I fysikens fantastiske verden bliver det umulige, skønt ikke med det samme, men stadig muligt. Og for nylig har forskere formået at opnå virkelig super umulige ting. Videnskaben skrider frem. Kun et pastamonster ved hvad der ellers venter os i dets mest hemmelige tarm. I dag vil vi analysere et dusin uvirkelige ting, tilstande og genstande, der er blevet muligt takket være moderne fysik.
Utroligt lave temperaturer
Tidligere har forskere ikke været i stand til at afkøle genstande under den såkaldte "kvantegrænse" -grænse. For at afkøle noget i en sådan tilstand er det nødvendigt at bruge en laser med meget langsomt bevægelige atomer og undertrykke de varmegenererende vibrationer, de genererer.
Imidlertid har fysikere fundet den rigtige løsning. De skabte en ultra-lille aluminium vibrerende tromle og var i stand til at køle den ned til 360 µK, hvilket er 10.000 gange temperaturen i meget dybde af rummet.
Tromlens diameter er kun 20 mikrometer (diameteren på et menneskehår er 40-50 mikrometer). Det var muligt at køle det ned til så ultra-lave temperaturer takket være en ny teknologi i det såkaldte "presset lys", hvor alle partikler har den samme retning. Dette eliminerer varmegenererende vibrationer i laseren. Selvom tromlen er blevet afkølet til den lavest mulige temperatur, er det ikke den koldeste type stof. Denne titel hører til Bose - Einstein kondensat. Alligevel spiller præstation en vigtig rolle. Siden en dag kan en lignende metode og teknologi finde deres anvendelse til at skabe ultra hurtig elektronik såvel som hjælp til at forstå den underlige opførsel af materialer i kvanteverdenen og nærmer sig deres egenskaber til fysiske grænser.
Salgsfremmende video:
Det lyseste lys
Solens lys er blændende lyst. Forestil dig nu lyset fra en milliard solskin. Det var han, der for nylig blev skabt af fysikere i laboratoriet, faktisk efter at have skabt det lyseste kunstige lys på Jorden, der desuden opfører sig på en meget uforudsigelig måde. Det ændrer objekternes udseende. Dette er dog ikke tilgængeligt for menneskets vision, så det er tilbage at tage fysikere til deres ord.
Molekylært sort hul
En gruppe fysikere skabte for nylig noget, der opfører sig som et sort hul. For at gøre dette tog de verdens mest kraftfulde røntgenlaser Linac koherent lyskilde (LCLS) og brugte den til at kollidere molekyler af iodmethan og iodbenzen. Oprindeligt forventedes laserpulsen at slå de fleste elektroner ud fra jodatoms bane og efterlade et vakuum i deres sted. I eksperimenter med svagere lasere blev dette tomrum som regel straks fyldt med elektroner fra de yderste grænser for den atomære bane. Da LCLS-laser ramte, startede den forventede proces faktisk, men derefter fulgte et virkelig forbløffende fænomen. Efter at have modtaget et sådant spændingsniveau begyndte jodatom bogstaveligt talt at sluge elektroner fra nærliggende brint og carbonatomer. Udefra virket det som et lille sort hul inde i molekylet.
Efterfølgende laserpulser slåede de tiltrækkede elektroner ud, men tomrummet trak mere og mere ind. Cyklussen blev gentaget, indtil hele molekylet eksploderede. Interessant nok var atomet i jodmolekylet det eneste, der udviste en sådan opførsel. Da det i gennemsnit er større end andre, er det i stand til at absorbere en enorm mængde røntgenenergi og miste sine originale elektroner. Dette tab efterlader atomet med en tilstrækkelig stærk positiv ladning, som det tiltrækker elektroner fra andre, mindre atomer.
Metallisk brint
Det er blevet kaldt "Holy Graal of High Pressure Physics", men indtil for nylig var det ikke nogen, der var i stand til at få det. Muligheden for at omdanne brint til metal blev først annonceret i 1935. Dens fysikere antydede, at en sådan transformation kunne skabes ved et meget stærkt pres. Problemet var, at datidens teknologier ikke kunne skabe et sådant pres.
I 2017 besluttede det amerikanske fysikerteam at vende tilbage til den gamle idé, men tog en anden tilgang. Eksperimentet blev udført i en speciel enhed kaldet en diamantskruestik. Trykket genereret af denne skruestik produceres af to syntetiske diamanter placeret på begge sider af pressen. Takket være denne enhed opnåedes et utroligt pres: over 71,7 millioner psi. Selv midt på jorden er trykket lavere.
Computerchip med hjerneceller
At indånde liv i elektronik, lys kan en dag erstatte elektricitet. Fysikere indså lysets fantastiske potentiale for årtier siden, da det blev klart, at lysbølger kan bevæge sig parallelt med hinanden og dermed udføre mange samtidige opgaver. Vores elektronik er afhængig af transistorer for at åbne og lukke stierne for elektricitet til at rejse. Denne ordning indfører mange begrænsninger. For nylig har forskere skabt en fantastisk opfindelse - en computerchip, der efterligner arbejdet i den menneskelige hjerne. Takket være brugen af interagerende lysstråler, der fungerer som neuroner i en levende hjerne, er denne chip virkelig i stand til at "tænke" meget hurtigt.
Tidligere kunne forskere også oprette enkle kunstige neurale netværk, men sådant udstyr tog adskillige laboratorieborde. Det blev betragtet som umuligt at skabe noget med samme effektivitet, men i en meget mindre størrelse. Og alligevel lykkedes det. Den siliciumbaserede chip er kun et par millimeter i størrelse. Og han udfører beregningsoperationer ved hjælp af 16 integrerede neuroner. Det sker sådan. Der leveres et laserlys til chippen, der er opdelt i flere stråler, som hver indeholder et signalnummer eller information, der varierer i lysstyrkeniveau. Lasers udgangsintensitet giver svaret på et numerisk problem eller enhver information, som der var behov for en løsning til.
Umulig form for stof
Der er en type stof kaldet "overflødigt fast stof". Og i virkeligheden er denne sag ikke så forfærdelig, som den kan synes ud fra navnet. Faktum er, at denne meget bisarre form af stof har en krystallinsk struktur, der er karakteristisk for faste stoffer, men samtidig er det en væske. Dette paradoks forblev urealiseret i lang tid. I 2016 skabte imidlertid to uafhængige grupper af videnskabsmænd (amerikansk og schweizisk) stof, som med rette kan tilskrives egenskaberne for et overflødigt fast stof. Interessant nok anvendte begge hold forskellige tilgange til at skabe den.
Schweizerne skabte Bose-Einstein kondensat (det koldeste stof kendt) ved at afkøle rubidiumgas til ekstremt lave temperaturer. Derefter blev kondensatet anbragt i en to-kammerinstallation, i hvert kammer, hvor små spejle rettet mod hinanden var installeret. Laserstråler blev dirigeret ind i kameraerne, hvilket udløste transformationen. Gaspartiklerne opbyggede som reaktion på laservirkningen den krystallinske struktur af det faste stof, men generelt bevarede stoffet sin fluidegenskab.
Amerikanerne opnåede et lignende hybridstof baseret på et kondensat af natriumatomer, som også blev kraftigt afkølet og udsat for en laser. De sidstnævnte blev anvendt til at skifte tæthed af atomer inden udseendet af en krystallinsk struktur i flydende form.
Negativ masse væske
I 2017 skabte fysikere en virkelig cool ting: en ny form for stof, der bevæger sig mod den kraft, der frastøder den. Selvom det ikke rigtig er en boomerang, har denne sag, hvad du måske kalder negativ masse. Med en positiv masse er alt klart: Man giver acceleration til et eller andet objekt, og det begynder at bevæge sig i den retning, hvor denne acceleration blev transmitteret. Forskere har imidlertid skabt en væske, der fungerer meget anderledes end noget andet i den fysiske verden. Når det skubbes, accelererer det til kilden til den acceleration, der udøves.
Og igen reddede Bose - Einstein kondensatet i denne sag, i hvilken rolle rubidiumatomer blev afkølet til ultralowstemperaturer. Forskere har således opnået en overfladisk væske med en normal masse. Derefter komprimerede de atomerne kraftigt med lasere. Derefter, med det andet sæt lasere, spændte de stærkt atomerne, så meget, at de skiftede spins. Når atomerne blev frigjort fra lasergrebet, ville en almindelig væskes reaktion være at bevæge sig fra fikseringscentret, som faktisk kan fortolkes som skubbe. Imidlertid forblev den overfladiske væske af rubidium, hvis atomer fik tilstrækkelig acceleration, på sin plads, når den blev frigjort fra lasergrebet, hvilket demonstrerer en negativ masse.
Tidskrystaller
Da Frank Wilczek, nobelprisvinderen, først foreslog ideen om tidskrystaller, virkede det vanvittigt. Især i den del, hvor det blev forklaret, at disse krystaller kan have bevægelse, mens de forbliver i hvile, det vil sige demonstrere det laveste energiniveau for stof. Det virkede umuligt, da der kræves energi til bevægelse, og teorien sagde til gengæld, at der praktisk talt ikke var energi i sådanne krystaller. Wilczek mente, at evig bevægelse kan opnås ved at ændre jordtilstanden for krystomatomet fra stationært til periodisk. Dette stred imod de fysiske love, vi kendte, men i 2017, 5 år efter at Wilczek foreslog dette, fandt fysikere en måde at gøre det på. Som et resultat blev der skabt en krystal af tid på Harvard University, hvor nitrogenforureninger "roterede" i diamanter.
Bragg spejle
Bragg-spejlet er ikke meget reflekterende og består af 1000-2000 atomer. Men det er i stand til at reflektere lys, hvilket gør det nyttigt, uanset hvor små spejle der er behov for, f.eks. I avanceret elektronik. Formen på et sådant spejl er også usædvanlig. Dens atomer er ophængt i et vakuum og ligner en kæde af perler. I 2011 kunne en tysk gruppe forskere skabe et Bragg-spejl, som på det tidspunkt havde det højeste refleksionsniveau (ca. 80 procent). For at gøre dette har forskere kombineret 10 millioner atomer i en gitterstruktur.
Senere videnskabelige teams fra Danmark og Frankrig fandt imidlertid en måde at reducere antallet af nødvendige atomer markant, samtidig med at den høje reflekterende effektivitet opretholdes. I stedet for tæt bundtet omkring hinanden blev atomerne anbragt langs en mikroskopisk optisk fiber. Med den korrekte placering opstår de nødvendige forhold - lysbølgen reflekteres direkte tilbage til dens oprindelsessted. Når der transmitteres lys, bryder nogle af fotonerne ud af fiberen og kolliderer med atomer. Den reflekterende effektivitet, der er vist af det danske og det franske hold, er meget forskellige og er henholdsvis omkring 10 og 75 procent. I begge tilfælde vender lyset imidlertid tilbage (det vil sige reflekteres) til dets oprindelsessted.
Ud over de lovende fordele ved udvikling af teknologier kan sådanne spejle være nyttige i kvanteindretninger, da atomer yderligere bruger lysfeltet til at interagere med hinanden.
2D magnet
Fysikere har forsøgt at skabe en to-dimensionel magnet siden 1970'erne, men har altid mislykkedes. En ægte 2D-magnet skal bevare sine magnetiske egenskaber, selv når den adskilles i en tilstand, hvor den bliver to-dimensionel eller kun et atom tykt. Forskere begyndte endda at tvivle på, at en sådan ting overhovedet var muligt.
I juni 2017 var fysikere, der bruger kromtriiodid, endelig i stand til at skabe en to-dimensionel magnet. Forbindelsen viste sig at være meget interessant fra flere sider på én gang. Dens lagdelte krystalkonstruktion er fremragende til tilspidsning, og derudover har dets elektroner den ønskede omdrejningsretning. Disse vigtige egenskaber tillader chromtriiodid at bevare sine magnetiske egenskaber, selv efter at dens krystalstruktur er blevet reduceret til tykkelsen af de sidste atomlag.
Verdens første 2D-magnet kunne produceres ved en relativt høj temperatur på -228 grader celsius. Dets magnetiske egenskaber ophører med at arbejde ved stuetemperatur, da ilt ødelægger det. Eksperimenter fortsætter dog.
NIKOLAY KHIZHNYAK