Космосе день или ночь

Почему в космосе темно? Причины явления

Одна из астрономических загадок, над которыми ученые ведут споры не одно тысячелетие, — почему в космосе всегда темно.

Известный специалист Томас Диггс, чьи годы жизни пришлись на XVI век, утверждал, что Вселенная бессмертна и бесконечна, в ее пространствах существует множество звезд, регулярно появляются новые. Но если верить этой теории, то в любое время суток небо должно быть ослепительно-ярким от их света. А в действительности все совершенно наоборот: днем все освещает одно солнце, а ночью небо темное, с еле заметными невооруженному взгляду точками звезд. Почему так происходит?

Почему солнце не может осветить космос?

Любой человек может увидеть солнце, которое днем освещает весь небосвод и окружающие предметы действительности. Но если бы мы могли просто так подняться на несколько тысяч километров вверх, то заметили все сильнее сгущающуюся темноту и яркие вспышки далеких звезд. И тут встает вполне закономерный вопрос: если Солнце светит, почему в космосе темно?

Опытные физики давно нашли ответ на этот вопрос. Весь секрет в том, что Землю окружает атмосфера, наполненная молекулами кислорода. Они отражают направленный в их сторону солнечный свет, действуя как миллиарды миниатюрных зеркал. Подобный эффект создает впечатление голубого неба над головой.

В космическом пространстве слишком мало кислорода, чтобы отражать свет даже от самого близкого источника, поэтому как бы сильно ни светило Солнце, его будет окружать пугающая черная мгла.

Парадокс Ольберса

Диггс размышлял о небе, покрытом бесконечным количеством звезд. Он был уверен в своей теории, но его сбивало с толку одно: если на небе множество звезд, которые никогда не заканчиваются, то оно должно быть очень ярким в любое время дня и ночи. В любом месте, куда падает человеческий взгляд, должна быть очередная звезда, но все происходит с точностью до наоборот. Этого он не понимал.

После его смерти об этом временно забыли. В XIX веке, при жизни астронома Вильгельма Ольберса, об этой загадке опять вспомнили. Его настолько взволновала эта проблема, что вопрос о том, почему в космосе темно, если светят звезды, назвали парадоксом Ольберса. Он нашел несколько возможных ответов на этот вопрос, но в конце концов остановился на той версии, которая говорила о пыли в космическом пространстве, которая плотным облаком закрывает свет большинства звезд, поэтому они не видны с поверхности Земли.

После смерти астронома ученые узнали, что от поверхности звезд отходят мощные излучения энергии, которые могут нагреть температуру окружающей пыли до такой степени, что она начнет светиться. То есть облака не могут стать помехой для звездного света. Парадокс Ольберса получил вторую жизнь.

Исследователи космических пространств пытались его изучить, предлагая другие варианты ответа на животрепещущий вопрос. Наиболее популярной была версия о зависимости звездного света от расположения его носителя: чем дальше звезда, тем слабее излучение от нее. Этот вариант не получил продолжения, так как звезд бесконечное множество, от них должно быть достаточно света.

Но каждую ночь небо темнеет. Другое поколение астрономов доказало, что Диггс и Ольберс ошибались в своих предположениях. Эдвард Гаррисон, известный исследователь космических явлений, стал создателем книги «Ночная тьма: загадка Вселенной». Он заложил в нее другую теорию, которой придерживаются по сегодняшний день. Если верить ей, то звезд не хватает для постоянного освещения ночного неба. На самом деле их ограниченное количество, они имеют свойство кончаться, как и наша Вселенная.

Бесконечное количество звезд — миф или реальность?

Существует математическая теорема: если взглянуть на вещество с ненулевой плотностью, которое находится в безграничном космическом пространстве, то в любом случае его можно увидеть через определенное расстояние. В том случае, когда космос бесконечен и наполнен звездами, взгляд, направленный в любую сторону, должен видеть очередную звезду.

Из этой же теоремы можно сделать вывод, что свет от звезд будет направлен во все стороны и достигнет земной поверхности независимо от их расположения. То есть безграничная Вселенная, наполненная постоянно сверкающими звездами, имела бы яркое небо в любое время суток.

Роль Большого Взрыва

На первый взгляд кажется, что подобная теория не находит подтверждения в реальной жизни. Человек не может увидеть все галактики с земной поверхности даже с помощью специальных приспособлений. Чтобы подтвердить их существование, ему пришлось выйти в космос, отдалившись от родной планеты на определенное расстояние.

Но ученые имеют свое мнение, которое основывается на Большом Взрыве — именно после него началось формирование планет. Да, за пределами Земли есть множество галактик и отдельных звезд, но их свет еще не достиг нас, так как с момента взрыва с астрономической точки зрения прошло не так много времени. Из этого следует, что процесс развития Вселенной еще не закончен, и космические процессы могут влиять на расстояние между планетами, отдаляя момент, когда их свет будет виден с земной поверхности.

Астрофизики считают, что причина Большого Взрыва в том, что в прошлом у Вселенной была более высокая температура и плотность. После взрыва показатели начали падать, что позволило запустить процесс формирования звезд и галактик, поэтому сегодня их не удивляет тот факт, почему в космосе темно и холодно.

Телескоп как способ увидеть прошлое звезд

Любой наблюдатель, находящийся на земной поверхности, может увидеть звездный свет. Но мало кто знает, что звезда послала нам этот свет в далеком прошлом.

Для примера можно вспомнить Андромеду. Если отправиться к ней с Земли, то путешествие займет 2 300 000 световых лет. Значит, свет, который она излучает, добирается до нашей планеты за этот промежуток времени. То есть мы видим эту галактику такой, какой она была два с лишним миллиона лет назад. И если вдруг в космическом пространстве произойдет катастрофа, которая уничтожит ее, то мы об этом узнаем через такой же промежуток времени. Кстати, свет Солнца доходит до поверхности земли через 8 минут после начала пути.

Современный процесс развития технологий затронул телескопы, позволяя сделать их более мощными, чем первые экземпляры. Благодаря этому свойству люди видят свет от звезд, который начал идти к Земле практически десяток миллиардов лет назад. Если вспомнить возраст Вселенной, составляющий 15 миллиардов лет, то цифра производит неизгладимое впечатление.

Настоящий цвет космоса

Только узкий круг специалистов знает о том, что с помощью электромагнитных приборов можно увидеть совершенно другие оттенки космоса. Все небесные тела и астрономические явления, включая вспышки сверхновых звезд и моменты удара друг о друга облаков, состоящих из газа и пыли, излучают яркие волны, которые могут уловить специальные устройства. Наши глаза не приспособлены для таких действий, поэтому людей удивляет, почему в космосе темно.

Если дать людям возможность видеть электромагнитный фон окружающей среды, то они бы увидели, что даже темное небо очень яркое и богатое на цвета — на самом деле черного пространства нигде нет. Парадокс в том, что в этом случае у человечества не появилось бы желания исследовать космическое пространство, и современные знания о планетах и далеких галактиках так и остались бы неизученными.

Источник

Разница во времени на Земле и в космосе

В 20 в. было доказано, почему отличается время в космосе и на Земле. Разница создается благодаря действию гравитационного поля.

До научных открытий, совершенных ученым Альбертом Эйнштейном, время считалось неизменной величиной. Люди думали, что оно всегда и везде протекает одинаково.

Все изменила Общая теория относительности — согласно данному научному труду, пространство и время связаны друг с другом, а минуты и секунды отсчитываются неодинаково для тел движущихся и находящихся в состоянии покоя.

Важность теории Эйнштейна

Вначале Эйнштейн назвал свою работу «К электродинамике движущихся тел». Теорией относительности она стала позже — когда научный мир, ознакомившийся с ней, сделал выводы, касающиеся «относительного» положения тел в пространстве.

Так, человек, находящийся на борту судна, к примеру на его палубе, бросающий камень по направлению к носовой части, не заметит разницы для себя, если корабль плывет или остается неподвижным. Объясняется феномен тем, что по отношению к кораблю местоположение человека всегда остается неизменным.

Основные выводы

Существует 2 основополагающих принципа, вытекающих из Общей теории относительности:

Гравитационные поля создают пространственно-временное искривление.
Для каждого объекта, находящегося в движении, время идет медленнее, чем для того, который остается в покое.

Благодаря релятивистскому замедлению времени для движущихся с ненулевой скоростью объектов любые физические процессы в нем происходят не так быстро, как в статическом положении.

Практический пример

Существует доказательство того, что для человека, летящего самолетом, время течет медленнее, чем для людей, которые находятся на Земле в состоянии покоя. Но этой разницы никто не почувствует, ведь она составит не более миллиардной доли секунды.

Ситуация меняется, когда скорость движущегося объекта многократно увеличивается.

Так, ракета, летящая со скоростью света, способна за 1 год преодолеть расстояние, составляющее 100 и более лет по земным меркам. Для самого космонавта, находящегося внутри такой ракеты, минутные стрелки двигались бы так же, как и всегда, — замедление заметили бы только земляне, каким-либо образом увидевшие часы, установленные в кабине корабля.

С другой стороны, космонавт, в этот момент посмотревший из иллюминатора на Землю и увидевший на ее поверхности часы, обратил бы внимание на их замедленный ход.

Несмотря на это, в действительности замедление возникает только у космонавта. Это связано с большой скоростью летящей ракеты и тем, что точки отсчета для корабля и планеты остаются неравноправными, ведь Земля постепенно передвигается по прямой траектории, а летательный аппарат перемещается с ускорением.

Искривление пространства и времени как причина относительности

Любой физический предмет, обладающий ненулевым весом, изменяет вокруг себя пространственно-временные показатели.

Рядом с таким небольшим объектом, как яблоко, искривление минимально, а явные изменения происходят только в пространстве, окружающем массивные тела.

Земля своей массой создает гравитационное поле такой силы, что для объектов, находящихся на земной орбите, время проходит медленнее, чем на поверхности планеты.

Наличие временного несоответствия было выявлено при отправке сообщений со спутников на Землю.

Ощутимое пространственно-временное искривление возникает вблизи любых массивных тел — планет, звезд. Это было доказано опытным путем.

Свет квазара, расположенного неподалеку от мощной черной дыры, искривляется, время в той области также замедляется.

Это видно по тем пятнам, которые проявляются для земного наблюдателя через неравные временные периоды.

Уничтожение стереотипов

Из всего вышесказанного можно сделать вывод: время в космосе протекает по-разному.

Рядом с крупными объектами оно идет медленнее, а вдали от них, в пространстве без звезд и черных дыр, — быстрее.

Все это в корне рушит стереотип, согласно которому время представляется константой, некой постоянной величиной.

Интересные факты

Согласно теории относительности, любой предмет, на который действует гравитация, падает прямолинейно и равномерно.

Мяч, по которому ударили, движется не по дугообразной, а по прямой траектории. Он летит вверх и падает обратно на Землю из-за пространственно-временного искривления, поскольку траектории подброшенного предмета и планеты в установленный момент сходятся в 1 точке.

Атомные часы на Земле и в космосе

Чтобы доказать, что время на орбите проходит медленнее, чем на земной поверхности — достаточно выдать космонавту, готовящемуся к полету в космос, атомные часы и в точности такие же оставить на Земле.

Если сверить время на часах космонавта, вернувшегося с МКС с местным временем, окажется, что они отстают. Это означает, что космическое время на станции проходило медленнее.

Источник

Космические сутки

Заметил интересный парадокс по поводу времени, вернее насчет его локальной относительности. Понятно, что время это просто социальный инструмент для систематичной деятельности, и всегда с одной стороны планеты ночь, с другой день. Предположим, что человек умеет летать. Вышел во двор, взлетел высоко в небо и начал двигаться по экватору в противоположную строну вращения Земли со скоростью 1 часовой пояс в час (1670 км\ч). Получится, что относительно планеты этот человек будет находиться в одной точке. Возникает такой момент, что двигаясь со сверхзвуковой скоростью течение времени для этого человека сильно замедляется, пропадает понятие «24-часовые сутки» и появляется простой факт наблюдения смены времён года. За 30 дней полёта Солнце сместится по небосводу на 1/12, и так как за год Земля делает оборот вокруг Солнца — эта «зависшая точка» однажды окажется позади освещаемой области (но если лететь со скоростью 1809 км\ч — Солнце всегда будет находиться в одной точке).Таким образом, цикл День-Ночь для этого человека будет длиться 1 год, по земным меркам, но замедление времени растянет восприятие, и человек окажется в вязкой разнице между течениями событий на Земле и в космосе. Или же он окажется в океане космической вечности? Суть этого парадокса заключается в g-перегрузке, создаваемой гравитационным полем Земли. Солнечная система, в свою очередь, движется вокруг центра галактики с еще большей скоростью, да и сама галактика находится в движении.

Найдены дубликаты

что за чушь? «течение времени для этого человека сильно замедляется» при скорости 1600км? Так сильно замедлится что ты этого и не заметишь. Для Сильного замедления нужны скорости овер9000. И все остальное тоже чушь.

суть здесь не в том, насколько сильно замедлится время

здесь вообще сути нету, «по реке плывет кирпич, деревянный как стекло, ну и пусть себе плывет, мне ненужен пенопласт» вот здесь смысла столько же сколько и в твоем посте.

Что то не въехал, при чем тут время и джи перегрузка? Поподробнее тут если можно.

Думал, что-то интересное и глубокое, прочитал «А не фигня какая-то».

Про «Бозон Хиггса» и «Суперпозицию субатомных частиц» было бы интереснее народу узнать.

Сам ход мысли автора конечно не много понравился, но тут всё дело в том, что «течение времени для этого человека» измениться по отношению к чему, к времени как к условной единице измерения, или к глобальному происходящему? Для любого предмета который двигается, время течёт медленнее, но не для наблюдаемых этого объекта, таким образом, если какое-то космическое тело будет лететь с максимально приближённой скоростью к скорости света, то для экипажа в нём время будет идти медленнее по отношению к наблюдателю, который в своё время движется медленнее. Но если кто-то из экипажа внутри объекта встанет и пойдёт в сторону полёта, то его скорость должна будет превысить скорость света, но так как это не возможно, из-за того , что его масса будет равняться бесконечности. И превышение скорости света не увидит как наблюдатель, так его и не совершит экипаж, ибо для экипажа эта скорость будет даже не максимально приближёна к скорости света, ибо время у него течёт по иному. Я бы тут ещё расписал, но увы на работе кончился обед 😀

Гуманитарий, не пиши больше.

. так выпьем за то, что бы деньги были и йух стоял

Росинант

Росинант — марсианский фрегат класса «Корвет» из цикла романов Джеймса Кори «Экспансия». Изначально назывался MCRN «Tachi» и базировался на борту линкора Марсианской Конгрессионной Республики «Доннаджер». Но вскоре после гибели ледовоза «Кентерберри» «Доннаджер» также был атакован неизвестным кораблем-стелс и уничтожен. Выжившие с «Кентерберри» под руководством Джеймса Холдена смогли добраться до «Тачи» и спаслись с гибнущего «Доннаджера».А это моя модель «Росинанта» из бумаги. Изготовление заняло у меня три дня, а если бы поменьше дурака валял — за день управился бы.

Я запрещаю перемещать мой пост в какие-либо сообщества.

Друзья! У меня наконец-то появился Патреон!

Время — деньги (Project Manager)

Сто два года снимку, который изменил наш взгляд на Вселенную

102 года назад английский астроном Артур Эддингтон провел эксперимент, который подтвердил правильность общей теории относительности Эйнштейна.

Фото: F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson/ Снимок солнечного затмения из отчета Эддингтона, 1919 год. Сделан в Бразилии при помощи телескопа с диаметром зеркала 10 см и фокусным расстоянием 5,7 метра

В мае 2021 года исполнилось 102 года с того дня, как была сделана знаменитая фотография солнечного затмения, которая доказала работоспособность Общей теории относительности Альберта Эйнштейна и тем самым прославила немецкого физика на весь мир.

Сто два года назад тридцатишестилетний английский астроном Артур Эддингтон и его юный помощник Эдвин Коттингемн прибыли на отдаленный от западного берега Африки остров Принсипи, чтобы запечатлеть одно из самых зрелищных явлений, происходящих на небе — полное солнечное затмение, которое должно было состояться 29 мая 1919 года.

Наблюдение за таким событием сегодня является обычным делом, но в 1919 году все было иначе: в технологическом плане мир все еще приходил в себя после Первой мировой войны, и ученые имели в своем арсенале весьма скудное научное оборудование для астрономических исследований. Кроме того, тогда еще не умели должным образом предсказывать погоду, и всегда существовала вероятность, что небо внезапно могут затянуть тучи.

Фото: Википедия / Астроном Артур Эддингтон

Все эти проблемы, несомненно, вызывали беспокойство у ученого, но, как считал Эддингтон, рискнуть стоило. Астроном был настроен решительно, поскольку полагал, что его наблюдения могут повлиять на научный прогресс: доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века, выдвинутую немецким физиком Альбертом Эйнштейном: общую теорию относительности (ОТО).

В теории, которая была предложена Эйнштейном в 1915 году, утверждалось, что гравитация — это не сила притяжения, действующая между телами в космосе, как ранее объяснял Исаак Ньютон, а свойство пространства-времени: гравитация возникает тогда, когда окружающее пространство-время изгибается под массой какого-либо тела.

«В поддержку своей теории Эйнштейн использовал существующие астрономические наблюдения — например, аномалии на орбите Меркурия вокруг Солнца (речь идет об аномальном смещении перигелия Меркурия, обнаруженном в 1859 году. Это было первое в истории движение небесного тела, которое не подчинялось классической ньютоновской теории тяготения — прим.ред)”, — говорит Кэролин Кроуфорд из Института астрономии, Кембридж. — “Но это были косвенные доказательства. Необходим был конкретный факт, чтобы здесь и сейчас на примере показать, что теория Эйнштейна верна. Майское затмение 1919 года предоставило такую возможность».

Одним из любопытных предсказаний ОТО, было то, что вблизи Солнца свет звезд может искривляться. Как это проверить? Лишь наблюдая звезды возле диска светила, и сделать это возможно только когда солнечный свет не мешает, то есть во время полного солнечного затмения.

Эддингтон планировал получить несколько снимков определенного скопления звезд, а затем измерить на фотографиях видимое положение светил и сравнить его с положением тех же звезд на фотографиях, которые были сделаны за несколько месяцев до и после затмения, когда Солнце находилось в другой части неба.

Подтвердить или опровергнуть теорию Эйнштейна было очень просто: если положение звезд на фото смещается относительно положения звезд на ранних или поздних снимках того же участка неба, это будет означать, что масса Солнца вызывает искривление пространства и, соответственно, проходящих по нему лучей света. Если же ничего не изменится, значит, мысли Эйнштейна не верны.

Ученый был не единственным, кто 29 мая 1919 года хотел проверить правоту Эйнштейна. Вместе с ним за Солнцем наблюдала группа британских исследователей, только свое наблюдения она проводила за тысячи километров от Эддингтона — на севере Бразилии, в городе Собрал. Обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном, и изучали они звездное скопление Гиады в созвездии Тельца.

Астрономы прекрасно понимали, какие трудности могут им встретиться.

«Ньютоновская физика также предсказывает, что положения звезд может быть смещено во время затмения — но не сильно», — говорит Кроуфорд. — «Теория Эйнштейна предсказывала большее отклонение»

Эддингтон столкнулся сразу с двумя проблемами. Первая: если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает: ньютоновская физика или эйнштейновская? Согласно Ньютону, величина отклонения луча света, который проходит по касательной к поверхности Солнца, должна равняться, 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну — примерно 1,8 угловых секунды. Учитывая, что угловая секунда составляет 1/3600 градуса, такие чрезвычайно малые различия будет очень трудно обнаружить.

Вторая: окружающая среда на Принсипи. С одной стороны, борьба с животными:

Эддингтону и его помощнику постоянно приходилось отгонять обезьян, которые пытались украсть их оборудование. С другой — погода: в день затмения шел дождь, и ученые опасались, что наблюдений провести им не удастся. К вечеру тучи рассеялись, но местами над землей стоял туман, что несколько мешало фотосъемке.

Фото: Nature/ Прибор для наблюдений за солнечным затмением, который использовали астрономы в Бразилии, 1919 год

Эддингтону удалось сделать 16 снимков. Позже он увидел, что только на двух фотопластинках было запечатлено достаточное количество звезд, чтобы попытаться определить смещение. Расписание парохода заставило коллег покинуть Принсипи, и ученые так и не успели изучить фотоматериал на месте.

В Бразилии у другой группы астрономов дела шли не лучше. Хотя условия для наблюдения за затмением и были подходящими, все 19 снимков, которые были получены при помощи телескопа и фотопластинок, оказались не в фокусе: солнечный свет вызвал нагрев материала зеркала, что привело к его тепловому расширению и в результате произошло искажение. К счастью, у ученых был запасной телескоп, немного меньше первого. С его помощью им удалось сделать восемь снимков. Все они оказались удачными.

В августе 1919 года рабочие материалы первой и второй группы были тщательно изучены. Фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии — 1,98. Другими словами, предсказанное теорией Эйнштейна было подтверждено. 6 ноября того же года ученые презентовали одну из фотографий астрономов (ей суждено было стать судьбоносной) и выступили перед научным сообществом в Лондонском королевском обществе и буквально ошеломили присутствующих: теория гравитации Ньютона, просуществовавшая 200 лет, была свергнута со своего пьедестала, на ее смену пришла общая теория относительности.

Журналисты подхватили эту новость и стали выпускать статьи с “кричащими” заголовками: “Революция в науке: новая теория Вселенной”, “Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку”, “Искривляя свет: теория Эйнштейна верна”.

С этого момента Эйнштейн, которого знали и уважали лишь в узких научных кругах, получил мировую известность, теперь его имя произносили во всех уголках земного шара.

Фотография солнечного затмения 1919 года, которая была представлена перед научным сообществом в Лондонском королевском обществе, положила начало так называемого “века гравитации”. Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями также показали работоспособность теории Эйнштейна, а уже с 1990-х годов снимки, сделанные телескопом “Хаббл”, выявили еще большее искривление света мощными гравитационными полями.

ЭДДИНГТОН, ЭЙНШТЕЙН И ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА

Артур Эддингтон был одним из немногих, кто поддерживал и защищал Общую теорию относительности.

Впервые ученый ознакомился с ней в 1915-1916 годах, тогда еще шла война, и копию ОТО доставили Эддингтону контрабандой (общаться на прямую ученые не могли: Эйнштейн жил в Германии, которая воевала с Великобританией). Вместе с Королевским астрономом Фрэнком Дайсоном молодой специалист начал строить планы о проверке теории. Таким образом в самый разгар Первой мировой войны двое из числа наиболее уважаемых астрономов Великобритании тайно замышляли испытать идеи “врага” — немецкого физика. (Это было время ненависти ко всему немецкому. Даже журнал «Nature» говорил о немецкой науке как о неполноценной).

Фото: Royal Astronomical Society/ Эйнштейн и Эддингтон в Кембриджской обсерватории, 1930 год

Планы Эддингтона и Дайсона чуть не разрушило правительство, отменив первому отсрочку от армии и призвав на военную службу — фронт требовал новых солдат. Эддингтон отказался брать оружие в руки, так как этого не позволяла его религия (он относился к протестантам-квакерам). Молодого человека ждал трибунал. Только прямое вмешательство Дайсона спасло Эддингтона. Дайсон ссылался на заслуги молодого человека в науке (работы о звездах и строении Вселенной) и утверждал, что больше пользы своей стране тот принесет не на фронте, а в обсерватории.

ИГРА СВЕТА: ПРАВДИВЫ ЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭДДИНГТОНА?

Некоторые ученые ставили под сомнения исследования Эддингтона и других астрономов, доказавших на практике ОТО.

«Конечно, он выбрасывал снимки, которые считал ошибочными, и, что интересно, на этих фотографиях, величина отклонения лучей света была ближе к предсказаниям Ньютона, чем Эйнштейна», — говорит Кроуфорд.

Значит, Эддингтон занимался фальсификацией? Или он просто не правильно все рассчитал?

По словам одних исследователей, небольшой обман мог иметь место во время проверки теории ОТО, другие, наоборот, утверждают, что подделки никакой нет. Например, в своей книге «Никакой тени сомнения» Даниэль Кеннефик развенчивает подобные обвинения, а в прошлом месяце в журнале «Nature» физик-теоретик Питер Коулз из Университета Мейнута в Ирландии выпустил статью, в которой рассказал, что полностью повторил наблюдения Эддингтона.

«Я не нашел никаких доказательств того, что Эддингтон обманщик и подделывал свои результаты, у меня все получилось, как и у него», — заявил Коулз.

Материал подготовил редактор интернет-издания «Северный маяк» Игорь Байдов. За основу материала была взята статья «100 years on: the picture that changed our view of the universe». Перепечатано с нашего сайта.

Движение астероида Веста по небу за 2 месяца! Ретроградное движение планет

Я закончил этот долгострой! 2 месяца на съемку и полмесяца на осознание.

2 месяца я снимал, как движется астроид Веста по небу и сделал анимацию. В ролике я хотел показать как на практике, так и в теории ретроградное (попятное) и прямое движение. Что из этого получилось — смотрите в этом видео.

А тега «К звёздам» нет.

Строение Солнца. Конвективная зона

Пропустила понедельник. Исправляюсь. Сегодня размещу два поста.

Начиная от глубины примерно 200 тыс. км, или со слоя радиусом в 0,7 солнечных радиусов, под видимой поверхностью Солнца (фотосферой), находится конвективная зона, в которой вещество Солнца (плазма) «чувствует себя» довольно свободно и не может не двигаться. В этом слое температура вещества заметно понижается (до 1–2 млн К), поскольку энергия распределяется на всё больший объём плазмы. Механизм лучистого переноса в этом слое не может

справиться с доставкой наружу всей тепловой энергии, выделенной ядром, и на помощь ему приходит другой механизм переноса тепла — конвекция. И если «единицей переноса энергии»

до этого были фотоны, то теперь — гранулы и супергранулы.

Гранулы (их верхушки) отлично видны в более высоком слое Солнца — фотосфере. Фотографии1970-х годов впервые показали миру поверхность Солнца, которая оказалась похожей на кипящую кашу . Астрономы тут же обозвали гранулы «зёрнышками риса», потому в большей степени что видели светлые (более горячие) части гранул.

Теперь мы видим — опять же в фотосфере — структуру гранул более подробно и считаем, что это, скорее, «зёрнышки гречки». (Подкрашивание фото, конечно, тут не при чем. Это работа программы Photoshop).

Конвекция — перенос тепла вместе с разогретым веществом снизу вверх — самый эффективный способ переноса энергии В СРЕДЕ (то есть в вакууме конвекция не работает). Представьте себе кипящий суп: за счет конвекции вода (жидкая среда) эффективно передает тепло кусочкам овощей. Тепло со дна кастрюли, нагреваемого плитой, распределяется на всю жидкость и достигает её верхних слоев за счет конвекции. Суп кипит. примерно такую картину мы рисуем (еще не наблюдаем, но уже достаточно точно «прощупываем» и просчитываем) в конвективной зоне Солнца.

Иллюстрация из книги Киричек — Панченко «Неизвестное Солнце»

Сам по себе образ кастрюли тоже весьма эффективен: то, что происходит в конвективной зоне, действительно хорошо представлять как кипение вещества в некой кастрюле. Её дно (основание конвективной зоны) разогрето до 2 миллионов градусов. А на поверхности «кипящего вещества» (в основании фотосферы) уже всего лишь несколько тысяч градусов, то есть дно примерно в 1000 раз горячее верха и перепад температур огромен. Что же происходит «на пути» между дном и поверхностью? Мы помним, что вещество, нагреваясь, расширяется: уменьшается его плотность, и оно поднимается вверх. Более холодное, бывшее сверху, наоборот, опускается вниз. Происходит перемешивание вещества. Это и есть конвекция. Горячая плазма торопится всплыть, холодная — опускается вниз. Вещество уже не только поглощает и переизлучает фотоны, но и само несёт в себе и переносит с собою тепловую энергию. Но, разумеется, всё донышко конвективной зоны не может разом всплыть вверх, чтобы потом вся поверхность Солнца ухнула вниз. Вещество само собой разбивается на отдельные небольшие участки, в которых благополучно «кипит»: всплывает, расширяется, растекается из центра в стороны и уходит вниз. Каждый такой «небольшой» (около 1000 км в диаметре) кипящий участок мы видим в фотосфере — это и есть гранула. Она всплывает примерно за 10 минут, на поверхности (в фотосфере) растекается из центра в стороны и уходит в глубину, уступая место другой грануле. То есть: гранулы на фото — это не статичные образования. Они живут пару десятков минут. «Каша» постоянно движется. Одновременно на поверхности Солнца можно насчитать несколько миллионов гранул. Они объединяются в «котлы» — ячейки супергрануляции с диаметром около 32 тысяч км и временем жизни около 20 — 24 часов. Их видно в более высоком слое Солнца — хромосфере. В ячейках супергрануляции вещество так же кипит, только «единицей кипения» тут выступает уже не вещество (плазма), из которого состоит гранула. В «котлах» «варятся» сами гранулы: они всплывают, растекаются и погружаются, как зёрна риса, но при этом каждая «рисинка» кипит ещё и сама по себе. Образ выходит уже примерно такой: в очень большом котле варятся котлы, в которых варится каша.

ВЕЩЕСТВО КОНВЕКТИВНОЙ ЗОНЫ НАХОДИТСЯ В ПОСТОЯННОМ СЛОЖНОМ ДВИЖЕНИИ, ПЕРЕНОСЯ ЭНЕРГИЮ ОТ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ЗОНЫ ЛУЧИСТОГО ПЕРЕНОСА К ФОТОСФЕРЕ. НА СХЕМАХ ЭТОТ ПРОЦЕСС ОБЫЧНО ИЗОБРАЖАЮТ ЗНАЧКОМ ТИПА RECYCLE , ИМЕЯ В ВИДУ, ЧТО ЭНЕРГИЮ В ДАННОМ СЛУЧАЕ НЕСЁТ САМО ВЕЩЕСТВО, НАГРЕВАЯСЬ ВНИЗУ, ПОДНИМАЯСЬ, ОСТЫВАЯ И СНОВА ОПУСКАЯСЬ ВНИЗ.

Тахоклин. Магнитное поле Солнца

Обещала писать в пн-ср-пт.

Прошу прощения, пропустила среду — ибо ДР.

Теперь продолжаем сериал про строение Солнца.

Следующий за зоной лучистого переноса «слой» Солнца — очень тонкий «тахоклин». Здесь, в этой зоне, резко меняется характер вращения внутренних слоёв Солнца (мы об этом поговорим в теме «дифференциальное вращение Солнца»), а также происходит ещё кое-что интересное — усиливается и генерируется (да, в данном случае можно писать в такой последовательности) магнитное поле Солнца.

Напомню, что Солнце практически целиком состоит из плазмы. Плазма — особое состояние вещества. Атомы в ней ионизованы, то есть полностью или частично лишены электронов. Из-за того, что вокруг полно энергии, которую несут фотоны, электроны не соединяются с ядрами атомов, а свободно «гуляют»: перемещение заряженных частиц порождает ток,

а ток — магнитное поле. У плазмы с магнитным полем существуют особые отношения. Магнитное поле искажается при движении плазмы (его силовые линии двигаются вместе с потоком плазмы, этот эффект называют «вмороженностью» магнитного поля в плазму); но и само МП, в свою очередь, влияет на движение плазмы. Для того чтобы правильно понять динамику (отношения в движении) плазмы с магнитным полем, обычно строят теоретические модели, в которых эти особые отношения плазмы и поля были бы отражены

со всей полнотой, то есть не оставляли бы нерешёнными очевидные вопросы. Этим занимаются астрофизики-теоретики. Хорошая модель должна не только объяснять то, что мы наблюдаем на Солнце, но и — в идеале — предсказывать какие-то эффекты. Если то, что мы наблюдаем, укладывается в рамки модели (в рамках её применимости, разумеется) — то это хорошая модель. если мы видим расхождения — значит, модель надо менять или уточнять.

Представить «особые отношения» довольно просто. Плазма может свободно течь вдоль линий МП, но не может двигаться поперёк. МП «держит» плазму, как прозрачный полиэтиленовый пакет удерживает в себе, скажем, яркий вишнёвый компот. Компот — это текучее вещество, плазма, а мягкий пакет — это магнитное поле, которое удерживает компот и не даёт ему растечься. Разнообразные конфигурации магнитного поля и плазмы (петли, вспышки, протуберанцы) прекрасно видны в различных слоях атмосферы Солнца: фотосфере, хромосфере и короне на снимках, получаемых космическими обсерваториями в разных ЭМ диапазонах. Все подобные (внизу) знаменитые фотографии (обычно сделанные в рентгене) корональных петель — это и есть «компот в пакете», или «оптоволокно» — конфигурации МП и плазмы. МП удерживает горячую плазму, которая течёт внутри петель. на снимке — хромосфера/нижняя часть короны.

Солнечные пятна, о которых речь пойдёт дальше — тоже конфигурации ПМ и плазмы.

ОТКУДА ВЗЯЛОСЬ «ИСХОДНОЕ» МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛНЦА

У астрофизиков до сих пор нет единого мнения по поводу того, откуда же изначально берётся магнитное поле Солнца и почему оно себя так ведёт. Существует «теория солнечного

динамо», но в ней есть пока ряд трудностей. Есть также предположение, что часть магнитного потока, пронизывавшего протозвёздное облако до рождения нашей звезды, оказалась «зажатой» в недрах Солнца; дальнейшее его усиление может происходить как раз в тахоклине.

Плазма в космических условиях обычно пронизана магнитным полем. Чем быстрее и неоднороднее она движется, тем сильнее становится в ней магнитное поле.

Начиная от высот примерно в 0,63 от радиуса Солнца, между зоной лучистого переноса и конвективной зоной, располагается тахоклин. Так называется основание конвективной зоны — тонкий слой, в котором меняется характер вращения Солнца.

Лучистая зона вращается как единое целое, а выше вращение становится сложным: разные слои вращаются с разными скоростями (вращение становится дифференциальным). Эта ситуация очень благоприятна для усиления магнитного поля 9можно вспомнить школьную физику: крутим педали — генерируем электромагнитное поле).

Астрофизики предполагают, что магнитное поле Солнца генерируется именно в тахоклине и потом постепенно, вместе с веществом, всплывает на поверхность, образуя причудливые конфигурации.

Простейшая модель МП Солнца — диполь.

В реальности же МП Солнца крайне запутано.

(иллюстрации из книги Киричек — Панченко «Неизвестное Солнце», фото из открытых источников).

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.

Строение Солнца. Зона лучистого переноса

О строении Солнца. ЗОНА ЛУЧИСТОГО ПЕРЕНОСА.

(иллюстрации из книги Киричек — Панченко «Неизвестное Солнце»)

Ядро Солнца окружено зоной лучистого переноса — плотным, протяжённым слоем газа, в котором быстрые кванты излучения застревают… иногда на целый миллион лет.

ПРОТЯЖЁННОСТЬ ПО РАДИУСУ: около 300 тыс. км, при том, что радиус самого Солнца до фотосферы — примерно 700 тыс. км.

ТЕМПЕРАТУРА: в основании зоны температура плазмы около 9 млн К.

Термоядерные реакции здесь уже практически прекращаются; плотность газа в основании зоны меньше, чем в ядре, примерно в два раза, а на верхнем крае — уже в 100 тыс. раз меньше,

ЧТО ПРОИСХОДИТ В ЛУЧИСТОЙ ЗОНЕ. В этом слое энергия, родившаяся в ядре Солнца, переносится наружу за счёт излучения. Вещество лучистой зоны — достаточно плотное. Частицы плазмы там, конечно, уже не так горячи, как в ядре, но всё ещё носятся с большими скоростями и приближаются друг к другу на очень малые дистанции.

Гамма-квант, как и любой фотон, двигаясь со скоростью света, мог бы, родившись в ядре, пролететь всю зону лучистого переноса, все 300 тыс. км, всего за 1 с. Но! Это «позволено» лишь нейтрино — частицам, которые очень слабо взаимодействуют с веществом и потому легко покидают недра Солнца. Что касается фотонов, то их путь сквозь 300 тыс. км лучистой зоны весьма тернист. И долог — в среднем десятки тысяч лет и даже до миллиона, как написано выше.

1. ИСТИННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ. Для фотонов критически важна плотность среды, через которую они проходят. Новорождённый гамма-квант не летит, а скорее, «продирается» сквозь толпу атомов.

У атомов же есть «поглощательное» свойство: когда к ним сама собой прилетает ЭМ энергия (фотон) — они её поглощают. «Едят». С другой стороны, процесс поглощения фотона атомом можно представить и как его столкновение с частицей, оказавшейся у фотона на пути. Каждый атом — это как бы мишень, точнее, «паутина с пауком», преграждающая кванту путь. Атом, как паук, поглощает квант. Но энергии, которую он получил, так много, что паук не переваривает её, а начинает буйствовать…

Уйдём же от образности: столкнувшись с фотоном, атом, поглотивший его, приходит в возбуждённое состояние, в котором он по законам квантовой механики долго пребывать не может. Он излучает квант света обратно, наружу. Только излучение это происходит вовсе не обязательно наверх, к поверхности Солнца, а в совершенно случайном направлении. В том числе и назад, вниз, обратно в сторону ядра. И ещё: обычно атом излучает не тот по величине энергии квант, что был поглощён, а, как правило, — менее энергичный, то есть несколько более мелких; один очень энергетически насыщенный гамма-квант превращается в несколько других, «послабее»: квантов рентгена, ультрафиолета, оптического света и так далее. Этот каннибальский процесс физики называют истинным поглощением.

При этом, конечно, работает закон сохранения энергии: количество поглощенной атомом энергии равно количеству излучённой. Сколько «вошло» — столько и «вышло».

Ремарка: «Голое» ядро атома без электронов ничего поглотить не может. Только атом (ядро с электронами) может поглотить энергию и прийти в возбуждённое состояние. Это значит, что электроны, получившие избыточную энергию, переходят — на более высокие энергетические уровни. Образно говоря, атом расширяется, электронные оболочки раздуваются. Но это «неправильное», нестабильное состояние атома. Он очень быстро сбрасывает всю полученную энергию — разом или порциями, и снова становится нормальным стабильным

ОДНОВРЕМЕННО ЧЕРЕЗ ЛУЧИСТУЮ ЗОНУ

ПРОДИРАЮТСЯ 10 в 60 степени ФОТОНОВ

2. РАССЕЯНИЕ. Однако бывает и так, что фотон, столкнувшись с частицей, лишь изменяет направление своего движения без всякого поглощения. Этот процесс называется рассеянием. Рассеяние тоже не обязательно толкает фотон наверх, «на выход». Скорее — вбок или даже назад. В результате таких вот приключений лучистая энергия, вышедшая из ядра, задерживается в зоне лучистого переноса на долгое время: от нескольких сотен тысяч до миллиона лет (вместо пары секунд), пока не дойдёт до следующего солнечного слоя — конвективной зоны.

Но появится она там уже не в форме тех энергичных (и крайне опасных для земных существ) гамма-квантов, какими была при выходе из ядра, а, в основном, в виде фотонов рентгеновского излучения. такие фотоны тоже высокоэнергичны. Каждый несёт в себе большой запас энергии — но уже на порядок меньше, чем гамма-кванты.

При этом, конечно, не все гамма-кванты перевоплощаются в зоне лучистого переноса в рентген. Вся энергия излучения так же, как в ядре, закономерно распределена по частотам согласно функции Планка. Точно так же, как в ядре, в зоне лучистого переноса есть кванты, излучающие в рентгене, ультрафиолете, оптике, инфракрасном и радиодиапазонах. Но если в ядре наибольшая доля энергии приходится на гамма-кванты, то в зоне лучистого переноса — уже на кванты рентгеновского излучения.

РЕЗУЛЬТАТ. Энергия ядра стала более «мягкой», больше частиц стало её носителями. Но до выхода её наружу, на поверхность Солнца, где мы можем её увидеть, ещё довольно далеко.

Средняя плотность Солнца

С понятием массы и объёма логично связано понятие плотности: сколько килограммов

приходится на единицу объёма тела, скажем, на кубический метр? С Солнцем и тут всё

непросто: оно состоит из радиальных слоёв, как круглая конфета с начинкой в центре или, скажем, яйцо. У каждого слоя — своя плотность. Если бы мы могли просветить Солнце

насквозь каким-нибудь волшебным прибором, мы бы увидели

Все слои Солнца имеют свою, разную плотность. Но в принципе мы можем, зная объём всего

Солнца и всю его массу, посчитать и его среднюю плотность, поделив массу на объём. Получится 1400 кг/м³, или 1,4 грамма на кубический сантиметр (1,4 г/см³). Вроде как средняя плотность по больнице.

Вообще же, Солнце состоит из слоёв. Как конфета.

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.

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.

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

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.

Источник