Краткая история физики "В поисках теории всего"
Сегодня, 8 января, в день рождения выдающегося ученого Стивена Хокинга, мы вспоминаем его
К Вашему вниманию представляем фильм из 3-х серий "ЛЮБИМЫЕ МЕСТА СТИВЕНА ХОКИНГА" , где Стивен Хокинг играет главную роль.
Время в чёрной дыре
Что такое световые конусы? В чём разница между временем и пространством? Почему время и пространство меняются ролями внутри чёрной дыры? Что такое диаграмма Пенроуза? В видео от ScienceClic в моей озвучке.
Все мы в Матрице
Квантовая теория поля: визуализация от ScienceClic
Как согласовать теорию относительности с квантовой механикой? Что такое спин? Откуда берётся электрический заряд?
Просьба улучшить качество фильма о теории относительности
В 1964 году Моснаучфильмом был снят замечательный образовательный фильм о теории относительности. Причём с известнейшими актёрами той эпохи: Георгий Вицин, Алла Демидова, Алексей Полевой. Сейчас такого уже никто не снимет.
Хочу показать этот фильм своим ученикам на вводном занятии по теории относительности, но качество оставляет желать лучшего. Самый качественный вариант я нашёл в VK: https://vk.com/video314558845_456239179, но там всего 480p.
Уважаемые @Mrsatana666666, @shivam, @Inquabator и все, кто занимается повышением качество видео, не могли бы вы улучшить эту короткометражку? Заранее спасибо.
ScienceClic: Общая теория относительности
Первая озвучка с переосмыслением визуализации ОТО вызвала множество вопросов, ответы на которые даёт данное видео.
Что такое гравитация? Почему кажется, что объекты притягивают друг друга? Что происходит со временем вблизи массивных объектов? Какие следствия вытекают из теории Эйнштейна? Всё это за 14 минут.
Новая визуализация общей теории относительности
Автор канала ScienceCLic предлагает четыре основных изменения распространенной визуализации гравитации с упругой тканью и шарами разной массы, чтобы приблизить отображение к тому, что говорит математика, лежащая в основе общей теории относительности. А также, чтобы улучшить интуитивное понимание теории с минимальными искажениями, использовав преимущества формата видео.
Что, если наш 4D мир станет пятимерным?
Краткая текстовая версия видео:
Мир, в котором мы живем, является четырехмерным. По крайней мере в макро масштабе. В нашем мире 3 пространственных измерения и одно временное. Трехмерность пространства значит, например, то, что мы можем в нем провести три взаимно перпендикулярных координатных осей расположенных под углом 90 градусов. В таком пространстве можно двигаться «влево-вправо», «вперед-назад» и «вверх-вниз».
В трехмерном пространстве мы можем завязать узел. В двумерном пространстве завязать узел невозможно. А еще в трехмерном пространстве стул может стоять только на трех ножках или больше, стул на двух ножках потеряет равновесие и упадет (Речь идет о ножках типа такого, как на фото).
А что будет, если мы добавим еще одно пространственное измерение? То есть представим себе пятимерный мир, 4 пространственных измерения и 1 временное?
В таком мире можно провести еще одну ось перпендикулярную к остальным трем осям под углом 90 градусов. В трехмерном пространстве сделать это невозможно и как-то точно визуализировать я это не могу, так что включайте фантазию.
В пятимерном мире так же добавятся новые направления движения, которые называют «ана-ката», получается: «влево-вправо», «вперед-назад», «вверх-вниз» и «ана»-«ката». Представить себе направление движения ана и ката мы не можем, так же как существо в двумерном мире не может представить себе направления вверх и вниз.
В таком мире можно завязать двумерную сферу на узел, в нашем мире сделать это невозможно, показать, соответственно, тоже нельзя. Ну и стул с тремя ножками не сможет стоять в мире с 4 пространственными измерениями, чтобы он был устойчив потребуется 4 или больше ножек.
Ну хорошо, я понимаю, вы вряд ли Вы читаете это, чтобы узнать о узлах и ножках стула, Вас интересует, что будет с нашим миром, если внезапно в него добавить еще одно измерение, вот так по щелчку пальца «тыц» и добавили еще одно пространственное измерение и вот ты уже в 5 измерении, что с тобой будет?
Если коротко то… умрешь конечно же. А еще Земля станет приплюснутой. Сейчас расскажу как именно умрешь и почему земля станет приплюснутой.
Есть такой закон – закон обратных квадратов, и он тесно связан с размерностью пространства. Возьмем для примера светящий фонарь, интенсивность света в таком случае убывает согласно закону обратных квадратов.
Объект, перемещенный на расстояние в 2 раза большее от источника, получает только четверть той мощности, которую он получал в первоначальном положении. На расстоянии в 3 раза большее от источника – в 9 раз меньше мощности, на расстоянии в 4 раза большее от источника – 16 раз и так далее.
В законе всемирного тяготения сила гравитационного притяжения убывает тоже с квадратом расстояния. В два раза увеличиваем расстояние, сила притяжения уменьшается в 4 раза и так далее. Тоже самое с законом Кулона – сила притяжения или отталкивания заряженных частиц убывает с квадратом расстояния. В 5D мире закон обратных квадратов превращается в закон обратных кубов. Теперь интенсивность света будет падать не с квадратом расстояния, а с кубом расстояния. r^2 в законе Кулона и Законе всемирного тяготения превращается в r^3.
Это все полностью изменит химические элементы из которых мы состоим, некоторые атомы станут нестабильными, радиоактивными, другие наоборот, станут стабильными.
Например, в 5D мире магний был бы благородным газом, а не металлом, то есть некоторые элементы станут менее реактивными, другие более реактивными. Ионизация атомов будет осуществляться при значительно меньших энергиях, да и вообще агрегатное состояние различных элементов будет меняться не так, как в нашем мире, некоторые хим. элементы станут газообразны при комнатной температуре, некоторые затвердеют и такие вот вещи. Думаю, практически бессмысленно вспоминать биологические процессы, благодаря которым мы можем жить, ведь это все поменяется кардинально, мы мгновенно потеряем сознание и умрем, синтез белков, транспортировка различных аминокислот, нейромедиаторов, нервные импульсы, это все либо прекратится, либо изменится до неузнаваемости. Ну и конечно же спектры атомов изменятся, а это значит, что все резко поменяет цвет, что-то станет прозрачным, что-то непрозрачным, да и вообще привычные для нас источники света выглядели бы более тускло из-за r^3, с запахами та же история, правда уже некому будет смотреть и нюхать все это, ведь все живые существа погибнут.
Короче будет происходить полная жесть, что-то будет плавится, что-то превратится в газ, что-то затвердеет, некоторые вещества станут радиоактивными, привычные нам вещи потеряют свои свойства и перестанут работать так, как в нашем мире. Я напомню, что это все в мире, в котором 4 пространственных измерения и одно временное и в котором можно двигаться в направлении ана и ката. Но кроме дополнительного направления появятся также дополнительные степени свободы во вращении. В нашем мире ориентацию тела можно задать тремя углами, в быту это называется «наклон, подъём и поворот», в 5D мире надо представить себе еще 3 дополнительных степени свободы вращения перпендикулярные к 3 вышеупомянутым. Но по идее, на вращение Земли это не должно повлиять, момент импульса сохранится, ведь нужно, чтобы какая-то сила передала момент импульса Земле, чтобы она могла вращаться в какой-то непривычный для нас способ. Конечно Земля изменит свой привычный облик, из-за того, что свойства химических элементов изменятся, но из-за гравитации все должно также удерживаться вокруг центра масс, правда земля довольно быстро вращается, а так как гравитация в 5D мире у нас ослабевает с кубом расстояния, то земля сплюснется и формой будет напоминать что-то типа такого, как на картинке.
Но вообще, появится дополнительное направление, в котором могут двигаться частицы из которых состоит земля, планета начнет превращаться в гиперсферу, представить себе этот процесс, эти метаморфозы которые будут происходить, очень сложно.
Будут ли происходить термоядерные реакции на солнце, тут под вопросом, но изменения явно произойдут. Но вот что забавно – в пятимерном мире нет стабильных орбит. Вот, посмотрите на график, это моделирование классической задачи двух тел, оказывается, что устойчивых орбит в 5D мире нет, тела либо падают друг на друга, либо улетают в бесконечность, поэтому солнечная система, как и все другие системы, разрушится, некоторые тела упадут на другие тела, а некоторые улетят бороздить просторы галактики.
Казалось бы, следуя логике как с законом обратных квадратов, все квадраты в других уравнениях тоже надо заменить на кубы и получается, что формула эквивалентности массы и энергии в пятимерном пространстве будет работать как Е=мс в кубе, но нет, эта формула, как и множество других, не изменятся в пятимерном пространстве, она, как и множество других формул, не зависит от размерности пространства.
Но даже и без этого всего, мир в 5 мерном пространстве изменится настолько, что в нем не сможет существовать жизнь в том виде, в котором существует в четырехмерном пространстве. Вообще, оказывается, четырехмерный мир – самый простой из возможных и одновременно самый оптимальный для существования в нем жизни, стабильных орбит и химии, какой мы ее знаем.
Тут есть лимит для изображений в статье, но если что -- в видео рассказываю все немного более детально (вспоминаю Интерстеллар, возможности 5D существа в 4D мире, простой и необычный способ попытаться представить себе фигуру 4D и тд.) плюс стараюсь все визуализировать. По этой теме (5D измерение) написано много бреда в интернете, но проведя пару дней поиска, среди масс откровенной ахинеи удалось найти статьи ученых и математиков на эту тему, вот, собственно, сами источники:
Книга Кипа Торна, «Интерстеллар. Наука за кадром»
Взрыв мозга
Тёмная материя и тёмная энергия
(Текст в соавторстве с А. А. Соловьёвым.)
Я обещала написать о тёмной материи и вот, выполняю обещание, но этот пост вполне себе дискуссионный. И тёмная материя, и тёмная энергия - понятия теоретические. Правда, если не вводить их в уравнения космологии - то модели развития Вселенной не работают, то есть не совпадают с тем, что мы наблюдаем.
Астрономы давно поняли, что масса Вселенной должна быть много (примерно раз в 5) больше, чем суммарная масса всех светящихся (то есть наблюдаемых во всех ЭМ диапазонах) в ней объектов. Неизвестное по своей природе вещество, которое никак не светится, не поглощает электромагнитное излучение — вообще никак не взаимодействует с обычным барионным веществом (из которого состоят все известные нам объекты) условно назвали тёмной материей. Именно потому, что эта материя ни с чем не взаимодействует, её «не за что ухватить», нечем зарегистрировать; она проявляет единственное свойство — подчиняется закону Всемирного тяготения. Астрофизики не смогли бы понять механизмы формирования галактик, закономерности и особенности их вращения, если бы не допустили, что «тёмная», неизвестная, но гравитирующая материя действительно существует.
Возможно, некоторую, пусть малую, часть этой тёмной материи могли бы составить так называемые коричневые (или бурые) карлики, «неудавшиеся звёзды». Бурые карлики малы, они очень слабо светятся, их чрезвычайно трудно обнаружить, но всё-таки астрономы их нашли… Так вот, частично на них можно было бы списать загадку тёмной материи — такие попытки были — но на сегодняшний день уже ясно, что эта гипотеза несостоятельна.
Бурые карлики не подошли на роль тёмной материи.
Есть в космологии и куда большая загадка — тёмная энергия. В самом конце ХХ в. выяснилось, что вся энергия-масса Вселенной распределяется следующим образом:
4–5 % — это обычное, привычное и более-менее понятное нам, исходя из стандартной модели элементарных частиц, барионное вещество. Это те атомы и молекулы, из которых состоит и Солнце, и планеты, и мы сами, излучение которых мы можем регистрировать и даже довольно успешно объяснять;
25–26 % составляет непонятная тёмная материя;
70 % остаются на долю того, что астрофизики назвали тёмной энергией.
Это та энергия, которая не только не подчиняется всепроникающей силе гравитации, но и противостоит ей. В больших космологических масштабах (на миллиардах световых лет) она настолько превышает всемирное тяготение, что вызывает ускоренное расширение нашей Вселенной.
В конце 1920-х годов Эдвин Хаббл сформулировал закон расширения Вселенной. Он обнаружил, что она непрерывно расширяется после Большого Взрыва. Все галактики удаляются друг от друга, и скорость их разлёта тем больше, чем больше их взаимное расстояние.
(Уравнение Хаббла: v= Hr, где Н - постоянная Хаббла, r - расстояние до галактики, v - скорость галактики, удаляющейся от нас, то есть от наблюдателей. Часто вместо v пишут cz, где с - скорость света, а z - красное смещение, величина, которая характеризует «увеличение» длины волны ЭМ излучения улетающей галактики. Реального увеличения длин волн, которые испускает галактика, при этом нет: эффект связан именно с тем, что она от нас удаляется).
И всё же у астрофизиков была уверенность, что сила всемирного тяготения притормаживает
разлёт галактик. Насколько сильно? Это зависело от определения средней плотности вещества во Вселенной. Если бы она оказалась достаточно велика, то расширение могло бы смениться сжатием, и тогда наш мир через много миллиардов лет схлопнулся бы обратно в точку — возможно, примерно такую же, из которой когда-то и появился в результате Большого Взрыва.
Но в 1998 г., анализируя вспышки очень далёких сверхновых, наблюдаемые телескопом Хаббла, астрофизики обнаружили, что скорость разлёта галактик во Вселенной не только не уменьшается со временем, но даже возрастает. Какая-то сила «раздувает» пространство всё больше и больше. Эту силу и назвали тёмной энергией.
(Природа её, возможно, кроется в необычных свойствах физического вакуума, который, по представлениям квантовой механики, вовсе не является бессмысленной пустотой. Он полон энергии непрерывно возникающих и тут же исчезающих в нём виртуальных частиц.
Похоже, уравнение его состояния (состояния физического вакуума) имеет странный вид:
e = - p , где е - плотность энергии , а р — давление. То есть плотность энергии физического вакуума равна отрицательному давлению. которое, быть может, и раздувает пространство нашей Вселенной).
Точных ответов наука пока не дала.
Тёмная энергия оказывается ещё темнее для понимания, чем тёмная материя.
Кстати, постоянная Хаббла удивительна ещё и тем, что она меняется во времени.
Не будучи узким специалистов в вопросах космологии, прошу писать тех, кто знает больше и глубже.
Когда лажаешь, всё так относительно
Работаю в лаборатории, и есть одна запарная задача, которая не решается у меня уже три года. И вот сейчас сижу, смотрю на графички, опять говно какое-то и ни одной эврики. Думаю, ну что ж такое-то, ну почему у всех работает, а у меня не работает? Совсем тупая? Ну наверняка что-то элементарное мешает, но я блин в упор не вижу. И вдруг вспомнила историю.
В далеком 2011 году какие-то европейские ученые, не помню точно кто откуда, взорвали мировое сознание новостью "мы зарегистрировали нейтрино, движущийся со скоростью, превышающей скорость света!"
(Пояснение, для тех, кто не в курсе: нейтрино - частичка с ненулевой массой. Всем, у кого масса не равна нулю, теория относительности запрещает летать даже со скоростью света, а выше скорости света никто летать не может.) Таким образом, Эйнштейн, с того света:
"Э, вы че там суету наводите?"
Шуму было ого-го сколько. Да неужели, общая теория относительности не работает! У парней же всё хорошо, 60 тыщ измерений, месяцы (если не годы) работы, статистическая ошибка в норме. И все такие: "так, ребятки, проверяете это еще раз, потому что если это правда, то это ахтунг". И ребята потратили год, чтобы сообщить мировому сообществу: "мы облажались". Просто техническая ошибка. Как рассказал нам пару лет назад препод, варящийся в этой тематике элементарных частиц, у них просто один кабель был не до упора прикручен, и возникала систематическая ошибка - задержка сигнала на какие-то жалкие микросекунды или около того.
Кабель. Не закручен. До упора. А ты сделал заявление на весь мир, которое противоречило всей известной физике, ставило ее под сомнение. Я не представляю, как они себя чувствовали, когда поняли всё про этот кабель сраный.
Вспомнила я эту историю, и усмехнулась про себя: ну я-то хотя бы днище, никому ничего не заявляю, Эйнштейну да Гейзенбергу не угрожаю. Просто сижу, починяю примус, починю, напишу статейку и буду радоваться. Главное знать, что где-то есть лох почище тебя. От этого сразу как-то легче жить.
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света. Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Доказательства относительности
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе. Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна. Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Вояджер-1 слышит гул межзвездной плазмы
Обнаружение космическим аппаратом «Вояджер-1» постоянных плазменных волн открывает новые возможности в изучении структуры ближайшего межзвездного пространства на расстояниях вплоть до десятков астрономических единиц.
Почти 11 лет назад Вояджер-1 преодолел беспрецедентный рубеж, став первым рукотворным земным объектом, вошедшим в межзвездное пространство. В то время я еще была студенткой, не придававшей значения столь переломному событию и не представлявшая, что буквально через несколько лет стану частью программы Вояджер-1 в качестве приглашенного исследователя из университета. Пока я занималась освоением базовой программы по физике, Вояджер-1 продирался сквозь межзвездную среду, в подробностях раскрыв детали того, как плазма сталкивается с солнечным ветром и взаимодействует на границе гелиопаузы в массивном процессе уравновешивания давления, защищающем нашу гелиосферу от «Великого потустороннего».
Схема, отражающая относительные траектории миссий Пионер и Вояджер, пролетающих через солнечную систему и выходящих за ее пределы. Источник: NASA
Время от времени корональные выбросы Солнца посылают ударные волны, пересекающие гелиопаузу и вызывающие переходные явления плазменных колебаний, которые и обнаруживает система плазменных волн (PWS) Вояджера-1. Эти явления определяются в спектре PWS как радиоволны, что можно увидеть и услышать на видео ниже. До этого Вояджер-1 на основе этих явлений колебания плазмы измерял плотность межзвездного пространства, поскольку частота колебаний напрямую зависит от плотности плазмы.
Около года назад система PWS Вояджера-1 зафиксировала сигнатуру плазменных колебаний на уровне кГц, что позволило команде PWS нанести еще несколько точек на карту плотности межзвездного пространства примерно по одной на каждые несколько а.е. В то же время исследования мелкомасштабной структуры этих явлений показали, как во флуктуациях плотности проявляет себя межзвездная турбулентность, причем в широком диапазоне масштабов – от десятков метров до а.е. и даже более.
Эти результаты привлекли внимание моего научного руководителя примерно через год после моего присоединения к научной группе. Тогда я во всю изучала применение радиоизлучений пульсаров и быстрых радиовсплесков для описания свойств межзвездной плазмы. Когда НАСА объявило конкурс заявок на участие в «Программе приглашенных исследователей внешней структуры гелиосферы» (Outer Heliosphere Guest Investigator Program), мы воспользовались возможностью изучить межзвездную среду с помощью самых непосредственных находящихся там зондов: Вояджера-1 и 2. Одной из наших главных целей стало применение обработки сигналов для поиска их слабых проявлений в данных PWS, которые может быть, всего лишь может быть, скрывались среди и вне уже обнаруженных ярких явлений плазменных колебаний.
Спустя несколько месяцев все более и более тщательного прочесывания данных, я заметила в спектре PWM едва приметную линию, которая шла за плазменной частотой и сохранялась на протяжении почти трех лет, начиная с 2017 года и заканчивая публикацией последних общедоступных данных. Эта линия плазменной волны не была похожа ни на что из ранее виденного мной – чрезвычайно узкополосная и настолько слабая, что обнаружить ее можно было только при отсутствии явлений колебаний плазмы.
В стремлении определить, является ли этот сигнал реальным или же отражает артефакт шума, мы проконсультировались с инспектором PWS Доном Гурнеттом и его помощником Биллом Куртом из Университета Айовы, которые произвели независимую проверку данных и подтвердили действительность нашей находки. После бурных обсуждений с коллегами из Университета Айовы о происхождении этой слабозаметной линии плазменной волны, мы пришли к выводу, что данный сигнал можно использовать для определения плазменной частоты. Впервые мы смогли регулярно отслеживать распределение плазмы в ближайшей межзвездной среде на протяжении почти 10 а.е. космического пространства с пространственным разрешением менее 0.05 а.е.
Постоянство этого узкополосного излучения плазменной волны не только поднимает ряд интересных вопросов, но также дает и потрясающие возможности. Есть вероятность, что Вояджер сможет и дальше обнаруживать этот сигнал, что позволит ему квазинепрерывно отслеживать плотность плазмы до тех пор, пока сигнал не исчезнет.
Пока в точности не ясно, какой физический механизм может стоять за столь узкополосными постоянными плазменными волнами. Обнаружение этого сигнала в отсутствии вызываемых ударной волной явлений плазменных колебаний предполагает, что эта линия волны генерируется не солнечной активностью и может быть связана с внутренними процессами межзвездной среды, такими как термальные флуктуации плотности плазмы. Подобная возможность потрясает, ведь она предполагает, что это обнаружение впервые позволит Вояджеру-1 начать отслеживать неподвижные свойства межзвездной плазмы, а не просто исследовать ее изменение в следствии солнечной активности.
Даже спустя четыре десятилетия космических путешествий и бесчисленное число ошеломляющих открытий, Вояджер-1 продолжает прокладывать новый путь. Кто знает, какие еще невероятные тайны он для нас раскроет?
Эта статья дублирует публикацию из блога на Хабре, где под ником Bright_Translate я регулярно размещаю различные познавательные и околоразвлекательные материалы из мира технологий.
Фундаментально ли время во Вселенной
Человеческая жизнь неразрывно связана со временем. Мы привыкли измерять ход процессов при помощи него — к тому же это необходимо для нашего выживания. Но служит ли этот феномен фундаментальным свойством реальности или время эмерджентно?
Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.
В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.
Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.
Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».
Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.
Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.
Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine
Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.
На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.
В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.
В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».
Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.
Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore
В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.
Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.