То, что бомбардирует Землю на скорости света — теперь у нас под микроскопом
NewsMakerФизики поймали Вселенную за руку и учат её трюкам. Эффект Ферми — больше не теория.
Ускоритель Ферми: лабораторное моделирование космических процессов Впервые за более чем семь десятилетий учёным удалось смоделировать один из важнейших процессов космической физики — ускорение Ферми. Его удалось реализовать в лабораторных условиях с помощью ультрахолодных атомов и точно настроенных оптических барьеров. Исследование не только подтвердило давние теоретические расчёты, но и продемонстрировало, что квантовые технологии могут открыть новое окно в понимание того, как частицы в космосе набирают колоссальные энергии.
О результатах эксперимента сообщается в журнале Physical Review Letters. За проектом стояла международная команда из Университетов Бирмингема и Чикаго, которой впервые удалось создать полноценно управляемый ускоритель Ферми — компактное устройство, способное эффективно разгонять частицы за счёт механизма, который ранее был известен только в теории.
В основе лежит идея, предложенная в 1949 году Энрико Ферми. Он предположил, что частицы, двигаясь через магнитные поля и сталкиваясь с подвижными зеркалами в космосе, могут получать дополнительные импульсы энергии, как мячик, подпрыгивающий между двумя движущимися стенками. Так, по его мнению, зарождаются космические лучи — те самые высокоэнергетические частицы, которые бомбардируют Землю из глубин Вселенной. С тех пор этот механизм стал фундаментом для множества теоретических моделей, включая модель Ферми-Улама, но воплотить его в чётко управляемой экспериментальной форме до сих пор не удавалось.
Новая система, построенная исследователями, представляет собой миниатюрный ускоритель размером всего около 100 микрометров. Он использует ультрахолодные атомы — охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю, — и сталкивает их с движущимися оптическими барьерами. По сути, эти барьеры создаются лазерным светом, который формирует потенциальные стены, способные двигаться и взаимодействовать с атомами. Благодаря точной настройке их движения удаётся добиться ускорения частиц до скоростей, превышающих полметра в секунду. Для макромира это немного, но для ультрахолодных систем — колоссальный результат.
Ключевой особенностью установки является возможность одновременно отслеживать как энергию, набранную частицами, так и их потери — то есть вылет из потенциальной ловушки. Такая комбинация позволяет получать энергетические спектры, удивительно похожие на те, что наблюдаются в космических лучах. Именно это позволило экспериментально подтвердить так называемый результат Белла — фундаментальное предсказание всех моделей ускорения космических частиц. До сих пор это оставалось только теоретическим элементом, теперь же — получено в реальном эксперименте.
Установка работает не только точно, но и предельно просто. По словам исследователей, её архитектура минималистична, не требует крупных ресурсов и не накладывает жёстких теоретических ограничений на уровень энергии, который можно достичь. Всё это делает её мощным инструментом не только для фундаментальной физики, но и для технологий нового поколения, включая квантовую механику.
Одна из важнейших демонстраций, которые провели учёные, — это генерация узконаправленных потоков атомов, или атомных струй. Такие пучки обладают высокой степенью контроля и стабильности, что открывает перспективы их применения в точных квантовых экспериментах. Получить их с помощью других методов гораздо труднее.
Именно благодаря использованию ультрахолодных атомов стало возможным воссоздать феномен Ферми в настолько чистом виде. Такие атомы двигаются настолько медленно, что все взаимодействия можно контролировать с почти абсолютной точностью. Это открывает путь к изучению более сложных явлений: ускорения частиц на ударных волнах, магнитной реконнекции (перестройки магнитных линий) и турбулентности — всех тех процессов, которые лежат в основе поведения материи во Вселенной, от вспышек на Солнце до струйных выбросов из чёрных дыр.
В перспективе учёные намерены использовать свою установку как лабораторную платформу для изучения квантовых аналогов астрофизических процессов. С её помощью можно будет моделировать ускорение частиц в самых разных режимах и оценивать, как на него влияют различные взаимодействия — от столкновений до внешних полей.
Но на этом применение установки не заканчивается. Исследователи уже рассматривают, как можно адаптировать её под задачи квантовой химии и так называемой атомтроники — области, где вместо электронов и тока используются управляемые потоки атомов. Возможность контролировать ускорение и траекторию таких частиц может привести к созданию новых компонентов для квантовых компьютеров и сенсоров.
Кроме того, глубокое понимание, которое даёт этот эксперимент, может стать основой для создания новых методов манипуляции квантовыми волновыми пакетами. Это особенно важно для квантовой информации, где точность управления частицами критична. Если раньше подобные манипуляции были больше теоретической мечтой, теперь они становятся реальной технологической задачей.
Один из авторов исследования, доктор Вера Гуэррера из Бирмингема, подчёркивает, что созданный ускоритель — это только первый шаг. Но именно с него начинается движение к возможности изучать в лаборатории процессы, которые раньше были доступны лишь космическим телескопам или приборам на спутниках. Простота и надёжность конструкции, по её словам, делает её универсальным инструментом — как для фундаментальных экспериментов , так и для приложений в передовых технологиях.
Команда уже запланировала новые серии экспериментов. В частности, они собираются изучить, как разные типы межатомных взаимодействий влияют на скорость ускорения и на достижимый максимум энергии. Эти исследования дадут ценную информацию и для теоретиков, и для разработчиков новых устройств в квантовой физике.
Современные квантовые исследования требуют не только передовых технологий, но и новых подходов к безопасности. В контексте развития квантовых технологий особое значение приобретают вопросы постквантовой криптографии , поскольку квантовые компьютеры могут поставить под угрозу существующие методы шифрования.
По сути, ускоритель Ферми из ультрахолодных атомов стал не просто экспериментальной победой. Он открыл новый способ заглядывать в механику Вселенной — и делать это, как ни удивительно, в пределах нескольких сотен микрометров.
О результатах эксперимента сообщается в журнале Physical Review Letters. За проектом стояла международная команда из Университетов Бирмингема и Чикаго, которой впервые удалось создать полноценно управляемый ускоритель Ферми — компактное устройство, способное эффективно разгонять частицы за счёт механизма, который ранее был известен только в теории.
В основе лежит идея, предложенная в 1949 году Энрико Ферми. Он предположил, что частицы, двигаясь через магнитные поля и сталкиваясь с подвижными зеркалами в космосе, могут получать дополнительные импульсы энергии, как мячик, подпрыгивающий между двумя движущимися стенками. Так, по его мнению, зарождаются космические лучи — те самые высокоэнергетические частицы, которые бомбардируют Землю из глубин Вселенной. С тех пор этот механизм стал фундаментом для множества теоретических моделей, включая модель Ферми-Улама, но воплотить его в чётко управляемой экспериментальной форме до сих пор не удавалось.
Новая система, построенная исследователями, представляет собой миниатюрный ускоритель размером всего около 100 микрометров. Он использует ультрахолодные атомы — охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю, — и сталкивает их с движущимися оптическими барьерами. По сути, эти барьеры создаются лазерным светом, который формирует потенциальные стены, способные двигаться и взаимодействовать с атомами. Благодаря точной настройке их движения удаётся добиться ускорения частиц до скоростей, превышающих полметра в секунду. Для макромира это немного, но для ультрахолодных систем — колоссальный результат.
Ключевой особенностью установки является возможность одновременно отслеживать как энергию, набранную частицами, так и их потери — то есть вылет из потенциальной ловушки. Такая комбинация позволяет получать энергетические спектры, удивительно похожие на те, что наблюдаются в космических лучах. Именно это позволило экспериментально подтвердить так называемый результат Белла — фундаментальное предсказание всех моделей ускорения космических частиц. До сих пор это оставалось только теоретическим элементом, теперь же — получено в реальном эксперименте.
Установка работает не только точно, но и предельно просто. По словам исследователей, её архитектура минималистична, не требует крупных ресурсов и не накладывает жёстких теоретических ограничений на уровень энергии, который можно достичь. Всё это делает её мощным инструментом не только для фундаментальной физики, но и для технологий нового поколения, включая квантовую механику.
Одна из важнейших демонстраций, которые провели учёные, — это генерация узконаправленных потоков атомов, или атомных струй. Такие пучки обладают высокой степенью контроля и стабильности, что открывает перспективы их применения в точных квантовых экспериментах. Получить их с помощью других методов гораздо труднее.
Именно благодаря использованию ультрахолодных атомов стало возможным воссоздать феномен Ферми в настолько чистом виде. Такие атомы двигаются настолько медленно, что все взаимодействия можно контролировать с почти абсолютной точностью. Это открывает путь к изучению более сложных явлений: ускорения частиц на ударных волнах, магнитной реконнекции (перестройки магнитных линий) и турбулентности — всех тех процессов, которые лежат в основе поведения материи во Вселенной, от вспышек на Солнце до струйных выбросов из чёрных дыр.
В перспективе учёные намерены использовать свою установку как лабораторную платформу для изучения квантовых аналогов астрофизических процессов. С её помощью можно будет моделировать ускорение частиц в самых разных режимах и оценивать, как на него влияют различные взаимодействия — от столкновений до внешних полей.
Но на этом применение установки не заканчивается. Исследователи уже рассматривают, как можно адаптировать её под задачи квантовой химии и так называемой атомтроники — области, где вместо электронов и тока используются управляемые потоки атомов. Возможность контролировать ускорение и траекторию таких частиц может привести к созданию новых компонентов для квантовых компьютеров и сенсоров.
Кроме того, глубокое понимание, которое даёт этот эксперимент, может стать основой для создания новых методов манипуляции квантовыми волновыми пакетами. Это особенно важно для квантовой информации, где точность управления частицами критична. Если раньше подобные манипуляции были больше теоретической мечтой, теперь они становятся реальной технологической задачей.
Один из авторов исследования, доктор Вера Гуэррера из Бирмингема, подчёркивает, что созданный ускоритель — это только первый шаг. Но именно с него начинается движение к возможности изучать в лаборатории процессы, которые раньше были доступны лишь космическим телескопам или приборам на спутниках. Простота и надёжность конструкции, по её словам, делает её универсальным инструментом — как для фундаментальных экспериментов , так и для приложений в передовых технологиях.
Команда уже запланировала новые серии экспериментов. В частности, они собираются изучить, как разные типы межатомных взаимодействий влияют на скорость ускорения и на достижимый максимум энергии. Эти исследования дадут ценную информацию и для теоретиков, и для разработчиков новых устройств в квантовой физике.
Современные квантовые исследования требуют не только передовых технологий, но и новых подходов к безопасности. В контексте развития квантовых технологий особое значение приобретают вопросы постквантовой криптографии , поскольку квантовые компьютеры могут поставить под угрозу существующие методы шифрования.
По сути, ускоритель Ферми из ультрахолодных атомов стал не просто экспериментальной победой. Он открыл новый способ заглядывать в механику Вселенной — и делать это, как ни удивительно, в пределах нескольких сотен микрометров.