18.09.2022. - Как квантовые физики ищут жизнь на экзопланетах

Как квантовые физики ищут жизнь на экзопланетах

Мир, который квантовые физики изучают натренированным глазом, — это тот же самый мир, в котором мы, неученые, блуждаем каждый день. Единственная разница в том, что он был увеличен до непостижимо малых и больших масштабов. Тем не менее, квантовая физика остается во многом темной темой — даже для проницательных в науке читателей. News@Northeast побеседовал с Грегори Фиете, профессором физики Северо-Восточного университета, о некоторых широких применениях квантовых исследований, от разработки возобновляемых источников энергии и создания более мощных компьютеров до продвижения человечества в поисках жизни за пределами Солнечной системы. Комментарии Fiete были отредактированы для краткости и ясности.

Для начала давайте познакомим нашу аудиторию с характером вашей работы, заглянув в бесконечно малый мир. Каковы некоторые неправильные представления о работе квантовых физиков, таких как вы, и почему это важно?

Вы упомянули квант и мир малого. Это то, о чем думает большинство людей, когда они думают о квантовой механике и о том, как развивались некоторые из ранних основ квантовой теории, которые рассматривали атом водорода и его дискретные энергетические уровни, которые вы можете наблюдать экспериментально, глядя на спектры. или как он поглощает и излучает свет, например.

[Атом водорода] поглощает и излучает на определенных частотах, и теперь мы понимаем, что это происходит из-за квантовой природы атома — существуют только определенные разрешенные орбиты электрона вокруг ядра. Таким образом, мы склонны думать о квантовой механике с точки зрения этого очень важного раннего примера атома водорода, и поэтому мы предвзято думаем, что квантовая механика связана с малым. Но на самом деле дело вовсе не в малом.

Возьмем, к примеру, солнце. Солнце очень большое — это самый большой объект в нашей Солнечной системе; наши планеты вращаются вокруг него по орбитам из-за его гравитационного притяжения.

Принцип работы Солнца заключается в сжигании водорода. Его гравитационное притяжение настолько велико, что он превращает водород в гелий, а затем гелий в другие элементы. Это сплав атомов вместе, и этот процесс синтеза является квантовым явлением, и он стоит за одной из больших энергетических задач, решаемых здесь, на Земле, известной как устойчивый синтез. Это просто взять водород и скомбинировать его в гелий — если мы сможем сделать это на Земле в магнитном удержании, тогда у нас будет чистый и возобновляемый источник энергии.

Существует практически неограниченное количество водорода, которое можно комбинировать, а гелий не радиоактивен. Таким образом, мы могли бы производить много энергии из вещей, которых более или менее бесконечно много, не производя отходов в виде радиоактивных материалов. Это мечта, над которой работают физики. Итак, некоторые из самых больших вещей во Вселенной, безусловно, являются квантово-механическими, включая сверхмассивные черные дыры, которые могут терять энергию из-за квантового явления, известного как излучение Хокинга.

Во-вторых, часто думают, что квантовая теория имеет дело с очень низкими температурами. Опять же, возьмем в качестве примера наше Солнце — оно очень горячее, но это квантовая механика. Низкая температура не служит требованием для кванта. Этот пример звезды и квантовость процесса синтеза и связанные с этим высокие температуры — я просто хочу расширить представление о том, что такое квантовая механика и насколько она вездесуща.

Когда мы пишем о работе, которую делаете вы и ваши коллеги, всегда есть реальные приложения. Можете ли вы рассказать о некоторых способах, которыми квантовые физики стимулируют технологические достижения за пределами своей области?

Я назову несколько моих любимых технологий. Одна из вещей, которая действительно волнует меня в квантовой физике, — это ее использование для того, что я называю «криминалистикой» или квантовой криминалистикой, если хотите.

Поскольку такие вещи, как атомы, имеют связанные с ними дискретные энергетические уровни, оказывается, что это можно использовать для идентификации атомов. Если вы сравните уровни энергии, разрешенные для водорода, и уровни энергии, разрешенные для гелия или любого другого элемента, они будут разными. Если бы у вас был какой-нибудь газ, вы могли бы определить, какие атомы входят в этот газ, по тому, как он поглощает и излучает свет. Это имеет большое практическое значение, если вас интересует что-то далекое, например, планета, вращающаяся вокруг звезды, которая не принадлежит нам.

Есть фантастическое поле экзопланет, которые мы открываем с помощью мощных телескопов, обнаруживая эти планеты, движущиеся между звездами и нашей Землей. Наши телескопы — некоторые из них подключены к спутникам с невероятным частотным разрешением и чувствительностью — настолько мощны, что мы можем наблюдать за тонким слоем атмосферы вокруг этих планет и за тем, как через него проходит свет от звезды. Затем мы используем технику спектроскопии и видим, как свет от звезды позади поглощается атмосферой этой планеты, которая может быть в тысячах световых лет от нас. Таким образом, мы можем определить, какие атомы находятся в атмосфере.

Это довольно интересно. Но это идет дальше. Мы также можем определить, какие там молекулы. Например, два атома водорода присоединены к одному атому кислорода? Другими словами, есть ли вода в атмосфере? Молекулы имеют свою собственную спектроскопическую сигнатуру. Таким образом, мы действительно можем определить, есть ли вода в атмосфере некоторых из этих планет, и это действительно захватывающе.

Тем не менее, мы можем сделать еще один шаг вперед. Когда речь идет о температурах, тогда эти спектральные линии, как их называют, эти специфические частоты уширяются. Есть что-то вроде диапазона частот, где вы видите поглощение и излучение. А величина расширения говорит вам о температуре молекулы — другими словами, о температуре атмосферы этих планет.

Удивительно, что мы можем определить, что находится в атмосферах этих планет — планет, которые люди никогда не смогут посетить. Это, и мы можем искать признаки жизни, например, есть ли молекулы, которые мы связываем с жизнью, плавающей вокруг этих планет, по крайней мере, если это земная жизнь; тогда мы могли бы с некоторой вероятностью определить, что какая-то планета далеко от нас, которую никогда не сможет посетить ни один человек, содержит жизнь. Или, может быть, мы могли бы обнаружить другие формы жизни-кандидаты. Это очень вдохновляющий пример, и он в конечном счете опирается на квантовую физику и технику спектроскопии.

Еще один пример, который, как мне кажется, также представляет большой интерес, заключается в том, что квантовая физика создает источники энергии, недоступные солнечной энергии. Поэтому, когда вы отправляете зонд в глубокий космос, чтобы посмотреть на внешние планеты нашей Солнечной системы, скажем, на Плутон (технически он больше не считается планетой). Если вы хотите посмотреть на Плутон, вы отправляете зонд в дальний космос — на то, чтобы добраться туда, уходят годы. Вы можете спросить, какой источник питания у вас может быть для компьютеров на этом зонде, чтобы вы могли отправлять обратно красивые изображения, которые мы видим? Ну, можно поставить аккумулятор. Чтобы добраться туда, потребуются годы, в космосе много радиации, и батареи могут выйти из строя; они могут не функционировать должным образом, когда их запускают через все тепловые вариации, исходящие из атмосферы, холод космоса и т. д. Это не очень практично. Недостаточно солнечного света, который можно собрать с помощью солнечных батарей, чтобы запустить компьютерные системы и отправить изображения обратно.

Так как же питают компьютеры этих космических зондов? Они используют радиацию. Они используют радиоактивный материал, а радиоактивность — это еще один квантовый процесс, при котором тяжелые элементы распадаются на более легкие; когда они это делают, они выбрасывают части своего ядра. Но эти выброшенные части ядра несут энергию, которую можно захватить.

Есть материалы, некоторые из которых очень близки к вещам, над которыми я работаю, которые называются термоэлектрическими материалами. Они берут регионы с высокими температурами и связывают их с регионами с низкими температурами, преобразуя эту разницу температур между высокими и низкими температурами в напряжение, которое затем действует как батарея. Если у вас есть напряжение в электрической системе, теперь вы можете перемещать токи и управлять компьютером или электрическими цепями более или менее обычным способом.

Это все очень интересно. Похоже, что квантовая физика действительно является фундаментальной работой, которая, помимо других технологий, направлена на преобразование нашей энергетической инфраструктуры. Это правильный способ думать об этом?

Да все верно. Это отличный момент — подумать об изменении климата и возобновляемых источниках энергии, а также о технологиях, которые не загрязняют окружающую среду.

Если мы на мгновение задумаемся об энергии, как, например, когда мы обсуждали пример термоядерного синтеза, который является зеленой технологией, при условии, что мы сможем заставить его работать. Если мы отойдем от термоядерного синтеза, прямо сейчас есть другие зеленые технологии. Возьмем ветряки. Какое отношение ветряные турбины имеют к квантовой физике? Принцип работы ветряных турбин заключается в том, что в них есть магнит, прикрепленный к гребным винтам, когда ветер их вращает, а вращение магнита генерирует электрический ток. Вот как вы производите электричество: вы крутите магнит внутри катушки проводов.

Но вопрос в том, какой магнит использовать? Так вот где фундаментальные исследования — на самом деле исследования, в которых я в какой-то степени участвую в Северо-Восточном университете — вступают в игру: размышления о магнитных системах, которые могли бы иметь желаемые свойства для приложений, таких как ветряные турбины.

Вам нужен очень прочный магнит, который должен выдерживать высокие температуры, то есть намного выше комнатной температуры, потому что он может нагреваться там, где на него светит солнце. Он также должен обладать свойствами, достаточно прочными, чтобы выдерживать любые деформации и напряжения, когда он вращается в этой турбинной системе. Это так называемые жесткие магниты. Так как же разработать лучшие магниты? Это квантовый вопрос.

В качестве последней мысли, мне интересно, каковы ваши большие надежды на ваши исследования и на поле. Что бы вы хотели, чтобы произошло в вашей жизни, и есть ли какие-то достижения, к которым мы приближаемся?

Это сложный вопрос, который задают все в этой области: какие достижения мы действительно находимся на пороге? Хорошо цитируемый пример — квантовые вычисления. Наличие квантового компьютера не решит все вычислительные проблемы, о которых можно только мечтать. Оказывается, квантовые компьютеры особенно хорошо справляются с определенными классами задач, где они могут обеспечить то, что называется «квантовым преимуществом». Есть некоторые конкретные проблемы, для решения которых квантовые компьютеры более полезны; но другие проблемы могут быть лучше решены обычными суперкомпьютерами.

Таким образом, один из вопросов в этой области заключается в попытке дать немного более четкое решение о том, какие конкретные проблемы помогут нам решить квантовые компьютеры. Это развивающаяся область, как и проблема истинной ниши для квантового компьютера. Я думаю, что все мы, работающие в этой области, чувствуем, что будут определенные приложения, в которых квантовые компьютеры просто превосходят все остальное — и все хотят участвовать в этом; каждый означает каждую развитую нацию. Каждый хочет стать частью этой следующей квантовой революции, которая заключается не только в развитии квантовой механики как новой науки, но и в превращении квантовой механики в очень широкое приложение. И вычислительная техника — это лишь одна из областей, находящихся на переднем крае.

Источник