Квантовую запутанность посчитали источником голографического пространства

Математические физики из Калифорнии и Японии предложили новый взгляд на описание квантовой запутанности. Согласно работе ученых, квантовая запутанность «создает» дополнительные измерения для гравитационной теории. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Токийского университета.

Физики и математики давно ищут «Теорию всего», которая бы объединяла общую теорию относительности (ОТО) и квантовую механику. Первая теория описывает гравитационное взаимодействие и применима для тяжелых объектов (звезд, черных дыр и галактик) на больших (космических) масштабах расстояний, в то время как квантовая механика объясняет явления от субатомных до молекулярных масштабов.

Обе теории вступают в противоречие друг с другом на планковских масштабах (планковская длина равна примерно 1,62х10-35 метрам, что в 2х1020 раз меньше «диаметра» протона), поскольку на них в ОТО необходим учет квантовых поправок. Так, в черной дыре квантовые эффекты приводят к ее испарению. Квантовая версия ОТО, получаемая наивным квантованием классических полей, оказывается неперенормируемой, то есть ее наблюдаемые величины не удается сделать конечными.

Одним из составляющих гипотетической Теории всего является голографический принцип. Он утверждает (на примере работы ученых), что гравитация в трехмерном объеме может быть описана квантовой теорией на двумерной поверхности, ограничивающей трехмерный объем. Однако понимание того, каким образом информация о взаимодействии, имеющем место в пространстве большей размерности, может быть получена из пространства меньшей размерности, до сих пор остается неизвестной.

Математическое соотношение, полученное Огури вместе с соавторами, связывает локальные данные о гравитации (красная точка) с квантовой запутанностью, информация о которой содержится на двумерных поверхностях (синие полусферы)

В своем исследовании ученые обнаружили, что квантовая запутанность может быть ключом к решению этого вопроса. Физики при помощи квантовой теории, используя данные о квантовой запутанности в двумерии, вычислили плотность вакуумной энергии, которая в трехмерии проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Как отмечают ученые, это аналогично тому, как при рентгеновском обследовании о состоянии (трехмерных) органов в теле становится известно по их (двумерным) снимкам.

Работа ученых позволила интерпретировать квантовую запутанность как условие, налагаемое на плотность энергии. Эти условия должны удовлетворяться в любой согласованной (не противоречащей ОТО и квантовой механике) квантовой теории гравитации. Как отмечают ученые, ранее в других работах отмечалась важность квантовой запутанности при описании пространства-времени, однако только в новой работе была выяснена ее точная роль.

«Было известно, что квантовая запутанность связана с глубокими вопросами объединения ОТО и квантовой механики, такими, как информационный парадокс черных дыр и файерволом. Наша статья при помощи явных вычислений проливает новый свет на взаимосвязь между квантовой запутанностью и микроскопической структурой пространства-времени (квантовой гравитацией — прим. «Ленты.ру»). Связь между квантовой гравитацией и информационными науками становится все более важной для обеих областей исследований. Совместно с учеными, работающими в информационных науках, я продолжу эти исследования», — рассказал о значении работы ее соавтор, доктор Хироси Огури.

Квантовой запутанностью называется явление, при котором квантовые состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Процедура измерения состояния одной частицы приводит к изменению состояния другой. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием».

На основе графена созданы светодиоды для гибких дисплеев будущего

Бывшие российские учёные, ныне работающие в Великобритании, нашли новое применение для графена. Они показали, что этот материал может быть использован для создания гибкого, прозрачного и эффективного электронного устройства.

Команда, возглавляемая нобелевскими лауреатами Константином Новосёловым и Андреем Геймом, вырастила на поверхности однослойного углеродного полотна спроектированные на атомном уровне светодиоды.

Последние были изготовлены из комбинации различных двумерных материалов, таких как нитрид бора и дисульфид молибдена (всего 13 слоёв). «Бутерброд» получился сверхтонким (каждый слой толщиной всего в 10-40 атомов) и излучал свет по всей своей поверхности. Полученная конструкция может стать основой для первого поколения полупрозрачных «умных» устройств.

«Наш новый тип светодиодов состоит из нескольких атомных слоёв двумерных материалов и является гибким и прозрачным, — рассказывает Фредди Уизерс (Freddie Withers), руководитель исследования из Манчестерского университета. — Мы предполагаем, что они станут основой для гибкой и полупрозрачной электроники будущего, нового поколения оптико-электронных приборов, начиная с простых прозрачных светильников и лазеров и заканчивая более сложные устройствами».

«Диапазон функций демонстрируемых гетероструктур, как ожидается, будет расти и дальше с увеличением числа доступных двухмерных материалов и улучшением их электронных свойств», — добавляет Новосёлов в пресс-релизе.

Несмотря на то, что создание такого рода светодиодов началось совсем недавно, квантовая эффективность устройств уже сопоставима с эффективностью органических светодиодов.

Достижение британских учёных открывает новые возможности для графена и показывает, что углеродный и другие двумерные материалы могут быть использованы при создании светоизлучающих устройств для мобильных телефонов, планшетов и экранов нового поколения, которые будут невероятно тонкими, гибкими, прочными и даже полупрозрачными.

Схема гетероструктуры светодиода

Научная статья о новой разработке появилась в издании Nature Materials.

Напомним, что графен толщиной в один атом был впервые выделен и исследован в 2004 году в Манчестерском университете. Потенциальные области его применения крайне разнообразны, однако одной из самых перспективных областей считается гибкая электроника.

Инженеры научились телепортировать объекты с помощью 3D-принтера

Инженеры научились телепортировать объекты с помощью 3D-принтера

В немецком Институте Хассо Платтнера представлен опытный образец прибора, способного телепортировать предметы на расстояние с помощью 3D-печати. Устройство назвали «Скотти» в честь оператора телепортационной системы из сериала «Звездный путь». Об изобретении сообщила Daily Mail.

Принцип работы системы очень прост: первый 3D-принтер Makerbot Replicator оцифровывает объект с помощью фотокамеры, уничтожает его, посылает зашифрованную инструкцию второму принтеру, который распечатывает предмет в другом месте. Причем действует «Скотти» послойно: фрезерный станок внутри принтера срезает каждый слой предмета только после отправки фотографии на второй принтер.

От пользователя требуется только поместить объект в систему, выбрать получателя и нажать кнопку «переместить». Инженеры подчеркивают, что цель их проекта — сохранение уникальность вещей. Уничтожение объектов, которыми друзья обмениваются между собою, увеличивает их эмоциональную ценность: вместо копии

Однако главной технологической задачей системы является борьба с пиратством. Развитие 3D-печати приводит к тому, что схемы изготовления объектов могут нелегально распространяться, а вещи — тиражироваться. Уничтожение оригинала гарантирует, что вещь продавца (клиента интернет-магазина eBay, например) исчезает одновременно с попаданием к покупателю.

Возможности опытного образца пока ограничены. «Скотти» работает только с пластмассой, причем выкрашенной в черный цвет (для увеличения контрастности). Однако прогресс в сфере 3D-печати должен расширить ассортимент предметов, пригодных для такого рода телепортации.

Ученые: новый лазер избавит фотографии от белых пятен

Американским исследователям удалось создать новый тип лазерного диода. Благодаря этому изобретению специалисты получат возможность очистить изображения, получаемые при помощи микроскопов и лазерных проекторов от белых пятен — спеклов, говорится в журнале PNAS.

Спеклы — это светлые пятна, образующиеся на изображении при когерентном освещении случайно-неоднородных объектов, например, земной атмосферы. Спеклы могут возникать, например, на фотографиях звезд, сделанных с телескопов, и могут мешать полноценному анализу изображения. Справиться с этой проблемой могли бы полупроводниковые светодиоды, однако их яркость недостаточна для получения голографических и литографических изображений, а также фотографий, получаемых при помощи микроскопа или телескопа.

Ученым из Йельского университета удалось создать лазерный диод, который сочетает в себе свойства светодиода и яркого лазера. Один из авторов исследования Дуглас Стоун говорит, что контраст спекл-картины качественного изображения должен составлять не более 4%, контраст стандартного лазера равен 50%, а вот диод нового поколения демонстрирует показатель, равный всего 3%, а значит, идеально подходящий для получения высококачественной картинки.

Миссия «Rosetta»

Главные научные открытия 2014 года

Рейтинг составлен по результатам исследования, в ходе которого было опрошено более 80 ученых. Исследование проходило в два этапа. На первом эксперты называли значимые, по их мнению, для 2014 года темы, которые оценивались исходя из следующих критериев:

1. Вклад в фундаментальную науку;
2. Усиление позиции данной исследовательской области в науке;
3. Общественный (медийный) резонанс.

По итогам опроса был составлен общий список из 150 тем, после выделения пересечений в ответах экспертов был составлен промежуточный вариант рейтинга. Второй этап представлял собой повторный выбор экспертами пунктов из отредактированного списка. После подсчета голосов был сформирован итоговый вариант рейтинга, в который вошли темы, получившие суммарно большее количество голосов в ходе первого и второго этапов исследования.

Миссия «Rosetta»

Впервые в истории искусственному зонду удалось выйти на орбиту вокруг кометы и приземлиться на ее поверхность

Миссия «Rosetta»

Что произошло: 12 ноября 2014 года была осуществлена первая в истории мягкая посадка исследовательского модуля на поверхность ядра кометы 67P/Чурюмова — Герасименко. Спускаемый зонд «Филы», оснащенный десятком научных приборов, проработал на поверхности три дня, успев исследовать вещество кометы и передать собранную информацию на Землю.
Предыстория: Комета 67P/Чурюмова — Герасименко не первая, которую человечество изучает при помощи автоматических аппаратов. Комета Галлея исследовалась в пролетном режиме сразу несколькими станциями еще в 1986 году. А в 2005 году аппарат Deep Impact выстрелил в комету 9P/Темпеля специальным ударным зондом, что можно считать первой жесткой посадкой. Интерес астрофизиков (и геологов) к кометам примерно такой же, как и интерес палеонтологов к останкам динозавров. Небесные гостьи, как их называли раньше, образовались на ранних этапах зарождения Солнечной системы. С тех пор они находятся во внешних ее областях — внутреннем или внешнем облаке Оорта на расстоянии до 100 тысяч а. е. Вещество кометы — смесь льдов и пыли — это остатки строительного материала, из которого образовалась и наша Земля. В частности, к этим веществам относится водяной лед. Так, например, образование океанов на Земле отчасти объясняют именно столкновениями с кометами в ту эпоху, когда планета уже успела существенно остыть, поскольку в сам момент своего формирования Земля была слишком горяча, и вся вода, если она тогда была, испарилась.
Перспективы: Один из результатов, который уже опубликован по данным, полученным миссией «Розетта», как раз заключается в том, что состав испаряющейся с поверхности кометы воды существенно отличается от земного. В кометной воде в несколько раз больше тяжелой компоненты, то есть основанной на дейтерии — изотопе водорода. Это заставляет вновь задуматься о том, как же все-таки образовались земные запасы воды. Кроме того, предполагалось, что «Филы» сможет исследовать вещество кометы на предмет органических молекул и их свойств, что тесно связано с возникновением жизни как таковой. По-видимому, эти и еще многие другие результаты будут опубликованы в скором времени, так как «Розетта» будет сопровождать комету по орбите еще год.

Эксперимент BICEP2

Обсерватория BICEP2 заявила об обнаружении «отголосков Большого взрыва» — гравитационных волн, порожденных инфляционным расширением Вселенной

Эксперимент BICEP2

Что произошло: Работающие над экспериментом BICEP2 ученые объявили, что обнаружили поляризацию B-типа реликтового излучения на больших угловых масштабах. Такая поляризация, иначе называемая вихревой, интересна, поскольку одним из предсказаний моделей космологической инфляции является генерация поляризации как раз такого типа.
Предыстория: В эпоху рекомбинации, то есть образования водорода, когда фотоны становятся свободными и начинают распространяться через всю Вселенную, реликтовые гравитационные волны, оставшиеся от инфляционной стадии, могут привести к образованию поляризации B-типа. Уровень поляризации, измеренный в этом эксперименте, был интересен с точки зрения инфляционных моделей, некоторые из которых предсказывали сигнал такой величины. С самого начала результаты этого эксперимента не согласовывались с данными космического эксперимента Planck, полученными годом ранее. Однако BICEP2 проводил наблюдения только на одной частоте, а спутник Planck обладает возможностью регистрировать несколько частот, что позволяет отделить сигнал поляризации именно реликтового излучения от других источников. Последовавший анализ показал, что сигнал действительно есть, но его источник — пыль в нашей Галактике.
Перспективы: Если бы это открытие подтвердилось, то это стало бы дополнительным подтверждением инфляционной модели ранней Вселенной — эпохи экспоненциально быстрого раздувания, которая предшествовала горячей стадии. Разные модели этого сценария дают немного разные предсказания амплитуды реликтовых гравитационных волн: чем больше амплитуда, тем сильнее поляризация. Некоторые модели уже закрыты, другие, предсказывающие амплитуды на измеренном уровне, будут иметь проблемы с подтверждением, так как раньше влияние фона существенно недооценивалось.

Расшифровка генома древнего человека

Получена расшифровка генома старейшего из известных науке человека, жившего в Сибири 45 тысяч лет назад

Расшифровка генома древнего человека

Что произошло: В 2014 году международным коллективом исследователей в Омской области на реке Иртыш была найдена бедренная кость древнейшего сапиенса. Сечение кости человека из Усть-Ишима оказывается строго промежуточным между неандертальским и кроманьонским вариантами. Слабый изгиб кости и сильное развитие рельефа на задней стороне говорят о том, что кость принадлежит сапиенсу, а не неандертальцу.
Однако главной сенсацией стал анализ генома усть-ишимца. Его геном оказался ожидаемо сапиентен. У него вовсе нет «денисовской» примеси, а неандертальской обнаружилось примерно 2,3% (когда у европеоидов ее оказывается 1,6–1,8%, а у монголоидов — 1,7–2,1%). Из этих фактов следует, что усть-ишимец не так далеко отстоит по времени от момента метисации — скрещивания Homo sapiens и неандертальцев. Авторы статьи оценивают этот срок в 7–13 тысяч лет. То есть, учитывая датировку самой находки, смешение должно было происходить 52–58 тысяч лет назад. Такая оценка расходится с теми, которые до сих пор называли генетики, но зато сближается с теми, которые предполагали палеоантропологи.
Предыстория: Еще в 2008 году ученый Николай Паристов нашел недалеко от села Усть-Ишим бедренную кость человека в сопровождении многочисленных останков мамонтовой фауны, что намекало на немалую древность. Проведенное всестороннее исследование, результаты которого опубликованы в журнале Nature, не только подтвердило эту догадку, но дало массу новой информации.
Усть-ишимский человек жил 45 тысяч лет назад, как раз в самый ответственный момент истории Homo sapiens, когда первые кроманьонцы начали расселяться по планете. Наиболее вероятным интервалом их исхода является 45–80 тысяч, причем генетики склоняются к более древним, а археологи и антропологи — к молодым цифрам. Теперь же мы можем быть уверены, что как минимум 43 тысячи лет назад (минимальная возможная дата для Усть-Ишима с учетом погрешности) люди не только вышли с Черного континента, но и добрались до берегов Иртыша.
Перспективы: Каждая новая находка дополняет наши знания о прошлом. Каждый новый метод исследования дает независимую проверку выводов, сделанных предыдущими. Чем больше генетических анализов древних сапиенсов будет сделано, тем точнее мы будем знать пути миграций и моменты смешиваний. Все еще не до конца ясен момент со смешиванием первых сапиенсов с другими архаичными людьми, даже неясно, сколько вариантов этих древних людей жило на планете. Люди в процессе расселения по планете не только разделялись на новые расы, но и смешивались. Этот момент пока почти совсем не изучен генетиками. Крайне мало известно о генетике людей, живших от 10 тысяч лет назад до современности, а ведь это очень важное время, когда производящее хозяйство увеличило одни популяции и уничтожило другие. Итогом исследования максимального числа древних и современных групп людей должна стать Всеобщая история генофонда человечества, чтобы каждый современный человек мог проследить свою родословную до появления вида Homo sapiens.

Нейроны места

Проведены исследования нервных клеток, отвечающих за систему позиционирования в мозге

Нейроны места

Что произошло: Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за обнаружение нейронов, «маркирующих» пространство. Этот феномен является примером того, что нейроны связаны с каким-то субъективным аспектом мира животных. Исследователи Джон О’Киф и супруги Мозер работали с животными, но «нейроны места» были зарегистрированы и у человека.
Предыстория: Первые результаты исследований в этой области были опубликованы в 1971 году Джоном О’Кифом и Джонатаном Достровским. Они зарегистрировали в гиппокампе нейроны, которые становятся активны в тот момент, когда животное смотрит в определенную сторону. Например, когда крыса находилась в ящике, при ее повороте в какую-то сторону происходила активация конкретных нейронов, а когда она отворачивалась, эти нейроны «замолкали». Почти сразу после этого появились работы, в которых было показано, что существуют нейроны определенных мест в пространстве. Можно зарегистрировать клетки, которые активируются, когда животное находится в середине ящика, с какой-то стороны или в определенных углах. Это не какие-то четкие пятна размером 10х10 см, это зависит от того, как животное воспринимает конкретное пространство.
После 1971 года было несколько работ, в которых О’Киф впервые употребил термин «нейроны места», а также предположил, что эти нейроны могут быть связаны с «когнитивными картами». Супруги Мозер занимались исследованием и регистрацией большого количества клеток, и, в частности, в энторинальной коре они обнаружили так называемые «клетки решетки», которые становятся активными с определенной регулярностью в пространстве. Если пометить все места, где был активен один конкретный нейрон, то при его регистрации оказывается, что он маркируется в пространстве таким образом, что получается некая гексагональная решетка. Она может быть не очень четко выражена, но определенная закономерность расположения таких пятен действительно бросается в глаза. Такие клетки были названы «нейронами решетки». Кроме того, они показали наличие нейронов, которые более активны в приграничных областях пространства, в котором находится животное. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия была присуждена «за обнаружение системы навигации в мозге», но это вовсе не значит, что у нас есть какой-то навигатор, это значит, что существуют клетки, которые маркируют субъективную карту пространства.
Перспективы: В целом обнаружение «нейронов места» имеет фундаментальное значение для исследований в области поведенческой специализации нейронов. На мой взгляд, остается принципиальный вопрос: будем ли мы искать нейроны разных приборов внутри мозга (приборов навигации, детекции, сопоставления и так далее)? Или все-таки нейроны специализированы относительно каких-то других «вещей»? Эти вопросы остаются открытыми. Есть мнение, что нейроны связывают свою активность с достижением определенных результатов, которые способствуют выживанию, иначе ни пространство, ни жизнь себя маркировать не могут.

Система CRISPR/Cas9

Расширение области применения технологии, позволяющей направленно заменить любой участок ДНК в живой клетке

Система CRISPR/Cas9

Что произошло: Несмотря на то, что первая публикация о технологии редактирования генома, базирующейся на системе CRISPR/Cas9, появилась в начале 2013 года, за этот год увидели свет уже сотни статей с примерами использования этой методики. Одновременно с применением CRISPR к манипуляции с геномом методы ZFNs (Zinc-finger nucleases) и TALENs (Transcription activator-like effector nucleases), которые до этого момента главным образом разрабатывались в биотехнологической индустрии, в этом году были также доведены до конкретных применений. Сейчас разработан целый арсенал методов, с помощью которых у животных (у мышей и даже обезьян) уже проводится генетическая терапия болезней.
Предыстория: Методика состоит в том, что, если вы хотите заменить плохой ген на хороший, вы вводите хороший ген в виде ДНК в клетку, и в эту же клетку вводится CRISPR-система, которая производит разрезание ДНК, и короткая молекула РНК направляет этот разрезающий механизм, эти «ножницы» в нужное место в геноме. Эти «ножницы» вырезают плохой ген, и на его место встраивается хороший. Такая генная терапия, использующая метод CRISPR/Cas9, уже проводится на практически всех типах организмов, и они выздоравливают.
Перспективы: В первую очередь эти методы будут применять для лечения летальных болезней, от которых человек должен умереть очень скоро. Однако поскольку, используя эту систему, мы вмешиваемся в работу клетки, здесь всегда будут возникать побочные эффекты — клетка может превратиться в раковую.
Система CRISPR/Cas дает совершенно новый импульс в системной и синтетической биологии, в той области, где люди модифицируют геном, чтобы заставить клетку делать что-то новое, чего она до этого делать не умела.
Другое медицинское применение CRISPR — создание моделей животных, которые наделяются свойствами, похожими на свойства больных людей. Сейчас приготовление таких животных моделей с модифицированным геномом на основе методов с использованием CRISPR стало значительно проще, что имеет огромное значение для современной медицины.

Создание искусственных органов

Человеческие органы получены из стволовых клеток с применением технологий 3D-печати

Создание искусственных органов

Что произошло: В феврале 2014 года в редакцию журнала Nature поступила научная работа, в которой описывалось использование трехмерных клеточных структур, напоминающих желудок (органоид), полученных из репрограммированных плюрипотентных клеток, для изучения инфекции Helicobacter pilori, возбудителя язвы желудка.
Предыстория: В конце октября 2014 года статью смогли прочитать все желающие. Плюрипотентные стволовые клетки, которые получают методом репрограммирования из клеток взрослого организма, обладают уникальной возможностью — они служат источником для любых специализированных клеток, надо только подобрать условия. Годом ранее удалось подобрать условия и получать трехмерные структуры человеческого мозга, а в 2012 году были получены органоиды человеческой печени.
Все эти сложные структуры, состоящие из разных типов клеток, сегодня можно выращивать всего из одного типа клеток, получаемых в лаборатории, — индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Они, в свою очередь, могут быть получены персонально для каждого, то есть могут служить источником любого персонального «клеточного лекарственного средства».
Перспективы: В ближайшее время из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток смогут получать кровь, сердечную мышцу, сосуды и многие другие типы клеток. Уже сегодня органоиды, полученные в лабораториях, можно использовать для медицинских целей. Совсем недавно компания Organova (США) с помощью трехмерной печати и использования трех типов клеток в виде «чернил» напечатала свою первую печень, а в ноябре 2014 года эта компания уже выпустила «напечатанную» печень в коммерческую продажу. Такая микроскопическая напечатанная печень человека может прожить около 42 дней и может быть использована для тестирования лекарственных средств на гепатотоксичность. Сегодня мы еще не знаем, как «помещать» такие выращенные кусочки органов в организм, и, наверно, пройдет немало лет до этого момента, но уже сегодня нейрональные, печеночные, желудочные, кардиомиоцитарные и другие органоиды можно использовать для поиска новых лекарственных средств, причем даже с учетом индивидуальных особенностей того или иного организма.

Тетракварки

На Большом адронном коллайдере подтверждено существование экзотической частицы Z(4430), состоящей из четырех кварков

 Большой адронный коллайдер

Что произошло: Известные элементарные частицы из класса адронов состоят либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков. Любая другая конфигурация называется экзотической. Вариантом экзотической конфигурации является тетракварк, то есть два кварка и два антикварка — всего четыре составляющих внутри одного адрона.
В эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере подтверждено с высокой значимостью существование частицы Z(4430), которая состоит из c-u-анти-c-анти-d кварков и, следовательно, является тетракварком. Состояние живет очень мало — всего 3×10–24 секунды, однако измерение зависимости амплитуды рождения от массы показало, что полноценная частица успевает образоваться.
Предыстория: Частица Z(4430) была обнаружена еще в 2007 году в эксперименте Belle на e+e–-коллайдере KEKB в Японии. Статистика в этом эксперименте была значительно меньше, чем в LHCb, и частица Z(4430) наблюдалась на пределе чувствительности. Тем не менее в эксперименте Belle удалось измерить основные характеристики частицы: ее спин и четность при пространственном отражении.
Z(4430) является первой обнаруженной частицей с экзотическим кварковым составом, но на сегодняшний день уже не единственной. В период 2008–2014 годы в эксперименте Belle было найдено еще шесть частиц с экзотической структурой, одно такое состояние было обнаружено в 2013 году в эксперименте BESIII на e+e–-коллайдере BEPCII в Китае. Надежное подтверждение Z(4430) на Большом адронном коллайдере в очередной раз демонстрирует принципиальную возможность существования экзотических частиц. При этом их поиск начался в 1974 году сразу после экспериментального обнаружения кварков и в течение почти сорока лет не был успешным.
Перспективы: Вопрос о том, как распределены четыре кварка внутри экзотических частиц, остается открытым. Перечислим несколько возможностей:
1. Два кварка образуют связанное цветное состояние — дикварк, два антикварка — антидикварк; при этом Z(4430) является связанным состоянием дикварка и антидикварка.
2. Тяжелый кварк и легкий антикварк образуют бесцветный (нейтральный по сильному заряду) мезон, вторая пара кварка и антикварка — второй мезон, при этом мезоны очень слабо связаны между собой. Такую структуру называют молекулярной.
3. Тяжелые кварк и антикварк образуют бесцветное состояние (кварконий), которое помещено в «облако» из легких кварка и антикварка. Такая структура называется адрочармонием.
Значение массы некоторых экзотических частиц находится вблизи порога рождения мезонов, что свидетельствует в пользу молекулярной структуры. Другие экзотические частицы распадаются только на одно состояние кваркония, что свидетельствует в пользу адрочармония. Однако картина еще далека от ясности, требуются дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования. Обнаружение дикварка было бы наиболее интересной возможностью, поскольку дикварк соответствует новой эффективной степени свободы в сильных взаимодействиях наряду с известными на сегодняшний день конституэнтными кварками. Отсутствие дикварков, если они не будут обнаружены, станет новой загадкой сильного взаимодействия. Отметим, что мы еще не умеем рассчитывать свойства адронов исходя из первых принципов теории сильных взаимодействий. Новые частицы с экзотической структурой позволяют проверять различные модели и развивать подходы к решению этой проблемы.

Подтверждение свойств бозона Хиггса

Бозон Хиггса — скалярный бозон с положительной четностью, что полностью подтверждает предсказание Стандартной модели

Подтверждение свойств бозона Хиггса

Что произошло: Рассмотрение всех возможных мод распада открытого в 2012 году бозона с применением улучшенных методов анализа подтвердило согласие свойств обнаруженной частицы с предсказаниями Стандартной модели относительно бозона Хиггса.
Предыстория: В 2012 году на Большом адронном коллайдере был открыт новый бозон, свойства которого измерялись и уточнялись со временем. В 2013 году БАК был остановлен для модернизации, поэтому в 2014 году новые данные не набирались, но совершенствовались методы анализа. Было подтверждено, что эта частица обладает теми же квантовыми числами, что и бозон Хиггса Стандартной модели. В частности, это скалярная частица положительной четности. Другие возможности, такие как тензорная частица положительной четности или скаляр отрицательной четности, исключены с высокой степенью достоверности.
Перспективы: Ожидается, что при запуске обновленного коллайдера в 2015 году будет поднята энергия столкновений, вновь будут набираться данные с целью дальнейшего уточнения параметров этого бозона. Имеющаяся в данный момент информация указывает, что это именно бозон Хиггса Стандартной модели, но точность измерений некоторых мод распада, например на пару фермион-антифермион, пока невелика. Относительно квантовых чисел ответ получен с очень высокой степенью точности, но отклонения некоторых констант взаимодействий или других деликатных свойств от предсказаний Стандартной модели могут указать ученым, в какой области следует искать отклонения от Стандартной модели, а следовательно, на возможные пути продвижения. Основные надежды связаны с поиском эффектов за рамками Стандартной модели.

Создание живого организма с «искусственным» генетическим кодом

Создание, внедрение и репликация в живой клетке молекулы ДНК с искусственной парой нуклеотидов

top-09

Что произошло: В 2014 году в ученые из Института Скриппса создали бактерию, ДНК которой содержит не четыре нуклеотидa, а шесть. Ромсберг и соавторы нашли пару веществ — ненатуральные аналоги нуклеотидов ДНК, которые комплементарно взаимодействуют друг с другом и могут быть введены в состав ДНК клеточными ферментами. Методами синтетической химии они создали молекулу ДНК длиной около 2500 пар нуклеотидов, в которой одна-единственная пара состояла из неестественной «буквы» в одной цепочке ДНК и комплементарной ей неестественной «буквы» в другой. Оказалось, что при определенных условиях такая молекула ДНК копировалась внутри бактерии кишечной палочки и передавалась дочерним клеткам. При этом у дочерних молекул тоже была «неправильная» пара букв в том же положении, что и у исходной молекулы ДНК. То есть информация о нестандартной паре нуклеотидов передавалась от поколения к поколению. То, что такой результат можно получить в пробирке с помощью очищенных ферментов, которые реплицируют ДНК, было известно давно. Прорывом стало то, что авторы продемонстрировали копирование молекулы ДНК, содержащей неестественную пару нуклеотидов, в живой клетке. Для этого оказалось необходимым, чтобы клетка кишечной палочки, в которую вводилась синтетическая ДНК, содержала специальный белок, обеспечивающий транспорт предшественников ненатуральных оснований из питательной среды внутрь клетки.
Предыстория: Генетическая информация «записана» в ДНК в виде линейной последовательности из четырех нуклеотидов — А (аденин), Г (гуанин), Ц (цитозин), Т (тимин). Участки ДНК длиной в 3 нуклеотида называются «кодоны» и кодируют аминокислоты, из которых состоят белки. Белки являются основными носителями биологических функций и «собираются» из 20 аминокислот, закодированных различными кодонами ДНК. Общий для всего живого генетический код определяет правила, по которым кодоны «переводятся» в определенные аминокислоты, и, следовательно, генетическая информация из последовательности триплетов ДНК переводится в последовательность аминокислот белков. Механизм перекодировки очень сложный и происходит в ходе процесса, называемого трансляцией.
Перспективы: У генетиков и биотехнологов есть большое желание увеличить информационную емкость генетического кода. Например, кодировать в ДНК и вводить в белки не натуральные, а какие-то специальные аминокислоты и таким образом получать белки с новыми свойствами. От результата работы Ромсберга и сотрудников до создания организмов с реально расширенным генетическим кодом еще далеко. Ведь для построения белков, содержащих в определенных положениях неприродные аминокислоты, мало создать молекулы ДНК с неприродными парами нуклеотидов, но нужно еще научиться перекодировать новый «язык» ДНК в белковый «язык», а это отдельная большая работа, в ходе которой нужно научить клеточный аппарат трансляции узнавать кодоны, содержащие неестественные нуклеотиды, и перекодировать их в невстречающиеся в природе аминокислоты.

Составление атласа всех связей в мозге мыши

Создание базы данных связей между различными областями мозга мыши

Составление атласа всех связей в мозге мыши

Что произошло: Весной 2014 года Алленовским институтом исследования мозга (США) был открыт доступ к базе данных (http://connectivity.brain-map.org/) связей между областями мозга мыши. Данный атлас содержит детальную информацию о связях между областями мозга, что открывает новые возможности для понимания механизмов, обеспечивающих функции мозга.
Предыстория: Нервная система является сетью клеток, передающих друг другу различные сигналы. Поэтому важнейшей задачей, которую необходимо решить для понимания работы мозга, является картирование структуры этой сети. В последние 10 лет активно ведутся исследования макроструктуры мозга различных видов животных, особенно человека, при помощи диффузионно-тензорного имиджинга (DTI). Однако данный метод имеет плохое пространственное разрешение, что не позволяет получить детальную картину связей между популяциями нейронов. В Алленовском институте применили другой метод визуализации связей, основанный на флуоресцентном мечении аксонов — отростков нейронов, при помощи которых они посылают сигналы друг другу. Это позволило получить атлас связей в мозге мыши на мезоуровне — уровне связей между небольшими популяциями клеток. Коннектом такой детализации впервые удалось получить для мозга млекопитающего, до этого был опубликован только клеточный коннектом почвенной нематоды C. elegans, содержащий всего 302 нейрона, тогда как мозг мыши состоит из 70 миллионов нервных клеток.
Перспективы: Лабораторная мышь — это основная экспериментальная модель в современных нейробиологических исследованиях, поэтому получение «чертежа» связей в ее мозге является одной из основополагающих задач как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Например, для понимания нейрональных механизмов, обеспечивающих адаптивное поведение животных, можно извлечь много важной информации, если наложить пространственное распределение популяционной активности нейронов в процессе поведения на структуру связей между областями мозга. Нет ни капли сомнений, что коннектом мозга мыши, размещенный в открытом доступе Алленовским институтом, станет востребованным инструментом у исследователей мозга.

Сверхмассивные черные дыры в карликовых галактиках

Исследование американских астрофизиков, проливающее свет на формирование черных дыр с массой в несколько сотен тысяч масс Солнца

Сверхмассивные черные дыры в карликовых галактиках

Что произошло: В работе американских астрофизиков был проведен поиск галактик низкой светимости с признаками активности ядра, свидетельствующей о существовании в центре этих галактик компактных темных объектов — сверхмассивных черных дыр. С этой целью использовался Слоановский цифровой обзор неба (SDSS). Признаки активности ядер определялись по отношениям интенсивностей определенных эмиссионных линий, которые характерны для активных ядер, и по наличию широких линий водорода, свидетельствующих о больших скоростях движения газа в центре галактики. Характерные массы сверхмассивных черных дыр у найденных галактик оцениваются в несколько сотен тысяч масс Солнца.
Предыстория: Считается, что массивные несветящиеся объекты с массами от сотен тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца (сверхмассивные черные дыры) существуют практически во всех массивных галактиках, причем они возникли вскоре после формирования самих галактик. Каким образом их масса смогла быстро вырасти до наблюдаемых значений и как их активность повлияла на галактику в целом — это фундаментальные и до сих пор не решенные вопросы физики галактик. Принято считать, что сверхмассивные черные дыры рождаются только в массивных галактиках, а в маломассивных — лишь в экзотических случаях. К примеру, в ближайших к нам и хорошо изученных галактиках небольшой массы, таких как Магеллановы Облака или Туманность в Треугольнике, сверхмассивные черные дыры не обнаружены. Известно, что сверхмассивные черные дыры, по крайней мере в части массивных галактик, сформировались удивительно быстро — меньше чем за миллиард лет после начала расширения Вселенной. Предполагается, что эти объекты выросли из некоторых затравочных концентраций масс, за счет потоков падающего на них газа из ближайшего окружения. Поэтому открытие большого числа карликовых галактик со сверхмассивными черными дырами представляется важным шагом для определения условий их образования.
Перспективы: Эволюция маломассивных галактик, как правило, более простая, чем гигантских. К примеру, их формирование не требует слияния более мелких галактик, они имеют очень слабо выраженную внутреннюю сферическую звездную систему (балдж), с параметрами которой, как правило, тесно связаны массы черных дыр, обладают медленным вращением и содержат довольно большое количество межзвездного газа. Важно понять, в каких галактиках сверхмассивные черные дыры смогли сформироваться, а в каких нет. В решении этого вопроса очень важно исследовать сверхмассивные черные дыры в галактиках не только высокой, но и низкой массы, поскольку рождение черных дыр в последних представляется еще более удивительным. Признаком наличия таких черных дыр и является наблюдаемая активность ядра. За работой, о которой идет речь, уже последовали и другие работы по поиску активности ядер карликовых галактик, так что есть надежда на то, что процесс формирования сверхмассивных черных дыр станет для нас более ясным.

Процесс слияния галактик AzTEC-3

Процесс слияния галактик AzTEC-3 увидели астрофизики из США

Скопление AzTEC-3 находится на расстоянии 12,5 миллиарда световых лет от Земли. Ученые отмечают, что изучение AzTEC-3 позволяет понять, как происходит рост больших галактик в результате слияния более мелких.

Процесс слияния галактик в очень далеком галактическом скоплении AzTEC-3 сумели увидеть астрофизики с помощью телескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), говорится в материале Astrophysical Journal.

Скопление AzTEC-3 находится на расстоянии 12,5 миллиарда световых лет от Земли. В этом галактическом кластере идет колоссальное звездообразование, новые звезды там появляются в тысячу раз быстрее, чем в нашем Млечном Пути.
Ученые отмечают, что изучение AzTEC-3 позволяет понять, как происходит рост больших галактик в результате слияния более мелких.
«Эта конкретная группировка галактик (AzTEC-3) представляет собой важную веху в эволюции нашей Вселенной: формирование галактического кластера и начало сборки крупных, зрелых галактик», — приводятся в публикации слова ведущего автора исследования, профессора Cornell University in Ithaca, (New York,) Доминика Ричерса.

Физики осуществили квантовую телепортацию на 25 километров

Физики телепортировали квантовое состояние фотона на расстояние 25 километров. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Photonics, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте AlphaGalileo.

В своем эксперименте ученые разнесли два запутанных фотона на расстояние в 25 километров по оптическому волокну. Одна из частиц (вторая) оказалась при этом в кристалле.

Далее физики изменили квантовое состояние первого фотона, подействовав на него третьим. В результате состояние второй частицы (которая находилась в кристалле) изменилось.

Таким образом ученые наблюдали проявление квантовой нелокальности: хотя фотоны были разнесены на расстояние 25 километров, изменение состояния одного из них сказалось на другом.

Исследователи улучшили свое предыдущее достижение десятилетней давности, когда на расстояние шести километров телепортировали состояние фотона.

Телепортация по оптоволокну осуществляется труднее, чем по воздуху. Это связано со взаимодействием фотонов со стеклом, в ходе которого они теряют значительную часть первоначальной информации.

В ходе работы ученые отметили высокую точность своих измерений. По их словам, это может привести к прогрессу в использовании запутанных фотонов в квантовой криптографии.

квазар

Ученые раскрыли тайну квазаров

Астрофизики из США и Китая заявили, что им удалось раскрыть тайну квазаров, волновавшую ученых в течение последних 20 лет. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Nature, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Института науки Карнеги.

Специалистов интересовали причины, по которым ряд квазаров, имеющих схожие свойства, объединены в так называемую «главную последовательность».

Ученым удалось связать наблюдения квазаров с Земли с двумя основными факторами. Первый касается интенсивности аккреции (падение вещества из окружения на центральное тело) в квазаре, а второй связан с особенностями ориентации в пространстве астрономов, которые производят наблюдения над ядрами галактик.

Исследование открывает новые возможности для понимания того, как черные дыры набирают свою массу и взаимодействуют с окружением, а также может способствовать пониманию того, какую роль эти физические объекты играют в галактиках и Вселенной.

Квазары представляют собой активные ядра галактик. Как считается, в них находится сверхмассивная черная дыра, которая в результате аккреции вытягивает на себя материю из окружающего пространства. Это приводит к огромной массе дыры и излучению, превышающему мощность излучения всех звезд Млечного Пути и соседних галактик. Особенностью таких объектов является переменный характер излучения от них.