Теоретический предел наблюдений

Вселенная расширяется, и чем дальше точка пространства, тем быстрее она от нас удаляется. И наверняка есть такое расстояние, на котором объекты удаляются от нас со скоростью света. Это расстояние называют сферой Хаббла, и все объекты, которые находятся на ней, движутся быстрее скорости света. Нынешний радиус сферы Хаббла – 13,8 млрд световых лет.

Поэтому все излученные фотоны не смогут нас достигнуть, и мы никогда не увидим этих объектов. Это как будто вы идете по эскалатору вниз, а он движется вверх, причем с одинаковыми скоростями. Таким образом, вы остаетесь на месте и никогда не дойдете до конца эскалатора.

Но все-таки сфера Хаббла не ограничивает область пространства, которую мы можем увидеть. Давайте представим себе галактику, которая находится за сферой Хаббла. Она испускает фотон, однако он удаляется от нас, потому что сама галактика и все пространство движутся от нас быстрее скорости света. Но сфера Хаббла расширяется, и через какое-то время фотон может попасть внутрь нее и начать движение уже к нам! И таким образом мы увидим эту галактику.

То есть существует сверхсветовая область пространства, из которой фотоны смогли попасть в сферу Хаббла и достичь нас, поэтому мы видим эти объекты. Эта область ограничена так называемым горизонтом частиц, и все, что находится дальше него, действительно невозможно увидеть.

Горизонт частиц образует сферу, и самые дальние объекты, которые теоретически могут быть видны, находятся от нас очень далеко. Дело в том, что пока их свет летел до нас, вселенная существенно расширилась и они улетели очень далеко – на 46 млрд световых лет. Жаль, что такие объекты заслоняет непрозрачный реликтовый фон, который находится сейчас на расстоянии около 44 млрд световых лет. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть практически до горизонта частиц и увидеть, что происходило сразу после большого взрыва!

Так что границу видимой вселенной очерчивает горизонт частиц. И хоть вселенная бесконечна, мы никогда не сможем заглянуть во все ее уголки. Пока мы остаемся на Земле, мы видим только часть Вселенной.

Но, я уверен, это лучшая ее часть.

 

5.6. Зачем нужен високосный год?

Всем известно, что каждый четвертый год длится 366 дней, потому что в нем есть один добавочный день – 29 февраля. Но зачем это нужно? Неужели за многовековую историю астрономических наблюдений ученые не придумали более простого и удобного способа летоисчисления?

Давайте мысленно перенесемся в 31 декабря: елка, магазины, подарки, «Ирония судьбы»… Так, не отвлекаться! У нас очень важная миссия: в тот момент, когда куранты пробьют ровно 12, мы поставим в космосе воображаемый флажок, а лучше елку, которая будет неподвижна относительно Солнца. И дальше мы будем жить своей обычной жизнью, ходить на работу, готовиться к ЕГЭ, смотреть видеоролики в Интернете. Через 365 дней, когда куранты снова будут бить 12, окажется, что необходимо около 6 часов, чтобы долететь до того места, где мы оставили нашу космическую елку в прошлом году. Поэтому, если вы хотите праздновать Новый год абсолютно там же, где и раньше, это необходимо делать около 6 утра.

Так что весь следующий год Земля бежит с 6-часовым отставанием от нашего времени. В следующем году ситуация повторяется, и отставание составляет уже 12 часов. На третий год отставание – 18 часов, и на четвертый год, когда отставание составляет 24 часа, мы, такие великодушные, даем еще один день Земле, чтобы она все-таки долетела до того места, где стояла наша елка. Тогда она проходит мимо нее ровно в полночь. А потом все повторяется.

Но и это только приблизительно. Если подождать 100 лет, то окажется, что мы очень много себе позволяли, добавляя каждые 4 года один день, и слишком сильно убежали с того места, где изначально проводили Новый год. Поэтому каждые 100 лет високосный год отменяется.

Представьте себе, и этой точности оказалось недостаточно! И каждые 400 лет, мы, несмотря на запрет, проводим високосный год. Таким образом, календарный год в среднем длится 365,2425 суток, что очень близко к реальному значению в 365,242799. Это григорианский календарь, и сейчас практически все им пользуются. Однако до него был юлианский календарь, в котором високосный год каждые 100 лет не отменялся. Его ввел сам Юлий Цезарь, и где-то в XVI веке люди почувствовали, что что-то не то. Начали разбираться, а там инквизиция и все такое… просто ужас! И оказалось, что ошибка календаря составила 10 дней. Поэтому было решено все даты сдвинуть на этот промежуток времени. Подумать только, когда-то было после 4 октября сразу 15-е! Интересно, как зарплату выдавали, стипендию… Но некоторые до сих пор используют юлианский календарь, который на данный момент сдвинут относительно григорианского на 13 суток. Именно поэтому православные Рождество и Пасха не совпадают с католическими. Исторические даты пишутся по старому стилю и по новому стилю. Именно благодаря этому мы празднуем старый Новый год.

365 + 0,25 − 0,01 + 0,0025

365 + 1/4 + 1/100 + 1/400

И еще один интересный факт: оказывается, существует високосная секунда. Казалось бы, вполне логично определить секунду, поделив сутки на 24, потом на 60 и еще на 60. Однако, ученые обнаружили крайнюю неравномерность вращения Земли, связанную с сейсмической активностью, покачиванием относительно оси вращения, приливами, отливами. Поэтому было решено определить секунду с помощью процессов, которые происходят в атомах. Эти процессы всегда происходят одинаково, хоть в научной обсерватории, хоть у вас на антресоли. Для этого подошел цезий-133. Он излучает очень стабильное излучение, и было принято 9 192 631 770 периодов этого излучения и взять за 1 секунду. Но так получилось, что эта секунда оказалась чуть мельче той, что рассчитывается по вращению Земли. Поэтому в сутках 86400, 002 секунды. Поэтому приблизительно каждые 500 дней приходится добавлять 1 високосную секунду. И с 1972 года было произведено 35 таких добавлений. Кстати, последнее добавление производили в июне 2015 года.

 

5.7. Исследования Плутона (данные на июль 2015)

Мы живем в эпохальное время и являемся свидетелями исторических, грандиозных событий. 14 июля 2015 года космический аппарат «Новые горизонты» приблизился к Плутону на минимальное расстояние в 12 500 км.

«Новые горизонты»

Что же в этом такого? Начнем с того, что впервые в истории космический аппарат подлетает к Плутону. Этому беспилотному кораблю потребовалось 9 лет, чтобы преодолеть 4,5 млрд километров и достигнуть столь отдаленного объекта Солнечной системы. Это самый быстрый объект, который люди запускали с Земли. Согласитесь, такое происходит не каждый день, не каждый год, а примерно… один раз в историю человечества!

Но что особенного именно в Плутоне (помимо того, что все остальные планеты уже изучены)? На что потрачены 650 млн долларов? Поверьте, необычностей хватает, это уникальный объект.

Плутон

Плутон – очень маленькая планета. Россия не поместилась бы на Плутоне: его площадь меньше, чем площадь нашей страны. Он находится на огромном расстоянии от Солнца, оно там видно уже как точка, а не как диск. Со времени открытия в 1930 году он еще даже не совершил одного оборота вокруг Солнца! Его период обращения вокруг Солнца – 247,9 земных лет! Он резко отличается от предшествующих ему планет-гигантов приблизительно во всем, поэтому так интересен ученым.

 

 

Вообще говоря, Плутон сейчас за планету не считают. Его относят в разряд карликовых планет. Почему? В последнее время было открыто очень много космических объектов за орбитой Нептуна, которые по размеру схожи с Плутоном. Оказывается, это один из многих объектов, которые образуют так называемый Пояс Койпера, и то, что его открыли первым, не должно наделять его особыми полномочиями.

Пояс Койпера

Это скопление ледяных глыб, карликовых планет, зародышей комет (чем-то похоже на пояс астероидов). Миллиарды лет они вращаются вокруг Солнца, и в них словно законсервированы секреты возникновения Солнечной системы. И изучив строение Плутона и его спутников, следы древних метеоритных бомбардировок, состав льдов, мы лучше сможем понять, как образовывалась Солнечная система. Так что Плутон интересен тем, что это крупнейший и ближайший представитель древнего пояса Койпера. Именно поэтому он так важен для астрономии.

 

Установленные приборы

Конечно же, на космическом аппарате установлены фотокамеры, одна обзорная Ralph, одна узконаправленная LORRI. На максимальном сближении разрешение будет 50 м на пиксель.

На нем также установлены различные приборы для исследования атмосферы (представьте, она там есть), тепловых свойств Плутона и даже частиц, которые как бы сдуваются солнечным ветром и словно образуют хвост кометы.

Есть даже прибор, измеряющий концентрацию пыли от столкновений астероидов, комет и прочих тел. Самое интересное, что этот детектор разрабатывался, создавался и управляется студентами. Беспрецедентный случай! Да уж, у кого-то будет очень интересный диплом.

Радиоизотопный генератор (РИТЭГ)

На таком огромном расстоянии от Солнца солнечные батареи, конечно, неэффективны. Поэтому используется другой источник энергии – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Он использует радиоактивный плутоний, но это не ядерный реактор! В нем не протекает цепная реакция, просто происходит естественный радиоактивный распад, из-за чего вещество нагревается. Далее это тепло преобразуется в электроэнергию. КПД, конечно, невысок, зато требуемая мощность в сотни ватт поддерживается десятки лет.

Гравитационный маневр

При пролете около Юпитера аппарат совершил некий гравитационный маневр. Оказывается, можно сделать так: при подлете к планете спутник как бы увлекается гравитационным полем и получает приращение скорости, не расходуя ни капли топлива. Как так? Просто происходит обмен энергиями с планетой. На сколько возрастает энергия спутника, на столько же уменьшается и у планеты. Но у нее такая огромная масса, что ее скорость изменяется ничтожнейше мало. Проще сказать – никак.

Двойная система

У Плутона, у этого крошки, целых 5 спутников. 4 из них очень крохотные, до 60 километров в диаметре. А вот один из них, Харон, большой, всего в два раза меньше самого Плутона в диаметре. Поэтому центр масс этой системы находится между ними, и они вращаются вокруг него. Тут уж нельзя утверждать, что Харон вращается вокруг Плутона, корректней сказать, что это двойная система. Можете сами это почувствовать. Возьмите легкий предмет и покрутитесь с ним. А теперь тяжелый. Чтобы его крутить, вы вынуждены будете сами вращаться.

«Новые горизонты» – самый далекий космический аппарат?

Вовсе нет. На данный момент самым удаленным рукотворным объектом является «Вояджер-1» – один из пяти космических аппаратов, покидающих Солнечную систему. Он был запущен еще в 1977 году, пролетел мимо Сатурна и Юпитера, а сейчас находится на расстоянии около 19 млрд км от Солнца. Свет туда идет больше 18 минут.

Сейчас сложно оценить значимость этой миссии, но пока такие есть, мы уверены – в нас еще есть дух первооткрывателей, исследователей, мечтателей, странников и путешественников. Тех, кто открывает новые горизонты!

 

6. Только физика, только хардкор

6.1. Что такое время?

Мне больше нравится следующее определение: это то, что заставляет все события происходить не одновременно. Некоторые считают, что время – это фундаментальное понятие нашего мира, наряду с пространством. Другие полагают, что это субъективное ощущение, продукт мышления и восприятия нами окружающего мира. Так что единого подхода к глубинному пониманию времени пока что нет. Но есть вещи, в которых уверены практически все, ведь они проверены очень точными экспериментами.

Например, согласно общей теории относительности время – это всего лишь одна из координат четырехмерного пространства-времени, в котором мы все с вами живем. И для того понять связь с привычным нам 3-мерным, рассмотрим следующий пример. Давайте вообразим себе 2-мерное пространство, в котором живут какие-то 2-мерные существа. Они конечно же плоские, двигаются только вдоль осей X и Y, не умеют подпрыгивать и заглядывать сверху. Если человек окажется в таком пространстве, то он не будет для них виден полностью. Он же 3-мерный! Будет видно только лишь его сечение, проекция человека на это пространство. А теперь давайте представим себе, что третья координата – это время. Соответственно, наша плоскость будет плавно перемещаться вдоль этой оси. И наши 2-мерные создания мы можем представить в виде длиннющих-длиннющих червяков, которые проецируются в определенные моменты времени на плоскость в 2-мерные создания. Абсолютно такие же рассуждения можно привести и для 4-мерного пространства. Мы в нем являемся длиннющими-длиннющими червяками, которые начинаются при рождении и заканчиваются при смерти. Но в 3-мерном пространстве мы всегда видим только лишь проекцию, сечение этого объекта. Так что время можно запросто представлять в виде одной из координат 4-мерного пространства.

 

 

Но почему вдоль осей X, Y и Z мы можем двигаться как угодно, а вдоль оси времени – нет? Мы же не можем его остановить, ускорить или замедлить. Или можем? Оказывается, согласно теории относительности, время может протекать везде по-разному. Например, если вы движетесь с огромной скоростью мимо неподвижного наблюдателя, то, с его точки зрения, стрелки ваших часов будут двигаться медленней.

Есть и еще один фактор, влияющий на течение времени. Это гравитация. Чем она сильнее, тем время протекает медленней. И, кстати, чем ближе к Земле, тем гравитация же больше. Поэтому у всех у нас ноги моложе, чем голова! Конечно же эти эффекты несущественны при небольших скоростях и в слабых гравитационных полях. Однако они все равно учитываются при работе ускорителей, атомных часов, систем навигации. Время можно даже замедлить до полной остановки. Для этого надо, всего лишь навсего, оказаться на горизонте событий черной дыры, там, где колоссальная гравитация. Ну или двигаться со скоростью света. Хм… Только представьте, если у каждого фотона на руке были бы часы, они бы стояли. Так что при определенных условиях мы, в принципе, можем менять течение времени.

Но вот повернуть его вспять вряд ли получится. Время протекает только в одном направлении, и с этим связаны фундаментальные законы, как ни странно, термодинамики.

Давайте рассмотрим такой пример: представьте себе фермера, у которого есть три разных овечки и три стойла, в которые он их загнал. Но по каким-то причинам он забыл закрыть стойла, и овечки, предоставленные самим себе, естественно, разбрелись по всей ферме. В таком состоянии вариантов расположения овечек намного больше! Величина, показывающая количество способов реализации того или иного состояния, называется энтропией. В нашем примере она увеличилась.

Короче, условно можно считать энтропию связанной с упорядоченностью системы. Чем меньше порядка, тем больше энтропия. И можно представить вместо овечек молекулы и их хаотичное движение. В замкнутой системе с течением времени порядка будет становиться все меньше и меньше, и энтропия будет возрастать. Кофе растворяется в молоке, воздушные шарики сдуваются. Можно более глобально: египетские пирамиды рано или поздно развалятся, звезды взорвутся и рассеются, каждый из нас когда-нибудь умрет и распадется на отдельные молекулы. Все во Вселенной стремится из более упорядоченного состояния перейти в более хаотичное, с увеличением энтропии. Именно в эту сторону направлено течение времени. Это можно использовать и в корыстных целях. Если у вас комнате беспорядок, вы можете просто оправдаться тем, что: «Это не я, это энтропия увеличивается!»

 

6.2. Теория струн для «чайников»

Теория струн в наше время у всех на слуху, это модный тренд в современной науке. Но что же это такое и почему к ней так много внимания? Давайте попытаемся разобраться.

Для начала надо сказать, что истинного знания в науке нет. Любая теория – это всего лишь математическая модель, описывающая реальность с какой-то определенной точностью. Взять, например, электрон. Есть море теорий, благодаря которым можно рассчитать его координаты, размеры, массу, заряд: классическая, релятивистская, квантовая, струнная. В каждой из теорий учитываются определенные свойства электрона, но вряд ли абсолютно все. Поэтому они выдают результат определенной точности все по-разному.

Для сравнения представим художника, который рисует картину. Он может изобразить на полотне основные характерные особенности объекта – цвет, форму, объем, не уделяя внимания более тонким деталям типа бликов, фактуры, крапинок. Так же и научные теории: в них передается реальность, но через математические термины, причем физические объекты в ней могут быть похожи на что угодно – шарики, волны, стрелочки, палочки. Но это не так важно, если теория дает точные результаты и верные предсказания.

На данный момент есть две глобальные, очень точные теории. Первая – общая теория относительности (ОТО), которая объясняет все свойства гравитации и считает пространство гладким. Вторая – квантовая теория поля (КТП), объясняющая поведение частиц в микромире и считающая пространство заполненным непрерывными осцилляциями и флуктуациями (хаотичными колебаниями) полей. Но есть проблема. ОТО выдает очень точный результат на больших масштабах, но на микроскопическом уровне ее формулы дают нелепые значения. В свою очередь, квантовая теория поля отлично описывает микромир, однако на больших расстояниях трудно применима. Можно сказать, две эти теории, примененные на одинаковом масштабе, противоречат друг другу.

Но внутренний голос подсказывает нам, что мир не может быть устроен так, что на разных масштабах действуют разные формулы и принципы. Должна существовать теория, которая одинаково хороша на всех масштабах. Это и будет самое точное описание мира, самая детальная картина вселенной.

Одним из вариантов такой теории является теория струн.

Суть теории

Согласно этой теории, в пространстве на очень малых масштабах (10−35 метра, это на 20 порядков меньше протона) возникают полевые колебания, стоячие волны, которые похожи на колебания обычных струн. Эти колебания несут в себе энергию, которая соответствует определенной массе по знаменитой формуле E=mc² и, соответственно, частице с такой массой. Спектр колебаний широк, поэтому из него мы и получаем все многообразие элементарных частиц – электроны, нейтрино, кварки и т. д.

Еще раз повторим, это – математическая абстракция. Просто она очень хорошо подходит для описания взаимодействия частиц, да и сами частицы можно представить как энергию колебания струн.

Эта теория хорошо объясняет, почему у разных частиц именно такая масса, почему физические константы именно такие. Оказалось, что колебания струн могут гасить и уравновешивать микроскопические квантовые флуктуации и приводить в согласование ОТО и КТП, чего так долго добивались физики.

И на момент создания теории, в начале 70-х годов, казалось, что именно этот подход может быть универсальным для абсолютно любых масштабов и может стать основой единой теории, описывающей наш мир. Но в струнной теории оказалось много проблем. Некоторые уже решены, некоторые еще нет.

Решенные проблемы

Тахион. В первой редакции теории струн присутствовала частица с мнимой массой, квадрат которой был отрицателен. Такие частицы могут двигаться быстрее скорости света, что противоречит всем опытным наблюдениям и предыдущим теориям. Решение этой проблемы – введение суперсимметрии. Дело в том, что все частицы делятся на фермионы – это частицы вещества, и бозоны – это переносчики взаимодействий. Фермионы как бы перекидываются бозонами и таким образом притягиваются, отталкиваются – в общем, взаимодействуют. И пока никаких соответствий между двумя этими классами не найдено.

Суперсимметрия провозглашает, что у каждого фермиона есть родственник из мира бозонов, очень на него похожий. Если это так, то никаких тахионов не должно существовать, и проблема исчезает.

 

Минимальная суперсимметричная стандартная модель

 

К тому же в четырехмерном мире эта теория не сходится с КТП. Адекватно теория струн выглядит только в 11 измерениях. Почему мы не видим лишние 7 пространственных измерений? Пока ответ такой: на очень малых масштабах они сворачиваются и замыкаются сами в себя, как лента Мебиуса, так что в нынешних экспериментах не наблюдаются.

Нерешенные проблемы

В 2003 году выяснилось, что свернуть 11 измерений в 4 можно разными способами. Существует 10500 вариантов, как это сделать, и в каждом варианте получается разная вселенная, с разными фундаментальными постоянными, разными размерами бургеров, разными конституциями и разными вкусами фисташек. Есть мнение, что здесь замешан антропный принцип: человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно.

К тому же математический аппарат теории струн необычайно сложен. Частенько пользуются упрощенными вычислениями, что, конечно, точности не повышает. Для многих новых идей в этой теории еще не существует математических методов, поэтому все приходится придумывать с нуля.

И одна из самых важных проблем теории: пока нет опытных доказательств, даже косвенных. Ни суперсимметрия, ни какие-то другие следствия теории струн не подтверждены. Так что многие к ней относятся скептически, больше как к математике, нежели физике. Большие надежды возлагали на Большой адронный коллайдер, однако пока все серии опытов не привели к успеху.

Но все же ученые по всему земному шару продолжают работать в этом направлении, и каждые несколько месяцев появляются новые достижения, новые открытия. Действительно, слишком заманчивой кажется теория, которая может объяснить все. И наверняка каждый, кто работает над ней, хочет поставить в ней точку, чтобы у человечества появилась ясная и четкая картина, «как устроен мир».

 

6.3. Теория относительности для «чайников»

Так ли прост окружающий нас мир?

В каждой науке, пожалуй, есть самая интересная, основополагающая и фундаментальнейшая теория. Такая теория, которая в корне сменила научную парадигму и дала невероятный импульс для развития этой науки. В биологии – эволюция, в химии – периодический закон Менделеева, в физике – пожалуй, теория относительности.

Чем она такая особенная, как заслужила такую популярность? Ведь поначалу она казалась настолько необычной, новаторской, экстраординарной и мозговзрывательной, что не все видные физики хотели ее принимать. А в наши дни наверняка о ней слышали все.

Все дело в том, что она ликвидировала все несостыковки в физике того времени, заставила в корне поменять мнение о структуре пространства и времени и, прекрасно согласуясь с экспериментом, позволила предсказать много новых физических явлений, на основе которых созданы новые успешные теории и устройства, которыми мы сейчас пользуемся и даже этого не замечаем.

Для начала нужно отметить, что есть две теории относительности: специальная, которая рассматривает протекание физических процессов в равномерно движущихся объектах, и общая, которая рассматривает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение гравитации. Понятное дело, специальная теория относительности (СТО) появилась раньше и по сути является частью общей.