Blog

Mokslininkai praneša aptikę anksčiau „paslėptą“ vandens kritinį tašką itin atšaldyto vandens srityje, kai skystis dar neužšąla, bet jo struktūra pradeda elgtis neįprastai. Tyrimas papildo dešimtmečius trukusias diskusijas, kodėl vanduo, artėdamas prie ledo susidarymo, demonstruoja išskirtines fizines savybes.

Vanduo paprastai užšąla ties 0 laipsnių Celsijaus, tačiau tam tikromis sąlygomis jis gali išlikti skystas gerokai žemesnėje temperatūroje. Tokia būsena vadinama peršaldytu vandeniu, o jos matavimai ypač sudėtingi, nes pakanka menkiausio trikdžio, kad prasidėtų kristalizacija ir susiformuotų ledas.

Kas yra kritinis taškas?

Kritinis taškas fizikoje žymi ribą, kurioje medžiagos būsenos pereina viena į kitą taip, kad skirtumas tarp jų išnyksta, o sistemos svyravimai tampa itin ryškūs. Ilgą laiką buvo keliama hipotezė, kad peršaldytas vanduo gali egzistuoti dviejų skirtingų skystų fazių pavidalu: didelio tankio ir mažo tankio skystis.

Naujajame darbe tarptautinė mokslininkų grupė pateikė tiesiogines užuominas, kad toks skysčio ir skysčio virsmas yra realus, o dar svarbiau, jog egzistuoja kritinis taškas, už kurio vanduo pereina į vieną, bet molekuliniu lygmeniu labai nepastovią būseną. Tai padeda sukonkretinti, kur tiksliai slypi vadinamoji matavimų „niekieno žemė“, kai vanduo yra ant ribos tarp skysčio ir ledo.

„Ypatinga tai, kad spėjome atlikti neįtikėtinai greitus rentgeno matavimus dar prieš susidarant ledui ir pamatėme, kaip išnyksta skysčio ir skysčio virsmas bei atsiranda nauja kritinė būsena“, – sakė Stokholmo universiteto mokslininkas Andersas Nilssonas.

Kaip tai pavyko užfiksuoti?

Tyrime derinti du itin greiti metodai: staigus pašildymas infraraudonųjų spindulių lazeriais ir momentinės rentgeno „nuotraukos“, leidžiančios stebėti pokyčius labai trumpais laiko tarpais. Tyrėjai modeliuotai „pervedė“ paruoštą ledą per ribinę sritį, kurioje, kaip manoma, vanduo persitvarko tarp dviejų skystų būsenų.

Remiantis gautais duomenimis, kritinis taškas gali būti apie minus 63 laipsnius Celsijaus ir maždaug 1 000 atmosferų slėgyje. Nors tiksli vieta dar nėra galutinai nustatyta, ribos susiaurintos, todėl tolesni eksperimentai galės tiksliau patikrinti, kaip kinta vandens molekulinė sandara šioje zonoje.

„Dešimtmečius buvo keliamos prielaidos ir kuriamos skirtingos teorijos, o viena jų buvo kritinio taško egzistavimas. Dabar radome, kad toks taškas iš tiesų yra“, – sakė Andersas Nilssonas.

Kodėl tai svarbu ne tik fizikai?

Nors rezultatai skamba labai fundamentalūs, jie svarbūs suprantant vandens elgesį procesuose nuo cheminių reakcijų iki biologijos ir klimato sistemų. Vanduo išsiskiria tuo, kad ledas yra mažesnio tankio nei skystas vanduo, todėl plūduriuoja, o ši anomalija lemia, kaip užšąla ežerai, kaip išsilaiko ekosistemos ir kaip šiluma pasiskirsto gamtoje.

Tyrėjai pabrėžia, kad geresnis peršaldyto vandens supratimas gali padėti tikslinti modelius, taikomus atmosferos ir debesų mikrofizikai, taip pat aiškinantis vandens būsenas ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, kitose planetose ar jų palydovuose. Kitas žingsnis, pasak autorių, yra įvertinti, ką šis kritinis taškas reiškia platesniame fizinių, cheminių ir biologinių procesų kontekste.

„Kitas etapas yra išsiaiškinti, kokias pasekmes šie rezultatai turi vandens svarbai fiziniuose, cheminiuose, biologiniuose, geologiniuose ir su klimatu susijusiuose procesuose“, – sakė Andersas Nilssonas.

Tyrimas publikuotas žurnale Science, o Stokholmo universitetas atskirai pristatė eksperimentinius rezultatus ir jų reikšmę vandens fazių teorijoms. Mokslininkai neatmeta, kad būsimi matavimai leis dar tiksliau „pririšti“ kritinio taško koordinates ir patikrinti, kaip šis perėjimas susijęs su kitomis vandens anomalijomis.

Šaltiniai:
– https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2026-03-27-experimental-discovery-of-a-new-critical-point-in-water
– https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec0018

Fizikai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo reiškinį, kuris skamba provokuojančiai: šviesoje susiformuojančios „tamsos skylės“ gali judėti greičiau nei pati šviesa. Kalbama ne apie daleles ar energijos srautą, o apie vadinamąsias fazės singuliarijas, dar vadinamas optiniais sūkuriais.

Mokslininkai pabrėžia, kad tai neprieštarauja reliatyvumo teorijai, kuri teigia, jog jokie masę turintys objektai, energija ar informacija negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Šiuo atveju „greitis“ atsiranda dėl to, kaip kinta bangos raštas ir jo geometrija, o ne dėl fizinio signalo sklidimo.

Kas yra optinis sūkurys?

Šviesa gali būti aprašoma kaip banga, o tam tikromis sąlygomis jos bangos frontas gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Tokio susisukimo centre intensyvumas išnyksta, nes banga ten tarsi pati save panaikina, ir lieka nulinio ryškumo taškas.

Būtent tas nulinio intensyvumo taškas ir vadinamas fazės singuliarija. Analogiškas vaizdinys dažnai lyginamas su sūkuriu upėje: pats sūkurys nėra atskira medžiaga, tačiau jo padėtis ir struktūra gali judėti kitaip nei vanduo aplink.

Teoriškai tokio tipo singuliarijų elgsena fizikoje aptarinėjama jau nuo 1970-ųjų: prognozuota, kad dvi priešingo „krūvio“ singuliarijos, artėdamos viena prie kitos, gali įgauti labai didelį regimąjį greitį. Tačiau tiesiogiai stebėti tai realiame eksperimente ilgą laiką trukdė itin maži laiko ir erdvės masteliai.

Kaip pavyko tai pamatyti?

Tyrėjų komanda optinių sūkurių dinamiką fiksavo ne laisvai sklindančioje šviesoje, o medžiagoje, kuri leidžia suformuoti sudėtingus interferencijos raštus. Eksperimente naudota dvimatė medžiaga heksagoninis boro nitridas, kuriame gali sklisti fononų poliaritonai, mišrios prigimties bangos, susietos su šviesa ir kristalo gardelės virpesiais.

Šios bangos juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai „suspaustos“ erdvėje, todėl jose lengviau sukurti tankų sūkurių tinklą ir sekti jo pokyčius. Vis dėlto svarbiausia buvo ne vien terpė, bet ir matavimo metodas.

Komanda pasitelkė didelės spartos elektroninę mikroskopiją ir elektronų interferometriją, kuri leido pasiekti išskirtinę erdvinę ir laikinę skyrą. Procesai buvo fiksuojami itin trumpais intervalais, siekiančiais kelias kvadrilijonines sekundės dalis, o daugybė pakartotinių paleidimų leido sukonstruoti dinaminį vaizdą iš šimtų kadrų.

„Mūsų atradimas atskleidžia universalius gamtos dėsnius, bendrus visų tipų bangoms: nuo garso ir skysčių srautų iki sudėtingų sistemų, tokių kaip superlaidininkai“, – sakė fizikas Ido Kaminer.

Tyrimo metu buvo matyti, kaip sūkuriai artėja, susiduria ir „anihiliuoja“, o jų padėties kitimas trumpam pasiekia superšviesinius, tai yra greitesnius už šviesą, regimuosius greičius. Esminė detalė ta, kad tai neperneša nei energijos, nei informacijos, todėl pagrindinė reliatyvumo riba nėra pažeidžiama.

Kodėl tai svarbu praktikoje?

Tyrėjai teigia, kad nauji metodai gali tapti įrankiu, leidžiančiu tiksliau žemėlapiuoti itin greitus ir subtilius nanoskalės reiškinius medžiagose. Tokie procesai svarbūs kuriant naujas optoelektronikos, nanofotonikos ir pažangios mikroskopijos technologijas, kuriose lemia ne vien „kas yra“, bet ir „kaip greitai bei kaip tiksliai kinta“.

Taip pat akcentuojama, kad dabar pademonstruotas stebėjimas vyko dvimatėje sistemoje, o kitas žingsnis būtų išplėsti eksperimentus į sudėtingesnes geometrijas. Didesni matmenys galėtų atverti dar įvairesnį singuliarijų elgesį ir padėti geriau suprasti banginių reiškinių „paslėptą dinamiką“ skirtingose fizikos srityse.

„Manome, kad šios naujoviškos mikroskopijos technikos leis tirti paslėptus procesus fizikoje, chemijoje ir biologijoje, pirmą kartą atskleidžiant, kaip gamta elgiasi greičiausiomis ir sunkiausiai pagaunamomis akimirkomis“, – sakė Ido Kaminer.

Darbas publikuotas žurnale Nature.

Šaltiniai:
– https://www.nature.com/articles/s41586-026-10209-z
– https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/
– https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_vortex
– https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon_polariton

Mokslininkai praneša apie reikšmingą proveržį saulės energijos tyrimuose: laboratoriniais bandymais pasiekta 130 proc. vadinamoji kvantinė išeiga. Tai nereiškia, kad saulės panelė elektrą gamintų 130 proc. efektyvumu, tačiau rodo, jog vienam sugertam šviesos fotonui pavyko sukurti daugiau nei vieną naudingą sužadintą būvį.

Tyrime nagrinėjama, kaip peržengti klasikinį saulės elementų ribojimą, kai dalis šviesos energijos neišvengiamai prarandama šilumos pavidalu. Būtent šie nuostoliai yra viena priežasčių, kodėl vienos sandūros saulės elementų teorinė riba dažnai siejama su maždaug 33 proc. efektyvumu, vadinamu Shockley–Queisser riba.

Pagrindinis naujo metodo principas yra singletinis skilimas, kai vieno fotono sužadinta būsena gali būti padalijama taip, kad susidaro du sužadinti būviai, vadinami eksitonais. Tokiu būdu iš vieno energijos paketo potencialiai „išspaudžiama“ daugiau naudos, o perteklinė energija mažiau prarandama kaip šiluma.

„Turime dvi pagrindines strategijas peržengti šią ribą: arba mažos energijos infraraudonuosius fotonus paversti didesnės energijos regimosios šviesos fotonais, arba, kaip šiame darbe, panaudoti singletinį skilimą, kad iš vieno fotono sukurtume du eksitonus“, – sakė chemikas Yoichi Sasaki iš Kyushu universiteto.

Tyrėjai kaip organinę medžiagą pasirinko tetraceną, kuris yra tinkamas singletinio skilimo procesui. Vis dėlto ankstesniuose bandymuose dažnai kildavo problema, kad energija „pabėgdavo“ dar nespėjus įvykti norimai dauginimo reakcijai, todėl reikėjo sprendimo, kaip greitai ir selektyviai perimti susidariusius būvius.

Šioje vietoje svarbų vaidmenį suvaidino molibdeno kompleksai. Sumaišius tetraceną su molibdeno junginiais, komanda parodė galinti efektyviau „pagauti“ po skilimo susidariusius eksitonus ir nukreipti procesą taip, kad vienam sugertam fotonui vidutiniškai tektų 1,3 sužadinto būvio, išreikšto metalų kompleksų sužadinimu.

„Energija gali būti lengvai perimta mechanizmu, vadinamu Försterio rezonansiniu energijos perdavimu, dar prieš įvykstant dauginimui, todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai sugauna po skilimo padaugintus tripletinius eksitonus“, – sakė Y. Sasaki.

Vis dėlto autoriai pabrėžia, kad tai ankstyvos stadijos laboratoriniai bandymai tirpale, o iki realaus pritaikymo saulės moduliuose laukia sudėtingi inžineriniai žingsniai. Reikės šią sistemą patikimai perkelti į kietąją būseną, užtikrinti stabilumą, ilgaamžiškumą ir tai, kad sukaupta energija būtų išlaikoma pakankamai ilgai, kad ją būtų galima efektyviai panaudoti.

Tokie tyrimai svarbūs platesniame kontekste, nes saulės energetika laikoma viena pagrindinių technologijų mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro. Jei pavyktų praktiškai padidinti saulės elementų našumą virš šiandien įprastų ribų, tai galėtų paspartinti pigesnės elektros gamybą ir sumažinti reikiamą panelių plotą tam pačiam energijos kiekiui išgauti, ypač derinant su pažangesnėmis energijos kaupimo technologijomis.

Ką reiškia 130 proc. kvantinė išeiga?

Kvantinė išeiga apibūdina, kiek kartų norimas įvykis įvyksta vienam sugertam fotonui. Šiuo atveju kalbama ne apie visos panelės elektros konversijos procentą, o apie fotono energijos panaudojimą kvantiniu lygiu, kai vienas sugertas fotonas gali inicijuoti daugiau nei vieną sužadinimą sistemoje.

Toks rezultatas laikomas svarbiu įrodymu, kad egzistuoja realus kelias apeiti dalį fundamentalių nuostolių, kurie riboja tradicines schemas. Tačiau rinkoje matomi pokyčiai priklausys nuo to, ar bus įmanoma sukurti pigias, stabilias ir masinei gamybai tinkamas medžiagas, kurios išlaikytų šiuos efektus kasdienėmis eksploatavimo sąlygomis.

Tyrimas publikuotas Journal of the American Chemical Society.

Šaltiniai:
– https://doi.org/10.1021/jacs.5c20500
– https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/377
– https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit
– https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_yield

Mokslininkai praneša apie svarbų pasiekimą tamsiosios materijos paieškose: Kanados SNOLAB požeminėje laboratorijoje įrengtas eksperimentas „SuperCDMS“ sėkmingai pasiekė darbinę, itin žemą temperatūrą. Tai laikoma kritiniu etapu prieš pradedant pilnavertį detektorių derinimą ir duomenų rinkimą artimiausiais mėnesiais.

„SuperCDMS“ įrengtas giliai po žeme netoli Sadberio, kad būtų maksimaliai sumažintas kosminių spindulių ir natūralios aplinkos radiacijos triukšmas. Tokie foniniai signalai gali užgožti ypač silpnus reiškinius, kurių ieškoma bandant aptikti tamsiosios materijos daleles.

Tamsioji materija yra viena didžiausių šiuolaikinės kosmologijos mįslių: pagal stebėjimus ji turėtų sudaryti apie 85 proc. visos Visatos materijos, tačiau tiesioginių jos aptikimo įrodymų iki šiol nėra. Idėja apie nematomą masę sustiprėjo dar praėjusio amžiaus antroje pusėje, kai galaktikų sukimosi greičiai parodė, kad matomos medžiagos gravitacijos nepakanka paaiškinti jų dinamikai.

Temperatūra, atverianti naują jautrumą

Esminis žingsnis šiam eksperimentui buvo pasiekti vadinamąją bazinę temperatūrą, kuri yra tūkstantosios laipsnio dalies virš absoliutaus nulio. Tokiose sąlygose detektorių viduje sumažėja šiluminiai virpesiai, todėl tampa įmanoma registruoti itin mažus energijos impulsus, potencialiai kylančius nuo retų dalelių sąveikų.

„Bazinių temperatūrų pasiekimas yra didžiulis etapas daugiametėje kampanijoje kuriant mažo fono infrastruktūrą, kurioje veiks mūsų jautrūs kriogeniniai kietojo kūno detektoriai“, – sakė „SuperCDMS“ atstovė spaudai, Minesotos universiteto profesorė Priscilla Cushman.

„Tokiose žemose temperatūrose mūsų įdiegti detektoriai gali ištirti visiškai naują parametrų sritį, kur gali slėptis lengviausios tamsiosios materijos dalelės“, – sakė P. Cushman.

Kaip veikia „SuperCDMS“?

Eksperimento šerdis yra jautrūs detektoriai, įrengti masyviame, kelių metrų dydžio cilindriniame skyde iš itin grynų medžiagų sluoksnių. Šis skydas skirtas apsaugoti nuo neutronų, gama spinduliuotės ir kitų dalelių, kurios gali sukurti klaidingus signalus.

Pasiekus reikiamą temperatūrą, komanda pereina prie kelių mėnesių truksiančio detektorių paleidimo ir kalibravimo. Šiame etape bus tikrinami kanalai, optimizuojami nustatymai ir vertinama, ar sistema stabiliai veikia itin mažo triukšmo režimu.

Kur link juda tamsiosios materijos paieškos

Pastaraisiais metais didelė dalis eksperimentų, ieškančių vadinamųjų WIMP tipo dalelių, nepateikė patvirtinančių rezultatų, todėl mokslininkai vis aktyviau plečia paieškas į mažesnių masių sritį. „SuperCDMS“ yra projektuojamas būtent taip, kad būtų ypač jautrus silpnesniems, lengvesniems kandidatams, kurių signalai anksčiau galėjo būti tiesiog per menki aptikimui.

Svarbi dalis bus ir duomenų analizė: Minesotos universiteto tyrėjai prisidėjo kurdami DI paremtus metodus bei analizės technikas, kurios vėliau padės greičiau atskirti galimus retus signalus nuo foninių reiškinių. Be tamsiosios materijos, tokio lygio jautrumas gali praversti tiriant retus izotopus ir naujus dalelių sąveikos scenarijus, kai energijos pokyčiai yra itin maži.

Nors tai dar nėra tamsiosios materijos aptikimas, bazinės temperatūros pasiekimas reiškia, kad vienas technologiškai sudėtingiausių etapų įveiktas. Artimiausias išbandymas bus stabilus darbas realiomis sąlygomis ir tai, ar itin mažo fono aplinka leis užfiksuoti reiškinius, kurių mokslas laukia dešimtmečius.

Šaltiniai:

– https://cse.umn.edu/college/news/experiment-reaches-critical-temperature-unlock-search-dark-matter

– https://supercdms.slac.stanford.edu/

– https://www.snolab.ca/

– https://science.nasa.gov/universe/dark-matter-dark-energy/dark-matter/

Fizikai ir inžinieriai praneša aptikę reiškinį, kuris keičia įprastą supratimą apie skysčius: tam tikromis sąlygomis jie gali ne tik tekėti ir temptis, bet ir staiga lūžti tarsi kietos medžiagos. Tyrėjai nustatė aiškų lūžio tašką, kai skystis, veikiamas pakankamai didelės įtempio koncentracijos, staiga „perskyla“.

Atradimą atliko Drexel University mokslininkai, dirbę kartu su „ExxonMobil“ tyrėjais. Bandymuose buvo tiriama, kaip klampūs skysčiai elgiasi esant didelėms apkrovoms, o rezultatas iš pradžių atrodė kaip įrangos gedimas, nes lūžį lydėjo ryškus spragtelėjimas.

„Lūžis sukėlė labai garsų spragtelėjimą, kuris mane net išgąsdino“, – sakė Drexel University chemijos inžinierė Thamires Lima.

Kas buvo išbandyta laboratorijoje

Eksperimente skystis buvo įspraudžiamas tarp dviejų metalinių plokštelių ir tempiamas, o procesas filmuojamas didelio greičio kamera. Pirmasis lūžis užfiksuotas klampiame, degutą primenančiame angliavandenilių mišinyje, vėliau analogiškas elgesys pastebėtas ir kitoje medžiagoje, vadinamoje stireno oligomeru.

Tyrėjai pabrėžia, kad reiškinį patikrino pakartotiniais bandymais. Įdomu tai, kad lūžis pasireiškė pasiekus vadinamąjį kritinį įtempį, o ne vien dėl tempimo greičio: klampesni skysčiai gali skilti ir tempiami lėčiau, tačiau pati kritinė riba, panašu, išlieka panaši.

„Tai, ką stebėjome, buvo taip netikėta, kad patvirtinus reiškinį tyrimas virto visiškai kitu moksliniu darbu“, – sakė Drexel University chemijos inžinierius Nicolas Alvarez.

Kodėl tai svarbu pramonei ir medicinai

Skysčių lūžio mechanika gali turėti praktinių pasekmių technologijoms, kuriose skysčiai patiria didelius vietinius įtempius, pavyzdžiui, rašalinių spausdintuvų galvutėse, pluošto formavime ar pažangioje 3D spausdinimo įrangoje. Tokiose sistemose svarbu tiksliai prognozuoti, kada medžiaga išlaikys vientisumą, o kada staiga praras struktūrą.

Mokslininkai taip pat atkreipia dėmesį į biologines sistemas: kraujas, gleivės ir kiti kūno skysčiai dažnai yra klampūs ir sudėtingos sudėties, todėl vietinės įtempių koncentracijos gali turėti įtakos mikrocirkuliacijai ar medicinos prietaisų veikimui. Nors dabar stebėtas efektas buvo fiksuotas laboratorinėmis sąlygomis, jo principai gali padėti geriau suprasti, kaip skysčiai elgiasi ekstremaliose situacijose.

Kas gali vykti skysčio viduje

Tyrėjų duomenimis, įtrūkiai plito itin greitai, maždaug 500–1 500 metrų per sekundę greičiu. Toks greitis siejamas su kavitacija, kai dėl didelio įtempio skystyje susiformuoja labai maža vakuumo pūslelė, galinti tapti lūžio pradžia ir „praplėšti“ skystį.

Mokslininkai pabrėžia, kad ankstesniuose darbuose skysčių „trūkinėjimas“ buvo siejamas su specifinėmis būsenomis, pavyzdžiui, stipriu atšaldymu ar ypatingais mišiniais. Šį kartą naujumas tas, kad kalbama apie paprastus, tekėti galinčius skysčius ir apie aiškiai apibrėžiamą kritinę ribą, pasiekiamą vien dėl pakankamai didelio įtempio plote.

„Mūsų rezultatai rodo, kad pakankamai didele jėga, tenkančia ploto vienetui, tempiamas paprastas skystis pasiekia kritinį įtempį ir tada iš tiesų lūžta kaip kietas kūnas“, – sakė T. Lima.

Tyrėjai priduria, kad kitas žingsnis bus tiksliau paaiškinti, kodėl taip nutinka, ir patikrinti, kaip šis elgesys pasireiškia kituose skysčiuose bei realiomis, ne laboratorinėmis sąlygomis. Jei reiškinys būtų plačiai pritaikomas, jis galėtų pakeisti kai kurių procesų modeliavimą ir saugos ribas pramonėje, kur klampūs skysčiai patiria dideles apkrovas.

Rezultatai paskelbti mokslo žurnale Physical Review Letters.

Šaltiniai:

– https://drexel.edu/news/archive/2026/March/liquid-breaking-point

– https://doi.org/10.1103/t2vy-32wr

Nauji teoriniai skaičiavimai kelia provokuojančią hipotezę: tamsioji materija, kuri, kaip manoma, sudaro apie 85 proc. visos Visatos materijos, galėtų būti ne dalelės, o senoviniai juodųjų skylių likučiai, atsiradę dar iki Didžiojo sprogimo. Toks scenarijus reikštų, kad Didysis sprogimas galėjo būti ne absoliuti pradžia, o perėjimas iš ankstesnės kosminės fazės.

Tamsioji materija tiesiogiai nespinduliuoja ir nesugeria šviesos, tačiau jos buvimas matomas iš gravitacinio poveikio galaktikų sukimui, spiečių dinamikai ir didelio masto Visatos struktūrai. Standartiniame modelyje dažniausiai svarstoma, kad tai dar neatrasta elementari dalelė, bet iki šiol tiesioginiuose paieškos eksperimentuose jos aptikti nepavyko.

Atšokimo Visata vietoj pradžios

Siūloma alternatyva remiasi vadinamąja atšokimo kosmologija. Joje Visata prieš dabartinį plėtimosi etapą galėjo trauktis, pasiekdama labai didelį, bet baigtinį tankį, o tada ne „subyrėti“ į singuliarumą, bet pereiti į plėtimąsi per kvantinės fizikos nulemtą perėjimą.

Didžiojo sprogimo modelis išlieka itin sėkmingas aiškinant kosminį mikrobangų foną ir galaktikų pasiskirstymą, tačiau bendrojo reliatyvumo teorijoje pati pradžia dažnai siejama su singuliarumu. Dalis fizikų singuliarumą laiko ženklu, kad ankstyviausiose stadijose trūksta pilnos teorijos, kuri suderintų gravitaciją ir kvantinę mechaniką.

Kaip galėjo išlikti senoviniai objektai

Atšokimo scenarijuje esminė mintis ta, kad dalis struktūrų galėtų „pereiti“ per perėjimą tarp traukimosi ir plėtimosi. Tyrime teigiama, kad pakankamai dideli dariniai galėjo išlikti, o tarp jų kandidatai būtų juodosios skylės, gravitacinės bangos ir tankio netolygumai.

Modeliuose pabrėžiama kvantinės fizikos idėja, jog ekstremaliuose tankiuose materija gali sukurti slėgį, priešinantįsi tolesniam suspaudimui. Panašūs principai astrofizikoje siejami su degeneraciniu slėgiu, kuris, pavyzdžiui, stabilizuoja baltąsias nykštukes ir neutronines žvaigždes, nors kosmologiniame kontekste tai taikoma gerokai abstrakčiau.

Reliktinės juodosios skylės šiame paveiksle atsirastų dviem keliais: dalis kompaktiškų objektų galėtų tiesiog išgyventi traukimosi fazę, o dalis galėtų susiformuoti netrukus po atšokimo, kai anksčiau susitelkusi materija efektyviai subyrėtų į juodąsias skyles. Tokie objektai būtų „tamsūs“, bet turėtų masę, todėl iš principo atitiktų tamsiosios materijos požymius.

Ryšys su James Webb atradimais

Hipotezė siejama ir su vienu ryškiausių pastarųjų metų astronomijos galvosūkių. James Webb kosminis teleskopas ankstyvojoje Visatoje užfiksavo kompaktiškų, neįprastai raudonų ir ryškių objektų populiaciją, kuri dėl savo savybių kai kuriuose darbuose vadinama mažais raudonais taškais.

Dalis tyrėjų šiuos šaltinius sieja su sparčiai augančiomis juodosiomis skylėmis, galėjusiomis tapti supermasyvių juodųjų skylių, šiandien randamų galaktikų centruose, užuomazgomis. Problema ta, kad standartiniams scenarijams kartais sunku paaiškinti, kaip tokie masyvūs „sėklų“ objektai galėjo susiformuoti taip anksti.

Reliktinių juodųjų skylių idėja siūlo paprastą kryptį: jei masyvios užuomazgos egzistavo iš karto po atšokimo, ankstyvajai Visatai nereikėtų „pradėti nuo nulio“. Vis dėlto tai dar nėra įrodymas, o tik viena iš galimų interpretacijų, kuriai būtini testai su stebėjimais.

Tyrėjai pabrėžia, kad tokią kosmologinę schemą privaloma tikrinti nepriklausomais duomenimis: kosminio mikrobangų fono matavimais, didelio masto galaktikų žemėlapiais, gravitacinių bangų fono paieškomis ir astrofiziniais apribojimais, kiek juodųjų skylių apskritai galėtų sudaryti tamsiąją materiją. Kol kas tai išlieka teorinis pasiūlymas, bet jis primena, kad tamsiosios materijos mįslė vis dar atvira ir gali pareikalauti netikėtų atsakymų.

Šaltiniai:
https://theconversation.com/could-dark-matter-be-made-of-black-holes-from-a-different-universe-278469
https://science.nasa.gov/mission/webb/
https://science.nasa.gov/universe/dark-matter/
https://esawebb.org/

Mokslininkai pademonstravo, kad infraraudonąją šviesą galima patikimai sulaikyti itin ploname, vos 42 nanometrų storio sluoksnyje. Tai maždaug 2 000 kartų ploniau nei žmogaus plaukas, todėl pasiekimas laikomas reikšmingu žingsniu kuriant vis mažesnius ir tikslesnius fotoninius įrenginius.

Tyrimą atliko Varšuvos universiteto komanda, o rezultatai publikuoti mokslo žurnale ACS Nano. Darbas svarbus ne vien dėl rekordinio mastelio: infraraudonosios šviesos bangos ilgis yra didesnis nei regimosios, tad ją suvaldyti mažose struktūrose paprastai gerokai sunkiau.

Kas leido sulaikyti šviesą

Pagrindinis sprendimas buvo medžiaga ir jos mikrostruktūra. Tyrėjai sukūrė itin ploną molibdeno diselenido sluoksnį, pasižymintį dideliu lūžio rodikliu, kuris leidžia efektyviai „lenkti“ ir lėtinti šviesą, taip sudarant sąlygas ją lokalizuoti.

Plonas sluoksnis buvo pagamintas molekulinių pluoštų epitaksijos metodu, kuris leidžia auginti labai tikslius atominius sluoksnius. Ant šios plėvelės suformuotos mikroskopinės juostelės, o tarpai parinkti taip, kad būtų mažesni už infraraudonosios šviesos bangos ilgį, todėl šviesos laukas gali būti sutelkiamas ypač mažoje erdvėje.

Bound state in the continuum efektas

Dar vienas esminis elementas buvo vadinamoji surištoji būsena kontinuume, kai banga lieka „užrakinta“ struktūroje, nors energetiškai egzistuoja sąlygos jai išspinduliuoti į aplinką. Tokį režimą pasiekti galima tik labai tiksliai suprojektavus geometriją, todėl prieš gamybą buvo atliktas detalus modeliavimas.

„Rezultatai atveria kelią plokštiems, itin kompaktiškiems sprendimams, skirtiems lazeriams, bangos fronto valdymui ir sudėtingesnėms topologinėms šviesos būsenoms“, – rašė tyrėjai.

Kodėl tai svarbu technologijoms

Tokie sprendimai laikomi svarbiais fotonikai, kur informacija apdorojama ne elektronais, o fotonais. Teoriškai tai galėtų padėti mažinti šilumos nuostolius ir didinti duomenų apdorojimo spartą, tačiau praktikoje vis dar trūksta patikimų būdų šviesą stabiliai valdyti mikroskopiniu masteliu.

Tyrėjai pabrėžia, kad iki masinės gamybos dar yra kliūčių. Plėvelių auginimo procesas nebuvo idealus, todėl paviršiaus netolygumai buvo šalinami papildomu apdorojimu, tačiau pati metodika rodo, kad panašius fotoninius elementus galima kurti ir iš kitų itin plonų medžiagų.

Molibdeno diselenidas priklauso pereinamųjų metalų dichalkogenidų šeimai, kuri laikoma perspektyvia naujos kartos plonųjų sluoksnių fotonikai ir optoelektronikai. Jei bus patobulinta jų gamyba ir struktūrų formavimas, tai galėtų paspartinti metasluoksnių, ultrakompaktiškų jutiklių ir naujų šviesos valdymo elementų kūrimą.

Šaltiniai:

– https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12870

– https://www.nature.com/articles/natrevmats201648

– https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.33

Laiką įprasta suvokti kaip pastovų ir vienakryptį, tačiau šiuolaikinė fizika vis dažniau kelia klausimą, ar tai tik mūsų kasdienės patirties iliuzija. Naujas fizikos tyrėjų darbas rodo, kad itin tikslūs optiniai atominiai laikrodžiai ateityje galėtų padėti aptikti kvantinį laiko elgesį, kurio iki šiol niekas tiesiogiai nematavo.

Idėja remiasi mintimi, kad kvantiniame pasaulyje kai kurios „klasikinės“ sąvokos gali veikti kitaip, nei esame įpratę. Tyrėjai svarsto scenarijų, kuriame laikas nebūtinai „tiksėtų“ vienodu tempu, o tam tikromis sąlygomis galėtų būti superpozicijoje, tai yra tuo pačiu metu egzistuotų keli galimi laiko tėkmės greičiai.

Kas keičiasi nuo Niutono iki Einšteino

Istoriškai laikas ilgai buvo laikomas absoliučiu dydžiu, kaip jį aprašė Izaokas Niutonas. Vėliau Alberto Einšteino reliatyvumo teorija parodė, kad laikas yra santykinis ir priklauso nuo judėjimo greičio bei gravitacijos, todėl skirtingi stebėtojai gali matuoti nevienodą laiko tėkmę.

Šis reliatyvistinis laiko lėtėjimas yra patvirtintas eksperimentiškai ir taikomas praktikoje. Pavyzdžiui, pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos turi koreguoti laikrodžius, nes dėl gravitacijos ir judėjimo efektų jų laikas skiriasi nuo Žemėje esančių laikrodžių, o be pataisų navigacijos paklaidos sparčiai augtų.

Optiniai laikrodžiai ir kvantinis laikas

Tyrėjai dėmesį sutelkia į optinius atominius laikrodžius, kurie laiką matuoja naudodami optinio dažnio šviesą, o ne mikrobangų signalus. Toks metodas leidžia pasiekti milžinišką stabilumą ir jautrumą, todėl laikrodžiai tampa ne tik metrologijos įrankiu, bet ir subtilių fizikos reiškinių detektoriumi.

Vienas svarbiausių siūlomų testų yra kvantinė laiko superpozicija, kai vienas laikrodis teoriškai galėtų „užfiksuoti“ ne vieną, o kelias laiko reikšmes. Straipsnyje aptariama, kad skirtumai galėtų būti itin maži, attosekundžių masto, todėl būtent optiniai laikrodžiai laikomi realistiška priemone tokiems efektams ieškoti.

„Pagal kvantinę teoriją gali būti situacijų, kai laikas nekinta vienu pastoviu greičiu: jis gali būti superpozicijoje ir tekėti skirtingais tempais tuo pačiu metu“, – sakė fizikas Igoris Pikovski.

Kita aptariama kryptis yra susietumas, kai kvantinės sistemos būsenos tampa tarpusavyje susijusios taip, kad vienos dalies pokyčiai koreliuoja su kitos dalies matavimais. Tyrėjai kelia prielaidą, kad laikas ir judėjimas tam tikrose kvantinėse sąlygose taip pat galėtų tapti susieti, o tai atvertų naują būdą tikrinti ribą tarp reliatyvumo ir kvantinės mechanikos.

Kaip tai būtų galima išmatuoti

Tyrime nagrinėjama ir vadinamoji kvantinė suspaudimo technika, kuri leidžia sumažinti vienų matuojamų dydžių triukšmą kito dydžio sąskaita. Tokie metodai jau naudojami itin tiksliuose matavimuose, o laikrodžiuose teoriškai galėtų padėti „išryškinti“ menkas kvantines fluktuacijas, kurios kitaip paskęstų foniniame triukšme.

Autoriai pabrėžia, kad ne visi prognozuojami efektai šiuo metu yra lengvai pasiekiami, nes kvantiniai signalai gali būti labai trapūs. Vis dėlto dalis siūlomų eksperimentų, remiantis dabartine joninių ir optinių laikrodžių technologijų pažanga, gali būti realistiški ir artimiausiais metais.

Jei kvantinis laiko elgesys būtų aptiktas, tai būtų ne tik sensacingas rezultatas, bet ir naujas įrankis fundamentaliems klausimams spręsti. Tokie matavimai galėtų suteikti eksperimentinių užuominų, kaip ateityje kurti kvantinę gravitacijos teoriją, kurioje laikas ir gravitacija nebūtų laikomi vien tik klasikiniu fonu.

„Mūsų kasdienės realybės nuostatos gali būti klaidinančios: kvantinė teorija ne tik keista, ji rodo visai kitokią fundamentalią visatos sandarą, nei diktuoja kasdienė patirtis“, – sakė I. Pikovski.

Darbas publikuotas žurnale Physical Review Letters.

Šaltiniai:
– https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.160201
– https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/atomic-clocks
– https://www.bipm.org/en/time-frequency/tai
– https://www.gps.gov/systems/gps/performance/accuracy/