Источник: theverge.com

Гравитационные волны для изучения Вселенной, а графен для практических нужд: об открытиях, поражающих Нобелевский комитет

На прошлой неделе гравитационный детектор LIGO в шестой раз зарегистрировал волны от слияния двух черных дыр на расстоянии примерно один миллиард световых лет от Земли. Два года назад первая регистрация вызвала эйфорию среди ученых, сегодня же такие события, похоже, становятся обыденностью. Однако Нобелевская премия по физике за создание LIGO и наблюдение гравитационных волн говорит о том, что исследования в этой области будут на пике значимости еще долгое время. Но мир не вертится только вокруг гравитационных волн. Например, в этом году среди номинантов на премию были и ученые, исследующие свойства графена. На дне открытых дверей Физико-технического факультета Университета ИТМО ученые рассказали о возможностях в науке и реальном мире, которые открывают и изучение гравитационных волн, и использование графена.

Гравитационные волны помогут понять характеристики плохо изученных космических объектов

Нобелевской премии по астрофизике не существует, но в истории было немало случаев, когда исследования космоса отмечались этой престижной наградой, подчеркнул первый лектор, ведущий научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе Александр Иванчик. В 1936 году премию получили за открытие космических лучей (электромагнитное, релятивистское излучение с внеземным источником) и позитрона (античастица электрона). В 1974 премию вручили за открытие пульсаров (космический источник радиоизлучения, оптического, рентгеновского излучения, согласно астрофизической модели, это вращающиеся нейтронные звезды).

В 1978 году премия досталась за открытие реликтового излучения (тепловое излучение в космосе, которое возникло при первичной рекомбинации водорода после большого взрыва, согласно астрофизической модели). Это излучение постепенно остывает, но благодаря ему ученые пытаются заглядывать в прошлое вплоть до первых секунд зарождения Вселенной. Это открытие было настолько важным, что в 2006 году дали еще одну премию уже за исследования излучения.

Источник: tvkultura.ru
Источник: tvkultura.ru

Эйнштейн, предсказатель гравитационных волн, получил свою Нобелевку в 1922 году за открытие фотоэффекта и заслуги перед физикой. Фотоэффект – это процесс испускания электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения. Другие же «заслуги перед физикой» – это, в том числе, общая теория относительности. Почему же премия не была присуждена именно за нее? Тогда еще не было собрано достаточных экспериментальных доказательств, чтобы подтвердить ее, однако стройность теории объясняла недочеты и нестыковки, которые возникали в тогдашних классических моделях физического устройства мира.

«Теория гравитации, предложенная Исааком Ньютоном, до сих пор хорошо описывает ближайшие окрестности Земли, Солнечную систему. Ее суть проста: массивные тела притягиваются друг к другу, то есть гравитация – это сила притяжения. Но сам Ньютон понимал, что с гравитацией не так все просто. Эта сила должна была быть мгновенной и дальнодействующей, распространяться через вакуум. Накапливающиеся данные в физике приводили к тому, что некоторые предсказания рассогласовывались с ньютоновской теорией. Эйнштейн же ввел новую теорию, полностью отказавшись от концепции силы. Он сказал, что гравитационных сил нет, но есть эффект искривления пространства массивным телом», – объясняет Александр Иванчик.

Александр Иванчик
Александр Иванчик

По евклидовой геометрии мы привыкли, что тело, на которое не действуют какие-либо силы, движется по прямой по кратчайшему пути. Например, в классической физике луч света без постороннего воздействия будет представлять собой прямую линию. То есть без каких-либо возмущений все объекты просто двигались бы прямо. Но в космосе существуют массивные тела, которые «продавливают» пространство, и прямая траектория, по которой двигаются космические объекты, становится конусообразной, замкнутой. Поэтому у массивных тел есть спутники, у Земли есть Луна, а у Солнца – планеты.

Согласно теории Эйнштейна, любое двигающееся массивное тело возмущает пространство. И это возмущение и есть гравитационные волны. То есть это не что-то, что излучается самим объектом, а изменение структуры пространства, которое происходит из-за движения объекта. Однако сам великий ученый не верил, что гравитационные волны будут когда-либо зарегистрированы, потому что они очень слабы. Чтобы хотя бы как-то засечь их, необходимо, чтобы их порождали очень массивные тела, которые двигаются с очень высокими скоростями.

Альберт Эйнштейн. Источник: rustelegraph.ru
Альберт Эйнштейн. Источник: rustelegraph.ru

Первым, кто действительно попытался зарегистрировать гравитационные волны, был американский физик Джозеф Вебер. Для этого он сконструировал большой цилиндр из алюминия и окружил его датчиками, которые могли бы зарегистрировать собственные резонансные колебания цилиндра из-за воздействия гравитационных волн. Он потерпел неудачу, однако его эксперименты возродили интерес ученых к обнаружению гравитационных волн.

Так, идея использовать лазерные интерферометры, с помощью которых и удалось впервые зарегистрировать гравитационные волны в 2015 году, была предложена еще в 1962 году советскими физиками Владиславом Пустовойтом и Михаилом Герценштейном. Система проста: на концах двух перпендикулярных туннелей устанавливаются зеркала, между которыми одновременно запускают лазерный луч. Если лучи возвращаются на регистрирующее устройство одновременно, они «гасят» друг друга и никакой сигнал не регистрируются. Если же один луч приходит с запаздыванием, то «погашение» не происходит и датчик регистрирует сигнал. Это и произошло в 2015 году на двух установках LIGO в США. Но этому предшествовала огромная работа.

От микромира до космоса: лекция от физтеха Университета ИТМО про Нобелевскую премию 2017
От микромира до космоса: лекция от физтеха Университета ИТМО про Нобелевскую премию 2017

«Чтобы зарегистрировать гравитационные волны необходимо было создать очень чувствительную систему, исключить любое стороннее воздействие на установку. Около 20 лет совершенствовались системы подвеса зеркал, конструкции туннелей. И наконец удалось зафиксировать возмущение пространства от слияния двух черных дыр массой по 30 масс Солнца. При этом слияние произошло около полутора миллиардов лет назад», – сказал Александр Иванчик.

Как же обрабатываются эти сигналы, пришедшие с таких больших расстояний? Откуда ученым знать, что это именно две черные дыры? Здесь исследователи руководствуются действующими физическими моделями, согласно которым определить характеристики объекта, вызывающего гравитационные волны, можно по частоте, амплитуде и другим параметрам регистрируемого сигнала.

Лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США. Источник: nanonewsnet.ru
Лазерно-интерферометрическая гравитационная обсерватория LIGO в Ливингстоне, Луизиана, США. Источник: nanonewsnet.ru

Кроме того, сейчас ученые могут даже определить место, откуда поступают гравитационные волны, потому что кроме двух детекторов LIGO на планете работает и детектор VIRGO в Европе, планируется строительство детекторов в Индии, Японии. Более того, в будущем есть планы построить космический детектор. Это будут три спутника с зеркалами, между которых будут бегать лазерные лучи. Расстояние между спутниками будет равно размеру Солнечной системы, поэтому, возможно, удастся детектировать еще большее количество гравитационных волн. Преимущество такой системы в том, что в космосе на лазерные лучи не будет воздействовать практически ничего.

По словам Александра Иванчика, гравитационные волны позволяют детектировать события, которые мало изучены учеными. Например, недавно в LIGO впервые обнаружили гравитационные волны, порожденные в ходе процесса слияния нейтронных звезд, и установили точное положение их источника. Нейтронные звезды пока еще плохо изучены учеными, поэтому сигнал, поступивший от их слияния, поможет лучше понять их структуру. Одновременно с этим слияние этих звезд можно регистрировать и в объективах других микроскопах, отслеживать оптический, микроволновый и другие спектры излучения звезд и определять по этим спектрам характеристики объектов.

Источник: wired.com
Источник: wired.com

Преимущество гравитационных волн в том, что их можно наблюдать неизменными, ведь это возмущение самого пространства. Оптические микроскопы, например, не могут показать нам некоторые части Вселенной из-за космической пыли и других объектов. Гравитационные же волны позволяют «видеть» любые процессы.

Почему всем так нравится графен

В этом году среди претендентов на получение Нобелевской премии по физике были исследователи из США и Голландии, которые сделали значительный вклад в исследования углеродных нанотрубок, графена, графеновых нанолент и в области их использования в электронике. Что это такое? Почему это сейчас так популярно? Об этом на лекции рассказал Иван Иорш, руководитель международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.

Иван Иорш
Иван Иорш

Как получается графен? Это двумерная модификация углерода, образованная слоем атомов толщиной в один атом. Впервые графен в «чистом виде» получили Нобелевские лауреаты по физике за 2010 год Андрей Гейм и Константин Новоселов. При этом они обнаружили графен достаточно простым с точки зрения техники исполнения методом: они брали скотч, приклеивали его к графиту, отклеивали, потом клеили его на стекло и изучали, что осталось на этом стекле. Так были обнаружены некоторые частички-чешуйки, которые соответствовали одному атомному слою углерода.

«На самом деле, когда вы пишете обычным карандашом, от грифеля отслаиваются тоненькие кусочки, которые также могут быть моноатомными. Самое главное, что смогли сделать Гейм и Новоселов, это экспериментально выделить графен и охарактеризовать его свойства. На самом же деле, до этого было много теоретических работ, посвященных графену и другим модификациям углерода», – рассказывает Иван Иорш.

Физические свойства графена зависят от электронных свойств атомов углерода. Электроны в графене ведут себя как безмассовые релятивистские частицы в двумерном пространстве. Скорость таких частиц в три раза выше скорости света, и они могут двигаться от одного атома графена к другому. Более того, для релятивистских частиц известен такой эффект, как парадокс Клейна. Он заключается в том, что если перед движущимся электроном каким-то образом сформировать барьер и если кинетическая энергия электрона в начале пути выше, чем потенциальная энергия барьера, частица пройдет сквозь барьер. Если нет, то она отразится. В квантовой механике можно преодолеть этот барьер, даже если кинетическая энергия частицы меньше потенциальной энергии барьера. Для релятивистских же частиц этот барьер почти не существует, он «прозрачен». Какие же свойства есть у структур из графена и его физических модификаций?

Графен. Источник: graphene-investors.com
Графен. Источник: graphene-investors.com

Из графена можно получить нанотрубку, то есть свернуть «лист» графена. В зависимости от того, как именно он свернут, нанотрубка может быть проводником или полупроводником. Нанотрубки-проводники характеризуются огромной плотностью тока, который могут через себя пропускать. Например, проводимость такой нанотрубки в четыре тысячи раз выше, чем у меди.

Также нанотрубки обладают высокой прочностью на разрыв, поэтому на них с надеждой смотрят конструкторы космического лифта. Согласно наиболее распространенной теории, сделать такой лифт можно с помощью троса, который будет протянут от поверхности Земли к орбитальной станции. Именно такой трос пытаются сделать из нанотрубок, однако рекорд по длине троса пока составляет 20 сантиметров. Дело в том, что у нанотрубок не должно быть дополнительных дефектов, а их структура должна быть очень равномерной, чтобы они сохранили свои свойства. 

Нанотрубка. Источник: gr.pcmag.com
Нанотрубка. Источник: gr.pcmag.com

Уже используются в индустрии композитные материалы из графеновых нанотрубок. Например, при добавлении графена пластик начинает проводить электричество, становится более прочным. Создаются специальные покрытия для судов, так как нанотрубки обладают гидрофобными свойствами. На их основе уже была создана гибкая электронная микросхема. Но одним из самых «раскрученных» полимеров с добавлением нанотрубок является вещество Vantablack. Оно состоит из множества нанотрубок, которые «насаждены» на алюминиевую подложку. Фотон, попадая в такой «лес» из нанотрубок, «теряется» там и практически не отражается. Вещество поглощает примерно 99,97% падающего света, из-за чего объекты, покрытые краской с этим веществом, полностью теряют видимую форму.

Графен подтолкнул ученых искать и исследовать другие двумерные структуры, которые могут обладать новыми удивительными свойствами. Также ведется работа по созданию многослойных структур, в которых каждый слой будет представлять собой отдельную двумерную структуру с необходимыми свойствами. Однако их реализация пока затруднена тем, что подходящих технологий для этого очень мало, но они будут развиваться, уверен Иван Иорш.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба