Бозоны оказались способны вести себя как фермионы

Исследователи из Пенсильванского университета выяснили, что бозоны при движении в одном измерении могут образовывать ферми-жидкость, которая ранее считалась характерной только для фермионов. Статья об открытии опубликована в журнале Science.

«Все частицы в природе бывают одного из двух типов в зависимости от их спина — квантового свойства, аналогичного моменту собственного вращения частицы, — рассказывает один из авторов новой работы, профессор физики в Пенсильванском университете Дэвид Вайс. — Спины бозонов всегда целые, и они могут принимать одно и то же квантовое состояние. Чего не скажешь о фермионах, чьи спины полуцелые, а сами частицы при этом не могут находится в одном и том же состоянии. Если частицы достаточно сильно охладить или сжать, бозоны поведут себя совершенно не так, как фермионы. Первые образуют конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы, напротив, начнут по очереди занимать свободные квантовые состояния, образуя так называемую ферми-жидкость».

Исследователи теперь экспериментально доказали, что, если заставить бозоны перемещаться только в одном измерении, они начнут вести себя как ферми-жидкость. Это явление было предсказано еще в 1960-х годах. Впервые увидеть его удалось в 2004 году, но только теперь исследователи смогли подробнее изучить его и показать.

В обычном трехмерном пространстве бозоны не могут вести себя так же, как фермионы, так как для этого им требуется слишком много энергии, и гораздо более выгодно существовать в виде конденсата Бозе — Эйнштейна. В новой работе ученые создали массив ультрахолодных бозонных атомов, находящихся в состоянии одномерного газа — так называемый бозе-газ. Это удалось сделать с помощью оптической решетки, которая может захватывать атомы с помощью лазерного света.

В световой ловушке система находится в равновесии. При этом в сильно взаимодействующих бозе-газах наблюдается то же пространственное и энергетическое распределение бозонов в пространстве, что и у фермионов, однако распределение скоростей остается различным. В одном из экспериментов ученые изменили параметры ловушки и позволили бозонам двигаться в двух измерениях. При этом распределение скоростей бозонов плавно перешло в идентичное фермионам. Авторы проследили эту трансформацию и выяснили все детали так называемого процесса «фермионизации». Результаты работы найдут применение не только в фундаментальной науке, но и, например, при создании квантовых компьютеров.

Бозоны оказались способны вести себя как фермионы

Создан уникальный катод для метал-ионных аккумуляторов

Ученые центра энергетических наук и технологий Сколтеха представили новый катодный материал на основе фторидофосфата титана, который позволяет достичь стабильной работы при высоких токах разряда и высоких энергетических показателей.

Бурное развитие электрического транспорта сегодня требует разработки коммерчески доступных, безопасных и недорогих накопителей энергии на основе металл-ионных аккумуляторов. Основным недостатком литий — ионной-технологии, которая существует, считают высокую цену. В поисках альтернативы много усилий было приложено к созданию аккумуляторов, которые построены с использованием более доступных и менее дорогих элементов, например, калия вместо лития. Кобальт в составе катода можно заменить на материалы, которые намного экологичнее. Это распространенные железо, марганец и титан.

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. Он находится на 10-м месте по распространённости в природе. Титан обладает очень высокой коррозионной стойкостью. Основные титансодержащие реагенты легко доступны, устойчивы и не токсичны. Несмотря его преимущества, причиной что его не могли применить в качестве катодных материалов долгое время оставался низкий электрохимический потенциал, который ограничивал почти достижимую удельную энергию аккумулятора.

Исследователи из Сколтеха создали перспективный, коммерчески выгодный катодный материал, на основе фторидофосфата титана. Он отличается беспрецедентной стабильностью работы при высоких скоростях заряда и разряда, а также имеет высокий электрохимический потенциал.

Создан уникальный катод для метал-ионных аккумуляторов

Обнаружена уникальная польза морской губки

Команда ученых разработала новый способ создания производных фаскаплизина – пигмента морской губки. Сообщается, что соединения из морской губки обладают уникальными цитотоксическими и антибактериальными свойствами.

Масштабное исследование проводилось сотрудниками Дальневосточного отделения Российской академии наук и университетской клиники Гамбург-Эппендорф. В его результате выяснилось, что соединение 14-бромретикулатин, которое было получено ранее, способно селективно воздействовать на бактерии, а именно на синегнойную палочку, которая известна устойчивостью ко многим классам антибиотиков. Оказалось, что также полученное вещество характеризуется средней цитотоксичностью, то есть оно активно против меланомы, рака прямой кишки и простаты.

Пока исследователи о разработке нового лекарственного средства не говорят, однако в будущем это может случиться.

Уникальная польза морской губки

Журнал Nature отмечает юбилей

В конце XIX и начале XX века произошли коренные изменения как в самой структуре научного сообщества, так и в отношении к их деятельности со стороны общества в целом. Эту эволюцию можно изучить по многим источникам, но один из ее непосредственных свидетелей — это журнал Nature.

В современном мире научные журналы являются неотъемлемой частью науки. На протяжении как минимум столетия они представляют основной канал распространения знаний и продолжают играть ведущую роль в большинстве академических дисциплин по сей день. При этом развитие журналов тесно связано с изменениями в науке, так как эти издания традиционно учреждались самими исследователями для собственных нужд.

Журнал Nature был основан в 1869 году как научно-популярное издание, на страницах которого ученые представители британской элиты (а в то время это было занятие в основном для состоятельных людей) могли бы рассказывать неспециалистам о последних достижениях науки. Однако исходная миссия издания вскоре осталась в прошлом: уже к 1880-ым Nature стал строго научным журналом, в котором излагались последние достижения без излишних упрощений.

Этому способствовала одна особенность, выделяемая историками как отличительная черта Nature, — это было первое издание для ученых, в котором не только излагались результаты исследований, но и устраивалась активная полемика на многие темы. В этом смысле журнал наследует эпистолярным традициям эпохи Возрождения, духу переписки членов Republic of Letters, определявших интеллектуальный дискурс своего времени.

Для иллюстрации этого тезиса историк наук Мелинда Болдвин в «биографии» журнала Nature предлагает обратиться к обсуждению наименования ученого, развернувшегося на страницах издания в 1924 году. Сегодня трудно это представить, но менее 100 лет назад слово «scientist» не просто не было устоявшимся, а воспринималось многими исследователями как неуместный неологизм.

В то время наиболее принятыми терминами были «scientific worker» (научный работник) или «man of science» (человек науки), но они не всех удовлетворяли. Слово «scientist» тогда тоже уже использовалось, но в устах многих оно обретало негативные коннотации, подчеркивая неопрятность людей этой профессии.

Дошло даже то того, что многие официальные научные институты Великобритании, такие как Лондонское королевское общество, Британская ассоциация содействия развитию науки, Королевский институт Великобритании и Издательство Кембриджского университета официально отказывались от употребления этого слова.

Мнения ученых, писавших об этом в редакцию журнала, также разделились, однако официально Nature не стало запрещать употреблять слово «scientist», что во многом послужило его распространению.

Необходимо отметить, что первая половина существования журнала проходила в совершенной иной обстановке, чем вторая. Основным обстоятельством являлось то, что английский язык не был общепризнанным средством международного общения, поэтому многие научные достижения сперва излагались на немецком или французском. Из-за этого до середины XX века большинство авторов Nature были британскими учеными.

Но были и исключения. Например, почти весь выпуск от 17 февраля 1921 года посвящен все еще новой общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В этом номере опубликована как заметка самого автора теории гравитации, так и многих других видных физиков того времени, в том числе Артура Эддингтона и Хенрика Лоренца.

В течение следующих лет на руку Nature сыграла довольно редкая для научных изданий того времени особенность — еженедельные выпуски. Такая оперативность пришлась по вкусу ученым, работавшим в бурно развивавшихся областях, например в исследованиях радиоактивности. Их самые свежие публикации часто появлялись именно в Nature.

Регулярными авторами журнала в это время стали такие известные ученые, как Эрнест Резерфорд и Джозеф Джон Томсон, что сделало Nature важным источником информации не только для британских ученых, но и для международного научного сообщества.

Мнение редакции Nature по многим, в том числе политическим вопросам неоднократно менялось. В частности, были периоды вполне открытых политических высказываний. Это привело к конфликту с Национал-социалистической партией Германии и запрету журнала в университетах и библиотеках страны в 1937 году, когда у власти находился Гитлер. В середине века редакция также отстаивала политически мотивированную точку зрения о достоинствах интеллектуальной свободы в Великобритании по сравнению с существовавшими в СССР ограничениями и необоснованными нападками на науку в США, такими как Обезьяний процесс.

За долгую историю в Nature были опубликованы многие ключевые научные работы, не только ставшие эталонными открытиями, но и определившие развитие многих дисциплин на годы вперед. Пытаясь составить подобный список, очень легко утратить объективность или переборщить со слепым использованием наукометрических показателей. Поэтому мы обратимся к десятке наиболее значимых статей по мнению самой редакции. Там выделили следующие публикации:

обнаружение останков австралопитека в 1925 году, которое перевернуло наши представления о ранней эволюции предков человека;

открытие нейтрального каона в 1947 году, за которым последовала теория о кварковой структуре материи и, в конце концов, Стандартная модель;

открытие структуры ДНК в 1953 году, представляющее собой одно из наиболее известных научных свершений XX века;

открытие способа перепрограммирования живых клеток в 1958 году, то есть контролируемого влияния на их превращение в ткани определенных типов, что опровергло доминировавшие теории и легло в основу современных направлений в медицине;

открытие моноклональных антител в 1975 году, то есть иммунных клеток, реагирующих на один и тот же антиген, что привело к значительным продвижения как в теории, так и в лечении аутоиммунных болезней и некоторых видов рака;

открытие истончения озонового слоя над Антарктидой в 1985 году, после чего климатическая повестка проникла в политику и стала причиной многих крупных межправительственных экологических соглашений;

синтез молекулы фуллерена C60 в 1985 году, который во многом определил развитие нанотехнологий и предвосхитил открытие других модификаций углерода с интересными свойствами, таких как нанотрубки и графен;

открытие способа синтеза молекулярных сит в 1992 году, то есть веществ с регулярным расположением пор нанометрового масштаба, многие из которых нашли применений в биомедицине и химической технологии;

обнаружение первой экзопланеты вокруг солнцеподобной звезды в 1995 году, что не только привело к резкому всплеску интереса к данной области астрономии, но и было отмечено Нобелевской премией по физике в этом году.

При этом нельзя сказать, что в истории Nature не было противоречивых эпизодов. Помимо стандартных для любого научного журнала обвинений в несправедливом рецензировании (в частности, Nature отказался публиковать ключевые статьи Энрико Ферми о слабом взаимодействии и Ханса Кребса о цикле трикарбоновых кислот), издание не избежало и других видов критики. Например, в 2016 году редакция открыто поддерживала одного из кандидатов на пост президента США, что никак не согласуется с принципом политической нейтральности, которого, по мнению многих ученых, должно придерживаться научное издание.

Также в Nature были опубликованы многие сенсационные работы, впоследствии признанные ошибочными и отозванные. В целом, только из головного журнала семейства публикации отзываются каждый год, причем не в единичных количествах. Это случается, в том числе, и со статьями лауреатов Нобелевской премии. К наиболее известным случаям можно отнести следующие:

В 1988 вышла статья Жака Бенвениста о действии сверхвысоких разведений иммуноглобулина A, фактически пытавшаяся оправдать концепцию гомеопатии. Результаты не удалось воспроизвести незавимым лабораториям, но данная статья не была отозвана, хотя ее сопровождает небольшое замечание от редакции, в котором говорится, что авторы пытаются объяснить результаты в рамках гипотезы, не имеющей под собой физического обоснования.

В 2000 и 2001 годах было опубликовано семь работ Яна Шёна об органических полупроводниках, которые вместе с множеством статей в других престижных журналах были отозваны спустя несколько лет. В альма-матер исследователя факт их публикации позже назвали «крупнейшей аферой в физике за последние 50 лет».
В 2014 году в двух работах Харуко Обокаты и ее коллег утверждалось об открытии относительно простого способа превращения клеток взрослого организма в плюрипотентные стволовые, но позже это исследование оказалось сфальсифицированным. Один из соавторов после разразившегося скандала совершил самоубийство.
Относительно недавно большой резонанс вызвала ситуация вокруг опубликованной в октябре 2018 года статьи об изменении климата, в которой нашли ошибку. Годом позже статья была отозвана.
Отдельно стоит упомянуть позицию нобелевского лауреата Рэнди Шекмана, который в 2013 году объявил бойкот крупнейшим научным журналам, таким как Nature, Science и Cell. Он объяснил свою позицию тем, что важность наличия публикаций в наиболее авторитетных журналах для карьерного роста ученого заставляет многих исследователей заниматься модными вопросами, в которых можно быстро получить достаточный для статьи результат, а не углубляться в по-настоящему интересные и важные для науки темы.

Критика «элитных» журналов в последнее время звучит все чаще, а наиболее проблемным компонентом сложившейся ситуации называют применяемую экономическую модель, благодаря которой издатели зарабатывают большие деньги, взимая плату за публикации в журналах или за доступ к их прочтению.

В любом случае, Nature пока остается ведущим научным журналом, где выходит множество важных и даже революционных работ, которые неоднократно становились основными причинами присуждения Нобелевских премий. Также редакция старается не сдавать позиции и стремится идти в ногу со временем: на страницах журнала по-прежнему разворачиваются активные дискуссии на многие научные и околонаучные вопросы, а сотрудники производят немало оригинального контента, как, например, приуроченная к юбилею визуализация связей между статьями.

Журнал Nature

В Испании исследователи обнаружили ожерелье неандертальца

Группа международных археологов под руководством Антонио Родригеса-Идальго из Барселонского университета нашла ожерелье возрастом 39 тысяч лет. Находку обнаружили на северо-востоке Испании в пещере Кова Форадада.

Исследователи считают, что украшение принадлежало неандертальцам. Ожерелье изготовлено из когтей Императорского орла (Aquila adalberti). Археологи предполагают, что неандертальцы использовали нижние конечности птиц, которые не представляли пищевой ценности, в качестве культурных или ритуальных предметов.

Ожерелье неандертальца

Южная Африка явилась прародиной человечества

Учёные-генетики смогли установить место, которое является колыбелью всего человечества. Генетический анализ позволил прийти к выводу, что современный вид Homo sapiens появился на юге Африки. Результаты анализа в совокупности с лингвистическими, культурологическими и географическими данными позволили авторам исследования из Института медицинских исследований Гарвана в Сиднее (Австралия) установить, что 200 тысяч лет назад первая материнская линия Homo sapiens возникла на территориях, лежащих на юг от бассейна реки Большого Замбези, включающая северную Ботсвану и части Намибии и Зимбабве.

Прошло примерно 70 тысяч лет, прежде чем первые современные люди начали расселяться по всему Африканскому континенту. Благодаря применению методов генетической генеалогии, учёные смогли проследить закономерности миграции. Проанализировав 200 митохондриальных геномов жителей Намибии и Южно-Африканской Республики, исследователи сделали вывод, что всё человечество пошло именно из этой части Африки.

Сравнение полного кода ДНК или митогенома разных людей даёт информацию о том, насколько тесно они связаны», — приводит слова автора исследования Ванессы Хейс пресс-служба Института медицинских исследований Гарвана.

Учёным также удалось установить, что в ту эпоху климат региона идеально подходил для жизни и занятий сельским хозяйством. Ранее на месте нынешней пустыни Калахари находилась крупнейшая в Африке система озёр Макгадикгади, окружённых обширными водно-болотными территориями.

Авторы исследования уверены, что именно климатические и тектонические изменения, вызвавшие высыхание озёр, послужили причиной миграции современных Homo sapiens.

Этот фактор, в конечном счёте, и обусловил генетическое, этническое и культурное разнообразие современных людей.

Южная Африка явилась прародиной человечества

В центре Млечного Пути может находиться тоннель в другую Вселенную

Астрономы из Университета в Буффало в общих чертах определили секторы галактики Млечный путь, в которых могут находиться кротовые норы, которые гипотетически позволят путешествовать из одной части пространства в другую. Гипотеза описана в журнале Physical Review D.

Червоточины — гипотетические особенности ткани пространства-времени, которые представляют собой туннель в пространстве в каждый момент времени. Он соединяет два удаленных друг от друга пространства. Общая теория относительности допускает существование кротовых нор, однако пока ни одного доказательства их наличия ученым пока обнаружить не удалось.

Исследователи в общих чертах рассказали, как и где именно можно найти такие особенности в галактике Млечный путь. Астрономы полагают, что главным кандидатом является область в центре галактики — рядом со сверхмассивной черной дырой Стрелец А*.

Червоточина, если она существует, должна располагаться вблизи звезды S2, которая вращается вокруг черной дыры, считают астрономы. Возмущения на пути этой звезды могут стать первым свидетельством появления червоточин, если они наблюдаются в течение достаточно длительного периода времени, говорится в исследовании.

Ранее группа британских и американских физиков предположила, что кротовые норы в теории струн могут возникать из-за разрыва космической струны — гипотетического реликтового объекта, представляющего собой складку пространства-времени.

В центре Млечного Пути может находиться тоннель в другую Вселенную

Источником больших выбросов углекислого газа оказались горные реки

Ученые провели первое крупномасштабное исследование выбросов углекислого газа из горных потоков и их роли в углеродном цикле. Оказалось, что они выбрасывают больше CO2, чем реки и ручьи, расположенные на более низкой высоте. Статья об этом была опубликована в журнале Nature Communications.

Горы покрывают 25% поверхности Земли, и потоки, стекающие с них, составляют более трети всех мировых потоков воды. Но роль, которую горные реки и ручьи играют в глобальном углеродном цикле, еще не была до конца выяснена. До сих пор ученые сосредоточивались главным образом на ручьях и реках в низкогорных тропических и бореальных областях.

«Мы уже несколько лет знаем, что пресноводные экосистемы выделяют примерно такое же количество CO2, что и океаны, но мы никогда раньше не проводили тщательных исследований о роли бесчисленных горных потоков в мировых выбросах углекислого газа. До сих пор они были aqua incognita», — отмечает один из авторов статьи, сотрудник Федеральной политехнической школы Лозанны Том Баттин. — Но наши последние выводы теперь позволяют понять, откуда берется весь этот углекислый газ в атмосфере и как мы можем более точно учитывать альпийские регионы мира в наших оценках глобального углеродного цикла».

В своем новом исследовании ученые собрали огромный массив данных о потоках, стекающих с основных горных массивов мира, сосредоточив внимание на их гидрологических и геоморфологических свойствах, а также на содержании органического углерода в почве под ними. Затем исследователи использовали эти большие данные для разработки модели оценки естественных выбросов CO2 из более чем 1,8 миллиона горных потоков по всему миру.

Результаты ученых, по-видимому, указывают на то, что CO2 поступает в горные реки из геологических источников. Такой вывод был сделан авторами исходя из того, что карбонаты — основной источник углекислого газа — содержатся в значительных количествах практически во всех горных массивах мира. Эти породы образовались из скелетов морских микроорганизмов, которые жили миллионы лет назад, когда Земля была покрыта океанами.

Хотя такие выводы знаменуют собой важный шаг вперед, в этой области исследований по-прежнему существует множество неопределенностей. По словам авторов работы, для их частичного устранения необходимы дополнительные измерения в горных потоках по всему миру. Кроме того, долгосрочный мониторинг уровней соединений, содержащих углерод, в горных потоках имеет решающее значение для понимания того, как изменение климата влияет на их биогеохимию.

Горные реки

Восстание из пепла: как возрождался живой мир после сокрушительного астероида, убившего Землю

Около 66 миллионов лет назад на территорию современного полуострова Юкатан упал астероид, устроивший огромнейшую катастрофу и уничтоживший более 75% всего живого на Земле.

Именно из-за этой катастрофы вымерли динозавры. После этого млекопитающие начали развиваться достаточно быстро, по историческим меркам. Всего через 100 тысяч лет их видовое разнообразие удвоилось, через 300 тысяч лет — утроилось.

Спустя 700 тысяч лет начали появляться первые крупные млекопитающие. В 2016 году палеонтологи из Денверского музея природы и науки занялись изучением формации Коррал-Блаффс в Колорадо. Они обнаружили останки 16 видов животных, около 6 000 окаменелостей растений и более 37 000 образцов пыльцы. Благодаря изучению этих находок, учёные смогли узнать, что происходило на планете после гибели динозавры.

Так, спустя 100 тысяч лет после падения метеорита, на планете расти папоротники, а млекопитающие были размером с крысу. Спустя 200 тысяч лет они уже были размером с енота, а вместо папоротников всё чаще росли пальмы. Через 300 тысяч лет начали появляться грецкие орехи, а животные достигали веса до 20 килограмм. Спустя 700 тысяч лет растительность и леса практически восстановились, а животные уже были размером с волка.

Как возрождался живой мир после сокрушительного астероида

Ученые нашли следы древнейшей жизни на Земле

В 1980-х годах ученые нашли в австралийской пустыне в формации Дрессел, что находится в Пилбаре, нечто, очень похожее на окаменелости. Лишь недавно их коллеги из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии получили доказательство того, что это в самом деле невероятно древние органические останки, возраст которых составляет 3,5 миллиарда лет.

В окаменелых микробных образованиях, называемых строматолитами, ученые смогли отыскать следы органического вещества. Анализ, проведенный специалистами, показал, что строматолиты состоят из минерала, называемого пиритом, который весь пронизан наноскопическими порами.

Там же есть включения азотсодержащего органического материала, а также нити и филаменты органического вещества, очень похожие на остатки биопленок, которые образуют микробные колонии. Австралийские строматолитами, как заявляют исследователи, на сегодняшний день являются доказательством самой ранней жизни на Земле.

Следы древнейшей жизни на Земле