Найважливіші відкриття у фізиці останнього десятиліття

Фізика за останні десять років пережила справжній бум проривних відкриттів, які розширили наші уявлення про Всесвіт та його закони. З початку 2010-х вчені підтвердили ключові теоретичні передбачення, провели надскладні експерименти та досягли нових висот у дослідженні космосу і квантового світу. У цій науково-популярній статті розглянемо чотири знакові відкриття в різних галузях фізики – від теорії до практики. Кожне з них стало віхою для науки і технологій, привернуло увагу світової спільноти та надихнуло нове покоління дослідників. Дізнаємося, як було відкрито бозон Гіґґса у теоретичній фізиці, як вперше зафіксовано гравітаційні хвилі завдяки унікальному експерименту, як отримано перше зображення чорної діри в астрофізиці та як квантові комп’ютери продемонстрували явище квантової переваги. Ці відкриття у фізиці не лише дали відповіді на давні питання, але й поставили нові – відкриваючи двері у ще глибші та цікавіші таємниці природи.

Відкриття у теоретичній фізиці: відкриття бозона Гіґґса – останній штрих Стандартної моделі

Одним з найгучніших тріумфів фізики елементарних частинок стало відкриття бозона Хіггса у 2012 році. Бозон Гіґґса – це елементарна частинка, існування якої було передбачено ще в 1964 році в рамках механізму, що надає масу іншим частинкам. Десятиліттями пошуки «частинки Бога», як іноді називали бозон Гіґґса, тривали у прискорювачах по всьому світу. Нарешті, 4 липня 2012 року на Великому адронному колайдері (CERN) було оголошено про успішне виявлення цієї невловимої частинки . Це відкриття заповнило останню прогалину в так званій Стандартній моделі – теоретичній конструкції, що описує всі відомі фундаментальні частинки та їхні взаємодії . Іншими словами, науковці вперше експериментально підтвердили існування поля Гіґґса, завдяки якому частинки набувають маси, тим самим довершивши будівлю сучасної теоретичної фізики.

Виявлення бозона Гіґґса мало колосальне значення. Воно підтвердило, що механізм спонтанного порушення симетрії, запропонований теоретиками, дійсно працює в природі. Частинки набувають маси завдяки взаємодії з полем Гіґґса, квант якого – бозон Гіґґса – і був зафіксований експериментально. Без цього процесу елементарні частинки лишалися б невловимими «примарами» без маси, що мчать зі швидкістю світла, і Всесвіт не зміг би утворити атоми, зірки, планети і нас із вами. Тріумф, з яким фізична спільнота зустріла новину про відкриття (навіть сам Пітер Гіґґса, чиє ім’я носить частинка, не стримав сліз радості), показав важливість цієї події. Попри те, що бозон Гіґґса не спостерігається у повсякденному житті, його відкриття стало фундаментом для подальших пошуків нової фізики за межами Стандартної моделі та можливих відкриттів нових частинок і сил природи.

Експериментальні дослідження: гравітаційні хвилі – відлуння космічних катаклізмів

Ще одним історичним науковим досягненням десятиліття стало експериментальне підтвердження існування гравітаційних хвиль, передбачених Альбертом Айнштайном рівно століттям раніше. Гравітаційні хвилі – це брижі в просторі-часі, що розповсюджуються від масивних прискорених об’єктів, подібно до хвиль на воді від кинутого каменя. 14 вересня 2015 року лазерна обсерваторія LIGO вперше за всю історію зареєструвала такий сигнал – ледь вловиме «тремтіння» простору, спричинене злиттям двох далеких чорних дір. Після місяців перевірок, у лютому 2016 року вчені офіційно оголосили про відкриття гравітаційних хвиль . Це відкриття підтвердило ключове передбачення Загальної теорії відносності Айнштайна та відкрило нове вікно у Всесвіт, започаткувавши еру гравітаційно-хвильової астрономії.

*Зіткнення двох чорних дір (зображення: LIGO)*

Сигнал, зафіксований LIGO, тривав лише долі секунди, але ніс у собі інформацію про грандіозну подію: два чорні діри масою близько 30 сонць кожна злилися в одну, перетворивши еквівалент трьох сонячних мас в енергію гравітаційних хвиль. Потужність цього космічного «вибуху» на короткий момент перевищила світність усіх зірок видимого Всесвіту. Саме ці хвильові коливання простору були вловлені надчутливими інтерферометрами LIGO, які можуть реєструвати зміни відстаней менші за діаметр протона. Відкриття гравітаційних хвиль ознаменувало народження нової галузі – гравітаційної астрономії. Тепер астрономи здатні не лише «бачити» Всесвіт (через електромагнітне випромінювання), але й «слухати» його через гравітаційні коливання. Вже за два роки після першої реєстрації вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі від злиття нейтронних зір, що було одночасно підтверджено оптичними телескопами – приклад так званої мультимесенджерної астрономії. Таким чином, експеримент LIGO не лише увінчав багаторічні зусилля фізиків підтвердити теорію Ейнштейна, а й дав людству новий інструмент для дослідження найбільш екстремальних явищ у космосі.

Зіткнення двох чорних дір випускає потужні гравітаційні хвилі – художня візуалізація. Простір-час викривлюється і коливається у вигляді концентричних хвиль, які були вперше зафіксовані детекторами LIGO в 2015 році (зображення: LIGO)

Астрофізика: перша фотографія чорної діри – погляд у «горизонт подій»

Однією з найбільш яскравих і впізнаваних наукових подій останніх років стало отримання першого в історії зображення чорної діри. Довгий час чорні діри залишалися гіпотетичними чудовиськами астрофізики – ми знали про їх існування опосередковано, за впливом на оточуючу матерію, але ніколи не «бачили» напряму. Ситуація змінилася у квітні 2019 року, коли міжнародна колаборація Event Horizon Telescope (EHT) оприлюднила легендарне зображення тіні надмасивної чорної діри в центрі галактики M87 . Це досягнення стало можливим завдяки об’єднанню потужності восьми радіотелескопів по всьому світу, які разом утворили віртуальний телескоп розміром із Землю. Спостереження, проведені на наддовгих базах, дозволили отримати достатню роздільну здатність, щоб розгледіти крихітний темний «силует» чорної діри на тлі яскравого акреційного диску.

*Перше в історії зображення чорної діри M87*: надмасивний об’єкт масою 6,5 мільярдів сонць на відстані ~55 млн світлових років. Яскраве кільце – це світіння розігрітого газу навколо чорної діри, а темна центральна область – її тінь або «горизонт подій», звідки вже ніщо не може вирватися (зображення: EHT Collaboration)

Представлене зображення відразу стало науковою сенсацією. Вперше людство побачило безпосередні ознаки існування чорної діри: темну область (тінь), що утворюється через гравітаційне захоплення світла, оточену яскравим кільцем гарячого газу. Розмір цього кільця й інтенсивність світіння повністю відповідають прогнозам Загальної теорії відносності, зробленим для чорної діри такої маси . Таким чином, фотографія стала черговим тріумфом теорії Айнштайна, підтвердивши її справедливість у режимі надсильних полів тяжіння. Ця робота вимагала колосальних зусиль понад 200 науковців: від синхронізації обсерваторій на різних континентах до обробки величезних масивів даних. Цікаво, що для реконструкції зображення знадобилися нові алгоритми, один з яких розробила молодий інженер Кеті Бауман – її внесок привернув увагу медіа і став символом ролі молодих вчених та жінок у сучасній науці. Перше фото чорної діри не лише вразило уяву публіки, але й дало астрофізикам новий спосіб випробувати теорії гравітації та вивчати процеси навколо горизонтів подій. У 2022 році команда EHT зробила ще один крок – опублікувала зображення чорної діри в центрі нашої галактики (Стрілець A*), що знову підтвердило універсальність явищ, побачених в M87. Таким чином, астрофізика вступила в еру візуалізації чорних дір, перетворивши об’єкти, колись чисто теоретичні, у щось більш відчутне і дослідне.

Квантова механіка: квантова перевага – перший крок до надпотужних обчислень

У області квантової фізики та технологій одним з найважливіших досягнень стала демонстрація так званої квантової переваги (quantum supremacy) – моменту, коли квантовий комп’ютер виконує задачу, практично неможливу для класичного суперкомп’ютера. У жовтні 2019 року компанія Google заявила про досягнення квантової переваги на своєму 53-кубітному квантовому процесорі Sycamore . Команда дослідників під керівництвом Джона Мартініса запустила на квантовому чипі алгоритм генерування випадкових чисел, який той зміг виконати приблизно за 3 хвилини 20 секунд. Для порівняння, найпотужнішому класичному суперкомп’ютеру Summit знадобилося б, за оцінками, близько 10 тисяч років, щоб виконати аналогічні обчислення . Це колосальне прискорення – фактично обчислення, які не можуть бути здійснені традиційним комп’ютером за розумний час – ознаменувало нову еру в обчислювальній техніці.

Досягнення Google стало важливим доказом того, що квантові обчислення не лише теоретична можливість, але й практична реальність. Хоча деякі конкуренти (наприклад, IBM) поспішили вказати, що за певних оптимізацій класичний комп’ютер все ж міг би наблизитися до вирішення цієї задачі швидше, сам факт виконання квантовою машиною обчислень на багато порядків швидше за класичну продемонстрував принципову перевагу квантових алгоритмів. Варто зазначити, що поки що йдеться про дуже специфічну задачу, яка не має прямого прикладного значення – це радше демонстраційний експеримент, покликаний перевірити можливості квантового процесора. Проте значення цієї демонстрації важко переоцінити: вона підтвердила, що квантові комп’ютери можуть працювати і перевершувати звичайні хоча б у вузькій ніші.

Кріостат квантового комп’ютера Google, всередині якого працює процесор Sycamore (53 кубіти). Квантовий чип охолоджується до близько 0,01 Кельвіна, а численні кабелі передають сигнали керування та зчитують квантові стани кубітів (фото: Google)

Наступні кроки – збільшення кількості кубітів, покращення їхньої когерентності та впровадження квантової корекції помилок – уже здійснюються дослідниками по всьому світу. Мета – створити універсальний квантовий комп’ютер, здатний розв’язувати практичні задачі: від моделювання складних молекул і матеріалів до оптимізації та шифрування. До цього ще далеко, але експеримент Google 2019 року дав науковцям впевненість, що квантове прискорення реальне. За словами інженерів компанії, продуктивність квантових чипів тепер зростатиме «у подвійно експоненційній прогресії» , і кожне нове покоління робитиме те, що для попереднього було неможливим. Квантова перевага, продемонстрована на прикладі Sycamore, стала історичним маяком, який спонукає рух уперед у гонці квантових технологій.

Висновок

Останнє десятиліття увійде в історію як час великих відкриттів у фізиці, коли сміливі теоретичні ідеї знаходили блискучі експериментальні підтвердження. Від бозона Гіґґса, який довершив картину елементарних частинок, до гравітаційних хвиль, що відкрили новий спосіб «слухати» космос, – наука зробила кроки, про які колись могли лише мріяти. Перша фотографія чорної діри показала нам безпрецедентний погляд на загадкові об’єкти, а досягнення квантової переваги натякнуло на майбутнє обчислень, де сучасні суперкомп’ютери можуть стати повільними динозаврами. Ці відкриття не лише вирішили давні наукові загадки, але й породили нові запитання. Що приховано за межами Стандартної моделі? Які таємниці Всесвіту ми розкриємо, використовуючи гравітаційні хвилі? Як виглядає фізика в околицях горизонту подій чорної діри? Та чи зможемо ми приборкати квантовий світ для повсякденних обчислень? Відповіді на ці питання стануть викликами наступних десятиліть. А поки що можемо із захопленням відзначити, наскільки далеко просунулося наше розуміння природи всього за десять років, і очікувати нових дивовижних сюрпризів від допитливого людського розуму.

Джерела:

1. Institute of Physics. The Standard Model. Detection of Higgs boson completed the Standard Model [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.iop.org/explore-physics/big-ideas-physics/standard-model#:~:text=On%204%20July%202012%2C%20physicists,Why%20were%20they%20so%20pleased

2. LIGO Collaboration. Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction [Електронний ресурс] // LIGO Press Release, 11 лютого 2016 р. – Режим доступу: https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211#:~:text=WASHINGTON%2C%20DC%2FCascina%2C%20Italy

3. ESO Press Release. Astronomers Capture First Image of a Black Hole [Електронний ресурс]. – 10 квітня 2019 р. – Режим доступу: https://www.eso.org/public/news/eso1907/#:~:text=The%20Event%20Horizon%20Telescope%20,black%20hole%20and%20its%20shadow

4. Новий Час (NV.ua). Інженери Google повідомили про досягнення квантової переваги [Електронний ресурс]. – 23 жовтня 2019 р. – Режим доступу: https://techno.nv.ua/ukr/innovations/nakonec-to-inzhenery-google-soobshchili-o-dostizhenii-preslovutogo-kvantovogo-prevoshodstva-50044303.html#:~:text=Квантовий%20комп’ютер%20Google%2C%20як%C2%A0повідомляється%2C%20зміг,компанією%2C%20яка%20демонструє%20квантову%20перевагу

5. LB.ua. Компанія Google створила найпотужніший квантовий комп’ютер [Електронний ресурс]. – 23 жовтня 2019 р. – Режим доступу: https://lb.ua/society/2019/10/23/440572_google_sozdala_samy_moshchniy.html