Физики уточнили постоянную Планка для переопределения килограмма
Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) с большой точностью измерили постоянную Планка. Это было сделано в первую очередь для переопределения килограмма в терминах фундаментальных физических констант. Дело в том, что эталонный платиново-иридиевый брусок, хранящийся в Палате мер и весов, подвержен эффектам диффузии и испарения, из-за чего его масса не является постоянной. Соответствующая статья опубликована в журнале Metrologia.
В 2011 году на Генеральной конференции по мерам и весам была принята резолюция о переопределении всех основных единиц таким образом, чтобы их численные значения были определены исключительно с помощью фундаментальных физических констант и свойств атомов. При этом, для введения нового килограмма, главной рекомендацией стало измерение постоянной Планка с достаточной точностью с дальнейшим выражением килограмма через найденное значение, а масса платино-иридиевого эталона на момент определения будет равна новому килограмму с некой погрешностью.
Измерением численного значения постоянной Планка занялись три организации: Национальный институт стандартов и технологий (NIST, США), Национальный метрологический институт (PTB, Германия) и Национальный исследовательский совет (NRC, Канада). При этом NIST и NRC используют в качестве установки весы Киббла (более ранее название — весы Ватта), в то время как в РТВ проводят прямые измерения объема и массы шара из монокристалла кремния 28Si, а также плотность упаковки в нем атомов, измеряя таким образом число Авогадро. Оно, в свою очередь выражается через фундаментальные константы, в том числе и постоянную Планка.
На сегодняшний день в NIST работает уже четвертое поколение весов Киббла. Принципиально они устроены следующим образом: на одну чашу весов установлен образец, массу которого необходимо измерить. Вместо второй чаши используется катушка в магнитном поле, которая уравновешивает весы за счет силы Ампера, действующей на катушку. Более подробно о установке NIST-4 можно прочитать тут.
Более высокая точность измерений по сравнению с предыдущими результатами установки обусловлена следующими факторами: по-первых, собрано большее количество статистики. Во-вторых, ученые обнаружили, что ранее они несколько переоценивали влияние магнитного поля катушки на установку. В-третьих, исследователи более точно измерили эффекты, связанные с движением катушки в магнитном поле. Все это позволило увеличить точность измерений с 34×10−9 стандартных отклонений до 13×10−9. Само значение постоянной Планка в эксперименте оказалось равно h = 6.626 069 934(89)×10−34 Дж·c.
Окончание экспериментов во всех трех лабораториях, как и переопределение самого килограмма, запланировано на 2018 год. Стоит отметить, что на той же Конференции по мерам и весам планируется переопределение и других физических констант, в том числе ампера, кельвина и моля.
Александр Чепилко
https://nplus1.ru/news/2017/07/04/nist4-upgrade---
Ученые из Российского квантового центра реализовали метод создания квантовых состояний суперпозиции с параметрами, которые потенциально могут выходить за пределы микромира, что позволит, в частности, попытаться найти границы между квантовым и классическим миром. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.
В мысленном эксперименте немецкого физика Эрвина Шрёдингера скрытая от наблюдателя кошка находилась в суперпозиции двух состояний – была одновременно и живой, и мертвой. Шрёдингер предложил этот эксперимент, чтобы показать, насколько радикально различны макроскопический мир, к которому мы привыкли, и мир микроскопический, управляемый законами квантовой физики, а также насколько парадоксальны результаты попыток применить квантовые концепции к макроскопическим объектам.
Однако развитие квантовых технологий позволяет создавать всё более сложные квантовые состояния, и эксперимент Шрёдингера уже не кажется запредельной фантастикой.
«Одним из фундаментальных вопросов физики является граница между квантовым и классическими мирами. Могут ли квантовые свойства (если обеспечить идеальные условия) наблюдаться у макроскопических предметов? Теория не дает ответа на этот вопрос – может быть, такой границы и нет. Нужен инструмент, который позволит ее нащупать», – говорит профессор Университета Калгари Александр Львовский, глава лаборатории квантовой оптики РКЦ, где был поставлен эксперимент.
«Как определить, где начинается полиция и где кончается Беня Крик?» – в шутку цитирует он Исаака Бабеля.
Именно таким инструментом является физический аналог кошки Шрёдингера – состояние суперпозиции двух состояний физического объекта с противоположными свойствами. В оптике, к примеру, это суперпозиция двух когерентных световых волн с противоположными амплитудами. До сих пор не удавалось получить такие суперпозиции, в которых каждый из членов содержал в себе больше четырех фотонов. Группа Львовского осуществила процедуру «выращивания» таких состояний, позволяющую получать оптических «кошек» сколь угодно высокой амплитуды.
Объясняет соавтор эксперимента, в настоящее время аспирант Университета Калгари Анастасия Пушкина: «Идея эксперимента была предложена в 2003 году группой профессора Тимоти Ральфа из австралийского университета Квинсленда. Суть его состоит в том, чтобы вызвать интерференцию двух «кошек» на светоделительной пластинке. Это приводит к возникновению запутанного состояния в двух выходных каналах светоделителя. В одном из этих каналов ставят специальный детектор. В случае, если этот детектор показывает определенный результат, во втором выходе рождается «кошка» с более чем удвоенной средней энергией».
Группа Львовского впервые на практике испробовала этот метод. В эксперименте им удалось нарастить среднее число фотонов с 1,3 до 3,4, получив при этом несколько тысяч «кошек Шредингера».
«Важно, что процедуру можно повторять: новых «кошек» можно, в свою очередь, соединять на светоделителе, получая ещё большую энергию, и так далее. Таким образом, можно шаг за шагом раздвигать границы квантового мира, и в итоге понять, есть ли у него предел», - отмечает первый автор исследования, аспирант РКЦ и МПГУ Демид Сычев.
Кроме того, по его словам, производство таких макроскопических «котов Шредингера» может быть полезно для квантовых технологий связи, для квантовых вычислений.
http://www.rqc.ru/news/?ELEMENT_ID=1266---
Новое о сне
Сотрудники Научно-исследовательского института молекулярной патологии (IMP) в Вене изучили фундаментальные аспекты сна на примере круглых червей. Они поставили на контроль активность всех нервных клеток мозга в тот момент, когда круглые черви засыпали и просыпались. Журнал Science опубликовал эти результаты в последнем номере.
Сон — это универсальная черта, присутствующая у всех животных. Нервная система каждого организма регулярно нуждается релаксации, во время которой активность мозга резко изменяется. То, что сон нам необходим — неоспоримый факт, но ученые до сих пор пытаются понять, почему.
Команда нейробиологов, которую возглавил Мануэль Циммер (Manuel Zimmer), использовала круглого червя Caenorhabditis elegans для детального изучения того, как мозг переключается между бодрствованием и сном. И полученные результаты свидетельствуют о том, что для уставшего животного сон представляет собой основное состояние мозга, которое устанавливается спонтанно, когда из окружающей среды перестают поступать сильные внешние раздражители.
Черви в качестве моделей для исследования сна
С. elegans выбрали модельным животным, потому что его нервная система состоит всего из 302 нейронов. Такое число под силу исследовать современными способами микроскопии, позволяющими получать доступ к активности всех нервных клеток в головном мозге с точностью до одной клетки.
Но ученые столкнулись с проблемой: как контролировать то, когда черви засыпают и просыпаются? Аспиранты Анника Николс (Annika Nichols) и Томаш Айхлер (Tomáš Eichler) создали специальные экспериментальные системы, которые использовали переменную концентрацию кислорода в качестве переключателя.
Дело в том, что в естественной среде обитания С. elegans живут в почве, где в изобилии живут микроорганизмы, сохраняющие низкий уровень кислорода. Исследователи показали, что при указанных предпочтительных условиях черви чувствовали себя комфортно и могли заснуть при условии, что они уставали. Николс и Айхлер обнаружили, что свежий воздух с атмосферным содержанием кислорода (21-22 процента) заставлял животных быстро просыпаться. «Это помогло нам добиться эффективного контроля над переключением между сном и бодрствованием во время наших экспериментов», — говорит Николс.
На изображении представлены два червя, и можно увидеть, что верхний спит – большая часть его нервных клеток неактивны, а второй бодрствует, что отражает «бурная деятельность» его нейронов.
Нейронная шкала усталости
Николс пошла еще дальше и записала активность всех нейронов головного мозга во время запуска «переключателя» между сном и бодрствованием. Она обнаружила, что во время сна большинство нервных клеток, которые активны во время бодрствования, затихает (что, собственно, неудивительно). Тем не менее, несколько определённых типов нервных клеток остаётся «начеку».
Один из этих типов, RIS, вырабатывает гамма-аминомасляную кислоту — основное мозговое «снотворное». Николс показала, что активность ГАМК-нейронов уже повышена у животных, которые склонны ко сну, заметив, что она она может стать мерой того, насколько мозг «устал».
Во время мониторинга активности спящего мозга компьютерный анализ продемонстрировал, что нейронные сети спонтанно синхронизировались на «тихое» и стабильное состояние. Изначально исследователи предполагали, что клетки RIS действуют подобно дирижеру, который заглушает оркестр после финального аккорда. Однако новые данные свидетельствуют о том, что они, кажется, выступают посредником, который «ведет переговоры» по соглашению между всеми «игроками» с последующим коллективным действием. Преимущество этого сценария состоит в том, что изменения между бодрствованием и сном могут провоцироваться даже легким регулированием некоторых функциональных «ползунков» мозга.
Несмотря на множество различий между мозгом аскарид и человека эти результаты — весьма перспективная модель для дальнейшего изучения фундаментальных принципов организации мозга.
Анна Хоружая
Оригинал текста на сайте Нейроновости
https://nplus1.ru/blog/2017/07/03/Neurosci-22
Автор