Капот
Капот
Юрий Манаков Опубликована сегодня в 13:01

Физики создали двигатель горячее Солнца — температура превысила 10 миллионов кельвинов

Лондонские физики создали микродвигатель с температурой 10 миллионов кельвинов

Учёные из Королевского колледжа Лондона создали двигатель, который не только миниатюрен до атомного уровня, но и горячее солнечного ядра. Его температура достигает 10 миллионов кельвинов - в семь раз больше, чем в центре Солнца. Работа британских физиков, опубликованная в журнале Physical Review Letters, открывает новые горизонты в понимании термодинамики микромира и показывает, как могут работать "невидимые" двигатели на уровне атомов и белков.

Мотор, который бросает вызов законам физики

Экспериментальная установка представляет собой одиночную заряженную частицу, удерживаемую в так называемой ловушке Пауля - электромагнитном поле, стабилизирующем её положение в пространстве.

Когда на электроды подают случайное ("шумовое”) напряжение, частица начинает колебаться и быстро нагревается до экстремальных температур. Этот процесс исследователи называют "наномеханическим двигателем", хотя он не похож на классические машины: у него нет ни ротора, ни поршней, ни источника топлива.

"Поняв термодинамику на таком неинтуитивном уровне, мы сможем проектировать более совершенные двигатели и проводить эксперименты, которые бросают вызов нашему пониманию природы", — рассказала Молли Мессадж, аспирантка Королевского колледжа Лондона и ведущий автор работы.

Температура выше солнечного ядра

Для сравнения: температура в центре Солнца оценивается примерно в 15 миллионов °C (около 1,5x10⁷ Кельвинов), тогда как двигатель исследователей нагревает микрочастицу до 10 миллионов кельвинов, что эквивалентно почти 10⁷ °C.

Объект Температура, К Комментарий
Поверхность Солнца 5 800 Излучение света
Ядро Солнца 1,5x10⁷ Термоядерные реакции
Новый нанодвигатель 1,0x10⁷ Лабораторный микромасштаб
Температура плавления вольфрама 3,7x10³ Для сравнения с земными материалами

При таких значениях привычная физика перестаёт быть интуитивной. В системе наблюдались парадоксальные эффекты: двигатель иногда вырабатывал больше энергии, чем получал, а в других случаях самопроизвольно охлаждался. Эти аномалии объясняются тепловыми флуктуациями, которые проявляются только на микроскопическом уровне.

Что такое ловушка Пауля

Ловушка Пауля — это система из четырёх электродов, создающих электрическое поле, удерживающее заряжённые частицы в воздухе или вакууме. Такие устройства широко применяются в квантовой физике и ионных компьютерах, где они позволяют манипулировать отдельными атомами и ионами.

В данном эксперименте физики использовали одну микрочастицу — меньше миллиметра — и воздействовали на неё переменными электрическими полями. В результате частица начала двигаться как в миниатюрном колебательном двигателе, превращая хаос в контролируемое движение.

"Наш двигатель показывает, что термодинамика в микромире подчиняется иным правилам: энергия может кратковременно "появляться” из флуктуаций, а порядок — возникать из хаоса", — объяснил соавтор исследования Джонатан Притчетт.

Почему это важно для науки

Хотя практического применения у "самого горячего двигателя" пока нет, установка позволяет смоделировать фундаментальные процессы, которые происходят внутри живых клеток.

Один из примеров — сворачивание белков, обеспечивающее работу организма. Белковые цепочки складываются за миллисекунды, а движение отдельных атомов происходит за наносекунды, и вычислительным моделям трудно описывать такие разницы во времени.

"Белки складываются за миллисекунды, а движение их атомов — за наносекунды. Просто наблюдая за микрочастицей и рассчитывая на основе этого ряд уравнений, мы можем избегать вычислительных ограничений", — отметил Джонатан Притчетт.

Нарушая термодинамику

На макроуровне термодинамика жёстко определяет, что энергия не может быть создана из ничего. Но в микромасштабе — на уровне атомов и молекул — возможны временные "нарушения": энергия может кратковременно возрастать или исчезать из-за квантовых флуктуаций.

Масштаб Основное правило Поведение
Макромир Закон сохранения энергии, предсказуемость Энергия стабильна
Микромир Флуктуации, статистические эффекты Возможны "скачки" и самопроизвольное охлаждение

Такие явления уже наблюдались ранее в экспериментах с атомными ловушками и квантовыми системами, но двигатель Королевского колледжа стал первой установкой, где их удалось зафиксировать в условиях искусственного нагрева до экстремальных температур.

Микродвигатели будущего

Учёные надеются, что принципы, продемонстрированные на наномоторе, помогут:
• лучше понять динамику белков и клеточных механизмов;
• разработать новые типы материалов, реагирующих на внешние поля;
• создать эффективные квантовые микромашины, которые смогут управлять движением атомов.

"Мы изучаем предельные состояния материи, чтобы увидеть, где заканчиваются классические законы и начинаются квантовые. Эти эксперименты открывают путь к созданию новых типов двигателей, работающих не за счёт топлива, а за счёт микроскопических флуктуаций энергии", — отметила Молли Мессадж.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

  • Ошибка: пытаться объяснить микроскопические явления только законами классической физики.
    Последствие: противоречия в данных и невозможность предсказать поведение систем.
    Альтернатива: использовать гибридные модели, сочетающие квантовую механику и статистическую термодинамику.

  • Ошибка: считать, что флуктуации — это просто шум.
    Последствие: игнорирование фундаментальных источников движения материи.
    Альтернатива: рассматривать их как основу энергетических переходов на атомном уровне.

  • Ошибка: искать практическое применение слишком рано.
    Последствие: потери фокуса фундаментальных исследований.
    Альтернатива: использовать подобные эксперименты для уточнения физических констант и законов природы.

Плюсы и минусы открытия

Плюсы Минусы
Новый взгляд на термодинамику Нет прямого практического применения
Возможность моделировать микропроцессы Сложность контроля системы
Открытие экстремальных температур на наномасштабе Энергозатратность эксперимента

FAQ

Что делает двигатель "самым горячим"?
Температура микрочастицы достигает 10 млн К — выше, чем в ядре Солнца.

Почему его называют "самым маленьким"?
Он состоит всего из одной удерживаемой частицы — это двигатель на уровне нанометров.

Нарушает ли он законы физики?
Нет. Он демонстрирует, что в микромире действуют вероятностные законы, допускающие кратковременные флуктуации энергии.

Можно ли использовать его в реальных устройствах?
Пока нет. Установка служит для изучения микродинамики и тестирования теорий.

Мифы и правда

Миф: этот двигатель может вырабатывать бесконечную энергию.
Правда: энергетические "скачки" кратковременны и не нарушают закон сохранения.

Миф: температура измерялась напрямую.
Правда: она вычислялась по скорости и амплитуде колебаний микрочастицы.

Миф: установка опасна.
Правда: масштаб энергии настолько мал, что она безопасна даже при миллионах кельвинов.

Три интересных факта

• При температуре 10 млн К атомы теряют почти все электроны и превращаются в плазму.
• Ловушка Пауля названа в честь Нобелевского лауреата Вольфганга Пауля, разработавшего метод удержания ионов в 1950-х.
• Эксперимент помогает лучше понять, как двигаются белки и как энергия распределяется внутри клеток.

Исторический контекст

• Первые опыты с ионными ловушками начались в середине XX века и применяются сейчас в квантовых компьютерах.
• Концепция микродвигателей на основе случайных флуктуаций появилась в 1990-х годах, но тогда не существовало технологий для их реализации.
• В 2025 году физики из Лондона впервые достигли температур, сравнимых с солнечными, в системе размером меньше атома пыли.

Подписывайтесь на Экосевер

Читайте также

Учёные выяснили, что стакан воды усиливает естественную защиту зубов от кариеса вчера в 21:30
Учёные нашли простой способ укрепить зубы

Учёные из Калифорнии доказали: обычный стакан воды способен за час укрепить естественную защиту зубов. Вода повышает pH слюны и помогает предотвратить кариес.

Читать полностью »
MIT создал модель человеческого мозга с шестью типами клеток вчера в 20:40
Учёные создали мини-мозг с шестью типами клеток — шаг к пониманию человеческого сознания

Учёные из MIT создали трёхмерную модель мозга, в которой объединили шесть типов клеток. Новая система обещает изменить подход к лечению болезни Альцгеймера и других недугов.

Читать полностью »
Учёные выяснили, что постная свинина эффективнее жирной для роста мышц вчера в 20:36
После тренировки — не протеин, а отбивная: какое мясо работает лучше

Учёные выяснили, что постная свинина лучше жирной помогает мышцам восстанавливаться после тренировок. Тип белка, а не количество жира, влияет на эффективность роста.

Читать полностью »
Регулярная ходьба снижает риск остеопороза и переломов вчера в 20:09
Остеопороз крадёт прочность незаметно: как защитить кости, пока они ещё целы

Учёные объяснили, почему остеопороз разрушает кости изнутри, как простая ходьба помогает их укрепить и какие привычки реально защищают скелет от хрупкости.

Читать полностью »
Энергетики вызывают зависимость и повышают нагрузку на организм вчера в 19:54
Сладкий вкус — не случайность: как пузырьки ускоряют зависимость от энергетиков

Учёные объяснили, как сладкий вкус и газировка в энергетиках усиливают зависимость и нагрузку на сердце — и чем можно заменить их без вреда для здоровья.

Читать полностью »
Потребление сахара в утробе связано с ухудшением функции лёгких у детей вчера в 19:32
Сахар во время беременности может наследоваться как болезнь: новое открытие

Учёные выяснили, что избыток сахара во время беременности может увеличить риск астмы у ребёнка. Но чем раньше скорректировать питание, тем выше шанс защитить малыша.

Читать полностью »
Минпросвещения прокомментировало идею введения 12-летнего обучения в школах вчера в 19:30
12-летнее обучение — модно, но не обязательно: Минпросвещения поставило точку

Минпросвещения прокомментировало предложение увеличить срок обучения в школах до 12 лет. Ведомство заявило, что действующая система сбалансирована и менять её пока не планируется.

Читать полностью »
Учёные выяснили, что белок из слёз ускоряет регенерацию хрящевой ткани вчера в 18:55
Российские исследователи научились перенастраивать заживление: вместо шрама — новая ткань

Учёные из Сеченовского университета выяснили, что белок лактоферрин из слёз и молока способен "включать" регенерацию тканей без рубцов. Эксперименты на кроликах доказали его эффективность.

Читать полностью »