Рубрика «спросите итана»

Спросите Итана: где проходит грань между математикой и физикой? - 1
Симуляции того, как чёрная дыра в центре Млечного Пути может выглядеть для телескопа Event Horizon Telescope. В симуляциях предполагается, что горизонт событий существует, что релятивистские уравнения верны, и что мы используем правильные параметры интересующей нас системы.

Когда речь идёт об описании физического мира, мы можем делать это эпизодически, как это часто бывает, или использовать науку. Последний вариант подразумевает сбор численных данных, поиск корреляций между наблюдениями, формулирование физических законов и теорий, запись уравнений, позволяющих предсказать результаты развития различных ситуаций. Чем более продвинутые физические явления мы описываем, тем более абстрактными и сложными становятся уравнения и теоретические платформы. Но во время формулирования этих теорий и записи уравнений, описывающих, что произойдёт при различных условиях – не перемещаемся ли мы из мира физики в мир математики? Где расположена граница между ними? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:

Где провести линию между абстрактной математикой и физикой? Теорема Нётер относится к научному знанию или к математике? А что насчёт теории Малдасены об AdS/CFT-соответствии?

К счастью, чтобы найти различие, нам не обязательно обращаться к таким сложным примерам.
Читать полностью »

Спросите Итана: может ли лазер в самом деле разорвать пустое пространство? - 1
В экспериментах с настольными лазерами, возможно, энергии и не самые большие, но по мощности они могут поспорить даже с лазерами, зажигающими реакции синтеза. Может ли поддаться действию такого лазера квантовый вакуум?

Пустое пространство, как выясняется, не такое уж и пустое. Флуктуации в вакууме означают, что даже если устранить всю материю и излучение из участка пространства, там всё равно останется конечное количество энергии, присущее самому пространству. Если выстрелить в него достаточно мощным лазером, можно ли, как написали в журнале Science Magazine, «разорвать вакуум и пустое пространство»? Именно об этом спрашивает наш читатель:

Science Magazine недавно опубликовал статью о том, что китайские физики в этом году собираются сделать лазер мощностью в 100 ПВт (!!!) Можете ли вы объяснить, как они планируют это сделать, и какие уникальные явления это может помочь исследовать? И что значит «разорвать вакуум»?

Эта история реальна, она подтверждена, и немного преувеличена в части «разрыва вакуума», — можно подумать, такое в принципе возможно сделать. Давайте углубимся в реальную науку и выясним, что на самом деле происходит.
Читать полностью »

Спросите Итана: может ли тёмная материя состоять не из частиц? - 1
Хотя большая часть тёмной материи в Галактике существует в огромном гало, окутывающем нас, каждая отдельная частица ТМ движется по эллиптической орбите под воздействием гравитации. Если частицы ТМ являются античастицами сами себе, и мы придумаем, как их запрячь – они могут стать идеальным источником энергии.

Всё, что мы когда-либо находили во Вселенной, от материи до излучения, можно разбить на мельчайшие составляющие. Всё в этом мире состоит из атомов, которые состоят из ядер и электронов, а ядра состоят из кварков и глюонов. Свет тоже состоит из частиц – фотонов. Даже гравитационные волны, теоретически, состоят из гравитонов: частиц, которые однажды мы сможем получить и зарегистрировать. А что насчёт тёмной материи? Непрямые свидетельства её существования неоспоримы и ошеломляющи, но обязательно ли она должна состоять из частиц? Именно об этом спрашивает нас читатель:

Если тёмную энергию можно определить, как энергию, присущую ткани пространства, может ли быть так, что то, что мы воспринимаем, как «тёмная материя», также является неотъемлемой функцией пространства – сильно или слабо связанной с тёмной энергией? То есть, вместо того, чтобы ТМ состояла из частиц, не может ли она пронизывать всё пространство гравитационными эффектами (однородными или неоднородными), которые могут объяснить наши наблюдения – что-то вроде «тёмной массы»?

Давайте посмотрим на свидетельства и увидим, что они говорят нам о существующих возможностях.
Читать полностью »

Спросите Итана: откуда нам известно, что расширяется именно пространство? - 1
Существует большой набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большой взрыв. А вот вопрос конечности или бесконечности Вселенной пока не решён

Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:

Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.

Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.
Читать полностью »

Спросите Итана: чем антиматерия принципиально отличается от материи? - 1
Высокоэнергетические столкновения частиц могут приводить к появлению пар частица/античастица или фотонов, а аннигиляция пар частица/античастица также приводят к появлению фотонов, как показывают эти следы в пузырьковой камере. Но что определяет принадлежность частицы к материи или антиматерии?

У каждой известной частицы материи во Вселенной имеется антиматериальный двойник. У антиматерии есть множество свойств, сходных со свойствами нормальной материи, включая типы взаимодействий, массу, величину электрического заряда, и так далее. Но есть и несколько фундаментальных отличий. Однако две вещи по поводу взаимодействия частиц материи и антиматерии можно сказать с определённостью: если столкнуть частицу материи с её двойником из антиматерии, они мгновенно аннигилируют, превратившись в энергию, и в любом взаимодействии, создающем частицу материи, обязательно возникнет и её двойник из антиматерии. Так что же делает антиматерию особенной? Именно это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:

Каковы различия между материей и антиматерией на фундаментальном уровне? Есть ли какое-то внутреннее свойство, заставляющее частицу становиться материей или антиматерией? Есть ли какое-то внутреннее свойство (типа спина), отличающее кварки и антикварки? Что придаёт приставку «анти» антиматерии?

Чтобы понять ответ на вопрос, необходимо взглянуть на существующие частицы (и античастицы).
Читать полностью »

Спросите Итана: как излучение Хокинга и релятивистские струи убегают от притяжения чёрной дыры? - 1
Концептуальное изображение аккреционного диска и струй сверхмассивной чёрной дыры

Самая важная особенность чёрной дыры – горизонт событий. Это регион пространства, внутри которого гравитационное поле настолько сильно, что ничто, даже свет, не может оттуда вырваться. Как же объяснить предсказанное нами убегание материи и излучения от чёрных дыр? Это хочет выяснить наш читатель:

Везде, где читаешь информацию о чёрных дырах, написано, что «ничто, даже свет, не может оттуда вырваться». А затем встречаешь информацию об излучении Хокинга, «излучение чёрного тела, которое, как предсказано учёными, испускают чёрные дыры». А ещё есть релятивистские струи, которые «чёрные дыры выстреливают со скоростью, близкой к световой». Очевидно, что-то всё же убегает из чёрных дыр, так ведь?

Материя и излучение, находившиеся вблизи чёрных дыр, действительно могут приходить к нам. Но значит ли это, что что-то убегает из чёрной дыры? Давайте разбираться.
Читать полностью »

Спросите Итана: куда движется современная наука? - 1
Изображение трёх из четырёх известных экзопланет, вращающихся вокруг HR 8799, от 2010 года, представляет первый раз, когда такой маленький телескоп – ростом меньше взрослого человека – смог напрямую увидеть экзопланету.

Если бы вы отправились в прошлое всего на 30 лет, то вам бы предстал совсем не такой мир, как сегодня. Нам были известны только планеты в нашей Солнечной системе; у нас не было концепции тёмной энергии; не было космических телескопов; гравитационные волны были просто непроверенной теорией. Мы не открывали все кварки и лептоны, никто не знал, существует ли частица Хиггса. Мы даже не знали, насколько быстро расширяется Вселенная. В начале 2018 года, одно поколение спустя, мы совершили революцию во всех этих областях, и сделали открытия, которых никто не ожидал. А что будет дальше? Именно это хочет знать наш читатель:

Мне бы хотелось узнать, что учёные планируют делать дальше. Какие ожидаются новые поступления, что теоретики пишут на досках или просто какие идеи обсуждают?

По следам большой ежегодной встречи Американского астрономического общества как раз очень удобно будет обсудить будущее науки.
Читать полностью »

Спросите Итана: как вращение влияет на форму пульсаров? - 1
Нейтронная звезда – одна из наиболее плотных форм материи Вселенной, но её массе есть верхний предел. Если его превзойти, нейтронная звезда схлопнется в чёрную дыру

Во Вселенной есть мало неподвижных объектов; практически все известные нам тела вращаются. Каждая луна, планета, звезда из известных нам, вращается вокруг своей оси, поэтому в нашей физической реальности не бывает идеальных сфер. Объект, находящийся в гидростатическом равновесии, при вращении раздувается по экватору и сжимается с полюсов. Наша Земля, благодаря одному обороту в сутки, вдоль экваториальной оси на 42 км длиннее, чем по полярной, а существуют объекты, вращающиеся гораздо быстрее. А что насчёт наиболее быстро вращающихся объектов? Наш читатель спрашивает:

Некоторые пульсары вращаются удивительно быстро. Насколько сильно это искажает их форму, и не сбрасывают ли они из-за этого материю – или их гравитация её удерживает?

Существуют ограничения на скорость вращения объектов, и хотя пульсары исключением не являются, некоторые из них можно назвать воистину исключительными.
Читать полностью »

Спросите Итана: с кем из великих учёных нобелевский комитет обошёлся особенно несправедливо? - 1

Альфред Нобель, изобретатель динамита и автор 355 патентов, в своём завещании от 1895 года написал, что хочет основать Нобелевскую премию и описал правила её вручения. После его смерти в 1896 премию ежегодно вручают с 1901 года, за исключением того периода времени, когда Германия оккупировала Норвегию во время Второй Мировой войны.

В науке прорывы часто происходят большими шагами. Оглядываясь назад, довольно просто определить сотни маленьких шагов, приведших к моментальному открытию, но складывается впечатление, что перевороты происходят одновременно. Это не означает, что людям, сделавшим революционные открытия, всегда воздают по заслугам. Самой престижной научной наградой, без сомнения, считается нобелевская премия, но и она иногда весьма впечатляюще отвергала самых достойных кандидатов. Наш читатель спросил:

Я хотел бы узнать, кого бы вы выбрали на звание наиболее несправедливо отвергнутого кандидата на Нобелевскую премию, человека, который её заслуживал, и с которым нобелевский комитет поступил некрасиво. Лично я бы выбрал Ву Цзяньсюн.

Достойных кандидатов много, поэтому наименьшее, что я могу сделать – перечислить их и осветить их достижения. Не в каком-то определённом порядке я предлагаю вам список из 10 лучших учёных, совершивших невероятные открытия, но так и не получивших заслуженных почестей.
Читать полностью »

Спросите Итана: почему орбиты комет отличаются от орбит планет? - 1
Номинальная траектория межзвёздного астероида 1I/Оумуамуа (он же A/2017 U1). Расчёт основан на наблюдениях, начиная с 19 октября 2017 года. Заметьте, как отличаются орбиты планет (вращающихся быстро и по кругу), объектов пояса Койпера (эллиптические, почти копланарные) и орбита этого межзвёздного астероида.

Правильный ответ на вопрос о том, как планеты движутся по орбитам в нашей Солнечной системе, был дан уже несколько сотен лет назад: сначала Кеплером, чьи законы движения их описывали, а затем Ньютоном, чьи законы всемирного тяготения позволяли вывести первые. Но кометы, как происходящие из Солнечной системы, так и залетевшие издалека, не двигаются по тем же самым, почти круговым, эллипсам. Почему так происходит? Наш читатель хочет узнать:

Почему кометы движутся вокруг Солнца по параболическим путям, в отличие от планет, движущихся по эллиптическим орбитам? Откуда у комет берётся энергия на пролёт такого большого расстояния, от облака Оорта до Солнца и обратно? И как межзвёздные кометы и астероиды вылетают из своих планетных систем и посещают другие?

На этот вопрос можно ответить, однако существует более общий вопрос: почему вообще объекты двигаются по орбитам именно так?
Читать полностью »