Эфраим Стейнберг хочет, чтобы вы выбросили ваши квантовые предубеждения (Aephraim Steinberg wants you to throw off your quantum biases)
Physics World раскрывает свой топ-10 прорывов за 2011 год
Две темы, которые преобладали в новостях в 2011 г по физизике - это вопросы, а не твердо установленные научные результаты, а именно: «...действительно ли нейтрино движутся быстрее света?» и «...неужели бозон Хиггса найден?». Тем не менее, есть также некоторые фантастические и добросовестные открытия и исследования в течение последних 12 месяцев, что затрудняет решение редакции PhysicsWorld о составлении списка Прорывов года 2011.
Но после долгих дебатов в редакции
PhysicsWorld
, возглавить список топ-10 удостоился чести в этом году Эфраим Стейнберг (Aephraim Steinberg) и его коллеги из Университета Торонто в Канаде за свои экспериментальные работы по основам квантовой механики. Использование нового метода, называемого «слабые измерения", позволило этой команде первой отслеживать среднее пути одиночных фотонов, проходящих через двойную щель в эксперименте Юнга - то, что Стейнберг называет «промыванием мозгов» физикам, думающих, что это невозможно.
Мы также наградили девять следующих (см. ниже). Выбор между первым и вторым местом был особенно сложен в этом году, поскольку результаты исследования «номер два» также включают в себя слабые измерения - это карта волновой функции группы фотонов. Но мы чувствовали, что исследования Эфраима Стейнберга более завершены. Другие достижения, включенные в список это и первый «пространственно-временной» плащ невидимка, и лазер из живой клетки, и новый способ измерения космических расстояний.
1 место: Сдвиг морали квантового измерения
Работа Эфраима Стейнберга выделяется тем, что бросает вызов широко распространенному мнению, что квантовая механика запрещает нам какие-либо знания о путях отдельных фотонов, когда они проходят через две близко расположенных щели для создания интерференционной картины.
Эта интерференция именно та, что можно было бы ожидать, если мы думаем о свете как электромагнитной волне. Но квантовая механика также позволяет нам думать о свете в виде фотонов - хотя и странным образом, то есть, если мы определим, через какие щели отдельные фотоны проходят, то интерференционная картина исчезает. Используя слабые измерения Стейнбергу и его команде удалось получить некоторую информацию о путях принятых фотонов, не разрушая интерференционную картину.
В эксперименте двойная щель заменяется светоделителем и парой оптических волокон. Один фотон попадает на светоделитель и движется по правому или левому волокну. После выхода из близко расположенных концов параллельных волокон, создает интерференционную картину на экране детектора.
Слабое измерение производится путем пропускания фотонов через кусок кальцита, который придает крошечное вращение поляризации фотона. Величина вращения зависит от направления движения фотона, - иными словами, от его импульса. Фотоны, тогда являются «после-выбранными» в соответствии с тем где они ударяют экран, что позволяет исследователям определить среднее направление движения фотонов, которые прибывают туда.
Эксперимент показывает, что, например, фотон обнаруженный на правой стороне дифракционной картины, скорее всего, вышел из правого оптического волокна, чем из левого оптического волокна. Хотя эти знания не запрещены квантовой механикой, Стенберг говорит, что физики учили, что «спрашивать, где фотон был, прежде чем он был обнаружен - это аморально».
«Мало-помалу, люди задают запрещены вопросы», говорит Стейнберг и добавляет, что эксперимент его команды будет «толкать [физиков] изменить свои мысли о вещах».
2-е место: измерение волновой функции
Экспериментальная установка
Второе место занимает другая группа, которая задала «запрещенный вопрос». Под руководством Джеффа Ландина (Jeff Lundeen) из Национального исследовательского совета Канады в Оттаве - бывшего коллеги Стейнберга - команда использовала слабые измерения, чтобы наметить волновую функцию ансамбля одинаковых фотонов, без фактического уничтожени любого из них. Квантовая томография, в отличие от этого, строит карту волновой функции за счет разрушения состояния. Для улучшения нашего понимания основ квантовой механики, метод может оказаться полезным в тех случаях, когда томография не может быть использована.
3 место: Мантия-невидимка в пространстве и времени
На третьем месте оказались две команды - одна из Корнельского университета в США во главе с Александром Гаэта (Alexander Gaeta), другая из Имперского колледжа Лондона, возглавляемая Мартин Маккол (Martin McCall). В начале 2011 года команда Маккола, опубликовала теоретический анализ того, как события в пространстве и времени могут быть скрыты, который он позже описал в специальном
выпуске Physics World
. Несколько месяцев спустя, Александр Гаэта и его коллеги изготовили устройство, которое использует две «расщепляющие время линзы», чтобы сделать именно это, что также изменяет наши представления о том, что может, а что не может быть скрыто и, что пространственно-временная маскировка может быть также использована в идеальном грабеже банка - по крайней мере в теории.
4 место: Обмер Вселенной с использованием черных дыр
Четвертое место в списке занимает Дэрач Уотсон (Darach Watson) и его коллеги из Университета Копенгагена (Дания) и Университета Квинсленда (Австралия), которые разработали способ использования сверхмассивных черных дыр - мощные активные ядра галактик (АЯГ) - как «стандартные свечи» для проведения точных измерений космических расстояний. Работа важна, потому что АЯГ можно найти почти везде во Вселенной, и в отличие от сверхновых, которые в настоящее время используются в качестве стандартных свечей, свет от АЯГ можно наблюдать в течение большого периода времени.
5 место: Превращение тьмы в свет
Нечто из ничего
Кристофер Уилсон (Christopher Wilson) и его коллеги из Технологического университета Чалмерса в Швеции вместе с физиками из Японии, Австралии и США заняли пятое место, потому что они первыми увидели динамический эффект Казимира в лаборатории. Эффект возникает, когда зеркало движется так быстро в вакууме, что пары виртуальных фотонов - которые всегда появляются, а затем уничтожение - разносятся друг от друга для создания реальных фотонов, которые затем могут быть обнаружены. А также показали в новом свете эффект Казимира, используя сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID) как зеркало, сделав этот чрезвычайно умный эксперимент.
6 место: Температура ранней Вселенной
Сразу после Большого взрыва, Вселенная представляла собой суп из свободных кварков и глюонов, которые в конечном итоге конденсировались в форму протонов и нейтронов, которые мы видим сегодня. Шестое место в нашей топ-10 за командой физиков из США, Индии и Китая, которые сделали лучший расчет этой температуры конденсации: два триллиона градусов по Кельвину. Наряду с важной информацией о ранней Вселенной, работа также расширяет наше понимание квантовой хромодинамики, которая описывает свойства нейтронов, протонов и других адронов.
7 место: Ловля осцилляций нейтринных ароматов
Седьмое место присуждается международной команде физиков, работающих на Токаи-Камиока (Tokai-to-Kamioka, T2K) эксперименте в Японии.Исследователи пропускали пучек мюонных нейтрино на глубине 300 км под землей к детектору, где они обнаружили, что шесть нейтрино изменились, или «осциллировали», в электронные нейтрино. Не смотря на то что измерение не достаточно хорошее, чтобы претендовать на открытие осцилляций мюон-электронных нейтрино, это лучшее свидетельство того, что один «аромат» нейтрино может превращаться в другой.
8 место: Живой лазер вызван к жизни
[
Живой лазер освещает жизнь
Увлекательная почти биофизика, Мальте Газера (Malte Gather) и Сок Хен Юна (Seok Hyun Yun) из Гарвардской медицинской школы в США получила восьмое место за то, что они первыми сделали лазер из живой биологической клетки. При освещении интенсивным синим светом зеленых флуоресцентных белковых молекул внутри эмбриональных клеток почки, молекулы генерируют интенсивный, монохроматический и направленный свет. Клетки выживают и этот удивительный феномен потенциально может использоваться, чтобы отличить раковые клетки от здоровых.
9 место: Полноквантовыйо компьютер производится на одном чипе
Квантовая шина
Девятое место занимает Маттео Мариантони (Matteo Mariantoni) и его коллеги из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которые первыми реализовали квантовый вариант архитектуры «фон Неймана», имеющейся в персональных компьютерах. Основанное на сверхпроводящих цепях и собранное на одном кристалле, новое устройство было использовано для выполнения двух важных квантовых вычислительных алгоритмов. Его развитие приближает нас к созданию на практике квантовых компьютеров, которые будут решать реальные задачи.
10-е место: Наблюдение чистых реликвий от Большого взрыва
Мишель Фумагалли (Michele Fumagalli) и Ксавье Прочаска (Xavier Prochaska) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Джон О'Мира (O'Meara) из колледжа Святого Михаила в Вермонте получают десятое место за то, что первыми увидели облака газа, которые являются чисто мощами Большого Взрыва. В отличие от других облаков в далекой Вселенной - которые, кажется, содержат элементы, созданные звездами - эти облака содержат только водород, гелий и литий созданные Большим Взрывом. Это также подтверждает предсказания теории Большого Взрыва,- облака обеспечивают уникальную возможность познакомиться с материалами, из которых родились первые звезды и галактики.
Об авторе
Хэмиш Джонстон (Hamish Johnston), редактор
physicsworld.com