Существует ли судьба с точки зрения физики?

В физике понятие судьбы переплетается с идеей детерминизма. Детерминизм, по сути, предполагает, что каждое событие, включая действия людей, обусловлено предыдущими событиями и законами природы. Таким образом, можно утверждать, что если все определяется причиной и следствием, то судьба могла бы быть реальностью, не так ли? Но подождите, дело не так просто! Квантовая физика вносит непредсказуемость в эту схему своим принципом неопределенности, предполагающим, что на субатомном уровне события могут быть довольно непредсказуемыми. В конечном итоге, верите ли вы в судьбу или нет, может зависеть от того, насколько вы спокойно относитесь к неопределенности во вселенной!

10 индийских изобретений и открытий, которые сформировали современный мир

Индия

Известный американский писатель Уилл Дюрант в своей книге «История цивилизации» пишет об индийской цивилизации:

«Это правда, что даже через Гималайский барьер Индия послала на Запад такие дары, как грамматика и логика, философия и басни, гипноз и шахматы, и, прежде всего, цифры и десятичная система.

Индия была матерью нашей расы, а санскрит — матерью европейских языков. Она была матерью нашей философии, матерью арабов, большей части нашей математики, матерью Будды, идеалов, воплощенных в христианстве, матерью деревенских общин самоуправления и демократии. Мать Индия во многом является матерью всех нас».
Многие ученые на протяжении многих лет пытались документировать древнюю индийскую цивилизацию. Но очень немногие говорят о точных деталях, которые смогли дойти до общественности.

Невероятные открытия и изобретения древней Индии потрясли мир, к которому мы принадлежим сегодня.

Вот что сказал Уилл Дюрант:

«...Индия послала Западу такие дары, как грамматика и логика, философия и басни, гипноз и шахматы, и прежде всего цифры и десятичная система. Она была матерью нашей философии... большей части нашей математики... идеалов, воплощенных в христианстве... самоуправления и демократии. Мать Индия во многом является матерью всех нас».

➡️ 1. Индуистская система счисления

Не многие осознают, что система счисления, которую мы сейчас используем, пришла из Индии. Большинство людей думают, что мы используем арабские цифры, но арабские торговцы усвоили индийские математические концепции, когда приехали в Индию, и поделились ими с Западом, когда путешествовали по стране. Эта система нарушила общепринятую, но сложную римскую систему того времени.

Другие цивилизации также работали над созданием лучшей системы счисления, чем римская, но индийская система счисления преуспела, она используется в качестве основы в нашей современной математике и имеет прочную основу в нашей современной жизни.

Помимо системы счисления, существует несколько других математических принципов, уходящих корнями в Индию, и иностранные ученые – от греческих философов до арабских математиков и от британских изобретателей до нацистов и ученых времен холодной войны – изучали эти принципы.

Альберт Эйнштейн говорил:

«Мы многим обязаны индейцам, которые научили нас считать, без чего не было бы сделано ни одно стоящее научное открытие».

Людвиг фон Шредер говорил:

«Почти все философские и математические доктрины, приписываемые Пифагору, заимствованы из Индии».

➡️ 2. Науглероженная сталь

Индия предположительно является одним из пионеров металлургии и производила сталь высшего качества еще две тысячи лет назад, когда Майкл Фарадей развеял тайну настоящего процесса. Индийская сталь Wootz считается легендарной, и многие великие цивилизации – от Древней Греции до Персии, от Аравии до Древнего Рима – были поражены ею. Даже король Порус выбрал его в качестве подарка Александру Великому вместо обычного золота и серебра.

Высококачественная сталь по-прежнему является основным сырьем в современном мире производства и промышленности. После обретения независимости Индия вновь стала мировым лидером в металлургии и производстве высококачественной стали.

➡️ 3. Влияние на западную философию

Многие историки говорят о влиянии Индии на древних греков и римлян. Помимо технологий, городского планирования и управления государством, греки искали новые идеи и мысли в ведических писаниях и даже изучали свою профессию в индийских университетах, таких как Таксила и Наланда

В западной философии греческие философы играют заметную роль в формировании ядра своего мыслительного процесса в философии, и их философия считается основой современной философии. Но многие ученые также признают, какой вклад индийцы внесли в греческую философию. В книге «Форма древней мысли» Томас МакЭвилли представляет тщательный анализ того, как индийская философия непосредственно повлияла на досократовскую греческую философию.

Вольтер говорит: «Не вероятно ли, что брахманы были первыми законодателями земли, первыми философами, первыми теологами? Греки еще до Пифагора путешествовали в Индию для обучения».

➡️ 4. Без хлопчатобумажного текстиля
в мире случился бы швейный кризис

Использование хлопкового текстиля для изготовления одежды — революционный вклад Индии в мир. В те времена греки все еще носили шкуры животных, пока не основали хлопковую промышленность в Индии, когда Александр Великий завоевывал мир. Именно тогда они начали носить индийскую одежду, которую мы все носим до сих пор.

Как хорошо мы знаем Вселенную, чтобы утверждать, что известные законы физики существуют?

Природа может быть разной для разных людей. Природа может быть чудесной. Природа может быть странной. У природы есть законы. Природа продолжает удивлять ученых, которые пытаются эти законы понять. За последние несколько десятилетий научное сообщество пришло к принятию концепции «естественности» – это термин, придуманный Эйнштейном, который описывает изящно сложные законы природы. Ученые считают, что если Вселенная естественна, то ее можно объяснить математически. Но если ее природа неестественна, то некоторые законы физики произвольны и кажутся чрезвычайно тонко настроенными, чтобы позволить жизни (как мы ее знаем) возникнуть и существовать. И все же, ученые стремятся к единому описанию реальности. Но современная физика допускает множество различных описаний, многие из которых эквивалентны друг другу и связаны ландшафтом математических возможностей.

Тайны Вселенной

В череде обыденных будней может показаться, что мы знаем о мире и Вселенной достаточно, чтобы утвердительно ответить на вопрос о том, существуют ли все известные законы физики. Однако ученые, изучающие квантовый мир могут с этим не согласиться. Как пишет Quanta Magazine, физики нашли много примеров двух совершенно различных описаний одной и той же физической системы.

Итак, если физические ингредиенты – это частицы и силы, то рецепты – это математические формулы, кодирующие их взаимодействия. В таком случае, сам процесс приготовления пищи – и есть процедура квантования, которая превращает уравнения в вероятности физических явлений. Вот почему квантовые физики задаются вопросом, как разные «рецепты приготовления» приводят к одинаковым результатам.

Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что, учитывая некоторые общие принципы, существует уникальный способ построить последовательную, функционирующую вселенную. С точки зрения Эйнштейна, если бы мы достаточно глубоко исследовали сущность физики, существовал бы один и только один способ, которым все компоненты — материя, излучение, силы, пространство и время — сочетались бы вместе, чтобы заставить реальность работать, подобно тому, как уникально сочетаются шестеренки, пружины, циферблаты и колесики механических часов.

Физика элементарных частиц

Современная Стандартная модель физики элементарных частиц действительно представляет собой плотно сконструированный механизм, состоящий всего из нескольких компонентов. Однако вместо того, чтобы быть уникальной, Вселенная кажется одним из бесконечного множества возможных миров. Мы понятия не имеем, почему именно эта комбинация частиц и сил лежит в основе структуры природы.

Возможно, мы живем в Мультивселенной

Кроме того, стандартная модель содержит 19 констант природы — такие числа, как масса и заряд электрона, которые должны быть измерены в экспериментах. Значения этих «свободных параметров», по-видимому, не имеют более глубокого смысла.

Если наш мир – всего лишь один из многих, то как мы можем существовать одновременно с альтернативными вселенными? Нынешнюю точку зрения можно рассматривать как полярную противоположность эйнштейновской мечте об уникальном космосе. Современные физики охватывают огромное пространство возможностей и пытаются понять его всеобъемлющую логику и взаимосвязь. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, детально описывающих ландшафт и изучающих силы, которые его сформировали.

Теория струн

Теория струн стала переломным моментом для современной физики. На данный момент она является единственной теорией, ближе всех подобравшейся к той самой «теории всего» – мечте Альберта Энйштена, способную описать все частицы и силы, включая гравитацию, а также подчиняясь строгим логическим правилам квантовой механики и теории относительности.

Хорошей новостью во всей этой истории является то, что у теории струн нет циферблата (как у механических часов). Не имеет смысла спрашивать, какая теория струн описывает нашу Вселенную, потому что существует только одна. Отсутствие каких-либо дополнительных признаков приводит ученых к выводу о том, что все числа в природе должны определяться самой физикой. Они не являются «константами природы», а лишь переменными, фиксируемыми уравнениями (возможно, неразрешимо сложными).

Однако важно понимать, что существует сложное, огромное количество решений теории струн. В физике это не является чем-то необычным. Мы традиционно различаем фундаментальные законы, заданные математическими уравнениями и решения этих уравнений. Как правило, существует всего несколько законов, но бесконечное число решений. Возьмем законы Ньютона. Они четки и элегантны, но описывают невероятно широкий спектр явлений, от падающего яблока до орбиты Луны.

Если вы знаете начальные условия конкретной системы, то сила этих законов позволяет решать уравнения и предсказывать, что произойдет дальше. Мы не ожидаем и не требуем априори уникального решения, которое описывает все.

Мультивселенная существует?

Мультивселенная в представлении художника

Физик-теоретик Джозеф Полчинский из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре спрогнозировал год завершения создания квантовой теории гравитации. По мнению ученого, это произойдет в 2131 году, а в основу ляжет теория струн, которую подавляющее большинство современных физиков и математиков признают единственным кандидатом на роль «теории всего». Свои соображения Полчинский — лауреат Fundamental Physics Prize, учрежденной российским предпринимателем Юрием Мильнером, изложил в препринте на сайте arXiv.org.

В процессе развития физики исследовали все меньшие масштабы расстояний и все большие масштабы энергий. В начале XX века ученые получили первые представления о явлениях, происходящих на атомных масштабах. К настоящему времени физикам доступны масштабы десять в минус семнадцатой степени сантиметров, отвечающие экспериментам на Большом адронном коллайдере, позволившем открыть бозон Хиггса. Сопоставляя этапы и темпы развития физики в XX и начале XXI веков, Полчинский спрогнозировал, что к 2131 году будет окончательно сформулирована квантовая теория гравитации. Для этого ученый рассмотрел эволюцию физики за последние сто с лишним лет и сопоставил достижения человечеством тех или иных масштабов энергий со временем этого события.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк ввел в рассмотрение длину, названную его именем, составленную из фундаментальных констант (постоянной Планка, гравитационной постоянной и скорости света в вакууме) и равную десяти в минус тридцать третьей степени сантиметров. В настоящее время эта величина считается недостижимым для современных экспериментов масштабом, на котором действует теория струн. Масштабу десять в минус семнадцатой степени сантиметров на логарифмической шкале отвечает середина расстояния. Соответственно, до создания «теории всего» осталось столько же времени, сколько прошло с момента введения планковской длины в науку — 116 лет.

Последняя, в случае своего успеха, позволит единообразно описать все четыре известных в настоящее время фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Первые три взаимодействия успешно описываются Стандартной моделью (СМ) физики частиц, а последнее — общей теорией относительности (ОТО). Объединить СМ и ОТО до сих пор не удается, а решение этой задачи заявлено одной из главных целей теории струн.

В аннотации к своей работе Полчинский перечислил две главные проблемы квантовой теории гравитации. Первая связана с чрезвычайной малостью планковской длины. Вторая — с произволом, в результате которого наблюдаемые фундаментальные константы приняли современное значение. По мнению Полчинского, именно теория струн позволит прояснить эти и четыре других вопроса физики элементарных частиц. Среди них — уникальность струнной динамики, выведение законов физики из геометрии пространства-времени, дуальность калибровочных теорий (описывающих поля СМ) и струн и квантовая механика черных дыр.

Масштаб длин
Изображение: arxiv.org

Малость планковской длины позволяет, по мнению Полчинского, обеспечить необходимое «размазывание» взаимодействий, объясняющее неперенормируемость (невозможность устранения расходимостей) теории гравитации. Так, СМ и описываемые ею три фундаментальных взаимодействия (электромагнитное, слабое и сильное) являются перенормируемыми, тогда как версия квантовой гравитации, получаемая наивным квантованием (то есть по тому же рецепту, что и классическая теория поля), уже во втором порядке теории возмущений оказывается расходящейся.

По мнению Полчинского, на планковских масштабах становятся существенными флуктуации пространства-времени. Они формируют так называемую пространственно-временную пену и обеспечивают наблюдаемую расходимость наивной версии квантовой гравитации. В качестве исторического примера ученый приводит теорию Энрико Ферми, которая качественно хорошо описывала слабое взаимодействие, однако была неперенормируемой.

Джозеф Полчинский Фото: Sonia Fernandez

Только после того как Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом была создана перенормируемая электрослабая теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия и вводящая промежуточные электрослабые бозоны, стало ясно, что теория Ферми является низкоэнергетическим приближением другой, более общей модели (в данном случае — электрослабой). Полчинский полагает, что с квантовой гравитацией будет то же самое.

Как учёные находят чёрные дыры?

Как удаётся обнаружить чёрные дыры, если они обладают настолько большим гравитационным притяжением, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света? Объясняет доктор физико-математических наук Александр Морозов.

Как известно, черные дыры (ЧД) напрямую не наблюдаемы. Но их тяготение настолько мощно, что приводя в движение окружающее их вещество, образует два типа наблюдаемых в принципе структур. Одна из них — аккреционный диск (АД), вращающийся вокруг ЧД. Вещество которого неторопливо «сползает» по радиусу к горизонту ЧД. Другая — высокоскоростные струи (джеты), отбрасываемые в обе стороны от ЧД вдоль оси вращения АД и питаемые веществом последнего.

Покажем эти структуры

① Объект SS433 - система из двух звезд в нашей Галактике на расстоянии примерно 18 тысяч св. лет от нас. Одна из этих звезд - черная дыра (с малой вероятностью - нейтронная звезда) массой примерно в 2-5 масс Солнца. Другая - обычная звезда, из оболочки которой ЧД высасывает вещество для формирования своего АД. От первой (ЧД) выбрасываются джеты со скоростью примерно в 80 тысяч км/сек (картинка - в динамике):

Объект SS433

На этой картинке маленький АД виден почти с ребра и от него в обе стороны истекают довольно высокоскоростные джеты.

② В центре нашей Галактики есть ЧД с массой в несколько миллионов масс Солнца. Изображений ее АД и джетов пока нет. Но она обнаружена анализом комплекса траекторий вращающихся вокруг нее звезд.

③ Наиболее впечатляющие джеты видны от ЧД галактики 3С 348. Эта эллиптическая галактика массивней нашей почти в тысячу раз и видна в центре снимка, а ее ЧД имеет массу порядка 3 млрд. масс Солнца. Она находится в 2 млрд. св. лет от нас. На таком расстоянии АД, разумеется, не виден. Но гантеля джетов чудовищна по своим размерам - общая длина этой гантели около полутора миллионов св. лет. И вещество этих джетов выбрасывается с буквально субсветовыми скоростями.

Джеты от ЧД галактики 3С 348

④ Аналогична галактика Лебедь-А (3С 405). Она поближе - всего в 600 млн. св. лет от нас. Радиоизображение "концов" джетов от ЧД в центре этой галактики (на частоте 5 ГГц) образуют гантелю длиной порядка полумиллиона св. лет:

Галактика Лебедь-А (3С 405)

Как образуются черные дыры?

В результате столкновения пары нейтронных звезд
образуется черная дыра

Самое неистовое событие во Вселенной: столкновение пары нейтронных звезд, в результате которого формируется черная дыра. Нейтронная звезда представляет собой ядро, которое остается после того, как звезда, которая в 8-30 раз больше нашего Солнца, взрывается, как сверхновая. Нейтронные звезды примерно в полтора раза тяжелее Солнца (это где-то полмиллиона Земель) и при этом всего 20 км в поперечнике.

В начале видео мы можем наблюдать пару нейтронных звезд, которые составляют 1,4 и 1,7 солнечных масс. Расстояние между ними составляет всего 18 км, немногим меньше их собственного диаметра. Рыжий цвет указывает на области с меньшей плотностью.

По мере того, как звезды приближаются друг к другу, они деформируются, а, возможно, даже трескаются. Нейтронные звезды обладают невероятной плотностью, однако их поверхность относительно тонкая. Плотность в миллионы раз превышает плотность золота.

Для сравнения, представьте кубический сантиметр нейтронной звезды: его масса больше Эвереста. Спустя 7 миллисекунд силы разрушают меньшую из звезд. Ее суперплотное содержимое вырывается и создает вихри невероятно горячего материала. На 13-й миллисекунде более массивная звезда больше не может поддерживать накопленную массу и противостоять силе притяжения и разрушению. В итоге рождается новая черная дыра.

Горизонт событий черной дыры (точка невозврата) представлен в виде серой сферы. В то время как большая часть вещества обеих нейтронных звезд попадает в черную дыру, оставшееся менее плотное и более быстрое вещество остается на орбите вокруг нее, формируя большое обрамление. Его протяженность составляет около 200 км и масса равна 1/5 Солнца.

Ученые считают, что подобное слияние нейтронных звезд производит короткие гамма-всплески (GRB). Они длятся не более двух секунд и производят столько энергии, сколько производят все звезды в нашей галактике за год. Быстро исчезающие последствия этих взрывов представляют собой проблему для астрономов.

Вспышки сверхновых звезд «замедлили» расширение Вселенной

Светимость сверхновых звезд оказалась разной,
в зависимости от их отдаленности от Земли.
Фото: P. Brown / Swift /TAMU/ NASA[/cap]

Сравнив светимость сверхновых звезд на разном от Земли расстоянии, ученые пересмотрели имеющиеся данные о скорости расширения Вселенной и количестве темной материи в ней.

Астрофизики из США пришли к выводу, что Вселенная может расширяться не так быстро, как считалось ранее, а темной энергии в ней меньше, пишет The Astrophysical Journal.

К таким выводом ученых подтолкнули сверхновые звезды. Выяснилось, что светимости сверхновых, которые находятся на разных расстояниях от Земли, существенно отличаются.

Наблюдения над сверхновыми звездами ученые проводили при помощи орбитального телескопа Hubble и спутника NASA Swift.

Данные, собранные с последнего аппарата, оказались решающими, поскольку позволили различить небольшие сдвиги в ультрафиолетовой части спектра сверхновых.

Если выводы ученых подтвердятся, то темпы расширения Вселенной могут быть занижены. Также это означает, что доля темной энергии меньше, чем принято считать.

Что было до Большого Взрыва?

Приготовьтесь отправиться в путешествие, полное гипотез и забавных мысленных экспериментов, о которых любят говорить физики.

Это сэр Фред Хойл, именно он придумал термин «Большой взрыв». Это потрясающая история «Большого бабаха» (именно так переводится Big Bang), которая говорит, что Вселенная родилась после масштабного взрыва.

Фред Хойл

Но взрыв ли это вообще? И насколько большой?

Огромное количество документальных фильмов на таких каналах, как Discovery, сильно нас запутывают, в них говорят, якобы Вселенная родилась из точки, меньше одного атома, но правда ли это?

Давайте для начала поймем, что вообще было до Большого взрыва. Представьте, что вы сидите в непустой комнате. А теперь давайте как следует нагреем эту комнату. До 200 градусов. Человек не выживет уже при 180 градусах по Цельсию. Мы поднимаем ещё до 525 градусов –точка Дрейпера, когда почти любой объект светится тёмно-красным цветом, но давайте нагреем нашу комнату до температуры поверхности Солнца - 5500 градусов.

Поверхность Солнца

При таких температурах материя существует в четвёртом состоянии не в твердом, не в жидком и не в газообразном, а в плазме. Состояние, когда электроны слетают с орбит вокруг ядер, атомы и молекулы становятся ионами. Это та самая плазма из которой состоит Солнце.

Давайте прибавим ещё до ста миллиардов градусов, такой была температура всей Вселенной через сто секунд после того, что мы называем Большим взрывом. И вот на этом моменте в комнате происходит нечто странное: теперь не только электроны оторвались от ядер, как при состоянии плазмы, но и сами ядра распались на протоны и нейтроны, а протоны распались на кварки и глюоны. И вот наконец наша комната наполнилась кварк-глюонной плазмой.

Кварки и глюоны - элементарные частицы

И вот на этом месте никто не знает, что произойдет. В комнате будет некое первобытное море энергии в неизвестной нам форме, то есть всё, что мы знаем и понимаем и даже всё, что мы подозреваем о мироздании, перестанет существовать именно сейчас.

Вот если отсюда перемотать назад на 13,8 миллиардов лет назад, то и получится Большой взрыв, но дело в том, что вся эта энергия была там изначально. Вселенная началась с этим определённым количеством энергии в ней. В ней не было ничего взрывающегося, она попросту была очень плотной внутри.

Спросите Итана: откуда нам известно, что Вселенной 13,8 млрд лет?

Когда мы смотрим назад на все большие и большие расстояния, мы также смотрим дальше назад во времени. Как далеко мы должны вернуться, чтобы дойти до рождения нашей Вселенной? Изображение предоставлено: ЕКА / Хаббл и НАСА; Благодарность: Джуди Шмидт.

Вы уже наверняка слышали, что Вселенная началась с Большого взрыва 13,8 млрд лет назад, и сформировала атомы, звёзды, галактики, и, наконец, планеты с нужным для появления жизни составом. Заглядывая в отдалённые места Вселенной, мы также заглядываем и назад во времени, и каким-то образом, благодаря возможностям физики и астрономии, мы вычислили не только, как началась Вселенная, но и её возраст. Но откуда нам известно, сколько ей лет? Именно такой вопрос и задаёт нам читатель:

Итан, как подсчитали это число в 13,8 млрд лет? (Только объясни понятным языком, пожалуйста!)

На самом деле есть два разных, независимых метода измерения этой величины, и хотя один из них гораздо точнее другого, в менее точном используется гораздо меньше предположений.

Излучение смещается в красную сторону по мере расширения Вселенной, что означает, что в прошлом Вселенная было более энергичным, с большим количеством энергии на фотон. Изображение предоставлено: Э. Сигель.

Излучение смещается в красную сторону по мере расширения Вселенной, что означает, что в прошлом Вселенная было более энергичным, с большим количеством энергии на фотон. Изображение предоставлено: Э. Сигель.

Более точный метод предлагает подумать о том, что Вселенная расширяется и охлаждается, а значит, в прошлом она была горячее и плотнее. Если возвращаться назад во времени, мы обнаружим, что в меньшей по объёму Вселенной не только вся материя располагалась ближе друг к другу, но и длины волн всех фотонов были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до сегодняшнего состояния.

Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, коротковолновый фотон более энергичен и горяч. Чем дальше мы будем возвращаться во времени, тем выше будет температура, пока в какой-то момент мы не достигнем самых ранних этапов Большого взрыва. Важно: у горячего Большого взрыва был этап, который можно назвать самым ранним!

Если мы будем вести экстраполяцию в прошлое бесконечно, то достигнем сингулярности, в которой физика перестаёт работать. С нашим современным пониманием раннего состояния Вселенной мы знаем, что горячему и плотному Большому взрыву предшествовало состояние инфляции, и её длительность была неопределённой. Когда мы говорим о возрасте Вселенной, мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, когда Вселенную впервые можно было описывать через горячий Большой взрыв.

Теория хронометража - новый феномен замедления времени

Атомные часы глубокого космоса. NАSА

Ученые обнаружили уникальный феномен замедления времени. Согласно теоретическому исследованию Дартмутского колледжа, колледжа Святого Ансельма и Университета Санта-Клары, явление квантовой механики, известное как суперпозиция, может повлиять на хронометраж в высокоточных часах.

Явление квантовой механики, известное как суперпозиция, может повлиять на хронометраж в высокоточных часах. Суперпозиция - способность атома существовать более чем в одном состоянии одновременно - приводит к коррекции атомных часов, известной как «квантовое замедление времени».

В работе «Квантовые часы показывают классическое и квантовое замедление времени», опубликованной 23 октября 2020 г. Nature Communications исследователи Александр Смит и Мехди Ахмади в ходе эксперимента выяснили, что суперпозиция выявляет способность каждого атома существовать более чем в одном состоянии одновременно.

Это приводит к изменению данных в атомных часах, а возникающее при этом состояние трактуется как квантовое замедление времени. Учитывая квантовые эффекты, которые выходят за рамки общепринятой теории относительности, ученые намерены сделать выводы о новом течении времени. Александр Смит, доцент кафедры физики в колледже Святого Ансельма, отметил, что в каждом новом случае, когда наука стремится разработать новый вид и тип часов, о мире исследователи узнают совершенно неожиданные новые факты. Квантовое замедление времени является следствием как квантовой механики, так и теории относительности Эйнштейна.

«Физики десятилетиями пытались учесть динамическую природу времени в квантовой теории», - сказал Мехди Ахмади, преподаватель Университета Санта-Клары, соавтор исследования. «В своей работе мы прогнозируем поправки к релятивистскому замедлению времени, которые происходят из-за того, что часы, используемые для измерения этого эффекта, являются квантово-механическими по своей природе».

Часы В движутся в волновом пакете с локализованным импульсом со средним импульсом, а часы A движутся в суперпозиции волновых пакетов с локализованным импульсом со средним значением импульса. Часы A вносят квантовый вклад в замедление времени, которое они наблюдают относительно часов B из-за их неклассического состояния движения.

На основании этих наблюдений необходимо сделать вывод, что квантовое замедление предлагает новую возможность проверить фундаментальную физику на пересечении прежних выводов и теорий.

В начале прошлого века Эйнштейн представил общую и совершенно революционную картину пространства и времени. Он сумел доходчиво доказать, что время, измеряемое часами, зависит от того, насколько быстро они движутся. Если скорость движения хоть немного увеличивается, то скорость тика часов пропорционально уменьшается.

Доклад шофёра по квантовой механике

Макс Планк

Достоверность этой курьёзной истории весьма сомнительна, однако она прижилась в научном сообществе как образец находчивости, а также как пример того, что реальные знания значительно отличаются от ложных. Чаще всего этот анекдот приписывают Максу Планку, поэтому я расскажу вариант этой забавной истории именно про него.

Макс Планк

Когда выдающийся немецкий физик-теоретик и основоположник квантовой физики Макс Планк получил за свои научные труды Нобелевскую премию, он долгое время ездил по европейским университетам, объясняя своё революционное открытие в области квантов энергии. Текст лекции был стандартным и особенно не менялся. Личный шофёр учёного, который сопровождал Планка во всех его поездках, всегда сидел в аудитории и со временем запомнил текст сложного научного доклада наизусть.

И вот однажды по дороге в Мюнхен водитель в шутку сказал, что он уже столько раз слышал лекцию, что мог бы её и сам прочитать. А затем предложил розыгрыш: дескать, пусть он, простой шофёр, выступит в университете с докладом, а Планк посидит в зале в шофёрской фуражке. Идея рассмешила Планка, и он согласился.

Прибыли они на место, поменялись ролями, и водитель без малейшей запинки прочитал перед почтенной аудиторией длинную лекцию по квантовой механике. После чего один из профессоров физики поднялся и задал крайне каверзный вопрос.

На что «лектор» немного «завис» … призадумался… а потом ответил:

– Никогда бы не подумал, что в таком прогрессивном университете, как Мюнхенский, я услышу столь примитивный вопрос. Пусть на него ответит мой шофёр.

Компьютеры будущего: фотоника, кванты, мозговая сеть

Квантовый компьютер D-Wave 2000Q

Хотя персональный компьютер прошёл долгий путь от громоздкой машины до миниатюрного смартфона, базовые принципы его работы почти не изменились. Будущее компьютеров обычно связывают с зарождением искусственного разума. Однако многие учёные скептически смотрят на то, что он появится на существующей элементной базе. Вероятно, для того чтобы «поумнеть», придётся измениться и самим компьютерам. Какими они станут?

Предел Мура

До начала 1980-х годов компьютеры воспринимались обществом и специалистами исключительно как вычислительные машины — громоздкие, дорогие и требовательные. Например, директор IBM Томас Уотсон как-то заявил, что компьютеры всегда будут штучным продуктом, а Кен Олсон, президент корпорации DEC, уверенно прогнозировал, что на персональные компьютеры никогда не будет спроса. Переломным стал август 1981 года, когда IBM выпустила на рынок серийную модель компьютера PC. Хотя самая дешёвая версия стоила больше полутора тысяч долларов, до конца года было продано 136 тысяч экземпляров. Персональные компьютеры оказались востребованы не только учёными и инженерами, но и обычными пользователями.

Первая универсальная вычислительная машина ENIAC, построенная в 1946 году, весила 27 тонн и использовала в качестве элементной базы вакуумные лампы.

Попытки выпустить серийный персональный компьютер предпринимались и до IBM, но модель PC 5150, которая стала первой по-настоящему массовой, обладала преимуществами, предопределившими развитие компьютеров на десятилетия вперёд. Во-первых, она строилась на принципах «открытой архитектуры», позволяющей сторонним разработчикам создавать различные устройства, совместимые с компьютером. Во-вторых, она была достаточно компактна, чтобы помещаться на стол. В-третьих, вместе с компьютерами распространялось программное обеспечение, востребованное офисными работниками: текстовый редактор и электронные таблицы. Вскоре появились программы, работающие с графикой, и первые компьютерные игры, написанные специально для PC.

Первый настольный компьютер, завоевавший мировой рынок, —
IBM PC 5150

Персональные компьютеры быстро завоевали мир, поскольку оказалось, что они могут использоваться почти в любой сфере. Через десять лет после появления первой массовой модели PC начали распространятся электронные сети, связывающие компьютеры друг с другом, — родилась Всемирная паутина. Параллельное внедрение средств сотовой связи создало предпосылки для появления смартфонов — мобильных телефонов с начинкой и программным обеспечением как у полноценного компьютера. Первое такое устройство называлось Simon, и на рынок его выпустила всё та же IBM в 1994 году.

Первый вариант смартфона под названием Simon
выпустила компания IBM

Дальнейшее развитие компьютеров было направлено на миниатюризацию и рост производительности. Наряду с настольными моделями в обиход вошли ноутбуки, нетбуки, наладонники и планшеты. В настоящее время полноценный компьютер удалось уменьшить до размеров крупинки соли. В марте 2018 года компания IBM представила работающий прототип нового микрокомпьютера размером 1 мм². В нём стоит несколько сотен тысяч транзисторов, память SRAM и фотогальванические ячейки для энергоснабжения. Связь с внешним миром он поддерживает с помощью устройства, совмещающего фотодетектор и светодиод. По характеристикам микрокомпьютер сопоставим с IBM AT 386, то есть на нём вполне можно запустить первую версию Doom. При этом себестоимость девайса составляет всего 10 центов. Компания предполагает использовать его для чипизации при создании «умных» вещей.

В 1982 году журнал Time назвал «Человеком года» компьютер IBM PC

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей компании Intel, обнаружил определённую закономерность в развитии микросхем, на основании чего позднее сформулировал эмпирический закон, названный его именем: удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной микросхемы при сохранении стоимости происходит каждые два года.

Для пояснения закона Мура сформулирована необычная аналогия: если бы авиапромышленность последнюю четверть века развивалась так же, как вычислительная техника, то сейчас «Боинг-767» стоил бы пятьсот долларов и облетал земной шар за двадцать минут, затрачивая не больше двадцати литров керосина.

Китайский ключ к разгадке антиматерии

Ряды похожих на мыльные пузыри радужных капель на стенах нейтринного детектора Дайя-Бей на самом деле являются выходами трубок фотоумножителей. Трубки имеют специально разработанную форму для лучшего усиления и регистрации слабых световых импульсов, возникающих при взаимодействии нейтрино и антинейтрино. Courtesy of Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory

Шесть 80-тонных детекторов электронных антинейтрино и четыре крупнейших в мире атомных реакторов понадобилось, чтобы доказать возможность квантового перехода одного типа нейтрино в другой.

Об эксперименте на реакторе Дайя-Бей (Daya Bay) на юге Китая (в 50 км от Гонконга), в котором измерен последний неизвестный параметр, необходимый для понимания того, как три разных типа нейтрино превращаются друг в друга – знают лишь специалисты в физике элементарных частиц, но результаты этого эксперимента поистине мирового класса, о чем и свидетельствует их попадание в «десятку Science».

Детектор антинейтрино в процессе сборки – видны два внутренних цилиндра, а также трубки фотоумножителей вдоль внутреней стенки внешней обшивки. Crerdit: Kam-Biu Luk

Интерференционный опыт Юнга

Традиционный эксперимент области физики может скрывать в себе знания о природе реальности, о которых мы не догадывались.

Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях) – эксперимент, проведённый Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света. Результаты эксперимента были опубликованы в 1803 году. Опыт Юнга на данный момент является самой большой загадкой в квантовой механике.

В опыте пучок монохроматического света (одноцветного света – электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале – одной частотой (длиной волны) – лазер, свет пропущенный через цветное стекло) направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран.

Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос, что и было продемонстрировано Томасом Юнгом. Этот опыт демонстрирует интерференцию света, представленную на рис.1, что является доказательством справедливости волновой теории.

Рис. 1 – интерференция синего, красного и белого света

Интерференционная картина – это чередование светлых и темных полос на экране (максимумов и минимумов), энергия световых волн никуда не исчезает, а только перераспределяется, создавая такую картину.

Если исходить из того, что свет состоит из частиц (корпускулярная теория света), то на проекционном экране можно было бы увидеть только две параллельные полосы света, прошедшие через прорези экрана-ширмы расположенного между источником света и проекционным экраном, а весь проекционный экран оставался бы практически неосвещенным за исключением двух полос, что показано на рис. 2.

Рис. 2 – Корпускулярная теория света

С другой стороны, если предположить, что свет представляет собой распространяющиеся волны (волновая теория света), то, согласно принципу Гюйгенса, каждая прорезь является источником вторичных волн.

Если вторичные волны, достигнут линии в середине проекционного экрана, находящейся на равном удалении от прорезей, в одной фазе, то на серединной линии экрана их амплитуды сложатся, что создаст максимум яркости. То есть, максимум яркости окажется там, где, согласно корпускулярной теории, яркость должна быть практически нулевой.

Распространению движения волн на поверхности воды через прорези в экранах соответствует рис.3, а так же соответствует распространению света через прорези.

Рис. 3 – Волновая теория света

С другой стороны, на определённом удалении от центральной линии волны окажутся в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создаст минимум яркости (тёмная полоса). По мере дальнейшего удаления от средней линии яркость периодически изменяется, возрастая до максимума и снова убывая.

Что мы знаем о чёрных дырах

О чёрных дырах ходит множество самых невообразимых слухов, легенд и теорий. Неудивительно: ведь заглянуть в них напрямую и проверить свои догадки мы не можем — запрещают законы природы. Учёные строят такие теории, что впору удивляться даже фантастам: здесь и области сингулярности, в которых физика перестаёт работать, и порталы в другие измерения… А ведь начиналось всё совершенно обыденно: три века назад естествоиспытатели решили наконец разобраться, что же такое земное притяжение.

Как известно, первую физико-математическую теорию гравитации сформулировал в 1687 году Исаак Ньютон. Введённый им закон всемирного тяготения описывал, как тела взаимодействуют друг с другом, но не объяснял природу этого взаимодействия. Сам учёный признавал ограниченность своей теории, написав буквально следующее: 

«Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений; гипотез же я не измышляю».

Согласно распространённой легенде, Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, наблюдая падение яблока.

Тем не менее из закона Ньютона при желании можно вывести необычные следствия. Например, весьма экзотическую гипотезу высказал в 1784 году английский естествоиспытатель и теолог Джон Мичелл. В письме, обращённом к Королевскому обществу, которое в то время было влиятельнейшей научной организацией мира, он приводил расчёт «тёмного солнца» — звезды с силой притяжения, не позволяющей её свету вырваться вовне. Оказалось, что для превращения в подобный объект наше Солнце должно быть в пятьсот раз больше. Далее Мичелл предположил: поскольку массивных звёзд в космосе достаточно, среди них должны быть и «тёмные», но, по понятным причинам, увидеть их мы не можем. Позднее французский математик Пьер-Симон Лаплас популяризировал идею Мичелла, включив её в свой фундаментальный труд «Изложение системы мира» (Exposition du Systeme du Monde, 1796).

Саженец от яблони Ньютона в саду Института Балсейро  

(Аргентина)

Хотя у ньютоновской теории гравитации были оппоненты, со временем она стала общепринятой, поскольку подтверждалась наблюдениями и точнейшими измерениями. Доработать и расширить её потребовалось в начале XX века, когда выяснилось, что она не работает, если тело движется с релятивистскими (то есть сопоставимыми со скоростью света) скоростями. К концу 1915 года Альберт Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации, получившую название общей теории относительности (ОТО). Он предположил, что действие гравитации не связано ни с какими неведомыми силами или частицами, а обусловлено геометрическими свойствами самого пространственно-временного континуума: любая масса искривляет его, создавая вокруг себя своего рода «воронку», а движение тел относительно друг друга обусловлено только формой и глубиной этих «воронок».

Концепция Эйнштейна казалась настолько революционной, что научный мир не сразу её принял. Одним из доказательств в пользу ОТО могло бы стать обнаружение «замороженных звёзд» — сферических сверхмассивных областей пространства, которые при помощи уравнений Эйнштейна описал Карл Шварцшильд. В отличие от идеи Мичелла, в новой модели до нуля замедлялась не скорость света, но само течение времени. Шварцшильд ввёл понятие гравитационного радиуса, определяющего размер, необходимый для «замерзания» звезды.

Радиус Шварцшильда можно рассчитать для любого тела: например, для Солнца он составляет 3 км, для Земли — около 9 мм. Если бы существовала физическая возможность сжать наше светило или планету до указанных размеров без мгновенного взрыва с переходом материи в энергию, то они превратились бы в «замороженные», а течение времени на их поверхности сразу остановилось бы. С другой стороны, если масса исходного объекта значительна, то незачем сжимать его до предельно малых размеров: скажем, «замороженная звезда» массой в миллиард солнечных будет иметь плотность воды.

Небесные дыры

В начале 1930-х годов молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар исследовал строение звёзд. Он теоретически показал, что, в зависимости от начальной массы, они эволюционируют по-разному. Если масса звезды меньше 1,4 солнечных, то, сжигая по мере старения своё ядерное топливо, она сбросит оболочку и превратится в белого карлика. Если масса звезды больше этой условной границы, которую позднее назвали «пределом Чандрасекара», то после сброса оболочки она будет сжиматься в нейтронную звезду.

Другие физики, среди которых были Фриц Цвикки и Лев Ландау, в серии работ показали, что нейтронные звёзды образуются в результате взрыва сверхновых, но не всегда: самые массивные из них переходят в иное состояние.

Но какое? В 1939 году Роберт Оппенгеймер (один из будущих создателей американской атомной бомбы) и Хартланд Снайдер на упрощённой математической модели показали, что звезда при коллапсе стягивается к радиусу Шварцшильда и даже преодолевает его! Вывод выглядел столь фантастическим, что учёные в то время не осмелились сделать следующий шаги заявить: «замороженные звёзды» действительно существуют.

Дальнейшие исследования и расчёты тем не менее показали: ничего невероятного в этом нет. Массивные звёзды во всех случаях превращаются в «замороженные», сила тяготения вблизи которых стремится к бесконечности, а время останавливается. И, главное, таких объектов во Вселенной должно быть очень много, ведь её эволюция началась не вчера. Теперь астрономам предстояло подтвердить или опровергнуть теоретические выкладки.

Постепенно определилась и терминология. Установлено, что первым в начале 1960-х годов «замороженную звезду» стал называть «чёрной дырой» американец Роберт Дик, в своих лекциях сравнивавший этот гипотетический объект с легендарной «Калькуттской чёрной дырой» — маленькой тюремной камерой форта Уильям, где в июне 1756 года погибли десятки пленных англичан. Новый термин понравился прежде всего журналистам: с 1963 года он стал постоянно появляться на страницах журналов Life и Science News. В студенческой среде новое название прижилось после того, как в январе 1964 года Энн Юинг выступила на конференции Американской ассоциации содействия науке с докладом «Чёрные дыры в космосе». Несмотря на это, авторство термина ошибочно приписывают американскому физику Джону Уилеру, который употреблял его в своих лекциях начиная с декабря 1967 года.

Разумеется, чёрными дырами заинтересовались и фантасты. Необычный космический объект, гравитация которого столь велика, что останавливает время, будоражил воображение. В романе «Шпага Рианнона» (1949), ныне считающемся классикой, знаменитая Ли Брэкетт описала «пузырь тьмы», через который персонаж отправляется в прошлое Марса:

«Этот пузырь с пульсирующей чернотой — до чего он похож на черноту тех густо-чёрных пятен, находящихся далеко-далеко на краю Галактики, которые некоторые учёные считают отверстиями в саму бесконечность, окнами в бесконечное «вне» нашей Вселенной.»

С тех пор чёрные дыры стали всё чаще появляться на страницах фантастических книг и журналов. Их рассматривали прежде всего как угрозу звездолётам будущего или как «место заключения» невероятно древних и могущественных существ. Впрочем, начиная с первой половины 1970-х годов чёрные дыры в фантастике стали всё больше походить на те описания, что давали физики.

Внутри дыры

Учёные довольно быстро определились со структурой чёрных дыр, которую удалось описать с помощью ОТО. В рамках этой теории чёрная дыра описывается не как вещество или энергия, а как мощное гравитационное поле, сконцентрированное в чудовищно искривлённой области пространственно-временного континуума. Её внешняя граница представляет собой замкнутую поверхность, которая получила название «горизонт событий»; если перед коллапсом звезда не вращалась, то радиус этой границы совпадает с радиусом Шварцшильда.

Снаружи чёрная дыра ведёт себя как обычный космический объект, только очень и очень тяжёлый. Если мы пошлём в её сторону зонд, что будет передавать световые сигналы через равные промежутки времени, то при его приближении к «горизонту событий» заметим, что интервалы между сигналами увеличиваются, поскольку время на борту замедляется. Длина световой волны, испускаемой зондом, будет стремительно расти, и вскоре сигнал превратится в радиоволны, а потом — в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые почти невозможно.

Как только зонд пересечёт «горизонт», информация с борта поступать перестанет. При этом аппарат повлияет на чёрную дыру, передав ей свою массу, электрический заряд и момент вращения. Внутри дыры зонд начнёт падать к её центру — сингулярности, которая для неподвижной дыры представляет собой точку, а для вращающейся — кольцо; поперечник сингулярности не может превышать длину Планка-Уилера, равную 1,62 х 10^-33 см.

Сточки зрения внешнего наблюдателя, зонд будет падать в центр дыры вечно, однако в действительности его разорвут растущие приливные силы. Этот процесс называют «спагеттификацией»: объект резко растягивается по вертикали и сжимается по горизонтали.