10 потрясающих открытий в физике

Существование антиматерии

Еще один прорыв как достижения физики 20 века была экспериментальная демонстрация существования антиматерии. Материя и антиматерия быстро распадаются в чистую энергию. Это было предсказано, как теоретическое основание и предоставляет доказательства текущей теории фундаментальных законов природы.


Не следует забывать что, несмотря на прогресс в фундаментальной физике, все еще существует большой пробел в наших знаниях – разрыв, который необходимо заполнить.

Два главных столпа физики XX века: квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна, они взаимно несовместимы.

Их совместимость является абсолютно необходимым для последовательной физики, которая является целью дальнейшего теоретического прогресса. Эта цель может быть достигнута путем изменения, по крайней мере, одной из этих теорий существенным образом. Никто не знает к чему эта проблема может привести.

Ядерная физика

В 20 – 21 веке физика имеет огромное технологическое воздействие.

В результате развития атомной бомбы и как следствие увеличение знаний ядерной физики, были разработаны реакторы для производства электрической энергии путем использования тепла при реакции ядерного деления. С 1950 по это время мирное использование ядерной энергии было принято во всем мире. Многие промышленно развитые страны и некоторые развивающиеся страны сейчас используют ядерную энергию для производства электроэнергии.

Будущее ядерной энергии, однако, представляется несколько неопределенным из-за потенциально опасных радиоактивных отходов, которые она производит. Дальнейшие события в ядерной физике включают производство или обнаружение новых элементов, помимо уже известных.

Физическая оптика

Гигантские и фундаментальные  шаги были сделаны в оптике. Это привело к разработке первого мощного электронного микроскопа в начале 1950-х годов. За ним  последовал ионный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп. Электронные микроскопы высокого разрешения обеспечивают проницательность в атомные структуры твердых тел.

В 1980-х годах был изобретен сканирующий микроскоп туннелирования. Это прототип сканирующего зондового микроскопа привел к разработке инструментов, которые позволяют визуализировать один атом. Родилась новая область технологии.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911.

При чрезвычайно низких температурах некоторые материалы теряют электрическое сопротивление. Таким образом, они могут проводить электричество без малейших потерь. Совершенно очевидно, что это явление имеет множество потенциальных технических приложений как, например, в чрезвычайно мощных магнитах. Но явление сверхпроводимости ученые  не могли  объяснить вплоть до второй половины 20 века.

 В 1980-х впечатляющие успехи были достигнуты в производстве керамических материалов, которые демонстрируют сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем ранее считалось возможным.

Изобретение лазера

В 1960 году был изобретен лазер. Он производит когерентный свет, который может быть направлен узким лучом. У лазеров оказались несметные технологические приложения. Они включают целый ряд различных измерительных приборов, таких как детекторы загрязнения воздуха, высокоскоростная фотография, новые запоминающие устройства для компьютеров, хирургические инструменты различных видов.

Новый тип галактик

Фото: CC

Ну и, напоследок, одно из самых загадочных открытий в исследовании Вселенной за последнее время: несколько месяцев назад астрономы из Университета Мэриленд обнаружили, что сразу шесть галактик типа LINER, для который характерна низкая ионизация ядерной эмиссии и, соответственно, крайне низкая яркость, превратились в квазары — самые яркие объекты во Вселенной.

Квазары или квази-звезды получили свое название из-за того, что астрономы путали их с обычными звездами. Находясь в обозримом нам космическом пространстве, они имели такую же яркость, как и звезды, но при этом были расположены гораздо дальше. Будучи на расстоянии более 10 млрд световых лет от нас, свет от квазаров все равно все равно виден из Земли. Это означает, что квазары испускают невероятно огромное количество энергии и являются одними из самых мощных объектов, известных человеку.

Скорее всего, в центре квазаров расположены самые большие сверхмассивные черные дыры, которые пожирают другие объекты и вокруг них создается ярчайший аккреционный диск, — область трения, где гравитационное усилие уничтожает все вокруг и выделяет огромное количество энергии. Появление сразу шести квазаров за такой короткий промежуток времени — крайне необычное явление, которое происходит впервые в истории космических наблюдений.

«Сперва мы подумали, что наблюдали случайное разрушение, которое происходит, когда звезда подходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре и исчезает. Но позже мы обнаружили, что ранее находившаяся в состоянии покоя черная дыра начинает изменяться, в результате чего получается яркий квазар. Наблюдение за шестью из этих переходов, все из которых расположены в относительно спокойных галактиках LINER, позволяет предположить, что мы определили совершенно новый класс активного галактического ядра», — писали авторы открытия.

В теории, создание квазара должно занимать тысячи лет, но недавние наблюдения продемонстрировали, что это может произойти моментально по космическим меркам. Такое преобразование противоречит известным человеку законам формирования звезд и других космических объектов.

Не исключено, что астрономы из США обнаружили абсолютно новый тип галактик, который может перечеркнуть теории и предположения других ученых о появлении и существовании квазаров. В дальнейшем авторы открытия хотят выяснить, почему огромное количество космического материала вроде газа и пыли в разных галактиках резко начали поглощаться черной дырой, формируя мощные квазары.

Новые родственники человека

За последнее десятилетие генеалогическое древо человека значительно расширилось. В Африке и на Филиппинах были обнаружены окаменелости новых видов гомининов.  

Десятилетие началось с открытия Australopithecus sediba. Этот вид гомининов жил почти два миллиона лет назад в современной Южной Африке.  


Мэтью Бергер, сын палеоантрополога Ли Бергера, наткнулся на правую ключицу ископаемого в 2008 году, когда ему было всего 9 лет. 

Затем палеонтологи раскопали остальные окаменелостей австралопитека, в том числе хорошо сохранившийся череп. 

Австралопитек седиба представляет собой переходную фазу между родом Australopithecus и родом Homo (его стиль ходьбы напоминает современных людей).

Также в Южной Африке группой, возглавляемой Бергером, был обнаружен Homo naledi. Он жил намного позже, примерно от 335 000 до 236 000 лет назад. Это означает, что по времени существование этого вида совпадает с зарождением Homo sapiens.

Homo naledi обнаружили в системе пещер Восходящей Звезды в 2013 году. Он обладал сочетанием примитивных и современных характеристик: маленький мозг (примерно треть от размеров Homo sapiens) и большое тело, весом около 50 кг. и ростом до 150 см.

Также было и еще одно важное научное открытие — ученые нашли окаменелости вида Homo luzonensis (три-четыре фута высотой). Он обитал на Филиппинах около 50 000 — 67 000 лет назад. . Первые окаменелости Homo luzonensis были приняты за Homo sapiens

Но анализ 2019 года определил, что кости принадлежат неизвестному доселе виду

Первые окаменелости Homo luzonensis были приняты за Homo sapiens. Но анализ 2019 года определил, что кости принадлежат неизвестному доселе виду.

Эти три находки позволяют предположить, мы крайне мало знаем о древних людях. Наверняка, множество окаменелостей еще ждут своего открытия. 

Умные очки

Устройством для дополненной реальности, которое было разработано на базе «Андроид» интернет-гигантом «Гугл», сегодня уже никого не удивишь, хотя, очки были запущены в массовое производство только в апреле 2014 года. Это изобретение 21 века представляет собой прозрачный дисплей, который крепится на голову и находится чуть выше правого глаза, а также камеру, которая способна записывать видео высочайшего качества. Тестирование началось в апреле 2012 года, а СМИ сообщили о новинке еще за месяц до этого.

Взаимодействие Google Glass с пользователем осуществляется с помощью голосовых команд и жестов, которые распознаются тачпадом на дужке за дисплеем. Концепция очков в будущем должна одновременно реализовывать три разные функции, а именно интернет, видеодневник + мобильную связь + дополненную реальность. Что интересно, звук передается пользователю без использования наушника, а напрямую через кости черепа.

Манипуляция памятью

Манипуляция памятью.

В 2014 году ученые Стив Рамирес и Сюй Лю смогли заменить негативные воспоминания в мозге мышей на положительные, и наоборот. Они внедрили в организм мышей светочувствительные белки и добились активации этих белков с помощью лазера, которым светили мышам в глаза. В итоге, негативные события, пережитые мышами, начали восприниматься грызунами, как положительные, а позитивные события, как ужасные. Это открыло совершенно новую форму потенциального лечения тех, кто страдает от посттравматического стрессового расстройства или от сильного чувства горя от потери любимого человека.

«Невозможный» двигатель возможен

Ровно 20 лет ученые со всего мира пытаются доказать, что двигатель EmDrive, проект которого предложил британский инженер Роджер Шойер в 1999 году, является невозможным, поскольку он противоречит фундаментальным законам физики.

Шойер предложил свою силовую установку как один из вариантоввечного» двигателя для гипотетических межзвездных путешествий. В качестве движущей силы в EmDrive используется магнетрон, который генерирует микроволны, и, по заявлениям автора, накапливает энергию колебаний в резонаторе, создавая тягу.

Идея о том, что электромагнитные волны производят разное давление на стены двигателя и могут постоянно создавать тягу, противоречит закону Ньютона о сохранении импульса. Но, на практике, никому не удалось это опровергнуть, поскольку разные проекты EmDrive доказывали, что двигатель все же создает незначительную тягу в несколько микроньютонов. Этот эффект списывали на воздействия внешних сил, погрешности и плохое экранирование корпуса двигателя.

Летом этого года представители Немецкого Технического Университета Дрездена провели свой эксперимент, чтобы точно установить, работает ли двигатель EmDrive. Команда физиков под руководством Мартина Таймара разработала проект SpaceDrive, — «чрезвычайно чувствительный и невосприимчивый к вмешательству инструмент, который раз и навсегда положит конец дискуссии о EmDrive».

Авторы исследования создали точную копию двигателя EmDrive, с которым ученые NASA Пол Марч и Гарольд Уайт достигли незначительной тяги пару лет назад. Конструкция двигателя — это медный конус с обрезанным верхом, который помещен в вакуумную камеру. Источник микроволнового сигнала находится за пределами камеры и передается с помощью кабелей на антенны внутри конуса.

Чтобы засечь реальную тягу без каких-либо погрешностей, физики использовали маятниковые весы, которые измеряют силу крутящего момента, приложенного к оси маятника, а также лазерный интерферометр, который нивелирует физическое смещение маятниковых весов. Команда Таймара назвала свое устройствосамым чувствительным балансом тяги из когда-либо существовавших в мире».

Несмотря на создание специального экрана, который блокирует EmDrive от любых помех, включая действие магнитных полюсов Земли, сейсмические колебания планеты и тепловое расширение из-за нагрева от микроволн, ученые все же зафиксировали тягу в 3,4 микроньютона, что подтверждает дееспособностьневозможного» двигателя.

Теперь физики сетуют на нагревание меди, которое могло вызвать расширение конструкции и смещение центра тяжести двигателя, что, в теории, приводит к появлению тяги из-за внешнего воздействия. Как бы там ни было, Мартин Таймар собирается доказать, что сам EmDrive не может создавать тягу, и его команда уже разрабатывает два других измерительных прибора, которые должны исключить любое внешнее воздействие, включая термальную погрешность.

Фото: quantamagazine.org

Самые жаркие годы


Ученые предсказывают влияние сжигания угля и ископаемого топлива на температуру планеты уже более 100 лет.  

В «Популярной механике» за 1912 год содержится статья под названием «Замечательная погода 1911 года: влияние сжигания угля на климат». Что предсказывали ученые того времени?

Там написано:

Прошло всего одно столетие, и эффект действительно губительный.  

Увеличение количества парниковых газов в атмосфере привело к повышению глобальной температуры. Причем годы с 2014 по 2018 были самыми жаркими за всю историю наблюдений. 

2016 был самым жарким годом с тех пор, как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) начало регистрировать глобальную температуру 139 лет назад.  

Последствия этого глобального изменения включают частые и разрушительные лесные пожары, засухи, ускорение таяния полярных льдов и усиление штормов.  

Калифорния горит, Венеция затоплена, а бесчисленные прибрежные и островные сообщества сталкиваются с природными кризисами. Не говоря уже об экологическом хаосе, вызванном изменением климата, который не дает планете выводить углерод из атмосферы.

В 2015 году конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИК ООН) достигла консенсуса в отношении климатических действий, известного как Парижское соглашение.  

Основной целью Парижского соглашения является ограничение повышения глобальной температуры до 1,5 градусов Цельсия по сравнению с доиндустриальным уровнем.  

Для достижения этой цели потребуются серьезные социальные преобразования, в том числе замена ископаемого топлива на экологически чистую энергию, такую как ветер, солнечную энергию и ядерную энергию. 

Также необходимо реформирование сельскохозяйственной отрасли с целью защиты лесных районов. И, возможно, даже создание искусственных средств выведения углекислого газа из атмосферы.

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн и Ричард Толман (слева) в Калтехе в 1932 году

Наиболее известны: общая и Специальная Теория Относительности Награды: Нобелевская Премия: (1921), Медаль Макса Планка (1929)

Альберт Эйнштейн был знаменитостью в мире науки. Он был первым и, пожалуй, единственным ученым, который стал нарицательным. В молодом возрасте его математическое мастерство намного превосходило его сверстников. Он не только учил себя геометрии и алгебре, но к 12 годам Эйнштейн разработал доказательство теоремы Пифагора.

В 1900 году Эйнштейн получил работу помощника эксперта в патентном ведомстве. В том же году он опубликовал свою первую научную работу. Золотой период в академической карьере Эйнштейна наступил в 1905 году, когда он опубликовал четыре статьи, которые сформировали большую часть современной физики.

Первая статья была посвящена фотоэффекту, в которой он теоретизировал существование фотонов. Это принесло ему Нобелевскую премию в 1921 году. В третьем докладе того года Эйнштейн представил специальную теорию относительности. Это привело к возникновению E = MC2.

В 1915 году, углубляясь в специальную теорию относительности, Эйнштейн описал свою теорию гравитации в общей теории относительности. Это в основном говорит нам, что все, что имеет массу, вызывает искажения в пространстве-времени. Его теория была засвидетельствована научным сообществом во время солнечного затмения в 1919 году.

Эйнштейн с помощью общей теории относительности предсказал существование гравитационных волн. Спустя столетие исследователи наконец смогли обнаружить эти волны напрямую.

«Копитрайк» — новый вид транспорта: смесь велосипеда и гироскутера. Сыктывкар.

Трехколесный электровелосипед ездит теперь на улицах Сыктывкара, собирая любопытные взгляды окружающих. Экологически чистый транспорт (на аккумуляторе) — скорость до 25 километров в час, легкий вес и полное отсутствие выхлопов.

В России изобрели новый способ зарядки гаджетов


«Дело в том, что у моего наставника из Автоквантума пылился дома сломанный гироскутер, — рассказывает создатель «Копитрайка», ученик Александр Ярушин. — А я с детства люблю велосипеды. И я придумал инновацию: приделать колеса от гироскутера — к велосипеду. Мы накидали план и стали собирать конструктор».

Александр даже написал письмо директору местного веломагазина — попросил велодетали. Предприниматель так проникся идеей, что бесплатно отдал Александру новенький велосипед. И работа закипела. Две недели школьник лично варил алюминий для копитрайка. А затем поехал на своем новом чудо-велосипеде на городской фестиваль «Велоночь», где произвел фурор. Не считая краски и регуляторов для колес, «копитрайк» обошелся его создателям бесплатно.

Первая эффективная вакцина против лихорадки Эбола

Вспышки эпидемии зафиксированы в Центральной и Западной Африке, летальность — 25-90%. В декабре 2019 года ВОЗ провела предварительную квалификацию вакцины против лихорадки Эбола, что поможет ускорить ее лицензирование.

Вакцина поставляется в дополнение к двум экспериментальным методам лечения, которые значительно повышают показатели выживаемости.

Два новых метода лечения, REGN-EB3 и mAb-114, представляют собой смесь антител, которые вводятся в кровоток людей. Эти методы спасли 90% новых инфицированных пациентов в Конго.

Взрослые микробы на борьбе с недоеданием

Южный Судан пережил беспрецедентный продовольственный кризис, ЮНИСЕФ

Недоедание в первые два года жизни ребенка приводит к необратимым последствиям и, зачастую, становится причиной смерти. Дети, питающиеся неполноценно, более подвержены заболеваниям, могут отставать в росте и в умственном развитии. При этом различают недоедание, когда ребенок недополучает необходимое количество калорий для нормального функционирования организма, и недоедание, связанное с заболеваниями, не позволяющими организму усваивать употребляемые продукты.

Последние исследования показали, что недоедание связано с состоянием так называемого микробиома или, по-старому, микрофлоры кишечника ребенка, когда его развитие остается на зачаточном уровне, в то время как «зрелый» микробиом адекватно реагирует на питание.

Исследователи выявили 15 типов бактерий, которые характеризуют такой зрелый микробиом, а также поэкспериментировали с различными комбинациями продуктов, доступными в развивающихся странах, где как раз наиболее остро стоит проблема детского недоедания. Выяснилось, что сухое молоко и рис — стандартные компоненты продовольственной помощи — мало способствовали размножению основных бактерий, поэтому была разработана недорогая добавка, стимулирующая рост полезных кишечных бактерий, — в ее состав входят нут, бананы, соевая и арахисовая мука.

Почему это важно. Только представьте, по последним данным ЮНИСЕФ: . 149 миллионов детей на планете младше пяти лет отстают в росте или имеют для своего возраста слишком низкий рост; 

149 миллионов детей на планете младше пяти лет отстают в росте или имеют для своего возраста слишком низкий рост; 

50 миллионов детей истощены или слишком худые для своего роста; 

340 миллионов детей — или каждый второй ребенок — страдают от нехватки необходимых витаминов и питательных веществ, таких как витамин A и железо; при этом показатели избыточного веса стремительно растут.

Если в результате продолжительных исследований выяснится, что добавка в рационе способствуют полному восстановлению и росту детей, значит, улучшение состояния микробиома способно побороть проблему мирового масштаба.

Зарядное устройство на водороде для ноутбука. Ставрополь.

Команда школьников из краснодарского Кванториума Минпросвещения в составе Ильи Сухарева, Эмилии Джабраиловой, Эмилии Виль разработали устройство, переносную зарядку для ноутбкука, которая работает на основе водородных батареек.

Сколько стоит собрать школьника к 1 сентября

Главная задумка — создать такой гаджет, в котором можно последовательно соединить четыре водородных топливных элемента и получить оптимальное напряжение для питания одного ноутбука и одного смартфона одновременно. И сделать так, чтобы с его помощью можно полностью подзарядить эти устройства. Прототип уже есть, и такая «зарядка» вполне работает. В будущем она может пригодиться для людей, которые отправляются в длительные походы, где нет электричества, замечают ребята.

В планах у них сделать зарядку еще более «умной», поставить датчики утечки водорода, полностью автоматизировать подачу и сброс водорода, написать программу для контроля уровня топлива.

Комментарий

— Работа, расширяющая возможности раскрытия талантов у детей, многогранна и пронизывает все образовательные ступени. Выстраивается она так, чтобы ребенок на любом этапе мог включиться в интересующие его проекты, получить любые дополнительные знания по предметным областям, — рассказали «РГ» в министерстве просвещения. — Это комплекс мер, включая поддержку олимпиадного и конкурсного движения, кружков и секций. Особое влияние на эти процессы оказывает и масштабная инфраструктурная работа в рамках национального проекта «Образование». Такие проекты как, например, создание детских технопарков «Кванториум» и «Точек роста», оснащенных современных школьных пространств и кабинетов в сельских школах и малых городах для изучения информатики, ОБЖ, предметной области «Технология». Изучая предметы с современной техникой, тренажерами, лабораторным оборудованием, заметно повышается и интерес, и мотивация к учебе, создавая почву для таких замечательных школьных проектов и разработок, которые, как мы видим, сегодня уже и применяются в реальной практике.

Предмет физики Править

Физика —

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Таково типичное философское определение физики. Но если смотреть на историю физики и структуру физического знания, то вырисовывается другая картина. Физика появляется вется (тела, жидкости) — были очевидны, считалось, что цель физики — нахождение законов движения, чему способствовала и метафора, которой следовали Галилей и Ньютон: «Природа — это книга написанная на языке математики». В «неклассический» период, начинающийся с электромагнитного поля Фарадея-Максм материалом для теорий (теоретических моделей) явлений служат идеальные сущности, которые задаются в основаниях разделов физики (раздел физики выделяется тем, что имеет собственные основания). Такая двухуровневая структура — основания и теории явлений — существует с «Математических начал натуральной философии» И.Ньютона. При этом специфика физики определяется теми типами моделей, которые она использует (то же можно сказать про другие естественные науки — химические, биологические, которые используют другие типы моделей). Специфика физики задается тем, что 1)в центре любого раздела физики есть свой физический процесс, который описывается как переход физического объекта A из одного состояния SA(1) в другое SA(2), как правило номером состояния служит момент времени (этой схемой выделяется понятия объекта); 2) эти объекты находятся в пространстве (отсюда особое положение законов сохранения для интегралов движения (энергии, импульса, момента импульса) и особое место теории относительности, объектом которой оказывается метрика пространства и времени); 3) все множество исходных объектов строится на базе всего двух прототипов: локальной частицы, состояние которой задается набором величин (понятие о которой можно получить из классической механики) и нелокальной (имеющей 1-, 2- или 3-мерный объем) сплошной среды, состояние которой задается набором функций (понятие о которой можно получить из гидродинамики идеальной жидкости). Модель сплошной среды лежит в основе механик сплошной среды, термодинамики (равновесной и неравновесной), электродинамики (в вакууме и среде). Смешанные корпускулярно-волновые модели лежат в основе квантовой механики и квантовой теории поля, а также в основе статистической физики в виде молекулярной среды.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем (например сохранение энергии), — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки, — биология, геология, химия и др. — описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, состоящие из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Такой довольно распространенный редукционистский взгляд является не бесспорным. Даже у химии, не говоря о биологии, есть свои специфические модели, лишь фрагменты которых могут быть представлены как физическое явление

Физика тесно связана с математикой, ибо описание движения в физике использует двухслойную конструкцию:в слое физической модели задается объект и его состояния, определяемые соответствующими измеримыми величинами, но связь между состояниями задается в математическом слое с помощью уравнения движения (закона движения), связывающего математические образы состояний объекта, математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. При этом могут использоваться сложные разделы математики. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физической науки. Однако в центре оказывается определяющая понимание физическая модель, на что указывает и возможность альтернативных математических описаний (математических представлений) одной физической модели явления, например ньютоновского, лагранжевого, Гамильтона-Якоби — в классической физике, Шрёдингера, Гайзенберга, взаимодействия и др. — в квантовой механике . «Математика есть лишь орудие, и нужно уметь владеть физическими идеями безотносительно к их математической форме», — говорил П.Дирак .


С этим читают