Физика: 10 научных прорывов 2023 года со всего мира

Редакция научного журнала Physics World по традиции подвела итоги уходящего года, назвав 10 выдающихся достижений исследователей со всего мира в разных отраслях физики. В список вошли открытия, которые имеют важное значение для развития фундаментальной науки или могут быть использованы в прикладных целях. Vokrugsveta.ru кратко рассказывает о победителях премии.

1. Создание имплантов, поднявших на ноги парализованного пациента

Победу в этом году редакторы Physics World присудили группе швейцарских нейробиологов, которым удалось создать «электронный мост» между головным и спинным мозгом пациента с параличом. Разработанные ими импланты были вживлены в позвоночник и мозг 38-летнего мужчины из Нидерландов, который был прикован к инвалидной коляске после аварии 2011 года. Нейроинтерфейс смог частично восстановить передачу сигналов от головного мозга к нижним конечностям, что позволило пациенту встать на ноги при помощи костылей или ходунков. Благодаря вживленным устройствам, он может не только ходить по ровной поверхности, но и преодолевать ступеньки.

Создатели имплантов рассчитывают, что в скором будущем их изобретение найдет широкое применение.

Ниже в хронологическом порядке приведены 9 других достижений, попавших в список лауреатов премии Physics World.

2. «Выращивание» электродов в живых тканях

Исследователи из Швеции попали в список призеров за изобретение технологии, позволяющей «выращивать» электроды в тканях организма. Суть метода заключается в использовании специального геля, который впрыскивается в требуемое место, после чего содержащиеся в нем ферменты расщепляют метаболиты организма, запуская процесс полимеризации органических мономеров в геле. В результате в ткани формируются гибкие и долговечные электроды.

Пока что успешные эксперименты были проведены на рыбах и пиявках, но в перспективе технология может найти применение в медицине для создания безопасных нейроинтерфейсов, позволяющих расширить возможности человеческого организма или лечить различные заболевания.

3. Изучение структуры протона при помощи нейтрино

Теджин Кай из Рочестерского университета (США) совместно с коллегами из проекта MINERvA (Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions) удалось получить информацию о структуре протона путем «обстрела» пластиковых мишеней, содержащих углерод и водород, пучком нейтрино. Примененный метод может быть использован для дальнейшего изучения взаимодействия нейтрино с материей.

4. Симулирование расширения Вселенной

Группа ученых из Германии, Испании и Бельгии смогла симулировать процесс расширения Вселенной на раннем этапе ее существования. Для этого исследователи использовали конденсат Бозе-Эйнштейна — такое название носит агрегатное состояние вещества из бозонов и разреженного газа, охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю. В эксперименте конденсат имитировал Вселенную, а двигавшиеся в нем квазичастицы фононы — квантовые поля. Изменяя длину рассеяния атомов в конденсате, ученые смогли заставить «вселенную» расширяться с разной скоростью и изучить, как фононы создают в ней флуктуации плотности.

Согласно существующим космологическим теориям, схожие процессы происходили после возникновения Вселенной, так что подобное моделирование может пролить свет на многие загадки, занимающие умы ученых.

5. Воспроизведение опыта Юнга во временнóй области

В начале XIX века британский ученый Томас Юнг впервые провел так называемый двухщелевой опыт, демонстрирующий интерференцию и дифракцию света. Тем самым Юнг доказал волновую природу света.

Спустя 220 лет физикам из Великобритании, Германии и США удалось воспроизвести двухщелевой эксперимент во временной области. Для этого они использовали полупроводниковое зеркало с переменной отражаемостью излучения. Исследователи дважды быстро изменяли отражательную способность зеркала, создав две щели во временной области. В процессе физикам удалось зафиксировать интерференционные полосы вдоль частотного спектра отраженного от зеркала света. При этом интерференция происходила на разных частотах, а не в разных пространственных положениях. В теории эта работа может найти применение в области создания оптических компьютеров.

6. Создание основы масштабной квантовой сети

Среди прочих исследований редакторы отметили работу группы ученых из Австрии и Франции, которые создали оригинальный квантовый повторитель и смогли с его помощью осуществить квантовую передачу данных на расстояние в 50 километров по обычной телекоммуникационной сети. Таким образом физики продемонстрировали наличие элементов и технологий для создания масштабных многоузловых квантовых сетей.

7. Первое рентгеновское изображение атома

Коллектив ученых из Аргоннской национальной лаборатории (США) совместно с коллегами из Европы, Китая и ряда американских университетов впервые в истории смог при помощи синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопии получить рентгеновский снимок одного-единственного атома, тогда как до сих пор этот метод позволял изучать структуры, насчитывающие около 10 тыс. атомов. Преодолеть это ограничение удалось за счет добавления к детектору острого металлического наконечника, который располагался всего в 1 нм над исследуемым образцом и двигался вдоль его поверхности.

Такое усовершенствование позволило исследователям фиксировать уникальные «отпечатки» каждого из составлявших образец химических элементов. В практическом плане эта работа может быть использована экологами для определения присутствия в той или иной среде мельчайших долей отравляющих веществ.

8. Обнаружение доказательств того, что ранние галактики изменили Вселенную

Список научных открытий был бы неполным без астрофизики, на благо которой уже второй год работает инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб».

С его помощью международный коллектив исследователей смог найти убедительные доказательства того, что ранние галактики сыграли ключевую роль в процессе реионизации Вселенной, который начался спустя примерно 1 млрд лет после Большого взрыва. Ионизация нейтрального межгалактического водорода ультрафиолетовым излучением этих галактик сделала Вселенную прозрачной.

Снимки, полученные инфракрасной камерой ближнего диапазона, установленной на «Джеймсе Уэббе», выявили корреляцию между расположением древних галактик и «пузырей», с которых началась реионизация Вселенной.

9. Открытие распространения трещин в материалах со сверхзвуковой скоростью

Упоминания в топ-10 также удостоились ученые из Еврейского университета в Иерусалиме, которые обнаружили, что трещины в некоторых материалах могут распространяться со скоростью, превышающей скорость звука. Это открытие противоречит как результатам прежних экспериментов, так и теоретическим обоснованиям, согласно которым скорость звука в материале соответствует пределу скорости прохождения сквозь него механической энергии.

Свежие наблюдения могут косвенно подтверждать сделанное около 20 лет назад предположение о существовании иных механизмов распространения трещин.

10. Антиматерия подчиняется земной гравитации

Осенью 2023 года стало известно, что физикам из ЦЕРНа удалось совершить интересное открытие в рамках проекта ALPHA, посвященного изучению антиматерии. Во время экспериментов на установке ALPHA-g впервые удалось зафиксировать свободное падение атомов антиматерии под воздействием гравитации Земли.

Согласно выводам ученых, атомы антиворода, состоящие из антипротона и позитрона (антиэлектрона), в период своего недолгого существования в вакуумной камере устремлялись вниз, испытывая на себе силу притяжения в 75% от той, что испытывали бы атомы обычного водорода. Это наблюдение опровергло предположение, что гравитация может отталкивать антиматерию с той же силой, с какой притягивает обычное вещество.