала менее ясной. «По мере того, как мы все тщательнее пытались измерить свойства этих трех кварков, мы обнаружили, что происходит что-то еще», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), работающий над кварковыми экспериментами с 1970-х годов.
Изучение импульса трех кварков показало, что их массы составляют малую часть общей массы протона. Кроме того, когда исследователи на SLAC стреляли электронами на большей скорости в протоны, они увидели, что электроны отталкивают больше частиц внутри. Чем быстрее электроны, тем короче их длина волны, что сделало их чувствительными к более мелким элементам протона; это похоже на увеличение разрешения микроскопа. Открывались все новые и новые внутренние частицы, которым, казалось, нет конца. «Мы не знаем, где предел и какое самое высокое разрешение возможно получить», — сказал Гисаман.
Результаты стали иметь больше смысла, когда физики разработали истинную теорию, к которой кварковая модель лишь приближается: квантовая хромодинамика или КХД. КХД, сформулированная в 1973 году, описывает «сильное взаимодействие», самую большую силу в природе, с помощью которой частицы под названием глюоны связывают пучки кварков.
КХД предсказывает тот самый вихрь, который был выявлен в экспериментах по рассеянию. Сложности возникают из-за того, что глюоны ощущают ту самую силу, которую они несут. Этим они отличаются от фотонов, несущих более простую электромагнитную силу. Это «самоуправство» создает беспорядок внутри протона, давая глюонам полную свободу действий для возникновения, размножения и расщепления на кратковременные пары кварков и антикварков. Уравновешивая друг друга, эти близко расположенные противоположно заряженные кварки и антикварки издалека остаются незамеченными. Только три несбалансированных «валентных» кварка — два верхних и нижний — составляют общий заряд протона. Но физики поняли, что стреляя электронами на большей скорости, они поражали меньшие цели.
Однако странности на этом не закончились.
Из-за самоуправства глюонов уравнения КХД невозможно решить, поэтому у физиков не получалось и до сих пор не получается рассчитать точные прогнозы теории. Но у них не было оснований предполагать, что глюоны будут расщепляться на один тип пары кварк-антикварк (а именно нижний) чаще, чем на другой. «Мы ожидали, что будет появляться равное количество тех и других пар», — сказала Мэри Альберг, теоретик-ядерщик из Сиэтлского университета, объясняя свои доводы того времени.
Мэри Альберг, физик-ядерщик из Сиэтлского университета, и ее соавторы давно утверждают, что пион играет важную роль в формировании сущности протона.
Фото предоставлено Сиэтлским университетом
Вот почему исследователей из New Muon Collaboration в Женеве так шокировали результаты эксперимента по рассеянию мюонов. В 1991г. они столкнули мюоны (более тяжелые родственники электронов) с протонами и дейтронами, состоящими из одного протона и одного нейтрона, сравнили результаты и пришли к выводу, что в протонном море больше нижних антикварков, чем верхних.
Вскоре теоретики предложили несколько возможных вариантов объяснения асимметрии протона.
Один из них связан с пионом. С 1940-х годов физики наблюдали, как протоны и нейтроны обмениваются пионами внутри атомных ядер, как игроки в команде, бросающие друг другу баскетбольные мячи, что помогает им держаться вместе. Размышляя над структурой протона, исследователи пришли к выводу, что он также может подбрасывать баскетбольный мяч себе, то есть может ненадолго испускать положительно заряженный пион, превращаясь на это время в нейтрон, и затем реабсорбировать его. «Если во время эксперимента вы думаете, что смотрите на протон, это не так, потому что на какое-то время этот протон будет переходить в состояние пары нейтрон-пион», — сказала Альберг.
Если говорить точнее, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку этот призрачный пион имеет нижний антикварк (пион с верхним антикварком не может так легко материализоваться), такие теоретики, как Альберг, Джеральд Миллер и Тони Томас, утверждали, что модель пионного облака объясняет большее количество нижних антикварков протона, выявленное в результате измерений.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Появились и другие аргументы. Клод Буррели и его коллеги из Франции разработали статистическую модель, которая рассматривает внутренние частицы протона как молекулы газа в комнате, хаотично двигающиеся на разных скоростях, которые зависят от того, целым или полуцелым количеством момента импульса обладает частица. При настройке с учетом данных многочисленных экспериментов по рассеянию модель предположила преобладание антикварков.
Прогнозы двух вышеупомянутых моделей не были идентичными. Большую часть общей массы протона составляют энергии отдельных частиц, которые прорываются в протонное море и из него, и эти частицы несут различные энергии. Модели по-разному спрогнозировали, как должно измениться соотношение верхних и нижних антикварков по мере подсчета антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют связанную с этим величину под названием доля импульса антикварка.
Когда исследователи в Фермилабе в 1999 году в рамках эксперимента NuSea измерили соотношение верхних и нижних антикварков в качестве функции импульса антикварка, результат их работы просто воодушевил всех, вспоминает Альберг. Эти данные свидетельствуют о том, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что они находились на грани диапазона обнаружения прибора) внезапно оказалось больше верхних антикварков, чем нижних. «Каждый теоретик говорил: ‘Погодите-ка’, — сказала Альберг, — Почему кривая развернулась, когда эти антикварки получили большую долю импульса?»
Пока теоретики ломали голову над этим вопросом, Гисаман и Раймер, которые работали над экспериментом NuSea и знали, что данным на грани иногда не стоит доверять, решили построить эксперимент, где можно было бы в комфортных условиях исследовать более широкий диапазон импульсов антикварка. Они назвали его SeaQuest.
Из того, что было
С кучей вопросов о протоне, но без денег, они начали собирать эксперимент из использованных деталей. «Нашим девизом было: снижай количество отходов, используй повторно, перерабатывай», — сказал Раймер.
Они приобрели несколько старых сцинтилляторов в лаборатории в Гамбурге, оставшиеся детекторы частиц в Лос-Аламосской национальной лаборатории и железные пластины, блокирующие радиацию, которые изначально были использованы в циклотроне Колумбийского университета в 1950-х годах. У них получилось применить магнит размером с комнату, использованный в эксперименте NuSea, и провести свой новый эксперимент на ускорителе протонов в Фермилабе. Получившийся из этих деталей «Франкенштейн» тем не менее был не лишен своего очарования. По словам Брауна, который помог найти все части, звуковой индикатор, сигнализирующий, что протоны поступают в устройство, был сделан 50 лет назад: «Когда он издает звуковой сигнал, становится тепло на душе».
Физик-ядерщик Пол Раймер (сверху) с устройством для эксперимента SeaQuest
Эксперимент в Фермилабе, собранный в основном из использованных деталей
И наконец они его запустили. В эксперименте протоны поражают две цели: пузырек с водородом, который по сути представляет собой протоны, и пузырек с дейтерием, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона.
При попадании в любую из двух целей, один из валентных кварков протона иногда аннигилирует с одним из антикварков протона или нейтрона мишени. «Аннигиляция имеет уникальную сигнатуру и производит мюон и антимюон», — сказал Раймер. Эти частицы вместе с другим «мусором», образовавшимся в результате столкновения, затем врезаются в старые железные пластины. «Мюоны могут проходить сквозь них, а все остальные частицы блокируются», — сказал он. Обнаружив мюоны на обратной стороне пластин и восстановив их исходные траектории и скорости, «вы можете восстановить хронологию событий, чтобы выяснить, какую долю импульса несут антикварки».
Поскольку протоны и нейтроны зеркально отражают друг друга, там, где у одного расположены частицы верхнего типа, у другого — нижнего типа, и наоборот. Сравнив данные из двух пузырьков, можно сразу увидеть соотношение верхних антикварков и нижних антикварков в протоне, но этому, конечно, предшествовало 20 лет работы.
В 2019 году Альберг и Миллер на основе модели пионного облака рассчитали, к каким результатам должен прийти эксперимент SeaQuest. Их прогноз вполне совпадает с новыми данными SeaQuest.
Новые данные, которые показывают постепенное повышение, а затем выход на плато в соотношении между нижними и верхними антикварками, а не внезапную реверсию, также совпадают с результатами более гибкой статистической модели, разработанной Буррели и его коллегами. И все же Миллер называет эту конкурирующую модель «описательной, а не прогнозирующей», поскольку она настроена, чтобы соответствовать данным, а не выявлять физический механизм, объясняющий преобладание антикварков. «А в наших расчетах я горжусь как раз тем, что они представляют собой истинный прогноз», — сказала Альберг. «Мы не настраивали никакие параметры заранее».
В электронном письме Буррели утверждал, что «статистическая модель более мощная, чем модель Альберга и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты по рассеянию как с поляризованными, так и не поляризованными частицами. Миллер категорически не согласился, отметив, что модель пионных облаков объясняет не только состав антивещества протона, но и магнитные моменты различных частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связывание и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что пионный механизм «важен в широком смысле для таких вопросов, как: «Почему существуют ядра? Почему существуем мы?».
В конечном стремлении понять протон решающим фактором может быть спин или собственный момент импульса. Эксперимент по рассеянию мюонов в конце 1980-х показал, что спины трех валентных кварков протона составляют не более 30% от общего спина протона. «Кризис протонного спина» можно выразить следующим вопросом: «что же составляет остальные 70%?» И как снова сказал опытный исследователь Чак Браун, старожил Фермилаб, «должно быть, что-то еще».
Экспериментаторы будут исследовать спин протонного моря в Фермилабе и, затем, в проектируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над расчетами полного «мезонного облака», окружающего протоны, которое, помимо пионов, включает более редкие «ро-мезоны» (rho mesons). В отличие от пионов, ро-мезоны обладают спином, поэтому они каким-то образом должны влиять на общий спин протона, что Альберг и Миллер и надеются определить.
По словам Брауна, эксперимент Фермилаб SpinQuest, в котором участвуют многие исследователи из SeaQuest и используются детали этого эксперимента, почти готов к работе. «Если повезет, мы получим данные этой весной; это будет зависеть, по крайней мере, частично, от прогресса в разработке вакцины против вируса. Забавно, что решение столь глубокого и непонятного вопроса о внутреннем строении ядра, зависит от ситуации с вирусом COVID в стране. Все в мире взаимосвязано, не так ли?».
Источник