Филаменты, скрученные на наноуровне, создают световые волны, которые закручиваются по мере их прохождения

Исследователи из Мичиганского университета получили яркий и одновременно «закрученный» (обладающий орбитальным угловым моментом) свет с помощью технологии, похожей на лампу накаливания. Это открытие добавляет новые нюансы в фундаментальную физику и открывает новые возможности для роботизированных систем зрения и других применений света, способного формировать в спираль в пространстве.

«Трудно добиться достаточной яркости при получении света в виде спирали традиционными способами, такими как электронная или фотонная люминесценция», — говорит Цзюнь Лу, младший научный сотрудник отдела химического машиностроения Университета Мичигана и первый автор исследования, опубликованного на обложке журнала Science на этой неделе.

«В какой-то момент мы заметили, что у нас есть очень старый способ генерировать эти фотоны — не на основе фотонных и электронных возбуждений, а как в лампе, которую разработал Эдисон».

Любой объект, имеющий хоть какое-то тепло, включая вас самих, постоянно испускает фотоны (частицы света) в спектре, привязанном к его температуре. Когда объект имеет ту же температуру, что и его окружение, он также поглощает эквивалентное количество фотонов — в идеале это называется «излучением чёрного тела», поскольку чёрный цвет поглощает фотоны всех частот.

Как правило, форма объекта, испускающего излучение, не имеет значения — для большинства целей (как это часто бывает в физике) объект можно представить в виде сферы. Но хотя форма не влияет на спектр длин волн различных фотонов, она может повлиять на другое свойство: их поляризацию.

Обычно фотоны от «чёрного тела» поляризованы случайным образом — их волны могут колебаться вдоль любой оси. Новое исследование показало, что если закрутить излучатель на микро- или наноуровне, причём длина каждого витка будет равна длине волны излучаемого света, то излучение чёрного тела тоже будет закручено. Сила закручивания света, или его эллиптическая поляризация, зависит от двух основных факторов: насколько длина волны фотона близка к длине каждой закрутки и от электронных свойств материала — в данном случае наноуглерода или металла.

Специалисты по квантовой физике только что нашли доказательство существования «отрицательного времени»

Учёные давно знают, что свет иногда будто бы выходит из материала раньше, чем входит в него — этот эффект считается иллюзией, вызванной тем, как волны искажаются материей.

Теперь исследователи из Университета Торонто с помощью инновационных квантовых экспериментов заявили, что продемонстрировали, что «отрицательное время» не просто теоретическая идея — оно существует в ощутимом физическом смысле, заслуживающем более пристального изучения.

Результаты исследования, которые ещё не опубликованы в рецензируемом журнале, привлекли как внимание мировой общественности, так и скепсис.

Исследователи подчёркивают, что эти странные результаты свидетельствуют скорее о своеобразной причуде квантовой механики, чем о радикальном сдвиге в нашем понимании времени.

«Это сложная тема, даже для нас, чтобы говорить о ней с другими физиками. Нас постоянно неправильно понимают», — говорит Эфраим Стейнберг, профессор Университета Торонто, специализирующийся на экспериментальной квантовой физике.

Когда частицы света, или фотоны, проходят через атомы, некоторые из них поглощаются атомами, а затем снова излучаются. Это взаимодействие изменяет атомы, временно переводя их в более высокоэнергетическое или «возбуждённое» состояние, прежде чем они вернутся в нормальное.

В исследовании, проведённом под руководством Даниэлы Ангуло, команда задалась целью измерить, как долго эти атомы остаются в возбуждённом состоянии. «Это время оказалось отрицательным, — пояснил Штейнберг, — то есть меньше нуля.

Чтобы наглядно представить эту концепцию, представьте себе автомобили, въезжающие в туннель: физики понимали, что, хотя среднее время въезда для тысячи автомобилей может быть, например, в полдень, первые машины могут выехать немного раньше, скажем, в 11:59 утра. Ранее этот результат считался не имеющим особого смысла.

То, что продемонстрировали Ангуло и его коллеги, было похоже на то, что некто измерил уровень угарного газа в тоннеле после того, как несколько машин из него выехали, и обнаружил, что перед показаниями стоит знак минуса.

Тем не менее, Штейнберг и Ангуло спешат уточнить: никто не утверждает, что путешествия во времени возможны. «Мы не хотим сказать, что что-то путешествовало назад во времени», — сказал Стейнберг. «Это неправильная интерпретация».

Объяснение кроется в квантовой механике, где частицы вроде фотонов ведут себя нечётко, вероятностно, а не следуют строгим правилам. Вместо того чтобы придерживаться фиксированных сроков поглощения и переизлучения, эти взаимодействия происходят по целому спектру возможных длительностей, некоторые из которых не соответствуют обыденной интуиции.

Учёные уточнили процессы в ядре Земли, влияющие на продолжительность суток

Наша планета — это большой и не очень стабильный объект, вращающийся вокруг Солнца с бешеной скоростью 107 000 километров в час, на орбите вокруг которого вращается большой спутник, оказывающий на планету гравитационное воздействие. Поэтому вращение планеты не придерживается строгих 24-часовых временных рамок.

Многие из колебаний продолжительности земных суток имеют известные причины. Но в масштабах от десятилетий до тысячелетий учёные заметили незначительные колебания продолжительности дня, определить которые немного сложнее.

Теперь команда геофизиков из Швейцарского технологического института Цюриха считает, что нашла ответ в расплавленном железном ядре Земли, крошечные изменения в котором влияют на вращение планеты.

Существует несколько различных колебаний, способствующих изменению продолжительности земного дня. Одно из них — около 1,72 миллисекунды в столетие — вызвано Луной и медленным колебанием земной коры в тех местах, где когда-то лёд утяжелял её. Изменение объёма воды в океанах и количество льда на полюсах также может влиять на вращение Земли.

В десятилетних масштабах колебания в 2-3 миллисекунды связаны с крупномасштабными потоками в жидком ядре Земли. Но каждую тысячу лет или около того происходит ещё одно колебание длительностью около 3-4 миллисекунд, причина которого неясна.

Как отмечают исследователи из ETH Zürich, с тех пор и методы теоретического моделирования, и сбор данных наблюдений значительно улучшились. Поэтому они решили повторить попытку.

Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что влияние сдвигов в массе льда и воды на Земле было гораздо меньше, чем считалось ранее. Более того, колебания на тысячелетних временных шкалах согласуются с упрощённой моделью магнитогидродинамики внешнего жидкого ядра Земли.

Риск развития рака снижается с возрастом, и, возможно, мы наконец-то знаем, почему

Старение приводит к двум противоположным тенденциям в риске развития рака: сначала, к 60-70 годам риск возрастает, поскольку в нашем организме накапливаются генетические мутации, накопившиеся за десятилетия. Но затем, в возрасте около 80 лет, риск снова снижается — и новое исследование может объяснить причину этого.

Международная группа учёных проанализировала рак лёгких у мышей, отслеживая поведение альвеолярных стволовых клеток типа 2 (AT2). Эти клетки имеют решающее значение для регенерации лёгких, и именно с них начинается развитие многих видов рака лёгких.

Выяснилось, что у старых мышей был повышен уровень белка под названием NUPR1. Это заставляло клетки вести себя так, как будто они испытывают дефицит железа, что, в свою очередь, ограничивало скорость их регенерации — как для здорового роста, так и для раковых опухолей.

«Стареющие клетки на самом деле содержат больше железа, но по причинам, которые мы ещё не до конца понимаем, они функционируют так, как будто его недостаточно», — говорит биолог-онколог Сюэцянь Жуань из онкологического центра Мемориал Слоан Кеттеринг (MSK) в Нью-Йорке. «Стареющие клетки теряют способность к обновлению и, следовательно, к ускоренному росту, который происходит при раке».

Оказалось, что те же процессы происходят и в клетках человека: увеличение количества NUPR1 приводит к снижению количества железа, доступного клеткам. Если искусственно понизить уровень NUPR1 или искусственно повысить уровень железа, способность клеток к росту снова возрастала.

Потенциально это даёт исследователям возможность изучить методы лечения, направленные на метаболизм железа — особенно у пожилых людей. Например, это может восстановить эффективную ёмкость лёгких у тех, кто испытывает долгосрочные последствия COVID-19.

Эти результаты также имеют значение для лечения рака, основанного на гибели клеток, называемой ферроптозом. По мнению исследователей, эта клеточная смерть реже встречается в старых клетках из-за их функционального дефицита железа.

Квантовые корреляции могут помочь разрешить информационный парадокс чёрной дыры

Долгое время мы думали, что чёрные дыры, какими бы загадочными они ни были, на самом деле довольно простые объекты. Согласно современным представлениям физики информация не может быть создана или уничтожена, но когда объекты падают за горизонт событий чёрной дыры, информация, которую они несут с собой, навсегда скрывается от глаз. Что очень важно, она не уничтожается, а именно скрывается.

А затем Стивен Хокинг обнаружил, что чёрные дыры не совсем чёрные. Они испускают небольшое количество излучения и в конце концов испаряются, полностью исчезая с космической сцены. Но это излучение не несёт с собой информации, связанной с упавшей ранее в чёрную дыру материей и излучением, что породило знаменитый парадокс: когда чёрная дыра умирает, куда девается вся эта информация?

Одно из решений этого парадокса известно как ненасильственная нелокальность. Оно использует преимущества более широкой версии квантовой запутанности — «пугающего дальнодействия», способного связывать частицы между собой. Но в более широком смысле аспекты самого пространства-времени становятся запутанными друг с другом. Это означает, что всё, что происходит внутри чёрной дыры, связано со структурой пространства-времени за её пределами.

Если эта гипотеза верна, пространственное время вокруг чёрных дыр несёт крошечные возмущения, которые не являются полностью случайными; вместо этого колебания будут коррелировать с информацией внутри чёрной дыры. Тогда, когда чёрная дыра исчезает, информация сохраняется за её пределами, разрешая парадокс.

В недавней работе, опубликованной на сервере препринтов arXiv, но ещё не прошедшей рецензирование, пара исследователей из Калифорнийского технологического института изучила эту интригующую гипотезу, чтобы выяснить, как мы можем её проверить.