пятница, 25 февраля 2011 г.

За триллион лет до Большого взрыва

Теория Большого взрыва пользуется доверием абсолютного большинства ученых, изучающих раннюю историю нашей Вселенной. Она и в самом деле объясняет очень многое и ни в чем не противоречит экспериментальным данным. Однако недавно у нее появился конкурент в лице новой, циклической теории, основы которой разработали двое физиков экстра-класса — директор Института теоретической науки Принстонского университета Пол Стейнхардт и лауреат Максвелловской медали и престижной международной премии TED Нил Тьюрок, директор канадского Института перспективных исследований в области теоретической физики
У теории Большого взрыва в нынешнем десятилетии появился сильный конкурент — циклическая теория.
Название этой статьи может показаться не слишком умной шуткой. Согласно общепринятой космологической концепции, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла из экстремального состояния физического вакуума, порожденного квантовой флуктуацией. В этом состоянии не существовало ни времени, ни пространства (или они были спутаны в пространственно-временную пену), а все фундаментальные физические взаимодействия были слиты воедино. Позже они разделились и обрели самостоятельное бытие — сначала гравитация, затем сильное взаимодействие, а уже потом — слабое и электромагнитное.
Момент, предшествовавший этим переменам, принято обозначать как нулевое время, t = 0, однако это чистая условность, дань математическому формализму. Согласно стандартной теории, непрерывное течение времени началось лишь после того, как сила тяготения обрела независимость. Этому моменту обычно приписывают величину t = 10–43с (точнее, 5,4 × 10–44с), которую называют планковским временем. Современные физические теории просто не в состоянии осмысленно работать с более короткими промежутками времени (считается, что для этого нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана). В контексте традиционной космологии нет смысла рассуждать о том, что происходило до начального момента времени, поскольку времени в нашем понимании тогда просто не существовало.
Непременной частью стандартной космологической теории служит концепция инфляции (см. врезку). После окончания инфляции в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Такая эволюция растянулась на 9 млрд лет, после чего в дело вступило еще одно антигравитационное поле неизвестной природы, которое именуют темной энергией. Оно опять вывело Вселенную в режим экспоненциального расширения, который вроде бы должен сохраниться и в будущие времена. Следует отметить, что эти выводы базируются на астрофизических открытиях, сделанных в конце прошлого века, почти через 20 лет после появления инфляционной космологии.

среда, 23 февраля 2011 г.

Удивительная история черных дыр


Научное мышление подчас конструирует объекты со столь парадоксальными свойствами, что даже самые проницательные ученые поначалу отказывают им в признании. Самый наглядный пример в истории новейшей физики — многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.

Озарение Джона Мичелла

Джон Мичелл
Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.
Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты Rкр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца Ms: Rкр = 3 км x M/Ms.
Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет 1808 году, когда большинство физиков уже считало свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них просто не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.

вторник, 22 февраля 2011 г.

Как рождаются планеты. Подробное описание


В масштабах космоса планеты — всего лишь песчинки, играющие незначительную роль в грандиозной картине развития природных процессов. Однако это наиболее разнообразные и сложные объекты Вселенной. Ни у одного из других типов небесных тел не наблюдается подобного взаимодействия астрономических, геологических, химических и биологических процессов. Ни в одном из иных мест в космосе не может зародиться жизнь в том виде, как мы ее знаем. Только в течение последнего десятилетия астрономы обнаружили более 200 планет.
Формирование планет, издавна считавшееся спокойным и стационарным процессом, в действительности оказалось весьма хаотическим.
Поразительное разнообразие масс, размеров, состава и орбит заставило многих задуматься об их происхождении. В 1970-е гг. формирование планет считалось упорядоченным, детерминированным процессом — конвейером, на котором аморфные газово-пылевые диски превращаются в копии Солнечной системы. Но теперь нам известно, что это хаотичный процесс, предполагающий различный результат для каждой системы. Родившиеся планеты выжили в хаосе конкурирующих механизмов формирования и разрушения. Многие объекты погибли, сгорев в огне своей звезды, или были выброшены в межзвездное пространство. У нашей Земли могли быть давно потерянные близнецы, странствующие ныне в темном и холодном космосе.
Юная планета-гигант захватывает газ из диска вокруг новорожденной звезды. Изображение «В мире науки»
Юная планета-гигант захватывает газ из диска вокруг новорожденной звезды.

Наука о формировании планет лежит на стыке астрофизики, планетологии, статистической механики и нелинейной динамики. В целом планетологи развивают два основных направления. Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются, образуя крупные глыбы. Если такая глыба притянет к себе много газа, она превращается в газовый гигант, как Юпитер, а если нет — в каменистую планету типа Земли. Основные недостатки данной теории — медлительность процесса и возможность рассеяния газа до формирования планеты.

понедельник, 21 февраля 2011 г.

Темная материя

Видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Козьма Прутков

Что будет с нашим миром?

Рисунок Николая Кращина (изображение: «Химия и жизнь»)

После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10–29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 1030 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.

воскресенье, 20 февраля 2011 г.

Реально ли многомирие?

Запаситесь терпением и временем, ибо статья большая не только по размерам но и по емкости. Как известно из теории струн, наша вселенная может быть многомерной. А что значит, и как это вообще можно представить, подробно объясняться в этой статье. Рекомендовано к прочтению.
Параллельные, пересекающиеся, ветвящиеся и вновь сходящиеся вместе миры. Что это — выдумка писателей-фантастов или реальность, ещё не осознанная? Тема многомирия, развиваемая философами с античных времён, в середине XX века стала предметом обсуждения физиков. На основе принципа взаимодействия наблюдателя с квантовой реальностью появилась новая интерпретация квантовой механики, получившая название «оксфордской». Её автор, молодой физик Хью Эверетт, встречался с Нильсом Бором, основателем общепринятой на тот момент «копенгагенской» интерпретации квантовой механики. Но общего языка они не нашли. Их миры разошлись...
Чарльз Мизнер, Хейл Троттер, Нильс Бор, Хью Эверетт и Дэвид Харрисон. Встреча в Принстонском университете, 1954 год. Изображение «Наука и жизнь»
Чарльз Мизнер, Хейл Троттер, Нильс Бор, Хью Эверетт и Дэвид Харрисон. Встреча в Принстонском университете, 1954 год. Изображение «Наука и жизнь»
Идея о множественности миров зародилась на огромных пространствах от гор и равнин Эллады до Тибета и долины Ганга в Индии около 2500 лет назад. Рассуждения о многомирии можно найти в поучениях Будды, в беседах Левкиппа и Демокрита. Известный философ и историк науки Виктор Павлович Визгин проследил эволюцию этой идеи у античных философов — Аврелия Августина, Николая Кузанского, Джордано Бруно, Бернара Ле Бовье де Фонтенеля. В конце XIX — начале ХХ века в этом ряду появляются и отечественные мыслители — Николай Фёдоров с его «Философией общего дела», Даниил Андреев с «Розой мира», Велимир Хлебников в «Досках судьбы» и Константин Циолковский, чьи идеи ещё очень мало изучены.
ХХ век в науке — это, по общему признанию, «век физики». И физика не могла обойти молчанием фундаментальный мировоззренческий вопрос: живём мы в единственной Вселенной или существует множество вселенных — миров, подобных нашему либо отличных от него?

Элементарны частицы и их взаимодействия

    Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.
    Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.
    Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Электрон
    Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.
    Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году.
    В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.
    Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.
    Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

суббота, 19 февраля 2011 г.

Солнечная система — cтроение и ее планеты

//ссылки на описание планет теперь работают

Вокруг Солнца движутся девять больших планет в следующем порядке, начиная от Солнца: Меркурий > Венера > Земля > Марс > Юпитер > Сатурн > Уран > Нептун > Плутон. Все эти планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, называемом прямым. Орбиты больших планет представляют собой эллипсы, весьма близкие к кругам, а плоскости их орбит наклонены к эклиптике под небольшими углами. Массы всех планет, вместе взятых, составляют только 0,0013(3) массы Солнца. Кроме этих больших планет, преимущественно между Марсом и Юпитером, движется большое число более мелких тел, называемых малыми планетами или астероидами. Число известных малых планет в результате новых открытий непрерывно увеличивается и к настоящему времени их насчитывается более 1600.
content