Ученые из университетов Осаки и Хоккайдо разработали метод световой микроскопии, который использует запутанные фотоны для придания большей контрастности изображению. По словам физиков, точность нового метода на 30 процентов превышает стандартный квантовый предел четкости для обычных фотонов. Исследование выложено в виде препринта в архиве Корнельского университета, кратко он нем пишет блог издания Technology Review.

Метод является дополнением вида оптической микроскопии, в котором изображение формируется за счет интерференции пучков света, проходящих через объект. Темные и светлые области формируются тогда, когда путь, пройденный одним из пучков, отличается от пути другого (например, за счет разной высоты в разных точках объекта).

Интерференция позволяет уловить очень небольшую разницу в плотности или высоте разных частей объекта, но точность этих измерений и, соответственно, контрастность изображения, ограничена принципом неопределенности Гейзенберга. Новый метод позволяет преодолеть этот стандартный квантовый предел за счет использования запутанных частиц, которые несут больше информации друг о друге, чем независимые фотоны (принцип неопределенности при этом не нарушается).

Если охладить определённые вещества до критической температуры, они становятся сверхпроводниками, проводящими электричество с нулевым сопротивлением. Чуть менее половины известных металлов обладают «критической температурой перехода» - в момент, когда они охлаждаются ниже этой температуры, они становятся сверхпроводниками. Естественно, эта температура обычно достаточно низкая. Родий, например, совершает переход при -237,15 °C. Это на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Другими словами, экспериментировать со сверхпроводниками достаточно сложно.

По крайней мере, так было ранее, до открытия высокотемпературных сверхпроводников. Эти вещества обладают сложными кристаллическим структурами и обычно получаются при смешении керамики и меди с другими металлами. Эти вещества переходят в сверхпроводники около -160,59 °C или выше. Не особо тепло, но всё же такой температуры достичь легче.

Учитывая то, что эта температура соответствует и точке кипения жидкого азота, мы можем заметить и другие странные черты сверхпроводников при комнатной температуре, как показано в видеоролике выше. Когда сверхпроводники расположены рядом со слабым энергетическим полем (например, магнитом), они образуют поверхностный барьер электрического тока, отталкивающего магнитные волны. Когда это случается, линии магнитного поля огибают сверхпроводник, закрепляя его в подвешенном состоянии. Если сверхпроводник подтолкнуть в одну из сторон, он автоматически компенсирует это электрическим полем, противодействующим магниту. Феномен известен как квантовая левитация, а опыт обычно называют «Гробом Магомета».

Гамма-лазер, или гразер (акроним от английского «Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - «усиление γ-лучей посредством вынужденного излучения»), до сих пор остается устройством, существующим лишь в теории.

Двадцать лет назад исследователи Bell Labs, Филипп Плацман и Аллен Миллс младший, предположили, что в роли гамма-лазера может выступать конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из атомов позитрония. Позитроний представляет собой квантово-механическую систему, объединяющую в себе вещество (электрон) и антивещество (позитрон).

Год спустя после публикации работы Плацмана и Миллса БЭК (из атомов рубидия) был впервые получен в лаборатории. К настоящему времени ученые смогли привести в состояние бозе-эйнштейновского конденсата атомы 13 различных элементов. Исследователи Объединенного квантового института (JQI) Мэрилендского университета в США, в распоряжении которых есть 4 различных БЭК, задумались о весьма экзотической его разновидности.

Новая работа ученых посвящена подробным расчетам динамики БЭК, состоящего из атомов позитрония. Эти расчеты впервые учитывают взаимодействие между атомами позитрония различных типов, существенно влияющее на работу гамма-лазера.

Концепция гразера, предложенная Плацманом и Миллсом, предполагает одновременное «самоуничтожение» большого количества атомов позитрония, порождающих интенсивный импульс гамма-излучения с энергией гамма-квантов 511 кэВ.

Два в одном: вещество и антивещество

Позитроний живет меньше микросекунды, однако демонстрирует отличительные черты атома. Подобно атому водорода, связанному воедино силой электростатического взаимодействия между протоном и электроном, позитроний остается целостной системой благодаря притяжению положительно заряженного позитрона и отрицательно заряженного электрона.

Поскольку электрон и позитрон обладают одинаковым спином, равным ½ (в единицах приведенной постоянной Планка), то позитроний может иметь либо нулевой, либо целый спин. Если спины электрона и позитрона сонаправлены, они образуют ортопозитроний со спином 1, а если противоположно направлены – то парапозитроний со спином 0.

В качестве источника когерентного гамма-излучения – гразера – годится только парапозитроний. Ортопозитроний живет дольше и аннигилирует не в два, а в три γ-кванта с меньшей энергией.

Ученые показали, что можно запустить процесс вынужденной аннигиляции – аналог вынужденного излучения в схеме работы обычного лазера. Когда пучок позитронов вступает во взаимодействие с веществом, захватывая электроны, образуется случайны набор атомов позитрония обоих типов. Парапозитроний аннигилирует за время около 0.1 наносекунды, а ортопозитроний живет на три порядка дольше. В это «дополнительное» время ортопозитроний может служить носителем энергии для следующего гамма-импульса: если удастся «переключить» его состояние и превратить ортопозитроний в парапозитроний, он сыграет роль активной усиливающей среды, которая произведет импульс гамма-излучения с энергией 511 кэВ.

Наиболее вероятным «переключателем», который можно использовать в этом процессе, по мнению ученых, является импульс излучения в дальнем ИК-диапазоне. Они предложили несколько последовательностей, способных «переключить» спин позитрония из 1 в 0 за период времени, сопоставимый со временем аннигиляции.

Ортопозитроний живет дольше и аннигилирует не в два, а в три γ-кванта с меньшей энергией.

Кофе остывает, здания рушатся, яйца бьются, а звезды выдыхаются во Вселенной, которой, кажется, суждено деградировать в состояние равномерной серости, известной как тепловое равновесие. Астроном-философ сэр Артур Эддингтон в 1927 году привел постепенное распространение энергии в качестве доказательства необратимой «стрелы времени».
Но к недоумению поколений физиков, стрела времени, похоже, не вытекает из основных законов физики, по которым двигаться вперед во времени — это то же самое, что и назад. По этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и повернул их вспять, энергия накапливалась бы, а не распылялась: холодный кофе спонтанно нагревался бы, здания собирались бы из обломков, а солнечный свет собирался обратно в солнце.

«В классической физике мы сильны, — говорит Санду Попеску, профессор физики Бристольского университета в Великобритании в интервью журналу QuantaMagazine. — Если бы я знал больше, мог бы я переломить ход события, собрать воедино все молекулы разбитого яйца?».
Конечно, профессор говорит, что стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента рождения термодинамики в 1850-х годах, единственным известным подходом для расчета распространения энергии оставалось сформулировать статистическое распределение неизвестных траекторий частицы и показать, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики определили фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы переплетаются, когда взаимодействуют — странный эффект под названием «квантовая запутанность».

«Наконец мы можем понять, почему чашка кофе уравновешивается в комнате, — говорит Тони Шорт, квантовый физик из Бристоля. — Запутанность накапливается между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты».

Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден и Андреас Уинтер сообщили об открытии журналу Physical Review E в 2009 году, утверждая, что объекты достигают равновесия, или состояния равномерного распределения энергии, в течение бесконечного количества времени за счет квантово-механического запутывания с окружающей средой. Похожее открытие опубликовал Питер Рейман из Билефельдского университета в Германии несколькими месяцами раньше в Physical Review Letters. Шорт и коллеги укрепили аргументацию в 2012 году, показав что запутанность вызывает уравновешенность за конечное время. Также, в работе, опубликованной на arXiv.org в феврале, две отдельных группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются, за время, пропорциональное их размеру.

«Чтобы показать, что это применимо к нашему физическому миру, процессы должны происходить в разумных временных масштабах», — говорит Шорт.
Тенденция кофе (и всего остального) достигать равновесия — «крайне интуитивна», считает Николас Бруннер, квантовый физик из Женевского университета. «Но когда нужно объяснить, почему это происходит, впервые мы имеем твердые основания с учетом микроскопической теории».

Если новая линия исследований верна, история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа по своей сути неопределенна. Элементарной частице не хватает конкретных физических свойств и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентным шансом вращаться по часовой стрелке и с 50-процентным — против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла гласит, что нет «истинного» состояния частицы; вероятности — единственное, что можно использовать для его описания.

Квантовая неопределенность неизбежно приводит к запутанности, предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их больше нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описываются двумя частицами вместе. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой из индивидуальных частиц «смешанное». Обе частицы можно отдалить на световые годы друг от друга, но спин каждой частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии».

Двадцать шесть лет спустя грандиозного провала идеи Ллойда о стреле времени, он рад быть свидетелем ее подъема и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру.

«Думаю, сейчас все же заговорят о том, что в этой идее есть физика».
А философия ­— и подавно.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, другое проявление стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь что-то с листа бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые достигают глаз. Только с этого момента вы будете способны вспомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд:

«Настоящее может быть определено как процесс связывания (или установления корреляций) с нашим окружением».

я не уверен, что запутывание увеличивается со временем; скорее то возрастает, то убывает.

Новое исследование показало, что телепортация людей как в фильме «Звездный путь» может стать реальностью в далеком будущем. По словам ученых, законы физики в целом не запрещают перемещение больших объектов, в том числе человека.

Как сообщает газета Daily Mail, исследователи из Делфтского технического университета смогли телепортировать атом на расстояние 3 метра со стопроцентной точностью.

Мы перенесли состояние частицы. Если представить, что мы являемся набором атомов, собранных в определенной последовательности, то телепортировать самого себя из одного места в другое в принципе возможно, — заявил профессор Хэнсон из технологического университета Делфта в Нидерландах.
При этом исследователи отмечают, что телепортация человека возможна в теории, но на практике представляется маловероятной.

Но я бы не стал исключать такую возможность, поскольку не существует фундаментальных законов физики, которые запрещали бы сделать это. Если это когда-нибудь и случится, то в далеком будущем, — добавил он.

Физикам Франции, Австрии и США в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) удалось провести эксперимент, в результате которого они измерили магнитный момент нейтрона независимо от положения самого нейтрона. Явление, которое наблюдали ученые, называется парадоксом Чеширского кота. Результаты своих опытов авторы опубликовали в журнале Nature Communications.

Ученые разделили пучок нейтронов на два в зависимости от ориентации спинов частиц в них: направления одних совпадали с направлением внешнего магнитного поля, других были противоположны ему. В результате проведения серии измерений, включающих в себя слабое измерение, ученым в одном из пучков удалось отследить следы частиц (измерить поляризацию нейтронов в магнитном поле) из другого, как если бы они там были.

В своем эксперименте физики использовали нейтронный интерферометр — прибор, который позволяет наблюдать волновые свойства нейтральных нуклонов: единый пучок нейтронов пропускается через интерферометр, где разделяется на два, которые интерферируют между собой и приводят к образованию соответствующей картины. С точки зрения квантовой механики, это есть проявление корпускулярно-волнового дуализма, в котором волновые свойства связаны с наложением волн де Бройля — суперпозицией волновых функций частиц. При этом существенно классическое понятие траектории частицы теряет смысл: нейтрон может быть одновременно в двух пучках.

Теоретическая идея о парадоксе Чеширского кота появилась недавно и сводится к тому, что свойства некоторого объекта могут быть определены (измерены наблюдаемые частицы) там, где его нет. В классической физике это невозможно из-за принципа локальности, согласно которому кроме самого объекта его свойства могут зависеть лишь от его ближайшего окружения.

этого можно было ожидать,

Эксперимент показал, что анализ прошлого и будущего квантовой системы «предсказывает» ее состояние более точно, чем просто анализ будущего. Сложно? Давайте разберемся. Мы настолько привыкли к детективным историям, что даже не замечаем, как автор играет со временем. Обычно убийство происходит до середины книги, но читателю видно только черное пятно, и, как правило, он узнает, что случилось, только на последней странице.

Если вырвать из книги последнюю страницу, как считает физик Катер Марч из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, как читатель лучше поймет, что случилось: дочитав до момента с вырванной страницей или прочитав всю книгу целиком? Ответ слишком очевиден в случае с детективом, но далеко не так просто в мире квантовой механики, где неопределенность является фундаментальной, а не привлеченной для радости чтения.

Даже если вы знаете все, что квантовая механика может рассказать о квантовой частице, говорит Марч, вы не можете с уверенностью предсказать исход простого эксперимента по измерению ее состояния. Все, что может предложить квантовая механика, это статистическая вероятность возможных результатов.

Расхожее мнение гласит, что эта неопределенность представляет собой не дефект теории, а скорее природный факт. Состояние частицы не просто неизвестно, а воистину не определено до измерения. Акт измерения сам по себе заставляет частицы коллапсировать до определенного состояния.

В журнале Physical Review Letters, выпуск которого состоится 13 февраля, Катер Марч описывает способ сузить шансы на удачное определение. Объединив информацию об эволюции квантовой системы после точки отсчета с информацией об ее эволюции до этого времени, физик в лаборатории смог сузить шансы на верное определение состояния системы из двух с 50/50 до 90/10.

Это как если бы то, что мы делали сегодня, изменило вчерашнее. И, как следует из этой аналогии, результаты эксперимента имеют жуткое значение для времени и причинности — по крайней мере в микроскопическом мире квантовой механики.

Физики из Австрии объяснили роль гравитации в подавлении проявления квантовых свойств микромира. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Physics.

Исследование микромира — взаимодействий элементарных частиц — проводится, как правило, на низких энергиях в пренебрежении эффектами гравитации. Однако явления, требующие привлечения квантовой теории и общей теории относительности, такие, как, например, излучение Хокинга вблизи горизонта событий черной дыры, происходят в экстремальных физических условиях — при высоких энергиях частиц и в сильных полях тяготения.

Физики в своем исследовании рассмотрели квантовую механику запутанных низкоэнергетических частиц и попробовали учесть влияние на нее тяготения. Оказалось, что его влияние на частицы сводится к эффекту гравитационного замедления времени (замедлению времени при переходе системы от слабых к более сильным полям) и приводит к декогеренции квантовой суперпозиции.

Последнее означает, что квантовомеханическое описание системы (в частности, выполнение принципа квантовой суперпозиции) теряет свой смысл и переходит в классическое по причине ее взаимодействия с внешней средой. Ученым в своей работе удалось найти универсальную связь между внутренними степенями свободы (независимыми параметрами, описывающими систему) и центром масс системы взаимодействующих частиц, которая даже в отсутствие влияния внешней среды (негравитационного) приводит к потере квантовой связи (запутанности) между ними.

Квантовые струны довольно сложным образом взаимодействуют друг с другом, так как являются нелокальными, более точно мультилокальными объектами. Однако с точки зрения изменения их формы (топологии) допустимы лишь 5 элементарных локальных актов, согласующихся с физическими принципами:

1. Открытая струна (с концами) может разорваться в точке на 2 открытые струны.
2. Замкнутая струна (без концов) может сойтись во внутренней точке касания и расщепиться на 2 замкнутые струны.
3. Замкнутая струна может разорваться в точке и стать открытой.
4. В точке касания 2 открытые струны могут обменяться сегментами.
5. Открытая струна может потерять сегмент в виде замкнутой струны, через внутреннюю точку касания.

Все точки взаимодействия являются «тройными» точками, которые при малом шевелении дают все 5 вышеописанных перестроек. Обратные процессы добавляют ещё 5 элементарных локальных актов взаимодействия.

Для суперструн из-за разных условий на бозонные и фермионные переменные приходится добавлять в «тройную» точку дополнительные поля, чтобы не нарушить суперсимметрию... Многие исследователи полагают, что на основе моделей струн и суперструн удастся построить всю низкоэнергетическую физику нашего мира.

Технические особенности реализации данных способов введения суперсимметрии обусловили возникновение пяти различных теорий суперструн — типа I, типов IIA и IIB, и двух гетеротических струнных теорий... Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории...

Т.е гравитация ломает запутанность

Думаю построить собственную теорию струн. На ровном месте. Правда, говорить про "теорию" - слишком громко... Никакие элементарные частицы я, конечно, описывать не собираюсь, да мне это и не под силу. Однако намеки на возможный успех все же имеются.

самоед2 wrote: там математика очень сложная, напряг будет, врядли совладеете

Вот, определил для начала, что такое у меня струна.

quantoforum.ru/mathematics/2228-zanimate...ka-2?start=90#325651

Про количество пифагоровых треугольников бОльших размеров я даже боюсь говорить...

Скажем, моды длиной 3, 4 и 5 единиц формируют целых 3 315 175 пифагоровых треугольников.