Експеримент, проведений в Італії, підкріплений теоретичною підтримкою Університету Ньюкасла, дав перші експериментальні докази розпаду вакууму.

У квантовій теорії поля, коли не дуже стабільний стан перетворюється на справжній стабільний стан, це називається «хибним розпадом вакууму». Це відбувається через утворення маленьких локалізованих бульбашок. Хоча наявна теоретична робота може передбачити, як часто відбувається утворення бульбашок, експериментальних підтверджень не так багато. 

Тепер міжнародна дослідницька група за участю вчених Університету Ньюкасла вперше спостерігала, як ці бульбашки утворюються в ретельно контрольованих атомних системах. Результати, опубліковані в журналі  Nature Physics, є експериментальним доказом утворення бульбашок через хибний розпад вакууму у квантовій системі.

Експериментальна методологія та результати

Висновки підтверджуються як теоретичним моделюванням, так і числовими моделями, підтверджуючи квантово-польове походження розпаду та його термічну активацію, відкриваючи шлях до емуляції нерівноважних квантових польових явищ в атомних системах.

В експерименті використовується переохолоджений газ із температурою, меншою ніж мікрокельвін (одна мільйонна частка градуса) від абсолютного нуля . При цій температурі видно, що бульбашки з’являються під час розпаду вакууму, і професор Університету Ньюкасла Ян Мосс і доктор Том Біллам змогли переконливо показати, що ці бульбашки є результатом термічно активованого розпаду вакууму.

Вплив на теоретичну фізику та майбутні дослідження

Ієн Мосс, професор теоретичної космології Школи математики, статистики та фізики Університету Ньюкасла, сказав: «Вважається, що вакуумний розпад відіграє центральну роль у створенні простору, часу та матерії під час Великого вибуху, але до цього часу існує не проходив експериментальних випробувань. У фізиці елементарних частинок розпад бозона Хіггса у вакуумі змінив би закони фізики, спричинивши те, що було описано як «остаточна екологічна катастрофа».

Доктор Том Біллам, старший викладач прикладної математики/квантової теорії, додав: «Використання потужності експериментів з ультрахолодними атомами для моделювання аналогів квантової фізики в інших системах – у цьому випадку, у самому ранньому Всесвіті – є дуже захоплюючою сферою досліджень у момент».

Дослідження відкриває нові шляхи в розумінні раннього Всесвіту, а також феромагнітних квантових фазових переходів.

Цей новаторський експеримент є лише першим кроком у дослідженні розпаду вакууму. Кінцевою метою є виявлення розпаду вакууму при температурі абсолютного нуля, де процес керується виключно квантовими флуктуаціями вакууму. Експеримент у Кембриджі, підтриманий Ньюкаслом у рамках національної співпраці QSimFP, має на меті зробити саме це.

Дослідницька група з Університету Нагоя в Японії виявила, що більші тайфуни, що рухаються повільніше, швидше за все, будуть стійкими до глобального потепління. Однак компактні бурі, що рухаються швидше, швидше за все, будуть чутливими. Ці висновки свідчать про вдосконалений метод прогнозування сили тайфунів в умовах глобального потепління. Звіт опубліковано в Geophysical Research Letters.

Тропічні циклони є одними з найнебезпечніших погодних систем у світі, спричиняючи збої, шкоду та смерть у Східній Азії. З підвищенням глобальної температури зростає й загроза тайфунів. Але прогнозувати силу та структуру таких штормів також стає складніше. Розуміння змін у реакції океану має важливе значення для пом’якшення найгірших наслідків тайфунів. Один зі способів зрозуміти тропічні циклони — вивчити зв’язок між атмосферою та океаном. Зв’язок між океаном і атмосферою впливає на погодні умови, циркуляцію океану та мінливість клімату.

Це особливо важливо для тайфунів, оскільки інтенсивність тропічних циклонів пов’язана з підвищенням температури поверхні моря (ТМП). Зі збільшенням розміру циклону SST зменшується, обмежуючи його інтенсивність. Однак в умовах глобального потепління SST вище. У результаті тайфун може тривати довше.

«Підвищення температури моря викликає занепокоєння, тому що типовий компактний шторм, що швидко рухається, — наприклад, тайфун Факсай у 2019 році — завдав серйозної шкоди східній Японії», — попередив провідний дослідник Сачі Канада. «Наші результати показують, що інтенсивність таких тайфунів може посилюватися в умовах глобального потепління».

Щоб зрозуміти, як глобальне потепління може вплинути на тайфуни, Канада та його колега-дослідник Хіденорі Айкі дослідили буферний ефект зв’язку атмосфера-океан на тайфуни. Вони використали найновіший симулятор погодних систем, модель атмосфера-океан під назвою CReSS-NHOES, щоб оцінити вплив зчеплення атмосфери з океаном на зміни в інтенсивності сильних тайфунів. CReSS-NHOES поєднує модель хмарного моделювання CReSS, розроблену в Університеті Нагоя, з океанографічною моделлю NHOES, розробленою Японським агентством морської науки та технологій.

Дослідники використовували CReSS-NHOES для вивчення чотирьох потужних, але різного розміру тайфунів за останні роки: Трамі (2018), Факсай (2019), Хагібіс (2019) і Хайшен (2020). Усі ці тайфуни були руйнівними; Трамі та Факсай завдали збитків на мільярди доларів, а Хагібіс призвів до смерті 118 людей.

Kanada та Aiki оцінили три сценарії: клімат доіндустріальної ери, підвищення ТПМ на 2°C і підвищення ТПМ на 4°C.

«Ми виявили, що ступінь посилення тайфунів на 1° C за ТПМ значно змінюється від тайфуну до тайфуну», — сказав Канада.

Вона була здивована зміною гПа, одиниці тиску, яка використовується в метеорології для вимірювання атмосферного тиску і яка представляє силу та інтенсивність шторму, і зазначила: «Тайфун, такий як Трамі, посилюється лише на 3,1 гПа, тоді як Факсай посилюється на до 16,2 гПа з підвищенням ТПМ на 1°C».

Результати цього дослідження свідчать про те, що ефект зв’язку атмосфера-океан амортизує зміни в інтенсивності шторму, пов’язані з глобальним потеплінням. Але тайфуни різних розмірів можуть зазнавати різного впливу. Бурі з великими очима та малою швидкістю руху змушують SST падати поблизу їхнього центру, перешкоджаючи їх розвитку. Однак шторми з маленькими очима і високою швидкістю руху віддаляються від виникнення ТПМ. Такі тайфуни зберігають постійне тепло у своєму центрі, посилюючи свою інтенсивність.

Використовуючи ці висновки, дослідники створили нову модель для прогнозування впливу тропічних циклонів. Вони використовували простий параметр під назвою безвимірна швидкість шторму (S0). Їхня модель показала, що S0 може розрізняти потенційно руйнівні шторми, які, ймовірно, посиляться під час глобального потепління, і ті, які стійкі до наслідків глобального потепління.

«Наразі прогнозні дослідження зміни клімату щодо інтенсивності тайфунів проводяться з використанням моделей із грубою горизонтальною роздільною здатністю або моделей лише з атмосферою, які мають труднощі з відтворенням інтенсивності та структури сильних тайфунів», — пояснює Канада.

«Це дослідження з використанням пов’язаної регіональної моделі атмосфера-океан з високою роздільною здатністю може з високою точністю відтворити інтенсивність і структуру сильних тайфунів і реакцію океану, тому очікується, що вони внесуть свій внесок не тільки в кількісну проекцію інтенсивності тайфуну в умовах потепління, клімату, а й покращення точності поточних прогнозів інтенсивності тайфунів».

Вчені виявили озеро, яке може бути гарною парою для «теплих маленьких озер» Дарвіна, де зародилося життя на первісній Землі.  Команда вчених з Університету Вашингтона зробила відкриття, знайшовши неглибоке «содове озеро» на заході Канади, яке, здається, має хімічний склад і умови, необхідні невеликій водоймі для сприяння спонтанному синтезу складних молекул, які призвели до виникнення життя на Землі близько 4 мільярдів років тому. 

Содові озера, подібні тому, на якому зосереджено це дослідження, є невеликими водоймами, що містять високий рівень розчинених карбонатів і натрію, схоже на те, що в них скидається велика кількість харчової соди. Однак у цьому випадку високі рівні розчиненого натрію та карбонату викликані реакцією між водою та вулканічними породами.  Висновки можуть допомогти розв’язувати давню проблему пояснення того, як виникло життя на Землі, а також можуть бути застосовані до інших планет Сонячної системи, таких як Марс і Венера. 

Починаючи з 1950-х років, дослідникам вдалося отримати біологічні молекули, такі як амінокислоти та будівельні блоки РНК, із неорганічних молекул, але існує давня проблема з наступним кроком цього процесу. РНК і ДНК, ключові молекули життя, а також мембрани живих клітин потребують основи з природних молекул елемента фосфору, відомих як фосфати.

Концентрації фосфатів, необхідні для формування біомолекул в лабораторії, в 1 мільйон разів перевищують рівні, які зазвичай містяться в річках, озерах або океанах. Це стало відомо як «фосфатна проблема» в теоріях виникнення життя на Землі, і це нове дослідження показує, що содові озера можуть бути вирішенням.

«Я думаю, що ці содові озера дають відповідь на проблему фосфатів», — сказав у своїй заяві старший автор дослідження та професор наук про Землю та космос Університету Вашингтона Девід Кетлінг. «Наша відповідь вселяє надію: таке середовище має виникнути на ранній Землі та, ймовірно, на інших планетах, тому що це просто природний результат того, як створені планетарні поверхні та як працює хімія води».

Чому содові озера є потенційними колисками для життя

Окрім високих рівнів розчинених карбонатів і натрію, содові озера також містять велику кількість фосфатів. Дослідження 2019 року показало, що концентрація цих молекул у цих невеликих водоймах може бути в 1 мільйон разів більшою, ніж у типових водоймах. води. Це означає, що содові озера можуть бути ідеальними місцями для появи ключових молекул життя.

Щоб перевірити це, Університет Вашингтона почав досліджувати саме таке содове озеро, зупинившись на озері Last Chance Lake, каламутному озері глибиною 1 фут (30 см), знайденому в кінці ґрунтової дороги на плато Карібу в Британській Колумбії. , Канада. У цьому содовому озері було встановлено найвищий відомий рівень фосфатів у 1990-х роках.

Озеро «Останній шанс» має не тільки вулканічну базальтову породу на дні, але й сухий, вітряний клімат, який підтримує низький рівень води, а розчинені сполуки концентруються завдяки швидкому випаровуванню води, що надходить.  Науковці, які стоять за цим новим дослідженням, відвідували озеро тричі між 2021 і 2022 роками, як влітку, так і коли воно замерзло взимку.

«У вас є ця, здавалося б, суха солончакова площа, але є закутки та щілини. А між сіллю та осадом є невеликі кишені води з високим вмістом розчиненого фосфату», — сказав член команди та докторант Університету Вашингтона Себастьян Хаас. . «Ми хотіли зрозуміти, чому і коли це могло статися на стародавній Землі, щоб створити колиску для зародження життя».

Дослідивши зразки води, озерних відкладень і соляної кірки, знайдені в озері Останній шанс, щоб зрозуміти хімічний склад озера, команда виявила, що кальцій поєднався з великою кількістю карбонату та магнію, щоб утворити доломіт. 

Це відрізняється від ситуації в інших озерах, де фосфат зазвичай зв’язується з кальцієм, утворюючи фосфат кальцію, який утворює емаль наших зубів і є нерозчинним, виснажуючи рівень фосфатів.

Внаслідок того, що кальцій утримується в доломіті в озері Останній шанс, залишається багато залишків вільних фосфатів; якби ці умови були знайдені у водоймах близько 4 мільярдів років тому, це дозволило б існувати ключовим інгредієнтам для походження хімії життя в необхідних високих концентраціях. 

Команда не тільки виявила, що Озеро Останнього Шансу свідчить про те, що содові озера є сильними кандидатами на місця, де могло зародитися життя на Землі, але вони очікують, що умови цих озер будуть загальними для інших тіл Сонячної системи та для всіх планет за межами Сонячної системи, позасонячні планети, або екзопланети.

«Ми вивчали природне середовище, яке має бути загальним для всієї Сонячної системи», — сказав Хаас. «Вулканічні породи переважають на поверхнях планет, тому такий самий хімічний склад води міг мати місце не лише на ранній Землі, але й на ранньому Марсі та ранній Венері, якби була рідка вода».

«Ці нові знахідки допоможуть поінформувати дослідників походження життя, які або відтворюють ці реакції в лабораторії, або шукають потенційно придатні для життя середовища на інших планетах», — підсумував Катлінг.

Під час експерименту група біологів із Франції випадково виявила, що два види бактерій, один із яких у природі харчується іншим, міняються місцями. Для спрацьовування перемикача досить невеликої зміни температури.

Взаємини тварин у природі, зокрема між хижаком і жертвою, найчастіше залежить умов середовища. Наприклад, у деяких хижих риб температура води впливає на час та тривалість нападів на інші види. У вовків узимку успішність полювання визначає глибина снігу. Звірі, наситившись, стають малорухливими і швидко бігти по глибокому снігу не можуть, чим і користуються вовки, у яких сильні м’язові ноги. Проте трапляється і так, що хижак та жертва міняються місцями. Один із прикладів — величезний клоп білостома (Belostomatidae), який нападає на амфібій та рептилій.

Від умов довкілля залежать взаємини і на рівні мікросвіту — у бактерій, які теж мають жертви і хижаки. Йдеться про антагонізм мікроорганізмів, при якому один штам повністю пригнічує або уповільнює зростання іншого. На відміну від комах, у бактеріальних спільнотах ролі хижаків та видобутку постійні. Принаймні так вважали досі. Група біологів під керівництвом Марі Вассе (Marie Vasse) з Французького національного центру наукових досліджень показала, що у бактерій ці ролі можуть змінюватися — їх визначає температура, коли популяція з’явилася на світ. Результати роботи опубліковані в журналі PLoS Biology.

Ґрунтові бактерії Myxococcus xanthu s живуть колоніями, поїдаючи інші бактерії та гриби. Клітини, що утворюють колонію, пересуваються у бік потенційної жертви, оточують і починають убирати її поживні речовини. Основний видобуток цих бактерій — Pseudomonas fluorescens, які мешкають у ґрунті та воді.

Спочатку Марі Вассе та її колеги мали намір дізнатися, наскільки добре M. xanthus полює на інші види (не тільки на P. fluorescens) у різних умовах. Під час експерименту вчені серед іншого виростили популяції P. fluorescens за двох температур: при 32 градусах Цельсія і 22 градусах. Через дві години мікроорганізми, вирощені за температури 32 градуси, «годували» M. xanthus.

Як і очікувалося, M. xanthus практично повністю знищили колонію P. fluorescens . Але коли вчені віддали хижакам видобуток, виведений за 22 градусів, картина змінилася. Жертва перетворилася на хижака. Тепер P. fluorescens винищили M. xanthus та інші два види бактерій.

Автори зробили висновок, що виведені в прохолодніших умовах P. fluorescens виділяють хімічну сполуку, яка може розкладати та знищувати інші бактерії. Крім того, команда вчених зауважила, що P. fluorescens швидко зростали після знищення M. xanthus. Отже, вони, мабуть, споживали поживні речовини з клітин «колишніх хижаків», отже, полювали них.

«У своїй роботі ми показали, що у бактеріальних спільнотах роль хижака-жертва непостійна. Вона може змінюватись в залежності від умов середовища, причому досить легко та швидко», — пояснила Вассе.

Вчені продовжать експерименти з парою M. xanthus-P. fluorescens. Зокрема, спробують з’ясувати, чи відбуватиметься зміна ролі жертва — хижак ще за нижчих температур. Вассе зазначила, що екологія бактерій, можливо, мінливіша, ніж вчені думали раніше. Ймовірно, більшість видів бактерій тією чи іншою мірою займаються хижацтвом, тобто виробили у процесі еволюції до цього пристосованість.