Новости науки
Космический аппарат НАСА сделал снимки, позволяющие учёным впервые реконструировать древние каналы, по которым раньше текла вода по марсианской поверхности, погребённые в настоящее время под слоем застывшей лавы.
Этот космический аппарат за последние несколько лет сделал большое количество снимков, демонстрирующих каналы, которые принято связывать с гигантским наводнением, происходившим, предположительно, в последние 500 миллионов лет марсианской истории. Если бы не эти каналы, то Марс бы оставался совершенно холодным и сухим на протяжении этого периода. Поэтому изучение этих каналов играет важную роль в установлении степени, в которой гидрологическая активность проявлялась в таких сухих условиях.
«Наши находки демонстрируют, что масштаб эрозии, которая привела к появлению этих каналов, прежде недооценивался, и что глубина каналов оказалась по крайней мере в два раза больше, чем считалось ранее», — сказал Гаретт Морган, геолог из музея National Air and Space Museum"s Center for Earth and Planetary Studies, расположенного в Нью Йорке.
Гигантская чёрная дыра (ЧД), находящаяся в центре Млечного пути, готовится проглотить крупный кусочек аппетитного газового облака, а астрономы с нетерпением ожидают наступления этого редкого события, чтобы зафиксировать все его подробности.
Считается, что в центрах большинства галактик лежат гигантские ЧД, и что масса ЧД Млечного пути, известной как Стрелец А*, составляет примерно 4 миллиона солнечных масс.
Поглощённое облако, по сравнению с огромной ЧД, будет выглядеть совсем крохотным и лишь незначительно увеличит её массу. Учёные думают, что поглощение будет происходить примерно в течение года, причём самая активная часть этого события придётся на сентябрь этого года.
На сегодняшний день астрономы заметили, что облако ускоряется и вытягивается, по мере того как оно приближается к своей неизбежной гибели. Гравитационные приливные силы ЧД заставили вытянуться облако, представлявшее собой в 2004 г. почти правильную сферу, в длинную, тонкую «спагеттину» к 2012 г.
Учёные надеются, что наблюдения "космического обеда" помогут им проверить некоторые теории, касающиеся особенностей аккреции массы ЧД.
Россия отправит в космос женщину-космонавта — впервые за два последних десятилетия — в следующем году, объявили официальные представители Роскосмоса в космическом тренировочном центре в среду, 6 марта.
36-летний профессиональный космонавт Елена Серова «готова принять участие в космическом полёте во второй половине 2014 г.», — сказал Алексей Темеров, представитель Центра подготовки космонавтов Звёздного городка.
В этом году Россия отмечает 50-летнюю годовщину со дня отправления в космос первой женщины-космонавта. Этот подвиг был совершён Валентиной Терешковой в июне 1963 г., а за ним последовал не менее отважный полёт советского космонавта Светланы Савицкой, ставшей первой женщиной, совершившей выход в открытый космос.
Но в то время как НАСА регулярно отправляет в космос женщин-астронавтов для работы на Международной космической станции, с российской стороны с начала 1980-х лишь ещё одна женщина работала в составе экспедиции на МКС — Елена Кондакова.
«Елена Серова проведёт на МКС 6 месяцев», — сказал Темеров. — Она будет работать по обычной программе, выход в открытый космос этой программой не предполагается».
Источник
Наблюдения редкого класса двойных звёзд в настоящее время позволили команде астрономов увеличить точность измерения расстояния до одной из соседних с нами галактик, Большого Магелланова Облака (БМО), а также пересмотреть постоянную Хаббла — астрономическую константу, отвечающую за расширение Вселенной. Астрономы говорят, что это важный шаг к пониманию природы таинственной тёмной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться.
Уточнённое расстояние до БМО составляет теперь 163000 световых лет. БМО — не самая близкая к Млечному пути галактика: Карликовая галактика в Большом Псе, открытая в 2003 г., считается нашей ближайшей галактической соседкой, находясь на расстоянии в 42000 световых лет от центра галактики Млечный путь.
Исследовательская команда вычислила расстояние до БМО, наблюдая за тесной парой звёзд, известных как двойные затменные звёзды. Отслеживания малейшие изменения в периодичности затмений этих звёзд, вызванных прохождением одной из них перед другой, астрономы могут очень точно измерять космические дистанции.
Исследование было опубликовано в выпуске журнала Nature за 7 марта.
Европейский союз запустил новую программу, направленную на противодействие угрозе космического мусора, который находится на околоземных орбитах.
Космический мусор — это обломки искусственного происхождения: отработавшие ракетные ступени, мёртвые спутники и даже ручной инструмент космонавтов — движущиеся по орбите. Эти обломки представляют собой опасность для обращающихся по орбите спутников, которые могут быть повреждены или уничтожены даже небольшим осколком космического мусора.
Чтобы справиться с проблемой, Евросоюз предложил, чтобы 27 стран-членов этого объединения консолидировали свои усилия и работали совместно для своевременного предупреждения спутниковых операторов о рисках возможных столкновений. Еврокомиссия, исполнительный орган Евросоюза, недавно объявила официально об этой новой инициативе.
Предполагается, что в настоящее время вокруг Земли обращаются примерно 600000 объектов космического мусора с диаметром больше чем 1 см, и по крайней мере 16000 объектов с диаметром больше чем 10 см. Спутниковые операторы в настоящее время полагаются на наземные программы отслеживания, которые позволяют заблаговременно отвести спутник с курса на столкновение с опасным обломком.
Источник
В ответ на вызов дифракционного предела, не позволяющего с помощью стандартных оптических микроскопов разглядывать объекты размером менее длины световой волны, наукой создано уже немало приборов, дающих возможность этот предел обойти. Микроскопы нынешнего поколения позволяют не только разглядывать структуры молекул, но и исследовать пути манипулирования объектами субнаномира.
Говорят, «деньги любят тишину», и, наверное, Швейцария — одна из наилучших иллюстраций к этому тезису. Тишина, размеренность и богатство царят на берегах Цюрихского озера, где в окружении живописных гор живет в основном весьма состоятельная часть человечества. Интересно, однако, что такой же антураж прекрасно (судя по результатам) подходит и большой науке. Здесь же, в Цюрихе, в районе Рюшликон еще с середины 50-х годов прошлого века расположилась одна из одиннадцати на сегодняшний день лабораторий корпорации IBM.
Несмотря на то что название корпорации стойко ассоциируется у большинства с компьютерами, многонациональный научный коллектив Zürich IBM Research ведет исследования в самых разных областях, в том числе имеющих отношение к фундаментальным основам бытия.
Комплекс выкрашенных в белый цвет малоэтажных зданий, изящный, но непритязательный дизайн внутренних помещений, подвальные этажи для лабораторий, где оборудование любит тишину еще больше, чем деньги в швейцарских банках. Лаборатории, кстати, не производят впечатление очень просторных — свободного места для прогулок маловато. Поначалу с трудом верится, что именно в таких условиях вершится большая наука.
|
Не больше кулака
Вот и лаборатория, где занимаются низкотемпературной микроскопией с применением сканирующего туннельного (STM) и атомного силового (AFM) микроскопов, совсем крошечная. А ведь именно здесь, в этих стенах впервые удалось получить четкое изображение химической структуры молекулы. Об этом было объявлено осенью 2009 года, и тогда же публике предъявили четкую картинку молекулы пентацена — органического соединения, в молекулярной структуре которого присутствует пять шестиугольных бензольных колец, что, конечно же, выглядело очень зрелищно.
Собственно, атомы можно было разглядеть с помощью мощных электронных микроскопов и раньше, проблема всегда была в том, что никак не удавалось зафиксировать межатомные связи — слишком они слабы. С использованием AFM задача оказалась решенной.
Лаборатория оборудована под землей — здесь почти не ощущаются вибрации грунта и здания. То, что нам показывают в качестве микроскопа, являет собой сборку из одной сферической и двух цилиндрических камер — все вместе высотой метра полтора. «На самом деле сам микроскоп совсем не такой большой, — объясняют нам сотрудники лаборатории. — Он размером приблизительно с человеческий кулак». Вся остальная конструкция служит для выполнения трех задач. Во-первых, поверхности, на которых исследуются образцы, требуют сверхчистоты, и эта чистота должна поддерживаться на протяжении длительных экспериментов. Для этого с помощью насоса в камере, куда помещают микроскоп, создается высокий вакуум.
Во-вторых, молекулам, которые являются объектами исследования, при комнатной температуре свойственны быстрые колебания, и, чтобы «утихомирить» препарат, приходится охлаждать камеру почти до абсолютного нуля (5К, минус 268°С). Для этого используется жидкий гелий, содержащийся в хромированном цилиндре. В-третьих, поскольку некоторые паразитные вибрации в помещении лаборатории все равно присутствуют, существует система специальной подвески микроскопа внутри камеры, которая эти вибрации гасит.
Щупаем угарным газом
Две разновидности сканирующего зондового микроскопа — STM и AFM — были созданы в стенах цюрихской лаборатории IBM, а основоположниками этих разработок стали немец Герд Карл Бинниг и швейцарец Генрих Рорер, удостоенные в 1986 году Нобелевской премии. Если оптический микроскоп работает с отраженным от объекта светом, а электронный «подсвечивает» его потоком электронов, то в случае со сканирующими зондовыми микроскопами происходит нечто совсем иное. Зонд AFM, представляющий собой подвижный рычаг (кантилевер) с иглой (микроскопическим конусом, острой частью обращенным к объекту исследования), как бы ощупывает структуру атомов и молекул, подобно тому, как незрячий читает выпуклости шрифта Брайля.
Игла, испытывая на себе за счет сверхмалого расстояния силы взаимодействия с атомами, считывает рельеф поверхности, что приводит к колебаниям кантилевера. Они, в свою очередь, фиксируются, например, лазерным датчиком, данные которого переводятся в изображение.
|
Если речь идет о сканирующем туннельном микроскопе, то на иглу зонда подается напряжение, и рельеф поверхности считывается за счет изменения параметров тока, который протекает между иглой и исследуемым препаратом в результате эффекта квантового туннелирования. Величина тока, в частности, зависит от плотности в той точке исследуемого образца, на которую наведена игла зонда.
При этом весь процесс вовсе не молниеносный — сканирование объекта может занимать до 20 часов. Кроме того, технология требует прецизионной системы развертки и, что немаловажно, приближения острия иглы зонда к размеру исследуемого объекта. В идеале это острие должно состоять из одной молекулы, и в лаборатории IBM именно этого и удалось добиться.
|
А начиналось так: попытки отсканировать с помощью AFM уже упомянутую молекулу пентацена заканчивались тем, что возникающие между иглой и образцом электростатическая сила и сила Ван-дер-Ваальса разрушали молекулу. Тогда удалось подцепить иглой одну молекулу моноксида углерода (CO), известного в быту как «угарный газ», которая и стала настоящим «острием». За счет свойств обеих молекул действие мешавших сканированию сил компенсировалось.
Таким образом, молекула пентацена была отсканирована с очень высоким разрешением. Здесь, однако, кроется и некая ограниченность данного метода — ведь трюк с молекулой угарного газа не сработает, если молекула препарата будет иметь другой состав, то есть всякий раз придется искать свое решение.
Прощание с кремнием
Но все это уже день вчерашний. Уже в прошлом году ученые IBM исследовали с помощью AFM молекулу нанографена и получили не просто рисунок структуры, но и четкую картину и порядок атомных связей внутри молекулы. Выяснилось, что эти связи не только различаются по силе, но и имеют разную длину. Исследованиям на AFM также подверглась молекула баксминстерфуллерена — аллотропного 60-атомного соединения углерода, имеющего форму мяча и напоминающего по структуре геодезические шары и купола, придуманные американским архитектором Бакминстером Фуллером. Во всех этих исследованиях также применялась игла зонда с молекулой моноксида углерода в качестве острия.
Разумеется, опыты с зондовыми микроскопами, коль скоро они проводятся в стенах лабораторий IBM, все-таки имеют определенное отношение к перспективам компьютерной индустрии. Дело в том, что новые материалы на основе углерода, в частности графен, рассматриваются в качестве грядущей замены кремния для будущих электронных чипов.
В этом отношении особую важность представляет разработка методов манипулирования подобными материалами фактически на атомном уровне. Кстати, в 2012 году IBM объявила о создании магнитной памяти, один бит которой будет иметь материальную основу в виде всего 12 атомов. Правда, такая сборка носит сегодня чисто экспериментальный характер и сработана при сверхнизких температурах с помощью зондового микроскопа.
Поэтому сложно ожидать, что 12-атомная память может появиться в прикладных устройствах в обозримом будущем. А возможно ли хранить информацию с помощью всего одного атома? Теоретически такая возможность существует.
Управляемое золото
Туннельный сканирующий микроскоп не позволяет получать такие сверхчеткие сканы молекул, как AFM, однако его плюс в возможности активного воздействия на молекулу-препарат. В лаборатории IBM в Цюрихе нам показывают результаты эксперимента по манипулированию одним атомом. Адсорбированные атомы золота (то есть атомы, помещенные на кристаллическую поверхность, в которую они не могут диффундировать) располагаются на тончайшей пленке из хлорида натрия (поваренная соль), которая, в свою очередь, выстилает собой подкладку из меди. Все атомы на снимке выглядят как светлые кружочки на сером фоне.
Теперь к одному атому подводится игла зонда и подается напряжение. Атомы снова сканируются, и на полученной картинке хорошо видно, что тот из них, который подвергся манипуляции, обрел хорошо заметный темный ореол. Что же случилось?
Нейтральный прежде атом получил от микроскопа добавочный электрон, а вместе с ним отрицательный заряд. «В таком состоянии, — объясняет нам сотрудник лаборатории IBM, — атом в принципе может находиться неопределенно долгое время. Зато ничто не мешает с помощью того же микроскопа вернуть его в нейтральное состояние». А если мы можем управлять двумя состояниями некоего объекта, меняя в любой момент и по своей воле одно состояние на другое, то что это, как не готовая логическая ячейка емкостью в один бит?
Иногда на первый взгляд совершенно абстрактные математические теории помогают физикам-теоретикам понять, как устроен наш мир.
|
В год окончания Первой мировой войны двое немецких математиков геттингенской выучки опубликовали работы, имеющие огромное значение для теоретической физики. Одна из самых блестящих алгебраистов XX века Эмми Нётер представила доказательства двух знаменитых ныне теорем, связывающих законы сохранения различных величин (энергии, импульса, углового момента, заряда и т. д.) с симметриями уравнений, описывающих физическую систему.
Эти теоремы стали мощным и универсальным средством выявления подобных законов в ньютоновской и релятивистской механиках, в теории тяготения, электродинамике, квантовой теории поля и физике элементарных частиц.
Статья Германа Вейля «Гравитация и электричество», опубликованная не в Геттингене, а в Берлине, известна гораздо меньше. Между тем она и ее продолжение, вышедшее годом позже, положили начало чрезвычайно эффективному подходу к конструированию теорий микромира, который сформировался уже во второй половине XX века. С его помощью была создана объединенная теория трех фундаментальных взаимодействий, сильного, слабого и электромагнитного, которую назвали Стандартной моделью.
|
От сил к потенциалам
Как обычно и бывает, у Вейля имелись предшественники. В начале XIX века работы нескольких математиков, прежде всего Гаусса и Пуассона, преобразовали математический аппарат ньютоновской теории тяготения.
В новой интерпретации она предстала как силовое поле, пронизывающее Вселенную. Это поле стали описывать гравитационным потенциалом — скалярной функцией, зависящей от пространственных координат, но не от времени. При этом сила тяготения в любой точке полностью определяется тем, насколько резко изменяется вблизи нее этот потенциал (то есть его градиентом).
Это нововведение обогатило математический аппарат небесной механики и других разделов физики, где приходится иметь дело с тяготением, но ввело в описание гравитации некую неопределенность. В законе Ньютона фигурируют силы тяготения, которые можно измерять непосредственно, и определяются они однозначно (в выбранной системе единиц).
А вот значения гравитационного потенциала можно изменить на любую постоянную величину — градиент останется тем же. В те времена это выглядело тривиальным следствием математического формализма, не имеющим отношения к реальной физике.
Столетием позже таким же образом переписали классическую электродинамику. В первоначальной форме она была представлена уравнениями Максвелла, куда входят измеряемые на опыте напряженности электрического и магнитного поля. Эти уравнения тоже удобно выразить через потенциал, только более сложный, чем у ньютоновской гравитации (помимо скалярной части, в него входит вектор, определяющий величину магнитного поля).
Уравнения электродинамики в такой записи выглядят очень элегантно и естественно встраиваются в пространство-время специальной теории относительности. Однако они становятся неоднозначными, поскольку одному и тому же полю могут соответствовать разные потенциалы. Например, к векторному потенциалу можно добавить любой постоянный вектор, а к скалярному — любое число.
Более того, эти добавки могут меняться и в пространстве, и во времени, лишь бы они были правильно связаны друг с другом, так что произвол в выборе электромагнитных потенциалов существенно больше, чем в случае ньютоновской гравитации. Физики и математики начала прошлого века прекрасно видели эту неоднозначность, но, как и предшественники, не придавали ей особого значения.
Калибровочные преобразования
Это свойство электромагнитных потенциалов имеет глубокий физический смысл. Их взаимные изменения компенсируют друг друга точно таким образом, чтобы сохранить в прежнем виде уравнения Максвелла.
Неоднозначность выбора фактически отражает неразрывную связь между электричеством и магнетизмом.
Преобразования потенциалов, не меняющих уравнений электромагнитного поля, называют калибровочными (этот термин тоже восходит к статьям Вейля) — как говорят физики, эти уравнения инвариантны относительно калибровочных преобразований. В квантовой электродинамике такая инвариантность, в соответствии с теоремой Нётер, влечет за собой закон сохранения электрического заряда.
Таким образом, калибровочная инвариантность, несмотря на свой вроде бы формальный характер, открывает возможность заключений, имеющих прямой физический смысл!
И не только в отношении электромагнетизма. Принцип эквивалентности, на котором базируется общая теория относительности (ОТО), утверждает, что поле тяготения вызывает такие же физические эффекты, как и ускорение. Если недалеко от звездолета с работающим двигателем поместить тяготеющие массы, то в принципе можно полностью скомпенсировать импульсы двигателя и создать в кабине зону невесомости.
Такая компенсация ускорений посредством переменного гравитационного потенциала аналогична взаимной компенсации изменений потенциалов электромагнитного поля. Это наводит на мысль, что уравнения ОТО должны подчиняться какому-то аналогу калибровочных преобразований.
Такие рассуждения сейчас кажутся вполне естественными, но сто лет назад до них никто не додумался. Калибровочная инвариантность — и как идея, и как термин — пришла в теоретическую физику иным путем. Чтобы понять, как это произошло, обратимся к работам Вейля.
|
Мир переменных масштабов
Вейль записал уравнения гравитационного поля в пространстве с иной геометрией, чем та, которой воспользовался Эйнштейн. В итоге к ним добавились формулы, в которых Вейль увидел основные черты уравнений Максвелла. Этим путем он получил математическую конструкцию, которую счел единой теорией электричества и тяготения.
Уравнения ОТО записываются в римановом пространстве, искривленном четырехмерном пространстве-времени с однозначной метрикой. В отличие от «плоского» евклидового пространства, где при перенесении произвольного вектора вдоль замкнутой кривой по возвращении в исходную точку он окажется в прежней позиции, в римановом пространстве такой перенос закончится поворотом вектора на ненулевой угол, который будет мерой кривизны пространства в этой точке. С другой стороны, длина вектора после переноса остается той же самой — в этом и состоит однозначность метрики.
От этого ограничения и отказался Вейль. Он предположил, что уравнения тяготения не должны зависеть от масштабов, применяемых для измерения длины. В обыденной жизни можно с равным успехом пользоваться метрами, футами, аршинами и вершками. Численные значения длины любого отрезка зависят от единицы измерения, но отношения между ними строго сохраняются.
Нечто подобное происходит и в геометрии Вейля, только масштабная единица непрерывно изменяется от точки к точке. Вслед за ней изменяются и длины, но отношения этих длин для любой пары векторов с общим началом остаются неизменными. Операцию смены масштабов Вейль назвал перекалибровкой. Она сохраняет уравнения гравитационного поля — это и есть калибровочная инвариантность в своей ранней исторической ипостаси.
Но причем здесь электричество? В ОТО длины векторов сохраняются, поэтому сравнить их не представляет проблемы. А вот Вейлю пришлось ввести математические правила, позволяющие выяснить, имеют ли два вектора в соседних точках одинаковую длину (хотя сама длина при этом не определена!).
Эти правила он интерпретировал как уравнения Максвелла для электромагнитных потенциалов. Изменение длины вектора определяется именно этими потенциалами (подобно тому, как изменение его ориентации задается кривизной пространства, которая проявляется через гравитацию).
Вейль отправил рукопись своей статьи Эйнштейну и попросил рекомендовать ее к публикации. Эйнштейн так и сделал, но отметил, что если теория Вейля верна, то частоты оптических спектров должны зависеть от истории излучающих атомов, а это явно противоречит эксперименту. Были выдвинуты и другие возражения, поставившие крест на вейлевском объединении электричества и гравитации. Изумительная по красоте модель оказалась физически несостоятельной.
Однако позднее стало ясно, что идея калибровочной инвариантности глубока и конструктивна, а Вейль ошибся лишь в ее конкретном приложении. В 1920-е годы это поняли несколько физиков, в том числе Фриц Лондон — впоследствии один из авторов первой квантовой теории сверхпроводимости (см.: Без всякого сопротивления, «ПМ» № 8’2011). В 1927 году он предложил новую интерпретацию теории Вейля, сделавшую ее частью квантовой физики.
Проблема с гравитацией
Однако гравитация, с которой всё начиналось, в стандартную модель не входит.
По словам академика Рубакова, гравитация имеет свою специфику: «При квантовании поля тяготения возникают гравитоны. Это тоже бозоны, но уже не векторные — их спин равен не единице, а двойке. Однако теория гравитации опять-таки подчиняется калибровочной симметрии.
|
Гравитон, подобно фотону, имеет лишь две поляризации, в то время как число математически возможных поляризаций у частицы со спином 2 равно пяти. Калибровочная симметрия гравитационного поля позволяет убрать лишние поляризации и тем самым сделать теорию непротиворечивой.
Эту симметрию фактически нашел еще Эйнштейн, хотя в ОТО нет никаких гравитонов. Но там имеется симметрия пространства-времени относительно всех гладких преобразований координат, а это и есть калибровочная симметрия. Впрочем, калибровочные теории очень сильны, но всё же не всемогущи. Сегодняшние теории элементарных частиц очень сложно объединить с гравитацией, и в этом их очевидная слабость. Все попытки создать квантовую теорию тяготения пока не увенчались успехом. Так что наши нынешние калибровочные модели — это, конечно, еще не вся правда.
Я думаю, что для объединенного описания всех четырех фундаментальных взаимодействий придется изобрести новую теорию с еще более широкой калибровочной симметрией. Многие возлагают надежду на теории суперструн, но, скорее всего, понадобится что-то еще шире. Но я не сомневаюсь, что в основе этой будущей теории окажутся какие-то калибровочные симметрии. Некоторые ее черты просматриваются уже сейчас, но когда она появится и какую примет форму, я предсказывать не берусь».
Вся сила в фазе
Вот как выглядит идея Лондона в современном выражении. Квантовые объекты описываются комплексной (в математическом смысле) волновой функцией. Измерить ее экспериментально (как и электромагнитные потенциалы!) невозможно.
Опытным путем можно выявить лишь вероятности значений физических величин, которые определяются квадратом модуля этой волновой функции. Поэтому ее можно умножить на любое комплексное число с единичным модулем — вероятность от этого не изменится. Если записать такое число в виде экспоненты с чисто мнимым показателем, то операция его умножения на волновую функцию приведет к изменению ее фазы.
Если на квантовую частицу не действуют никакие силы, изменение фазы не повлечет за собой значимых последствий. Движение заряженной частицы в электромагнитном поле в нерелятивистском случае описывается уравнением Шредингера, которое при умножении на фазовый множитель изменяет свой вид и становится неинвариантным.
Это препятствие можно обойти, если одновременно изменить электромагнитные потенциалы с помощью того самого классического преобразования, которое после работ Вейля называется калибровочным. Если записать показатель экспоненты в виде произведения мнимой единицы на заряд частицы и скалярную функцию времени и координат, то эта функция как раз и будет задавать требуемое калибровочное преобразование потенциалов.
Оно точно компенсирует те дополнительные члены в уравнении Шредингера, которые появляются после изменения фазы волновой функции.
В чем физический смысл этой вроде бы чисто абстрактной математики? Состояния частицы, чьи волновые функции различаются лишь фазовыми множителями, с точки зрения эксперимента эквивалентны.
Если частица заряжена и, следовательно, подчиняется действию электромагнитного поля, возможность произвольной смены фазового множителя обеспечивается соответствующим изменением электромагнитных потенциалов. Инвариантность уравнения движения частицы относительно выбора фазы волновой функции автоматически приводит к калибровочной инвариантности полевых уравнений.
Если записать уравнение Шредингера для заряженной частицы без каких-либо электромагнитных потенциалов, найти его решение в виде волновой функции и умножить ее на фазовый множитель, в уравнении появятся добавочные члены. Следовательно, оно должно содержать какие-то компоненты, которые своими изменениями скомпенсируют эти добавки. В качестве таких компонент как раз и выступают электромагнитные потенциалы.
Получается, что если волновые функции, различающиеся на произвольный фазовый множитель, описывают одно и то же состояние заряженной квантовой частицы, то должны существовать и электромагнитные поля, которые подчиняются уравнениям Максвелла.
Таким образом, мы пришли к удивительному результату — фазовая инвариантность порождает электромагнетизм! Этого еще нет у Лондона, хотя логика его рассуждений подводит к такому выводу. Впервые его четко сформулировал Вейль в статье «Электрон и гравитация», опубликованной в 1929 году (хотя он использовал не уравнение Шредингера, а дираковское уравнение для релятивистского электрона). Умножение волновой функции на фазовый множитель у Вейля предстает как новое калибровочное преобразование, тесно связанное с преобразованием электромагнитных потенциалов.
Инструмент предсказаний
Идеи Вейля настолько привлекли Вольфганга Паули, что в 1933 году он пересказал их в статье «Волновая механика». В середине 1940-х годов ее прочел молодой китайский физик Янг Чжэньнин, которого очень заинтересовало доказательство связи между фазовой инвариантностью и сохранением электрического заряда.
В 1953–1954 годах в Брукхейвенской национальной лаборатории Чжэньнин и аспирант Роберт Миллс применили эти идеи для анализа ядерных сил. Их совместная статья «Сохранение изотопического спина и обобщенная калибровочная инвариантность» сыграла огромную роль в развитии теоретической физики.
Янг и Миллс первыми показали, что на основе калибровочной симметрии можно предсказывать существование ранее неизвестных физических полей и, как следствие, еще не открытых частиц (Паули пришел к сходным выводам за год до Янга и Миллса, однако воздержался от их публикации). В 1960–1970-е годы этот росток дал обильный урожай в виде Стандартной модели элементарных частиц.
«Все фундаментальные взаимодействия, за исключением гравитации, переносятся векторными частицами, — говорит профессор МГУ и главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, автор монографии о калибровочных полях академик Валерий Рубаков, — так уж устроен мир. А при таком раскладе просто необходимо пользоваться калибровочными симметриями, иначе получаются сплошные патологии.
Физики шли к пониманию этих вещей очень разными путями. Калибровочная природа электромагнетизма известна еще со времен Вейля, больше 80 лет. Объединенная калибровочная теория слабых и электромагнитных взаимодействий была развита Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом во второй половине 1960-х годов и окончательно доработана лишь в начале 1970-х. А потом настала очередь и внутриядерных сил. Как раз тогда экспериментаторы показали, что на очень малых дистанциях взаимодействие между кварками не растет, а слабеет.
Это явление назвали асимптотической свободой, и поначалу оно не находило разумного объяснения. Однако трое физиков-теоретиков — Дэвид Гросс, Фрэнк Вильчек и Дэвид Политцер — вскоре показали, что в калибровочных моделях глюонных полей асимптотическая свобода возникает естественным образом. Отсюда было недалеко до объединения теорий электрослабых и сильных взаимодействий в единую теоретическую конструкцию, которую назвали Стандартной моделью».
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создалиработающий прототип универсального «квантового холодильника». Миниатюрное устройство размерами около 4×5 дюймов сравнивают по мощности охлаждения со сплит-системой, установленной в Мемориале Линкольна.
Конечно, такое сравнение весьма условно. Однако, в отличие от большинства подобных моделей, новинка работает уже не только с отдельными атомами, но и с макрообъектами. Подобно традиционным бытовым холодильникам, она способна охлаждать всё, что угодно. Предметы можно помещать в зону охлаждения и извлекать из неё в любое время.
Связать квантовые эффекты и объекты макромира позволяет охлаждающий элемент своеобразной конструкции, напоминающей сэндвич. Тончайшие листы меди и сверхпроводники разделены изолирующими слоями нанометровой толщины. При прохождении электрического тока электроны туннелируют в сверхпроводники, что вызывает резкое охлаждение меди. Одновременно происходит обычный теплообмен между «сэндвичем» и охлаждаемым макрообъектом.
Первая демонстрация возможности использования квантовых эффектов для охлаждения относительно крупных предметов была проведена в 2005 году. Тогда за счёт тунеллирования электронов в NIST смогли понизить температуру кубика из германия с длиной ребра 250 мкм. Объём кубика был в 11 тысяч раз больше, чем объём самой активной зоны «холодильника». За прошедшие восемь лет коллектив учёных смог не просто увеличить габариты, но и перейти от простой демонстрации эффекта к созданию действующего образца.
В научной области такой твердотельный квантовый холодильник обещает настоящую революцию, так как позволяет достичь температур менее 300 мК без использования жидкого гелия и других громоздких систем. Охлаждение до близких к абсолютному нулю температур – важнейшее условие работы многих компонентов современного оборудования. Степень охлаждения существенно лимитирует чувствительность матриц телескопов, регистраторов нейтрино и частиц высокой энергии.
Пока «квантовый холодильник» наиболее эффективен именно для целей глубокого охлаждения, однако авторы продолжают совершенствовать его. Следующий этап — создание универсального термоинтерфейса на основе медных пластин. Есть надежда, что в ближайшие годы такие схемы станут применяться и в быту — например, вместо традиционных шумящих кулеров.
В США ученые НАСА впервые сумели измерить скорость вращения сверхмассивной черной дыры — для этого они объединили данные рентгеновских телескоповXMM-Newton и NuSTAR.
В данном случае речь идет о черной дыре SBH, расположенной в центре галактики NGC 1365. Как оказалось, она вращается со скоростью в 84% от максимально допустимой скорости вращения по общей теории относительности. Грубо говоря, речь идет о 84% от скорости света.
SBH окружена аккреционным диском газа и пыли, и как и многие дыры, эта имеет момент импульса. Но ученых интересовало увлечение инерциональных систе отсчета — или эффект Лензе-Тирринга. Это явление в общей теории относительности, наблюдаемое вблизи вращающихся массивных тел. Эффект проявляется в появлении дополнительных ускорений, сходных с ускорением Кориолиса, то есть, в итоге, сил, действующих на пробные тела, двигающиеся в гравитационном поле.
Поскольку из-за невероятной гравитации газ и пыль вокруг черной дыры имеют очень высокую температуру и большое количество рентгеновских лучей, связанных с возбуждением атомов железа. Однако их появление являются довольно странных эффектом. И именно особенности рентгеновского спектра и позволило определить скорость вращения черной дыры SBH, передает журнал GizMag.
Большинство климатических моделей анализирует погоду на больших отрезках времени довольно специфическим способом — «проигрывая её в уме», примерно как шахматная программа ходы. И каждая гроза, каждый циклон обсчитываются — что требует суперкомпьютеров и всё равно часто не даёт необходимой точности.
Брэд Марстон (Brad Marston), профессор физики из Университета Брауна (США), вместе коллегами попробовал применить для тех же задач климатической имитации принципиально иную модель — прямого статистического симулирования. Для начала он ограничился моделированием поведения струй жидкостей и газов. Струи, напомним, формируются в большинстве типов естественных процессов с участием жидкостей и газов, включая циклоны и иные процессы, свойственные атмосфере Земли.
Результаты применения классической модели изменения атмосферных условий (слева) и ранних вариантов статистической модели (справа) (иллюстрация Marston lab / Brown University). |
«Представим, что вы обсчитываете поведение воздуха в комнате, — рассуждает исследователь. — Вы можете прогнать огромную суперкомпьютерную симуляцию всех позиций всех молекул и того, как они отскакивают друг от друга. Но ведь справедлив и такой подход: вы используете механизм статистического типа, описывающий их поведение в целом. И тогда, учитывая, что газ соблюдает простые законы, вы сможете написать: PV = nRT». Разумеется, второй метод требует несравнимо меньших вычислительных мощностей, что позволит применять высоко детализированное климатическое моделирование не в исключительных случаях, а буквально по факту — при наличии практической необходимости.
Словом, г-н Марстон сравнил два метода — описанный выше и традиционный подход с полной симуляцией. В качестве подопытной крысы был взят поток газа на поверхности замкнутой сферы (см. иллюстрацию). В итоге обе модели привели к весьма сходному количеству струй и силе воздушных потоков, показав, что статистическое моделирование всё-таки может быть использовано для обсчёта процессов в атмосфере, и это, как уже говорилось, значительно сократит требующиеся вычислительные ресурсы.
Правда, у нового подхода выявились некоторые ограничения: так, когда скорость добавления или удаления энергии из системы типа «жидкость — газ» становилась слишком большой, статистическая модель давала сбой. И профессор Марстон уже работает над этим.
Несмотря на то что проект по адаптации статистической модели к климатическим реалиям находится пока в самом начале пути, физик уже выложил образец использованного им ПО в общий доступ. Сейчас, по его словам, он занят усложнением модели, до сих пор рассматривающей гипотетическую атмосферу как не более чем двухслойную, что, разумеется, не соответствует реальному положению дел.
Отчёт об исследовании принят к публикации в журнале Physical Review Letters.
Источник
Астрономы, работающие с данными телескопа «Хаббл», опубликовали изображение кластера галактик Abell 68, в области которого наблюдается сильное гравитационное линзирование - одна из дальних спиральных галактик напоминает изображение «Космических захватчиков» из одноименной компьютерной игры. Изображение в высоком качестве и его описание опубликованы на сайте Европейского космического агентства.
В левой верхней части изображения можно рассмотреть спиральную галактику, видимую дважды. Второе изображение представляет собой результат гравитационного линзирования - релятивистского эффекта, вызванного искажением пространства массой. Масса кластера Abell 68 искажает лучи света, идущие от более далекой спиральной галактики подобно обычной оптической выпуклой линзе. В центре изображения (область 4 на полном рисунке) видно несколько вытянутых галактик, изображение которых было искажено действием гравитации того же массивного кластера Abell 68.
Эффект гравитационного линзирования является одним из самых наглядных доказательств общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того, по словам ученых, он часто помогает рассмотреть далекие объекты, плохо различимые обычным способом.
Помимо эффектов линзирования, на новом изображении «Хаббла» можно рассмотреть необычную фиолетовую галактику, как бы стекающую каплями в сторону нижней части фотографии. По словам ученых, фиолетовые «капли», видимые на снимке, представляют собой облака газа, сорванные с галактики в результате прохождения через более плотные слои межгалактического пространства.
Телескоп «Хаббл» работает на орбите с 1990 года. В будущем NASA, ESA и канадское космическое агентство планируют заменить аппарат телескопом «Джеймс Вебб», который будет обладать большей разрешающей способностью и гораздо большей чувствительностью.
В день своей смерти, 24 мая 1543 года, разбитый параличом Николай Коперник увидел только что вышедший из печати главный труд своей жизни — трактат «О вращениях небесных сфер». С этой книги началось изгнание человечества из центра мира, где Земля уступила свое место Солнцу. Через полвека великий фантазер Джордано Бруно поставил под вопрос и центральное положение Солнца, до смерти — увы, своей собственной — напугав общество идеями о множественности обитаемых миров. И вот четыре столетия спустя мы живем на третьей из восьми планет у рядового светила на окраине огромной Галактики. В ней 400 миллиардов звезд, еще больше вокруг нее других галактик, и это лишь крошечная часть Вселенной. А в последнее время космологи всерьез заговорили о множественности вселенных. Этот последовательный отход от представления об особом месте человечества во Вселенной в конце XX века стали называть принципом Коперника. Раз за разом он подтверждался наблюдениями, но все равно вызывал внутренний протест, ведь человеку свойственно чувствовать себя центром мира.
В 1973 году, когда отмечалось 500 лет со дня рождения Коперника, в Кракове состоялась внеочередная ассамблея Международного астрономического союза, на которую съехались сотни исследователей со всего света. Прибыл туда и молодой астрофизик Брэндон Картер. Тяготясь, как он позже писал, «непомерным преклонением перед принципом Коперника», Картер внес своим докладом диссонанс в юбилейные славословия. «Наше положение во Вселенной, — утверждал он, — с необходимостью является привилегированным, по крайней мере в той степени, чтобы допускать наше существование». Если случайно выбрать точку во Вселенной, мы, скорее всего, попадем куда-нибудь в межгалактическое пространство, где не будет ни звезд, ни планет, а лишь чрезвычайно разреженный газ — несколько атомов на кубометр. Но и внутри Галактики человек не мог появиться ни в межзвездном пространстве, ни у короткоживущих звезд-гигантов, ни на газовых планетах, ни на безатмосферных астероидах. Большая часть Вселенной совершенно непригодна для жизни, так что место нашего обитания далеко не рядовое. Это утверждение, которое Картер назвал слабым антропным (от греческого ánthrpos — «человек») принципом, по сути, было лишь советом не слишком заигрываться с принципом Коперника и учитывать, что особенности нашего местоположения во Вселенной сказываются на результатах наблюдений.
Но в том же докладе был сформулирован и сильный антропный принцип, полемика вокруг которого продолжается по сей день. Он гласил: «Вселенная должна быть такой, чтобы на определенной стадии допускать появление наблюдателя». Многие услышали в слове «должна» утверждение о некой цели существования Вселенной, и тем самым формулировка обрела метафизическое, можно даже сказать религиозное, звучание: Вселенная создана для человека, а значит, он, несмотря на скромность своих размеров, необходим для огромного Космоса. Правда, сам Картер не имел в виду ничего подобного: речь лишь о том, пояснял он в том же докладе, что наши теории должны учитывать факт существования во Вселенной мыслящих наблюдателей. Перефразируя Декарта, он говорил: «Я мыслю, следовательно, Вселенная это допускает». Но поздно, от брошенного метафизического камня уже пошли круги. На то были свои причины. Чтобы в них разобраться, придется начать издалека.
Удивительные совпадения
В 1919 году немецкий математик Герман Вейль подсчитал, что сила электрического взаимодействия между протоном и электроном в атоме водорода на 39 порядков (то есть в 1039 раз) больше их гравитационного притяжения. Это колоссальная величина. Цена миски благотворительной похлебки всего в 1013 раз меньше годового объема мировой экономики. Но суммой в 1039 раз меньшей не оплатить и одну молекулу баланды. Почему столь велика разница фундаментальных сил, связывающих две элементарные частицы? Ведь внешне формулы гравитационного и электростатического взаимодействий так похожи. Было ясно, что это соотношение определяет различие масштабов микро- и макромира. Но почему оно именно такое, а не, скажем, 1015 или 1075? Этот вопрос повис тогда без ответа.
1. Роберт Дикке (1916— 1997) предложил первое объяснение тонкой настройки Вселенной
2. Фред Хойл (1915—2001) сделал первое подтвердившееся предсказание на базе антропных идей. Фото: SPL/EAST NEWS
Во второй половине 1930-х годов эмигрировавший в Америку немецкий физик Ханс Бете построил теорию термоядерных источников энергии звезд, согласно которой запасов водородного топлива солнцеподобным звездам хватает на несколько миллиардов лет — цифра тогда почти немыслимая. Английский физик Поль Дирак сравнил этот самый большой встречавшийся в науке интервал времени с самым маленьким (на тот момент 10–24 секунды), который необходим свету, чтобы пройти путь, равный размеру протона. Соотношение вновь получилось около 1039. Неужели это просто случайное совпадение?
Ответ дал в 1961 году американский астрофизик Роберт Дикке, показавший, что только если соотношения Вейля и Дирака велики и близки друг к другу, звезды наработают достаточно тяжелых элементов, в частности углерода, чтобы возникла жизнь и появился человек. Окажись, к примеру, гравитация посильнее или скорость света поменьше, и эти соотношения изменились бы, и наше возникновение стало бы невозможным. Получалось, что наша Вселенная будто специально приспособлена для появления в ней разумных существ.
После Второй мировой войны теорию синтеза элементов в звездах успешно развивал британский астрофизик Фред Хойл. Он детально проработал все этапы этого сложного процесса и вполне мог бы претендовать на Нобелевскую премию, возможно, если бы впоследствии не так увлекался публичной критикой общепринятых астрофизических идей. Выступая на Би-би-си, он весьма эмоционально нападал на теорию горячей Вселенной, называя ее не иначе как «биг-бэнг» — Большой взрыв. Уничижительное словечко, однако, прижилось и стало научным термином, а вот «нобелевка» обошла Хойла стороной. Что, впрочем, не умаляет его достижений в физике звезд.
В начале 1950-х Хойл работал над механизмом синтеза углерода из гелия: сначала пара ядер гелия (альфа-частиц) сливается в ядро бериллия, потом к нему добавляется третье ядро гелия и образуется углерод. Но расчеты показывали: при столкновении бериллия и гелия получается неустойчивое ядро, которое обычно сразу разваливается. Тогда Хойл выдвинул смелую гипотезу: возможно, физики-ядерщики недостаточно внимательно изучили ядро углерода, упустив одно из его возбужденных состояний — то самое, что нужно для эффективной реакции ядер бериллия и гелия. Хойл даже вычислил энергию нужного состояния — около 7,7 мегаэлектронвольта (МэВ). Гипотеза была опубликована в 1952 году, и уже на следующий год подтвердилась экспериментально — в спектре возбуждений ядра углерода-12 обнаружился неизвестный прежде резонанс с энергией 7,66 МэВ.
Это выдающееся предсказание убедительно подтвердило теорию ядерных источников энергии звезд. Но еще интереснее то, что без данного резонанса — окажись, к примеру, его энергия процентов на 10 выше или ниже — углеродная жизнь была бы невозможна. Похоже, нам вновь повезло со Вселенной.
За железным занавесом
В мире приоритет выдвижения антропного принципа признается за Брэндоном Картером (1973) и отчасти за Робертом Дикке (1961). Однако в СССР сходные идеи высказывались заметно раньше. Григорий Моисеевич Идлис в 1957—1958 годах рассматривал Вселенную как «типичную обитаемую космическую систему» и отмечал, что ее выделяет из всех возможных миров наличие необходимых и достаточных условий для существования жизни. Абрам Леонидович Зельманов сформулировал подобные идеи даже раньше, в 1955 году, а в 1970-м, еще до выступления Картера, дал им очень емкую формулировку: «…мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы иного типа протекают без свидетелей». Однако работы отечественных астрофизиков не были известны на Западе, так что там антропный принцип был позднее сформулирован совершенно независимо.
Брэндон Картер в 1973 году сформулировал слабый и сильный антропные принципы
Тонкая настройка
После того как антропный принцип был сформулирован Брэндоном Картером, физики и космологи азартно принялись проверять, как отразятся на возможности человеческого существования различные модификации в физических законах. По современным представлениям все многообразие физических явлений сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Уравнения, которые их описывают, содержат так называемые фундаментальные постоянные. Среди них скорость света, задающая темп самых быстрых процессов, постоянная Планка, определяющая масштаб квантовых явлений, гравитационная постоянная, характеризующая силу всемирного тяготения, а также массы, заряды и другие параметры ряда элементарных частиц. Значения фундаментальных постоянных, а всего их сегодня насчитывается 26 штук, не выводятся из теории, а измеряются экспериментально (причем далеко не все из них на сегодня известны). Естественно, у физиков возникли вопросы: чем определяются величины этих постоянных и что случилось бы с нашей Вселенной при их изменении?
Начать хотя бы с частиц, из которых состоят атомы. Положительно заряженные протоны всего на 0,14% легче нейтронов, лишенных электрического заряда. Но эта разница примерно вдвое больше массы электрона. Избыток массы позволяет свободному нейтрону спонтанно испустить электрон (и антинейтрино), превратившись в протон. А вот протон не может самопроизвольно стать нейтроном — ему для этого нужно откуда-то получить недостающую массу. Поэтому протоны устойчивы, а нейтроны — нет. Окажись масса протона всего на четверть процента больше, ситуация стала бы противоположной, и Вселенная лишилась бы водорода, ведь его ядра как раз и есть одиночные протоны. Без водорода не зажглись бы звезды, не образовались тяжелые элементы и уж, конечно, в таком нейтронном мире не было бы жизни. Но и заметно уменьшить массу протона тоже нельзя. Иначе нейтроны станут слишком неустойчивыми и будут превращаться в протоны даже внутри атомных ядер (как это происходит с некоторыми радиоактивными изотопами). Электрическое отталкивание перенасыщенных протонами ядер привело бы к их разрушению, и во Вселенной остался бы один только водород, чего для жизни явно недостаточно.
А что если поменять относительную силу фундаментальных взаимодействий? Например, увеличить немного ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны. Это сделает стабильным атомное ядро, состоящее из двух протонов без нейтронов, так называемый дипротон, или гелий-2. Расчеты показывают, что в таком мире сразу после Большого взрыва все протоны объединяются в пары и во Вселенной не остается водорода, а значит, не будет ни воды, ни жизни. А если всего в несколько раз усилить гравитацию (помните, она в 1039 раз слабее электромагнетизма), звезды, сжавшись, станут прогорать в десятки тысяч раз быстрее, не оставляя времени для биологической эволюции. Троньте слабое взаимодействие, определяющее поведение нейтрино, и перестанут взрываться сверхновые, которые рассеивают в космосе наработанные в звездах тяжелые элементы, и мы лишимся планет.
Оказалось, что в законах физики буквально ни к чему нельзя прикоснуться без риска получить мир, лишенный наблюдателей. Этот странный факт стали называть «тонкой настройкой» Вселенной, и он настоятельно требовал объяснения.
В центральной области Туманности Киля идут бурные процессы, без которых не могла бы возникнуть жизнь: газ и пыль сжимаются гравитацией в плотные темные глобулы, рожденные в них звезды нарабатывают тяжелые элементы, которые потом рассеиваются в космосе взрывами сверхновых
Не такая уж и тонкая настройка
Американский астрофизик и философ Виктор Стенгер считает, что тонкость настройки нашей Вселенной сильно преувеличена. Хотя по отдельности менять фундаментальные постоянные довольно опасно, при их совместном изменении могут получаться вполне пригодные для жизни миры. Свойства материи в масштабах от атомов до звезд в первом приближении определяются четырьмя константами: две из них регулируют сильное и электромагнитное взаимодействия, а другие две — это массы протона и электрона. В 2000 году Стенгер написал и разместил в Интернете небольшую программу MonkeyGod («Обезьяний бог», www.colorado.edu/philosophy/vstenger/Cosmo/ monkey.html), где можно вручную или случайно задать эти четыре константы и узнать, какие параметры будут у атомов, звезд и планет. Оказалось, что примерно в половине таких случайно «созданных» вселенных время жизни звезд превышает миллиард лет, числа Вейля и Дирака примерно в 5% случаев совпадают по порядку величины. То есть область антропных параметров вовсе не так мала, как об этом принято думать. К тому же все антропные рассуждения исходят из того, что разумные наблюдатели непременно должны быть, подобно людям, представителями углеродной формы жизни. Этот «углеродный шовинизм» сильно сокращает диапазон возможных условий существования разума. Мы не знаем других его форм, но это вовсе не значит, что они невозможны, и быстрое развитие компьютеров дает в этом отношении изрядный простор для фантазии.
Бог Лакун и Мультиверс
Физик и популяризатор науки Пол Дэвис собрал целую коллекцию объяснений тонкой настройки. Он начинает с тривиальной возможности, которую называет «Абсурдной Вселенной»: просто принять такой мир как данность и отказаться от попыток объяснения. Как ни странно, это самое распространенное отношение людей к проблеме тонкой настройки, ведь большинство никогда о ней не задумывалось.
Другой популярный подход — списать все на сверхъестественного Настройщика, который специально запланировал появление человека. Это так называемый креационизм — религиозное течение, стремящееся найти в природе научное подтверждение существования Бога. Основной аргумент креационистов — указание на то, что у науки нет готовых объяснений, как мир приобрел те или иные наукой же открытые свойства, будь это тонкая настройка констант или механизм наследственности. Критики в ответ говорят, что креационисты верят в «бога лакун», бытие которого обосновано лишь пробелами в современных знаниях. В последние годы распространилась политкорректная версия креационизма — «теория разумного замысла». Из нее изгнаны все явные упоминания Бога, а говорится лишь о неизвестном разуме, управляющем нашим миром. Вы вольны представлять его хоть архитектором Матрицы, хоть зелеными человечками. Так креационисты пытаются преодолеть юридический запрет на преподавание религиозных идей в американских публичных школах.
Несколько ближе к науке лежит гипотеза о существовании некоего еще неоткрытого принципа, препятствующего возникновению Вселенной, неспособной к порождению разумных существ. В отличие от теории разумного замысла такой ограничивающий принцип имеет естественную природу и может быть изучен. Еще тоньше парадоксальная гипотеза американского физика Джона Уиллера, того самого, который придумал термин «черная дыра». Еще в 1979 году он спрашивал: «Порождая на некотором этапе своего существования наблюдателей-участников, не приобретает ли в свою очередь Вселенная посредством их наблюдений ту осязаемость, которую мы называем реальностью?» Получается, что существование Вселенной в прошлом объясняется ее свойствами, которые проявятся только в будущем. Подобные идеи не являются религиозными, но и научными их нельзя признать, поскольку из них не вытекает никаких проверяемых следствий. Назовем их условно метафизическими.
Среди научных подходов к объяснению тонкой настройки Пол Дэвис называет две остро конкурирующие идеи. Одна из них утверждает, что существующая настройка Вселенной выводится из некой еще не построенной фундаментальной физической теории с такой же математической непреложностью, как значение числа из геометрических построений. Противостоит ей идея Мультиверса, утверждающая, что мы живем в одной из огромного числа не связанных между собой вселенных, где редкостным образом совпали благоприятные для жизни параметры. Нас не удивляет, что мы обитаем в уникальном для Вселенной месте — на поверхности планеты с кислородной атмосферой, поскольку в других условиях просто не могли бы появиться. Так почему бы не допустить, что и сама наша Вселенная — лишь один из множества миров, со своими законами физики в каждом. Конечно, абсолютное большинство этих вселенных из-за «неправильных» настроек окажутся безжизненными, но об этом все равно никто не узнает, а мы появились в одной из тех, где это было возможно.
Есть много идей о том, как возникают и где существуют эти вселенные. Американский космолог Александр Виленкин совместно с испанским астрофизиком Хауме Гарригой разработали теорию, по которой в результате квантовых флуктуаций из ничего (состояния без времени и пространства) рождается бесконечное множество не связанных между собой вселенных со всеми возможными вариантами параметров. По гипотезе американского астрофизика Ли Смолина, от любой вселенной могут отпочковываться новые с иными характеристиками. Но есть и не столь экзотичное предположение о том, что фундаментальные постоянные очень медленно варьируются в пространстве и времени, так что где-то далеко за горизонтом видимости нашей Вселенной физика становится совсем иной, а мы просто находимся на одном из редких пригодных для жизни островков. В любом из этих вариантов антропные совпадения объясняются тем, что несовместимые с жизнью вселенные просто лишены наблюдателей.
Идея Мультиверса — наиболее естественное объяснение тонкой настройки Вселенной. Нередко ее даже отождествляют с самим антропным принципом. Но в то же время это одна из самых неоднозначных теорий современности. Поначалу она была весьма холодно принята научным сообществом. Это понятно. Ведь важнейший критерий научности — экспериментальная проверяемость. Но как проверить гипотезу о существовании вселенных, совершенно изолированных от нашей и потому абсолютно ненаблюдаемых?
Был ли у создателя выбор?
Эпиграфом для конкурирующего научного подхода может служить знаменитый вопрос Альберта Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор, когда он творил Вселенную?» Эти слова выражают заветную мечту многих физиков открыть теорию, из которой выводятся значения фундаментальных постоянных и свойства всех частиц. Основания современной теоретической физики далеки от совершенства. Три из четырех фундаментальных взаимодействий описываются квантовой теорией поля и Стандартной моделью элементарных частиц. Но математически они несовместимы с общей теорией относительности, описывающей гравитацию. К тому же в последние годы обнаружены физические явления, отклоняющиеся от предсказаний Стандартной модели. Это заставляет физиков упорно искать новую единую Теорию Всего, и в числе главных претендентов на это звание — сложнейшая математическая конструкция, известная под названием теории струн.
Дэвид Гросс, нобелевский лауреат по физике 2004 года, считает, что антропный принцип опасен для науки, поскольку отрицает необходимость поиска окончательных объяснений параметров нашего мира. Фото: RUSSIAN LOOK
Все элементарные частицы в этой теории представлены не точками, а крошечными туго натянутыми колечками — струнами, размером в миллиарды миллиардов раз меньше атомного ядра. Эти колечки постоянно вибрируют, подобно подброшенной в воздух велосипедной покрышке. Причем происходит это не в трех, а в десяти пространственных измерениях, где у струны куда больше разных способов колебаться. Из-за крайне малых размеров струн нам не видны их безумные извивы, но каждому типу их колебаний соответствует определенный набор свойств элементарной частицы — масса, заряд, спин и т. п. Все параметры элементарных частиц чисто математически выводятся из анализа возможных колебаний одинаковых элементарных струн — не теория, а мечта! Надо только убедиться, что вычисленные характеристики частиц совпадают с наблюдаемыми, и станет ясно, что никакая другая Вселенная невозможна — у Создателя просто не было выбора. Антропный же принцип придется списать на свалку истории как геоцентризм конца XX века.
В мае 2006 года в Москве с публичной лекцией выступал один из ведущих специалистов по теории струн нобелевский лауреат Дэвид Гросс. Об антропном принципе он отзывался так: «…люди приходят к этим мыслям от чувства беспомощности… я убежден… что вещи, которые кажутся специально созданными для нашего существования, со временем получат естественное объяснение». Многие физики считают антропный принцип и рассуждения о Мультиверсе своего рода капитуляцией перед трудностями поиска окончательной теории. К сожалению, новая математика действительно чрезвычайно сложна, и работа над ней периодически заходит в тупик. В очередной из них теория струн попала незадолго до того, как Дэвид Гросс приехал популяризировать ее в Москве.
Как известно, у нашего пространства три измерения. И эта фундаментальная постоянная тоже безупречно «настроена»: лишь в трехмерном пространстве устойчивы атомы и планетные системы, при другой размерности они неизбежно разрушаются. Однако набор степеней свободы струн, достаточный для описания свойств всех частиц, появляется только в десятимерном пространстве. Это противоречие можно разрешить, допустив, что 7 из 10 измерений свернуты, то есть в соответствующих направлениях Вселенная имеет микроскопические размеры, сравнимые с колечками струн. При таком предположении и волки сыты, и овцы целы — струны получают необходимые им 10 измерений, а свернутые измерения не нарушают трехмерность нашего макромира.
Все бы хорошо, но оказалось, что свернуть «лишние» измерения можно по-разному, подобно тому, как разными способами вяжутся узлы на веревке. И каждому способу свертки соответствует свой набор колебаний струн, а значит, свой набор фундаментальных постоянных. Поначалу физики надеялись найти среди возможных вариантов один, точно соответствующий нашему миру, но потом выяснилось, что свернуть лишние измерения можно примерно… 10500 способами. Непонятно, как из такого невообразимого множества обоснованно выбрать один-единственный вариант.
Когда обнаружилась эта проблема, один из ведущих специалистов по теории струн, Джозеф Полчински, бывший до этого ярым противником антропного принципа, неожиданно пересмотрел свои взгляды и поддержал идею Мультиверса. Он полагает, что должны существовать все варианты свертки лишних измерений, и каждому соответствует вселенная со своим набором физических законов. Лишь в ничтожной доле этих миров, возможно, в одном на 10100, может зародиться разум, но этого все равно достаточно для антропной аргументации.
Принцип заурядности
И все же ненаблюдаемость других вселенных всерьез ставила под вопрос научность антропного принципа. Если сравнить новую концепцию множественности миров с идеями Джордано Бруно, то преимущество будет не на стороне Мультиверса. Ведь другие звезды, о которых говорил Бруно, были по крайней мере видны на небе, а возможность получить сигнал из другой вселенной исключена в принципе.
Поразительно, но полная ненаблюдаемость других вселенных не помешала предложить способ проверки гипотезы Мультиверса. Александр Виленкин взял за основу выдвинутый им принцип заурядности, или обобщенный вариант принципа Коперника: если человечество — лишь одна из цивилизаций бесконечного Мультиверса, то наше положение случайно, но лишь в той мере, в которой развитие жизни вероятно в том или ином месте. Среди немногих сочетаний фундаментальных постоянных, допускающих появление наблюдателей, не все равноценны. При «пограничных» значениях вероятность возникновения разумных существ будет низка. Для конкретной теории Мультиверса можно построить распределение вероятностей, выделяющее наиболее благоприятные для жизни значения фундаментальных постоянных с длинными «хвостами», где существование высокоразвитой жизни возможно, но маловероятно.
Измерить фундаментальные постоянные мы можем только в одной — нашей Вселенной, но если Мультиверс действительно существует, то полученные значения, согласно принципу заурядности, с высокой вероятностью окажутся в зоне, наиболее благоприятной для жизни. Напротив, если Вселенная единственна, а ее параметры безальтернативно определены некой окончательной физической теорией, то вряд ли они попадут в небольшую зону максимального благоприятствования для жизни (хотя, конечно, они должны быть в области, принципиально допускающей жизнь, раз уж она существует). Таким образом, мы получаем пусть и не очень надежный, но все-таки экспериментальный метод отличить Мультиверс от единственной уникальной Вселенной. И этот метод уже был применен.
Спиральное представление таблицы Менделеева, предложенное профессором химии и дизайнером Филиппом Стюартом (chemicalgalaxy.co.uk), имеет ряд пре имуществ перед традиционным. Подложка в виде галактики напоминает о космическом происхождении необходимых для жизни элементов
На чьей стороне темная энергия?
В 1917 году Альберт Эйнштейн обнаружил, что уравнения его новой теории тяготения предсказывают гравитационный коллапс Вселенной. Чтобы предотвратить его, он ввел в них поправочный параметр, который стал известен как космологическая постоянная. В последнее время ее отождествляют с плотностью темной энергии, воздействие которой приводит к универсальному отталкиванию любых материальных объектов, находящихся на большом расстоянии друг от друга.
Плотность темной энергии — одна из фундаментальных постоянных, определяющих эволюцию Вселенной. Чем больше ее значение, тем сильнее отталкивание и тем труднее материи сгущаться и образовывать какие-либо структуры. К сожалению, природа темной энергии пока неизвестна, и теоретически предсказать ее значение не удается. Точнее, квантовая теория дает сразу два предсказания: либо строго нулевое значение, либо колоссальная величина порядка 1094 г/см3, при которой даже ядра атомов в мгновение ока разрываются на части. Возможно, именно такова была причина Большого взрыва, но в современной Вселенной плотность темной энергии явно не столь велика. Поэтому до конца прошлого века многие физики были убеждены, что она в точности равна нулю.
Тем не менее нобелевский лауреат космолог Стивен Вайнберг все же оценил диапазон ее значений, еще совместимых с существованием жизни. Оказалось, что если бы плотность темной энергии в 100 раз превышала современную плотность обычной материи, в нашей Вселенной не образовались бы галактики — газ, из которого они формируются, просто раскидало бы по пространству. А без галактик не было бы ни звезд, ни планет, ни жизни. Достаточно много галактик получается только при плотности темной энергии еще на порядок ниже, а дальнейшее ее снижение уже почти ни на что не влияет. Это и есть благоприятный для жизни диапазон значений космологической постоянной: от нуля до величины на порядок выше нынешней средней плотности обычной материи во Вселенной. Если верна теория Мультиверса, космологическая постоянная, скорее всего, имеет произвольное значение в этом диапазоне и вряд ли будет очень мала. В противном случае, как следует из современной физики элементарных частиц, она должна быть нулевой.
Момент истины настал на рубеже веков, когда разными методами была наконец измерена космологическая постоянная. Она оказалась вдвое выше плотности прочей материи, то есть как раз в том диапазоне, который следовал из теории Мультиверса. Таким образом, антропный принцип получил пусть и не очень сильное, но все же экспериментальное подтверждение. Конечно, не исключено, что это значение удастся вывести из некой будущей фундаментальной физической теории, но пока счет все же в пользу Мультиверса.
Группа учёных из Оттавы и Рочестера измерили поляризацию света в нескольких базисах. Вышеозначенная операция стала блестящим обходом принципа неопределённости Гейзенберга, поскольку физики смогли зафиксировать точные данные по диагональной и горизонтально-вертикальной составляющей процесса для одиночной волны.
Основным механизмом, позволившим осуществить данное действие, стал эффект двойного лучевого преломления светового потока в кристаллах. Воспользовавшись им, учёные два раза разложили волну на составляющие и при этом не допустили коллапса базовой функции.
Напомним, что согласно принципу неопределённости, сформулированному Гейзенбергом, не существует возможности определения единичного параметра квантовой системы без влияния извне на сопряженные параметры.
Научная группа, которой удалось обойти данный принцип, использовала слабые квантовые измерения. При прохождении светового потока через тонкие кристаллы, он разделялся на вертикальные и горизонтальные составляющие не на 100 процентов: оставалась маленькая зона перекрытия, служащая основой для мониторинга диагональной и антидиагональной составляющей поляризационного процесса по отдельности.
Вглядываясь «через плечо» гигантского Сатурна, сквозь его кольца и межпланетное пространство, космический аппарат НАСА Cassini замечает яркую планету земного типа Венеру. Огромное расстояние от Сатурна до Венеры означает, что эта планета видна на снимке лишь как крохотная точка, расположенная чуть выше и правее центра изображения.
Венера вместе с Меркурием, Землёй и Марсом является одной из каменистых планет нашей Солнечной системы «земного типа» — обращающихся вокруг Солнца на сравнительно небольшом расстоянии от него. Хотя атмосфера Венеры состоит из углекислого газа, разогретого до температур, достигающих 500 градусов по Цельсию, а давление на её поверхности в 100 раз больше, чем давление у поверхности Земли, но, тем не менее, она считается близнецом нашей планеты, потому что схожа с ней по размерам, массе, составу горных пород и форме орбиты.
Вид на изображении охватывает неосвещённую сторону колец Сатурна. Позиция Cassini находилась при съёмке примерно на 17 градусов ниже плоскости кольца. Это снимок был сделан в видимом свете широкоугольной камерой космического аппарата Cassini 10 ноября 2012 г.
Источник
За закрытыми дверями лаборатории НАСА, расположенной в Центре космических полётов Годдарда, создаётся нечто довольно заурядное, но вместе с тем и неземное одновременно. Это лёд.
Однако это не тот лёд, который формирует кристаллы в форме снежинок или кубиков. Для формирования льда, который создают в этой лаборатории, требуются настолько мощное охлаждение и низкое давление, что подходящие условия очень редко возникают где-либо на Земле, если вообще возникают. Кроме того, создавая свой лёд, учёные из Годдарда делают его слой настолько микроскопически тонким, что частичка цветочной пыльцы покажется по сравнению с ним просто гигантской.
Эти ультратонкие слои позволяют очень детально воссоздать ключевые химические процессы, протекающие в космосе. В крохотных испытательных цилиндрах Пэрри Джеракинс и его коллеги из лаборатории Cosmic Ice Lab могут воспроизвести химические реакции, протекающие или когда-либо протекавшие практически в любой точке пространства нашей Солнечной системы.
Лаборатория Cosmic Ice Lab является одной из нескольких лабораторий по изучению космического льда, формирующегося в условиях сверхнизких температур, и её исследования помогают учёным глубже заглянуть в историю эволюции нашей Солнечной системы.
Физикам из Университета Чикаго впервые удалось создать в лаборатории «трехлепестковый» узел из вихря воды и наблюдать за его эволюцией и распадом.
Для создания водного узла ученым понадобился пропеллер особой формы, который им удалось создать при помощи 3D-принтера. Наблюдать за движением воды, вызванным этим пропеллером, физикам помогли мелкие пузырьки воздуха. Во время эксперимента они следовали за движениями воды. Положение подсвеченных лазером пузырьков 76 тысяч раз в секунду отслеживалось прибором, напоминающим компьютерный томограф.
В результате, ученым удалось рассмотреть, как образуются, движутся и распадаются узлы, образованные движением жидкости. Ранее возможность существования подобных узлов уже была доказана теоретически, однако до сих пор никому не удавалось их получить в лабораторных условиях.
Изучение узлов имеет важное значение не только для гидродинамики, но и, например, для изучения Солнца. Недавно ученые установили, что на Солнце перенос энергии от поверхности к короне может быть опосредован особыми торнадо, сплетающимися в косы.
Работа опубликована в журнале Nature Physics, а ее краткое содержание можно прочитать вScienceNow и NatureNews.
Физикам удалось обойти принцип неопределенности Гейзенберга, измерив одновременно горизонтально-вертикальную и диагональную поляризацию света для одной волны. Применив эффект двойного лучепреломления света в кристалле, группа ученых смогла дважды разложить волну на поляризованные составляющие, не допуская коллапса волновой функции.
Согласно принципу неопределенности, невозможно точно определить один параметр квантовой системы, не повлияв на другие сопряженные параметры. Применительно к поляризации света — невозможно измерить поляризацию одного и того же фотона сразу и по горизонтально-вертикальному, и по диагональному базисам, поскольку первое разделение волны на поляризованные составляющие (например, горизонтальную и вертикальную) повлияет на все последующие.
В своих экспериментах группа ученых под руководством Роберта Бойда (Robert Boyd) использовала слабое квантовое измерение, впервые продемонстрированное в 2011 году для одновременного измерения действительной и мнимой составляющих волновой функции. При прохождении через первый тонкий кристалл, свет разделялся на горизонтальную и вертикальную поляризованные составляющие не полностью. Оставалась область перекрытия, которая служила основой для измерения диагональной и антидиагональной поляризации на втором кристалле.
Ранее для однозначного определения всех параметров квантовой системы применялся метод квантовой томографии — многократного измерения в разных базисах. Этот метод требовал значительных усилий по обработке полученных данных. Прямое определение параметров системы, которое также требует нескольких измерений для уточнения результата, позволит значительно ускорить решение подобных задач.
Результаты исследований были опубликованы в Nature Photonics, обзор работы приведен на сайте Университета Рочестера.
Исследователи из Рочестерского университета и Университета Оттавы обнародовали недавно разработанный метод непосредственного измерения состояний поляризации света. Их работа преодолевает некоторые важные проблемы знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга, а также применима к кубитам — строительным блокам квантовой теории информации.
Прямой метод измерения волновой функции был впервые разработан в 2011 году учеными из Национального исследовательского совета Канады. Такие прямые измерения волновой функции ранее казались невозможными, потому что ключевой принцип — принцип неопределенности — несет идею, что некоторые свойства квантовой системы могут быть мало известны, если некоторые другие связанные с ним свойства были известны с высокой точностью. Возможность проведения этих измерений непосредственно бросает вызов идее, что полное понимание квантовой системы никогда не может исходить от непосредственного наблюдения.
Группа исследователей под руководством Роберта Бойда измерила состояния поляризации света, то есть направления электрического и магнитного полей световых колебаний. Основной результат их работы: можно измерить ключевые переменные, известные как «сопряженные» переменные, квантовой частицы напрямую. Состояния поляризации света могут быть использованы для кодирования информации, поэтому они могут стать основой кубитов в приложениях квантовой информации.
Напомним, что ранее метод, называемый квантовой томографией, позволил исследователям провести оценку информации, содержащейся в этих квантовых состояниях, но лишь косвенно. Так как квантовая томография требует интенсивной пост-обработки данных, а это трудоемкий процесс. Таким образом, в принципе, новая техника дает ту же информацию, как и квантовая томография, но значительно оперативнее.
Бойд и его коллеги использовали координаты и импульсы света в качестве индикатора состояния поляризации. Для поляризационных процессов они использовали кристаллы, дважды преломляющие лучи. Когда свет проходит через такой кристалл, появляется пространственное разделение для различной поляризации. Например, если свет состоит из комбинации горизонтально и вертикально поляризованных компонентов, то позиции отдельных компонентов будут распространяться, когда свет проходит через кристалл в соответствии с его поляризацией. Толщиной кристалла можно управлять точностью измерения.
Коллектив экспертов из университетов Флориды, Висконсина и Мичигана на страницах онлайнового издания Nature Materials рассказал о создании уникального многослойного материала, способного дать новый импульс исследованиям высокотемпературной сверхпроводимости.
Новый материал состоит из 24 чередующихся слоев сверхпроводящего пниктида железа и оксида титаната стронция с регулярно повторяющейся атомарной структурой. Синтезировать такую конструкцию непросто, поскольку по расположению атомов и химической совместимости два вещества сильно различаются.
В процессе выращивания этой «супер-решетки» исследователи создавали в ней дефекты путем введения, через каждые несколько нанометров (по вертикали и горизонтали), атомов кислорода. Эти дефекты действовали как фиксирующие центры для мельчайших магнитных вихрей, развивающихся в сильных магнитных полях. Если такие вихри перемещаются свободно, это приводит к диссипации энергии — то есть сверхпроводник теряет возможность беспрепятственно проводить ток.
По мнению авторов работы, синтетические супер-решетки с уникальными свойствами, подобные созданной ими, будут иметь важное значение для понимания фундаментальных проблем высокотемпературной сверхпроводимости и путей ее потенциального практического использования в электронной технике.
- Научные труды...
- Видеоматериалы
- Каталог физических демонстраций
- 1. Механика...
- 2. Колебания и молекулярная физика...
- 3. Электричество и магнетизм...
- 3.1 Электрическое поле
- 3.2 Проводники в электрическом поле
- 3.3 Энергия электрического поля
- 3.4 Постоянный электрический ток
- 3.5 Магнитное поле
- Политика
- Солнечная система
- Эфир
- Ацюковский В.А. Лекции
- Черепенников В.Б. Науке нужна защита от лженаучных мошенников. Монография.
- Российской академии наук фундаментальная наука не нужна. Монография. Черепенников В.Б.
- Псевдонаучные труды (критика)
- Псевдонаучные статьи (обсуждение)
- Полемические статьи (обсуждение)
На сайте:
Интернет-журнал Ньютоновские чтенияНовости наукиПолитикаСолнечная система07.03.2023 09:50