В странния свят на физиката невъзможното често в крайна сметка се оказва възможно. Понякога и обратното. Но в последните години науката като че ли излезе извън рамките на традициите и започна да бележи значителни постижения, които само допреди време се считаха за абсурдни и невъзможни.

Следващите няколко интересни примера са доказателство за това, че когато работите в сферата на науката и разработвате нови технологии, просто… никога не трябва да се отказвате и да зачерквате някой резултат. Невъзможните неща понякога са… възможни.

Най-студеният предмет на Земята

В миналото учените не можеха да охлаждат обекти до температури, близки до абсолютната нула (-273.15 градуса по Целзий), заради квантовата граница. За да направи нещо наистина толкова "замръзнало", лазерът, използван за целта, трябва да забави атомите и техните създаващи топлина трептения. Но по някаква ирония самият лазер внася топлина в цялата схема. Макар и да се използва за охлаждане, самият той пречи за понижаване на температурата под квантовата граница.

Наскоро учени от университета в Боулдър, Колорадо, създадоха специален микробарабан от алуминий и успяха да го охладят до температура от едва 360 микрокелвина – около 10 000 пъти повече от дълбините на Космоса! Алуминиевият барабан е с диаметър едва 20 микрометра (наполовина на човешки косъм), а експериментът показва, че науката може да достигне физичните бариери, а вероятно и да ги счупи.

Считаната доскоро за невъзможна технология се базира на нова лазерна техника, която буквално може да „изстисква“ светлината, насочвайки частиците с повишен стабилитет в една и съща посока. Този процес премахва лазерните флуктуации (трептения), които иначе повишават топлината. Така алуминиевата плочица се оказва най-леденият механичен обект на Земята, но не и най-студената материя, която реално се нарича кондензат на Бозе - Айнщайн. Въпреки това постижението може един ден да играе голяма роля в развитието на компютрите и супер бързата електроника, както и да спомогне за разкриването на странното поведение на квантовите частици, което се наблюдава при достигане на гранични стойности на материята.

Най-ярката светлина

Светлината на Слънцето сама по себе си е забележително нещо, но… представете си комбинираната светлина от 1 милиард такива Слънца! Това е еквивалентът на светлината, която наскоро физици успяха да създадат в лабораторни условия. Рекордът е официално записан като най-ярката светлина, виждана на планетата. На всичко отгоре тя се е държала и по неочакван начин, променяйки външния вид на околните обекти.

За да разберете това, първо трябва да знаете как работи човешкото зрение. Фотоните (съставните части на светлината) трябва да се сблъскват и отразяват от електроните, преди зрението да стане възможно. При нормални обстоятелства електроните удрят само по един фотон в даден момент. А когато нещо става по-ярко, формата му обикновено остава същата като при по-ниско осветяване.

Мощният лазер, използван при експеримента, е успял да разпръсне едновременно 1000 фотона (вместо един), което е удивително постижение. И тъй като това разпръскване на фотони означава „видимост“, интензитетът, при който това се случва, променя начина, по който фотоните се държат, и съответно как се възприема осветяваният обект. Странният ефект става все по-очевиден, когато „супер слънчевата светлина“ се усилва. Тъй като фотоните и нормалната енергия и направление са били изменени, светлината и цветовете се възпроизвеждали по необичаен начин.

Черна дупка с размер на молекула

Екип физици съобщава и за създаването на „нещо“, което се държи като черна дупка. Физиците разполагат с най-мощния рентгенов лазер на Земята – (LCSL – Linac Coherent Light Source), с който обстрелват органични молекули.

Учените очаквали лъчът да захване повечето от електроните на молекулите, оставяйки след него вакуум. При експериментите с по-слаби лазери тези празнини се запълват бързо с електрони от най-външните части на атомите. Но когато LCSL ударил, се случило нещо интересно. Вместо да спре сам себе си, атомът на йода от съединенията започнал да „яде“ електрони от околните му водородни и въглеродни атоми. Държал се буквално като миниатюрна черна дупка вътре в молекулите.

Следващите лазерни импулси избили откраднатите електрони, но създадената празнина все пак изсмукала още. И цикълът се повтарял, докато цялата молекула експлодирала. Единствено атомът на йода се държал по този начин. Той в много по-голяма степен абсорбирал огромно количество рентгеново лъчение, губейки оригиналните си електрони. А при тази загуба атомът става достатъчно силно зареден с позитивна енергия, така че да може да „краде“ електрони от по-малките атоми около него.

Метален водород

Това нещо е наричано „свещеният Граал на физиката под високо налягане“, но досега никой не беше успявал да създаде метален водород. Като възможен ултра супер проводник тази форма на газообразния елемент е много търсена.

Възможността водородът да се превърне в метал е предложена за първи път в далечната 1935 година. Физиците смятали, че при огромно налягане подобна трансформация е възможна. Но проблемът е, че никой не можел да създаде такова огромно налягане.

През 2017 година американски учени подобриха старите техники за целта и… успяха да създадат този теоретичен материал на практика! Предишните експерименти се извършвали в устройство, наречено „диамантена наковалня“. Силата била генерирана от използването на два синтетични диаманта насочени един срещу друг, но те винаги се напуквали в критичната точка.

Сега физиците използвали подобна клетъчна камера, но след като разработили нов процес на оформяне и полиране, който успял да предотврати счупването. По този начин устройството вече е способно да генерира огромно налягане от повече от 495 гигапаскала (32.5 милиона килограма на квадратен см!). Дори налягането в центъра на Земята не е толкова голямо.

Компютърен чип с невронни клетки

По отношение на еволюцията на електрониката е доста вероятно един ден светлината да замени електричеството в нея. Физиците отдавна разбират потенциала на светлината в това отношение, като още преди десетилетия става ясно, че светлинните вълни могат да се движат паралелно и да изпълняват безброй задачи наведнъж.

Традиционната електроника разчита на транзистори, които отварят или затварят пътя на електричеството, което доста ограничава възможностите. Но едно забележително ново изобретение е компютърен чип, който имитира човешкия мозък. Той може да „мисли“ доста бързо, като използва светлинни лъчи, взаимодействащи помежду си подобно на невроните в мозъка.

В миналото са създавани по-прости невронни мрежи, но оборудването, за да действат те, заемаше половин стая. Всичко по-миниатюрно доскоро изглеждаше невъзможно за създаване. Създадените от силиций нови чипове са с размери от няколко милиметра, като симулират 16 неврона. Лазерната светлина навлиза в чипа и след това се разделя в различни снопове, носещи различни сигнали информация чрез промяна на интензитета си. Промененият интензитет на лазера при излизането от чипа се разчита и в зависимост от характеристиките се дава различен отговор и решение на поставената задача.  

Невъзможна форма на материята

Кажете „здравей“ на супер масивите (supersolids). Тези странни „топки“ не са толкова ужасно твърди, колкото името им намеква. Вместо това странният материал има строга кристална структура за всяка от тях, докато в същото време като цяло се държи точно като течност. Този парадокс е предвиден преди време, но не беше нереализиран досега, защото е в разрез с традиционната физика.

През 2016 година обаче два независими научни екипа създават материя, носеща характеристиките на суперсолида. Невероятното е, че те дори ползват различни подходи, но създават едно и също нещо.

Швейцарският екип създава кондензат на Бозе - Айнщайн (най-студената материя) чрез рубидиев газ във вакуум. След това полученият кондензат се премества в апарат с две камери, като всяка съдържа малки, разположени противоположно огледала. Лазери ускоряват трансформацията на частиците, като те се подреждат в кристалния модел на твърдо вещество, а в същото време материалът сe държи точно като флуид. Представете си нещо като течния метал от "Терминатор 2".

Американският екип създава същата странна хибридна материя, но неговият кондензат е получен след обработка на натриеви атоми с изпарително охлаждане и друг тип лазери. Те ги използват, за да променят атомната гъстота, докато в течната проба се появят кристалноподобните структури.

Флуид с негативна маса?

През 2017 година физици създадоха зашеметяващо нещо – форма на материята, която се движи обратно на посоката на приложената сила! И ако все пак това не е точно бумеранг, то по-скоро трябва да се нарича тяло с „негативна маса“.

Позитивната маса е онова нещо, което всички познаваме – бутате една количка и тя се засилва и движи известно време в направлението, по което сте я бутнали. За пръв път обаче е създаден флуид, който се държи както нищо друго досега виждано във физическия свят. Когато го „бутнете“ той се засилва в… обратната посока!

Още един път - използван е кондензат на Бозе - Айнщайн, създаден от рубидиеви атоми. Учените разполагат с флуид с нормална маса, но с помощта на лазерите събират атомите плътно заедно на едно място. След това втори сноп лазери ги облъчва, за да промени начина, по който се въртят. Когато светлината от първия лазер е спряна и мощната му „прегръдка“ е отпусната, нормалният флуид започва да се движи все едно е избутван по посока на натиска. Но при рубидиевия суперфлуид и в дадените условия той, вместо да започне да се движи, и то бързо, той прави обратното. Замира и показва признаци на негативна маса.

Времеви кристали

Когато Франк Вилчек, носител на Нобелова награда за физика, преди години предлага теорията за времевите кристали, идеята му звучи налудничаво - особено в частта, в която се казва, че те могат да създават движение в неподвижно състояние – най-ниската форма на енергия за материята.

Вилчек вярвал, че безкрайното движение (перпетуум мобиле) може да бъде постигнато чрез преобръщане на атоми в кристали (подравняването им). Такова пренареждане на атомната структура може да продължава във времето, създавайки непрекъснато „превключване“ на решетката без нуждата от никаква енергия. Но това противоречало на законите на физиката.

През 2017 година обаче, само 5 години след идеята на учения, физиците разбраха как да създадат подобни кристали.

Екип учени манипулира десет свързани йона на елемента итербий с два отделни лазера. Единият образува магнитно поле, докато вторият настройва спина на атомите, докато се получи пренареждането на Вилчек. Така в Харвард се раждат първите времеви кристали – от азотни примеси, които се преобръщат в диамантена решетка.

Въпреки че след този опит времевите кристали вече не са луда теория, те все пак не са перпетуум мобиле – нуждаят се от време на време да бъдат обстрелвани от лазер, за да продължат да се завъртат и пренареждат.

2D магнити

Физиците опитват да създадат двуизмерни магнити от 1970 година насам, но никога не са успявали. Истински двуизмерен магнит ще запази своите магнитни свойства дори след като е дотолкова „изтънен“, че на практика е двуизмерен – съставен е от слой с дебелина само един атом. И затова учените започнали да се съмняват, че подобно нещо е възможно.

През юни тази година учени експериментират с хром-3-йодид, залагайки на възможността да създадат двуизмерен магнит. Това вещество е интересно поради няколко причини – то е съставено от кристална структура на слоеве, перфектно е за изтъняване и притежава постоянно магнитно поле, като електроните му имат определена посока на спина. Всички тези предимства помагат на веществото да остане с магнитно поле дори докато кристалната му структура е намалена само до един слой атоми.

Първият двуизмерен магнит в света всъщност се появява и при условия, неочаквани за учените – при доста „висока“ температура от -228 градуса по Целзий. Към момента учените не са могли да го накарат да работи при стайна температура, а освен това кислородът моментално го поврежда. Въпреки това двуизмерните магнити ще дадат на учените невероятни възможности за нов тип експерименти, невъзможни досега.