Новости науки. Для физика термин "информация" значит гораздо больше, чем мы под ним понимаем в повседневной жизни. Современная физика рассматривает информацию как вполне себе физическую величину, подчиняющуюся определённым законам. В 1968 году физик Рольф Ландауэр сформулировал принцип, носящий его имя, согласно которому необратимые операции над информацией неизбежно сопровождаются необратимыми физическими процессами. В более простой формулировке - если мы, например, стираем один бит информации, то это приводит к выделению определённого количества тепла (а значит, и к необратимому повышению энтропии). Принцип Ландауэра имеет глубокое философское значение, осмысление которого и заставило физиков рассматривать информацию, как физическую сущность. На сегодняшний день о принципе ещё спорят и пытаются опровергнуть, но только подтверждают. В квантовой механике информация также рассматривается, как сохраняющаяся физическая величина.

Со времён Эйнштейна мы знаем принцип эквивалентности массы и энергии. Повышение массы системы приводит к увеличению её энергии, а повышение энергии неизбежно выливается в увеличение массы. В 2019 году этот принцип был расширен. В новой формулировке к массе и энергии добавляется ещё и информация. Принцип эквивалентности массы-энергии-информации гласит, что при добавлении в систему одного бита информации, мы увеличиваем её массу и, соответственно, энергию на определённую величину. Теоретически даже было расчитано значение массы, соответствующей одному биту, оно составляет 3.19 × 10^-38 кг. Справедливость этого утверждения, например, означала бы, что заполненный жесткий диск весил бы больше, чем пустой. Причем не за счет дополнительных электронов, хранимых в ячейках памяти, а непосредственно за счет информации. В виду новизны и малой "массы" одного бита пока что никто не придумал, как этот принцип проверить.

И вот, буквально только что исследователь из университета Портсмута предложил реализуемый физический эксперимент для проверки принципа эквивалентности массы-энергии-информации. Эксперимент на самом деле весьма простой. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, сопровождающаяся выделением энергии. Например, когда сталкиваются электрон и его античастица - позитрон - происходит выделение двух высокоэнергетических гамма-квантов. Это давно известно и является манифестацией того самого принципа эквивалентности массы и энергии. Ученый утверждает, что если учитывать и информацию, которой обладают частицы, то в дополнение к двум гамма-квантам должны выделиться ещё два низкоэнергетических инфракрасных фотона с длиной волны около 50 мкм. Действительно, если мы удаляем из бытия частицу (а именно это происходит при аннигиляции), то мы неизбежно удаляем и информацию, которую она несёт.

Почему мы не замечали выделения таких фотонов ранее? Ведь аннигиляцию наблюдают уже очень давно. Ну, для этого нужно знать, что искать. Инфракрасное излучение присутствует повсеместно, и никому просто не приходило в голову искать два фотона в инфракрасном фотонном море. Теперь же, когда эксперимент и дизайн экспериментальной установки предложены, осталось только его провести, и тогда станет окончательно ясно, достойна ли информация занять почетное место в ряду фундаментальных физических величин нашей вселенной.

Работа опубликована в AIP Advances 4 марта 2022 года.

#news

Анимация. Одним из популярных способов описания динамики спинов в кристаллической решетке является модель Изинга. Каждая точка на экране это отдельный спин, который может иметь две ориентации - вверх или вниз (соответственно, быть белым или черным). Вещество ферромагнитно, это значит, что все спины очень хотят стать ориентированными в одном направлении. Препятствует этому температура. Если она велика, то тепловая энергия частиц превышает энергию магнитного взаимодействия, и частицы просто переключаются случайным образом. На представленной анимации температура постепенно уменьшается, благодаря чему магнитное взаимодействие играет всё большую роль и ориентирует частицы в конфигурацию из нескольких крупных магнитных доменов. Симуляция проводится без внешнего магнитного поля.

#animation

История науки. Изобретатель лазера Тед Майман позирует с синтетическим кристаллом рубина, послужившим рабочим телом для первого в истории лазера. Ориентировочно 1960 год.

Лазер принадлежит к тем немногим открытиям, которые полностью преобразили мир. Сложно назвать такую область науки или промышленности, в которой лазеры бы не использовались. Тем не менее, статью Маймана, описывающую первый рубиновый лазер, отказались публиковать в американском Physical Review Letters с формулировкой, что журнал не заинтересован в дальнейшей публикации статей, имеющих отношение к мазерам (мазеры были изобретены за несколько лет до этого. В них используется тот же принцип, что и в лазерах, но излучение генерируется в микроволновом диапазоне, а не в оптическом). В результате Майману пришлось отправить статью в британский Nature. Статья, кстати, занимает всего-лишь одну неполную страницу (да, в те годы такое ещё было возможным).

#scihistory

Изображение. Микрофотография бактерии (а точнее, двух бактериальных клеток) вида Klebsiella pneumoniae, удобно устроившихся на наноструктурированной подложке из диоксида титана. Такие наноструктуры в виде шипов производятся специально, чтобы придавать поверхности антибактериальные свойства. Шипы легко прокалывают клетки бактерий, что и произошло с левой клеткой. Правой, по-видимому, удалось избежать уничтожения. Но радости ей от этого всё равно мало. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа.

#scimage

Новости науки. Ученые из Японского общества содействия науке создали самую маленьку в мире распределительную станцию для поездов. Роль рельсов выполняют молекулы ДНК, а поездами служат специальные моторные белки (динеины), "запрограммированные" по этим рельсам перемещаться. Более того, определённым образом меняя структуру ДНК, ученые могут посылать разные белки в разных направлениях, тем самым осуществляя распределение "поездов". На видео показана анимация процесса, а затем и реальные данные, составленные по микроскопическим снимкам. Технология не только послужит более полному пониманию процессов, происходящих внутри клеток, но и может помочь адресно доставлять вещества в медицинских приложениях.

Статья опубликована в Science 10 марта 2022 года.

#news

APOD. Ещё один атмосферный снимок из наследия великого Cassini. Ледяная луна Диона с диаметром около 1000 км на фоне Сатурна и его колец. Снимок сделан 20 декабря 2010 года и дополнительно обработан астрономом-любителем.

#apod

Изображение. Флуоресценция это процесс, при котором вещество поглощает падающее на него излучение (или другой источник возбуждения) и переизлучает поступившую энергию на другой частоте. Частота излучения определяется структурой энергетических уровней вещества. На фотографии лазерный луч синего цвета проходит через набор кювет, содержащих различные флуоресцентные красители. Как видно, поглощенное излучение может переизлучаться на всех цветах радуги. Интересно, что возбуждение красителя происходит только на оптическом пути луча, а остальной объем вещества остаётся инертным.

#scimage

Новости науки. Насколько быстро способна работать твердотельная электроника? Большинство людей, вероятно, назовёт цифру порядка нескольких гигагерц (миллиарды переключений в секунду), имея в виду микропроцессоры. Однако, современная электроника способна генерировать сигналы даже в области нескольких терагерц (тысячи миллиардов переключений в секунду). Но предел ли это? На сегодняшний день - да, пока не будут изготовлены более совершенные устройства.

Но, быть может, что-то ограничивает скорость электроники на более фундаментальном уровне - на уровне физических законов? Именно на этот вопрос попытались ответить ученые из института квантовой оптики в немецком Гархинге.

На фундаментальном уровне работа твердотельного электронного устройства сводится к перемещению электронов между энергетическими уровнями (например, в полупроводнике). Грубо говоря, электроны на одном уровне замыкают ключ, на другом - размыкают его. Такие переходы крайне быстры и во всех практических приложениях их просто считают мгновенными, хотя таковыми они, конечно, не являются - типичное время их протекания составляет аттосекунды и фемтосекунды (10^-18 - 10^-15 c).

Только совсем недавно начали появляться лазеры, способные генерировать импульсы столь короткой длительности. Это позволило ученым заглянуть под вуаль электронных переходов. Они направили фемтосекундный лазерный импульс на материал, который в основном состоянии является изолятором. При этом часть электронов, поглощая энергию лазера, возбуждается и переходит на более высокие энергетические уровни, на которых они могут свободно перемещаться и переносить ток. Исследователи проанализировали динамику этого процесса и выяснили, что максимальным фундаментальным пределом для частоты переключения электронного устройства является примерно 1 петагерц (миллион гигагерц). Так что, как ни крути, а транзисторы на вашем смартфоне быстрее работать не станут.

Оговоримся, что речь, конечно, идёт о привычной твердотельной электронике. Никто не утверждает, что изготовление более быстрых устройств невозможно в принципе (по другим технологиям). С другой стороны, и подвести электронику к этому пределу вряд ли получится - помешают другие, чисто технологические ограничения.

Статья опубликована в Nature Communications 25 марта 2022 года.

#news

Явление. Искровая камера это уже довольно устаревший вид детекторов ионизирующего излучения, который активно использовался в середине прошлого века, но потом был вытеснен более совершенными приборами. Тем не менее, они всё ещё пригодны для ряда демонстраций. Например, для обнаружения космического излучения. Искровая камера состоит из ряда металлических пластин, между которыми создаётся высокое, но недостаточное для пробоя газа напряжение. Когда частица космического излучения пролетает между пластинами, она оставляет за собой трек ионизированного газа, благодаря которому напряжение пробоя на пути следования частицы понижается, и образуется искра (лавинный разряд).

Доходящие до поверхности космические лучи состоят в основном из мюонов (70%), а также электронов и протонов. Все эти типы можно обнаружить с помощью искровых камер.

#effect

APOD. Вероятно примерно так выглядело бы небо, если бы некое сверхсущество могло воспринимать его вне наложенных на нас ограничений времени. Каждая точка на графике это фотография неба над Голландией, сделанная с помощью камеры кругового обзора. Такие фотографии (кеограммы) делались на протяжении всего года с интервалом в 15 минут, а затем их центральные области были совмещены в единое изображение. Тёмные участки соответствуют ночи, светлые дню. 12 наклонных линий в ночное время отмечают присутствие нашего естественного спутника. Хорошо видно, как меняется длина ночи в течение года с солнцестояниями в июне и декабре. Снимок подготовлен голландским астрономом.

#apod

Кристаллы. Процесс роста кристаллов в среде из... соевого соуса. На самом деле, всё довольно банально. Соевый соус содержит большое количество соли, которая и кристаллизуется при медленном нагревании и испарении раствора. Ну, может получившийся кристалл и содержит какие-нибудь остаточные соевые вещества. Назовём это солью с соевым легированием. Если вдруг вы настоящий энтузиаст кристаллографии, и у вас застоялась давно забытая бутылочка с азиатским продуктом, то можете попробовать воспроизвести эксперимент.

#crystal

Новости науки. Зоопарк элементарных частиц обширен и разнообразен. Совокупность известных на сегодняшний день мельчайших кирпичиков материи описывается Стандартной моделью элементарных частиц - одной из самых успешных физических теорий, предсказывающей количество частиц, их массы и взаимодействия между ними.

Если попытаться вкратце её описать, то можно выделить два основных вида частиц. К первому типу относятся фермионы, в число которых входят шесть кварков и шесть лептонов. Из них состоит вся известная нам материя. Второй тип - бозоны, являющиеся переносчиками взаимодействий между фермионами. На каждое из известных фундаментальных взаимодействий природы приходится один или несколько бозонов: за электромагнитное отвечают фотоны, за гравитацию - гипотетические гравитоны, за сильное взаимодействие - восемь глюонов, и за слабое - W и Z бозоны. Есть ещё знаменитый бозон Хиггса, стоящий особняком и наделяющий остальные частицы массой. Параметры всех частиц (массы, заряды и прочие свойства) с очень высокой точностью предсказываются методами Стандартной модели.

Хотя Стандартная модель уже и не претендует на звание полной теории, описывающей природу, она всё ещё остаётся одним из лучших имеющихся у ученых инструментов. Поэтому физики постоянно пытаются измерить параметры различных частиц со всё более высокой точностью, чтобы проверить предсказания модели и внести в неё необходимые корректировки.

Новым таким измерением поделилась международная группа из около 400 ученых. В этот раз они с помощью американского коллайдера в Фермилаб измерили значение массы W-бозона, переносящего слабое взаимодействие (частица сама по себе весьма тяжелая, чем и объясняется "слабость" слабого взаимодействия). Им удалось сделать это с точностью, на порядок превосходящей предыдущие попытки. С удивлением ШОК СЕНСАЦИЯ физики обнаружили, что масса бозона оказалась значительно выше, чем предсказывает Стандартная модель - на целых 0.1%!

Может показаться, что это совсем незначительная величина, но это не так. Ещё раз повторим, что предсказания Стандартной модели чрезвычайно точны и отклонение в 0.1% весьма существенно и может поставить под сомнения самые основы теории. По словам авторов измеренное отклонение массы скорее всего свидетельствует о наличии ещё неизвестных частиц, каким-то образом медиирующих процессы слабого взаимодействия.

Статья опубликована в Science 7 апреля 2022 года.

#news

Наука и искусство. Микрофотография кристаллов, осаждённых из раствора парацетамола, напоминающая солнечный зимний денёк в горах.

Такие красочные изображения получаются при облучении многих кристаллических образцов поляризованным светом. Связано такое разнообразие оттенков с тем, что некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления, благодаря которому кристаллиты с различной ориентацией по-разному пропускают свет с различной поляризацией.

#art

История науки. Отцом современной атомной физики можно смело назвать новозеландского ученого Эрнеста Резерфорда. Именно он в начале двадцатого века догадался, что атомы состоят из небольших плотных ядер, вокруг которых обращаются электроны. Также он совершил ряд важных открытий в физике радиоактивности и ядерных реакций. Помимо успехов в науке, он был плодовитым и по части различных степеней и сертификатов. После смерти ученого в 1936 году, его вдова отдала 36 его сертификатов соседке (мы не знаем зачем), которая увлекалась изготовлением абажюров для светильников и не преминула применить свои навыки к новому приобретению. Впоследствии такой светильник был случайно обнаружен новозеландским студентом и передан в музей. На фотографии Джон Кэмпбелл, автор биографии Резерфорда, с абажюром из докторской степени ученого на голове.

#scihistory

APOD. Несмотря на то, что человечество обнаружило уже более 5000 экзопланет, застать планеты на самых ранних стадиях их формирования удаётся достаточно редко. На этом снимке, полученном с помощью телескопа Subaru показана молодая звезда АВ Возничего, находящаяся в 470 световых годах от нас. У звезды имеется протяженный протопланетный диск с признаками формирования экзопланеты размером с несколько Юпитеров. Она формируется снизу от звезды (сама звезда затемнена черным кружком) и выглядит как яркое пятнышко-завихрение. Хотя кажется, что она довольно близко к звезде, на самом деле это расстояние равно примерно 93 а.е., то есть примерно трём орбитам Нептуна. Формирование планет на таких больших расстояниях, вообще говоря, вызывает вопросы и может стать поводом пересмотреть наши представления о способах их появления. Исследование опубликовано в Nature Astronomy 4 апреля 2022 года, ну а полный текст по ссылке в архиве - тыц (там же можно посмотреть более детальные снимки, если затрудняетесь найти планету :)

#apod