К теории относительности можно относиться по-разному. Кто-то её критикует. Другие полностью поддерживают. Лично моё мнение - эта теория буквально перевернула мир физики, причём в хорошем смысле этого слова. Откуда же у Эйнштейна вообще появились такие мысли? Что стало отправной точкой в формировании теории относительности?
Сам Эйнштейн говори, что эта мысль может быть самой счастливой мыслью всей его жизни. Он называл свою теорию "Принцип эквивалентности". Само собой, что вряд ли мы осознаем в полном объеме все предпосылки появления таких идей. Уж больно всё тут сложно. Сознание обычно штука запутанная и индивидуальная. Да и, скорее всего, это был сразу ряд факторов. Но попробуем сделать предположения, опираясь на рассказы самого маэстро и его современников.
Однажды Эйнштейн работал в офисе и смотрел на рабочих, которые находились на крыше. Он на долю секунды задумался: "А что бы почувствовал рабочий, если бы упал с крыши? Кроме страха..."
Затем он провел знаменитый мысленный эксперимент с лифтом. Не сложно ощутить на себе, что если бы ты падал в лифте, то не чувствовал никакой гравитации, а точнее... веса. Это невесомость, так как нет ощущения реакции опоры.
А что бы почувствовал человек, если бы ускорялся в лифте противоположном падению направлении? Он почувствует некоторое давление со стороны пола. И вот тут самое интересное.
Поскольку наблюдатель внутри лифта не может видеть что именно находится за стенками кабины, то он не может быть уверен, ускоряется ли лифт при движении вверх или это планета «тянет» его гравитационным полем. По мнению наблюдателя, эти два эффекта будут одинаковы.
Тут и появилась на свет знаменитая фраза: ускорение и гравитация - это одно и то же.
Принцип эквивалентности стал в итоге фундаментальным принципом общей теории относительности. Стало ясно, что масса и ускорение являются фундаментальными физическими понятиями, которые определяют по сути одинаковые эффекты в гравитационных полях.
В современной физике принцип эквивалентности позволяет связать гравитацию с геометрией пространства-времени, что и легло в основу общей теории относительности Эйнштейна. Этот принцип позволяет описывать гравитационные явления как искривление пространства-времени под действием массы и энергии, а не как просто силу, действующую на объекты извне. Мы уже много раз разбирали эту логика. А базовая идея была одна - во всём виновато пространство, так как различить ускорение и гравитацию невозможно. Основа тут движение. Значит, и то, и другое может быть связано именно с результатами такого движения.
Принцип эквивалентности играет ключевую роль в понимании законов гравитации, предсказывании движения планет, изучении черных дыр, формировании космологических моделей и многих других аспектах физики и космологии.
Сложно представить, что простая мысль с лифтом имеет сейчас хоть какое-то практическое применение в современных технологиях, но это так. Например, спутники связи и навигационные системы учитывают гравитационные эффекты для точного функционирования.
Впервые физики получили четкие изображения отдельных атомов, ведущих себя как волны. На изображении в исследовании показано, как точка флуоресцентного атома превращается в нечеткую массу волновых пакетов, блестяще поддерживая один из краеугольных камней квантовой механики: идею о том, что атомы существуют и как частицы, и как волны.
Ученые, использующие этот метод визуализации, опубликовали свои результаты на сервере препринтов arXiv, поэтому их работа еще не прошла рецензирование.
«Волновая природа материи остается одним из самых ярких аспектов квантовой механики», - пишут исследователи в своей статье. Они добавили, что их новая техника может быть использована для изображения более сложных систем и обеспечения понимания некоторых фундаментальных вопросов физики.
Получается, что в результате исключения макрофакторов частицы смогли проявить свою волновую природу. Влияние всех внешних воздействий было "поставлено на паузу", но при этом частички в исследовании всё равно колебались. Наложив на фиксацию этих колебаний математическую модель распределения, ученые сделали вывод, что наблюдается не что иное, как процесс волнового колебания. Говоря простыми словами - точка на графике стала синусоидой. Объект из точечного стал волновым.
Но как на этом сказалась попытка двигаться к температурам абсолютного нуля? Всё довольно просто. Если представить себе матрас, где много пружинок большого размера и одна пружинка совсем маленькая, то при активном колебании всего объекта большие пружинки "утянут" маленькую за собой. Зато вот если притормозить движение больших объектов, то маленький сможет двигаться в этой системе самостоятельно.
Большие пружины - это макрофакторы типа теплового движения. Движение одной пружинки - это квантовый эффект того или иного типа. В том числе и волновая природа частицы. Притормозим движение всего матраса и сможет наблюдать одну пружинку. Примерно так работает логика эксперимента, который был проведен.
Мы называем «пустой» банку, из которой съедено всё варенье. Но с точки зрения физики она не пустая. В ней есть воздух, и этот воздух сколько-то весит. А если откачать из этой банки весь воздух и вообще всё-всё-всё, чтобы внутри остался абсолютный вакуум? Что тогда? Ведь вакуум ничего не весит?
Как бы не так...
Давайте вспомним, что существуют две физики, причём очень непохожие друг на друга – классическая физика (та самая, которую изучают в школе) и квантоваяфизика.
Что будет, если мы разгоним до сверхбольшой скорости две малые элементарные частицы, скажем, два электрона, а потом столкнём их друг с другом? С ними ничего не случится, они останутся такими же, как были. Но при столкновении родится несколько новых элементарных частиц! Откуда? Из ниоткуда!
Сколько именно частиц родится и каких? А это зависит только от скорости электронов. Чем она будет выше, чем ближе она будет к скорости света в вакууме (примерно 300 000 километров в секунду), тем больше частиц вещества будет рождено при столкновении. И в теории при столкновении всего лишь двух крохотных электронов может родиться миллион частиц. Миллиард. Квадриллион. Из столкновения двух электронов может родиться целая вселенная!
Поверить в такое «просто так», на интуитивном уровне, не получится. Тем не менее, так оно и есть.
Но может быть и по-другому. Допустим, летят друг другу навстречу электрон и другая элементарная частица – позитрон. Сталкиваются – и... Исчезают! Мы видим яркую вспышку – при столкновении рождаются две частицы света, два фотона. А сами электрон и позитрон исчезают в никуда, аннигилируют, как говорят учёные. Слово «аннигиляция» происходит от латинского «нигиль», то есть «ничто». От электронов не останется никаких осколков или обломков – они именно исчезнут. Как в сказке.
Что же разделяет классическую физику и квантовую? Классическая физика – это физика «большого мира», макромира. А квантовая физика – это физика микромира, мира, в котором всё вокруг немыслимо маленького размера, мира, в котором все события происходят за невообразимо короткое время, мира, в котором скорости движения запредельно огромны.
Классическую физику можно представить в виде куклы-матрёшки: внутри самой большой матрёшки спрятана матрёшка поменьше, потом ещё поменьше, и так далее – но по сути у всех этих «матрёшек» свойства одинаковы, они подчиняются одним и тем же законам. Например, закону сохранения энергии: «энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда». Ну, или «из ничего не выйдет ничего».
А вот квантовая физика – совершенно иное. И очень многие законы «нормальной» физики в квантовой физике не работают или работают, но совсем не так... В частности, в квантовой физике пустоту можно взвесить!
Во поле, во тензорном...
Чтобы взвесить пустоту, сперва немножко подготовимся. Начнём вот с чего. А знаете ли вы, что такое «поле»? В научном смысле? В физике, в математике? В этом нет ничего сложного: полем называется какой-то объект, каждой точке которого приписано определённое число. Возьмём, например, кусочек листа из тетради в клетку, и в каждой клеточке напишем число.
Такая штука называется "скалярное поле"
Чем-то напоминает поле для какой-то настольной игры, правда? Вот то, что мы сейчас нарисовали, и называется полем. Более научно – скалярным полем. Слово «скаляр» происходит от латинского слова «скала», то есть «лестница» (отсюда же наше слово «шкала» – на линейке, на термометре и так далее).
А если мы в каждой клеточке не напишем число, а нарисуем стрелочку-направление? Или, как любят говорить учёные, «вектор» (по-латыни слово «вектор» буквально означает «носильщик», «транспортировщик»)? Что у нас получится – тоже поле? Совершенно верно, это тоже поле. Только уже не скалярное, а векторное.
А это уже векторное поле
А если мы в каждую клеточку листа «впихнём» какой-нибудь сложный объект? Скажем, у математиков и физиков большой любовью пользуются «суперчисла», которые называются «матрицы» и «тензоры». Что если мы впишем в каждую клетку матрицу или тензор? Что у нас получится? Да тоже поле. С матрицами – матричное поле. С тензорами – тензорное поле. Всё как в деревне: сеем пшеницу – будет пшеничное поле. Сеем картошку – картофельное. Сеем рис – рисовое. Так что ничего сложного!
А теперь магнитное!
Само собой, реальные физические поля – в отличие от тетрадного листа – никаких чисел или векторов нам не показывают, потому что они невидимы. Тем не менее, в каждой точке поля существует некая величина (скажем, сила), которую можно обнаружить, увидеть и даже измерить. Скажем, собрались вы искупаться в ванной. А чтобы было весело и не скучно, взяли с собой резиновый мячик (или другую маленькую игрушку) и пустую пластиковую бутылку. Наполняем бутылку, потом под водой резко сжимаем её – и любуемся, как под действием абсолютно невидимой водяной струи мячик вдруг «сам по себе» отпрыгивает на другой край ванной! Невидимая под водой струя – это грубый, но наглядный пример того самого поля (силового поля из фантастических книжек): в каждой точке внутри ванной каждая крохотная частичка воды движется с определённой скоростью, то есть обладает импульсом, силой (эту силу можно даже измерить и написать «в клеточке» на бумажке).Снаружи мы этого не видим, но брошенный в ванну мячик под действием множества таких сил начинает двигаться!
Но... Почему мы назвали этот пример «грубым»? Потому что – вы сами прекрасно это понимаете! – мячик движется под действием потока воды, в общем случае – какого-то вещества. Если мы вместе с мячиком и пластиковой бутылкой вдруг перенесёмся в космическое пространство (где нет ни воды, ни воздуха, где царит абсолютная пустота, то есть вакуум), то «погонять» мячик у нас уже не выйдет – сколько мы ни будем сжимать-разжимать бутылку, игрушка даже с места не сдвинется. Потому что вещества вокруг нет!
А вот настоящее физическое поле – дело другое, ему вещество совершенно не требуется! Скажем, магнитное поле. Самый обыкновенный магнитик для холодильника будет прекрасно работать и в воде, и в воздухе, и в вакууме космоса! Потому что магнитному полю никакое вещество, никакое «рабочее тело» не требуется. Как такое может быть, как можно действовать «сквозь абсолютное ничто» – об этом немного погодя, хорошо?
Итак, магнитное поле – его нельзя увидеть, нельзя услышать, невозможно потрогать или понюхать. Тем не менее, оно есть, оно реально, оно обладает силой! Достаточно поднести к магниту гвоздь, ключ или другой металлический предмет – и вы сразу же почувствуете ту самую силу. А мощный магнит вообще может вырвать металлический предмет у человека из рук или даже поднять настоящий автомобиль!
Проведём простой классический опыт, который много раз был описан в учебниках: насыплем на бумажный лист горсть железных опилок и поднесём с другой стороны магнит. Опилки тут же «нарисуют картинку», вытянутся в тонкие линии – то есть соберутся вдоль силовых линий магнитного поля.
Силовые линии магнитного поля видны благодаря железным опилкам
Мы не можем увидеть само магнитное поле, но можем видеть направление его силы, его воображаемые стрелочки-векторы. Так что магнитное поле – да, абсолютно правильно, это векторное поле, если вы уже сами об этом догадались, то просто молодцы!
Как устроен атом?
Когда я пошёл в младшую школу, на рукаве моей формы был шеврон – красный, с раскрытой книгой и солнышком. А когда перешёл из младшей в среднюю, шевроны у нас стали другими – синими, а на фоне солнышка появился какой-то странный «цветочек». Учительница быстро объяснила нам, что это никакой не цветочек, а атом – в центре атомное ядро, вокруг которого по орбитам летают электроны.
Шевроны (нарукавные нашивки) старой школьной формы
Между прочим, во многих книгах так атомы изображают до сих пор – с шариками-электронами, которые вращаются вокруг ядра по орбитам, в точности как планеты вокруг Солнца.
Это не очень правильная картинка (с точки зрения современной науки), но зато простая, понятная и наглядная, так что мы воспользуемся именно ей. Итак, каждый атом содержит центральное ядро, вокруг которого летают маленькие отрицательные электроны. Самый простой атом – это атом водорода: у него всего лишь один отрицательный («-») электрон, и в ядре всего лишь один положительный («+») протон.
Модель атома водорода
Глядя на эту картинку, физики уже давно задались вопросом: а какая же сила заставляет электрон никуда не улетать, а вращаться вокруг протона? Земля вращается вокруг Солнца благодаря притяжению, гравитации. Может быть, и электрон тоже притягивается к протону гравитацией? Расчёты сразу же показали – нет, этого не может быть. Значит, тут работает какая-то другая сила. А какая?
Нетрудно сообразить – это сила магнитная, точнее, электромагнитная! В магните «минус» всегда притягивается к «плюсу», верно? Вот и «минусовый» (то есть отрицательно заряженный) электрон точно так же притягивается к «плюсовому» (положительно заряженному) протону.
Та же самая модель атома водорода
А это означает, что между электроном и протоном, то есть ядром атома, существует электромагнитное поле. С точки зрения школьной, то есть классической, физики электромагнитное поле ни в каком вещественном «носителе» не нуждается – оно просто существует, и баста! Однако, как мы уже говорили, с точки зрения «другой» физики, то есть квантовой, «всё всегда не так».
В квантовой физике для того, чтобы существовало поле, обязательно нужна некая элементарная частица, которую учёные называют калибровочный бозон... А расчёты показали, что калибровочный бозон электромагнитного поля внутри атома физикам давно известен – это уже упоминавшийся нами квант электромагнитного излучения, «частица света», то есть фотон!
Необыкновенный настольный теннис
С точки зрения расчётов и формул квантовой физики электрон «привязан» к ядру потому, что испускает фотон, который летит к протону и поглощается. Затем протон, в свою очередь, испускает фотон, который летит к электрону и тоже поглощается. Если бы этого фотона не существовало, то атом бы развалился, рассыпался на составные части.
Это как будто игра двух детей в настольный теннис – играть в эту игру можно только если есть мячик. Без мячика в теннис не поиграешь... В смысле, если протон и электрон не будут постоянно «играть в теннис» фотоном, то не будет и атома...
Но – и тут многие учёные схватились за головы! – при этом нарушается чуть ли не самый главный закон физики, а именно закон сохранения энергии. С точки зрения этого закона фотон не может испуститься «сам по себе», для этого нужна энергия извне, «толчок», «пинок». А никакого поступления энергии снаружи нет. А атом водорода спокойно себе существует.
В итоге физики пришли вот к какому выводу: протон и электрон обмениваются фотоном с немыслимой скоростью. Всего за одну секунду «мячик»-фотон перелетает от одного «игрока» к другому триллион миллиардов раз (цифрами: 1 000 000 000 000 000 000 000).
И вот в масштабах такого микроскопически малого времени начинают изо всех сил работать законы квантовой механики – в таких случаях закон сохранения... не работает! Если быть совсем-совсем точным, то работает, но уже «немножко не так», «с ошибками». Результатом этих «ошибок» и является рождение «из ничего» фотона. Физикам эта особенность показалась настолько примечательной, что такие фотоны (и вообще такие частицы) стали называть виртуальными.
Что такое «виртуальный»?
Слово «виртуальный» вам наверняка знакомо. Изначально слово «виртуальный» означало «действующий», «сильный», «способный произвести эффект», оно происходит от латинского слова «вир» – то есть «мужчина». Но уже в XV веке это слово приобрело другой оттенок – слово «виртуальный» стало обозначать «нечто, производящее какой-то эффект, но при этом не существующее в действительности».
Физики пользуются словом «виртуальный» уже почти 100 лет, то есть с 1924 года. Внутри атома водорода происходит постоянный обмен виртуальными фотонами – именно благодаря этому существует электромагнитное поле, и электрон «не убегает» от атомного ядра...
Пустота превращается... в квантовую пустоту!
Но если такие виртуальные частицы существуют внутри атома, – рассудили учёные, – то почему бы им не существовать и вообще везде? Ведь тогда получается, что тот самый вакуум является «абсолютной пустотой» только с точки зрения классической физики. А с точки зрения квантовой он совсем не пуст! В каждой его точке постоянно рождаются пары виртуальных частиц и античастиц – например, электрон и позитрон.
Эта пара частиц рождается «из ничего», какое-то время «живёт», а затем сталкивается друг с другом и исчезает – аннигилирует! – «в никуда». Без выделения энергии в окружающую среду. Этот совершенно невообразимый бурлящий «коктейль» из виртуальных частиц назвали квантовым вакуумом.
Рождение и аннигиляция виртуальной пары частиц в квантовом вакууме
Квантовый вакуум можно сравнить со спальней в детском лагере. Тихий час, детишки из младшего отряда мирно спят, закрыв глазки и укрывшись одеялками; тут вожатую срочно вызывают к начальнику, она уходит... Немедленно начинается жуткий тарарам, беготня, визг! Кто-то прыгает на матрасе, как на батуте, кто-то дерётся подушками, кто-то, завернувшись в простыню, изображает привидение. Но вот на тропинке появилась вожатая. «Вожатка идёт!!!» – раздаётся клич, и тут же дети разбегаются по кроватям, накрываются одеялами и закрывают глаза. Вернувшаяся вожатая чуть не плачет от умиления – какие же у неё в отряде примерные детки.
Вот и квантовый вакуум – казалось бы, абсолютная пустота. В которой ничего нет. Но на самом деле там постоянный кавардак, и в каждой точке триллион миллиардов раз в секунду рождаются и аннигилируют пары виртуальных частиц! Учёные назвали этот механизм флуктуациями квантового вакуума или просто квантовыми флуктуациями.
(Слово «флуктуация» тоже латинское, и означает «колебание, отклонение, волнообразное движение».)
«Они настоящие!!!»
Сперва физики считали, что квантовый вакуум, квантовые флуктуации и виртуальные частицы – это чистой воды выдумка, игра ума, просто удобная математическая модель для вычислений. Что в реальности виртуальных частиц не существует, что виртуальный фотон или электрон никогда не сможет превратиться в настоящий, проявить реальное наблюдаемое со стороны действие. Но в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир сделал очень важное открытие.
Если в вакууме разместить две отполированные параллельные пластины – причём очень близко – тогда внутри пространства между ними квантовых флуктуаций будет происходить меньше, чем снаружи. И тогда «из ничего», «из вакуума», образуется сила, которая будет притягивать пластины друг к другу! Учёные обрадовались – у них появилась возможность произвести критический эксперимент, то есть понять, являются ли виртуальные частицы чисто виртуальными «формулами на бумажке», или же они всё-таки реальны?
В 1958 году опыт был поставлен. Эффект Казимира действительно существовал! Виртуальные частицы оказались реальностью! Они были настоящими!!! Казавшийся абсолютно пустым вакуум («ничто») оказался буквально «под завязку» нашпигован энергией!
Три синих озера малинового цвета
Но можно ли эту энергию из вакуума каким-то образом «достать», «извлечь»? На помощь пришла астрономия. В 1973 году советские учёные Алексей Старобинский и Яков Зельдович предсказали, что энергию из квантового вакуума могут извлекать особенные звёзды, а именно вращающиеся чёрные дыры!
Идея советских исследователей очень понравилась английскому физику-теоретику Стивену Хокингу – и в 1975 году он снабдил её математическим аппаратом, произвёл расчёты и показал, что «выжимать» вакуум могут любые чёрные дыры (а не только те, которые вращаются). Открытое новое излучение назвали излучением Хокинга.
Стивен Хокинг на обложке журнала "Лучик", № 9, 2021 год
Как возникает излучение Хокинга от чёрной дыры? Вы, наверное, читали или слышали, что чёрная дыра – это звезда, гравитационные силы которой настолько огромны, что ничто – даже свет! – не может от этой звезды «убежать». Чёрная дыра потому и называется чёрная – что она реально чёрная, чернее самой чёрной черноты. И вдруг – от такой вот дыры – излучение? Но как?! Этого же не может быть...
Ну да. В обычной физике такого быть не может. Но в квантовой – сколько угодно (в какой по счёту раз мы это повторяем?).
У каждой чёрной дыры существует граница, «рубеж, из-за которого нет возврата», который в физике называется горизонтом событий. Всё, что неосторожно попадает под горизонт событий, безжалостно засасывается колоссальным притяжением чёрной дыры, «попадает в сингулярность».
Но чёрную дыру окружает квантовый вакуум, в котором постоянно происходят флуктуации, то есть рождение пар виртуальных частиц. Как мы уже говорили, существуют эти частицы ничтожно малое время. Время-то ничтожно малое, практически неуловимое – но и движутся наши частицы со скоростью света! Поэтому за то самое ничтожное время могут успеть пролететь весьма солидное расстояние – порядка нескольких сантиметров. А этого, оказывается, вполне достаточно для того, чтобы случилось самое удивительное на свете...
Если пара частиц возникла вблизи горизонта событий, то в движении одна из двух частиц может случайно провалиться под горизонт. А вторая – остаться над горизонтом. Тогда первую частицу «засосёт в сингулярность», а вторая полетит в окружающее пространство! И с точки зрения стороннего наблюдателя это будет выглядеть, как рождение чёрной дырой частицы.
А поскольку виртуальные пары частиц в квантовом вакууме рождаются постоянно (повторим: триллион миллиардов раз в секунду), то в итоге получается самое настоящее излучение! У которого есть температура!
Расчёты показывают, что чем массивнее чёрная дыра – тем холоднее её излучение Хокинга. Скажем, чёрная дыра массой в шесть масс Солнца будет «нагреваться» до температуры всего лишь в одну стомиллионную долю градуса. Но если чёрная дыра будет меньшей массы?
Оказывается, чёрная дыра массой в два миллиона раз легче массы нашей Земли из-за излучения Хокинга приобрела бы температуру около 7200 градусов, то есть чёрная дыра была бы раскалённой добела!
«Этого не может быть потому что этого не может быть никогда» (как писал помещик Семи-Булатов в рассказе А.П. Чехова «Письмо к учёному соседу»), однако, друзья мои, это квантовая физика.
И чёрная дыра ослепительно-белого цвета, чёрная дыра ярче Солнца, «три синих-синих озера малинового цвета» – да пожалуйста, сколько хотите. Более того, в процессе излучения такая «мини-чёрная дыра» теряет массу, «испаряется» всё быстрее и быстрее, и, в конце концов, взрывается, выбрасывая энергию, сравнимую со взрывом примерно 1 миллиона водородных бомб!
Кстати, взрыв в 1 миллион водородных бомб (мощностью, скажем, в 1 мегатонну каждая) – это звучит страшно и пугающе... для Земли и людей. А вот для космоса такой взрыв – это так, «мыльный пузырь лопнул», пустячок, имейте в виду.
Полный бензобак пустоты, пожалуйста!
Тем не менее, взрыв – это выделение энергии. А что, если эту энергию получится «обуздать», скажем, как у людей получилось с атомной энергией? Во всяком случае, теоретически создать «чёрно-дырную электростанцию», генератор электричества или даже ракетный двигатель, работающий на «микро чёрных дырах», вполне реально. И уже во многих фантастических рассказах и видеоиграх в том или ином виде можно встретить «сингулярный реактор», «генератор сингулярности», который как раз извлекает «скрытую энергию вакуума» из чёрных дыр сверхмалой массы. Фантастика? Конечно. Однако в науке бывает и так, что рано или поздно фантастика превращается в реальность.
Сколько весит пустота, и сколько энергии в нигде?
Напоследок – страшная тайна и настоящая научная загадка. Многие думают, что наукой раскрыты уже все-все-все тайны природы, что «все важные открытия уже сделаны», и осталось только «уточнить некоторые детали». Так вот, это не так. И одна из самых «кричащих» загадок современной науки – это количество энергии, скрытой внутри вакуума.
Квантовый вакуум содержит энергию – это, надеемся, вы уже поняли. Но сколько именно её внутри?
С одной стороны, энергию в вакууме можно оценить по астрономическим наблюдениям – и они дают значение примерно в 1 джоуль на кубический километр. Подставим это значение в самую знаменитую формулу Эйнштейна (да-да, та самая «е равно эм цэ квадрат»), и получим эквивалентную плотность вакуума: она равняется примерно 1.1 килограмма на 1 миллиард кубических километров.
Вы можете усмехнуться – мало! Вот и нет. Для масштабов космоса это очень большая цифра! Скажем, куб вакуума со стороной, равной расстоянию от Земли до Луны, при такой ничтожной плотности будет весить... примерно 60 тонн! Вот мы и «взвесили пустоту».
И снова загадки...
Но вот в чём загвоздка. Дело в том, что количество энергии вакуума можно посчитать другим путём, теоретически, по обычным формулам квантовой физики из учебника... И вот тут у нас начинается, как говорил капитан Врунгель, «непоправимый скандал»: по формулам это значение оказывается совершенно другим – порядка 10 в 113-й степени джоулей на 1 кубический метр. То есть значение, которое предсказывает теория, и значение, которое наблюдается на практике (в природе), отличаются в...
Это число, у которого впереди единица, а за ней – сто двадцать нулей. Ничего себе ошибочка! Вот это погрешность! Проблема эта называется «проблемой космологической постоянной», и это одна из самых болезненных нерешённых проблем современной физики. Настоящая жгучая тайна! И какие открытия нам и вообще мировой науке обещает решение этой загадки – трудно даже вообразить. Не желаете ли заняться?
Интересные опыты с Ледяной водой.Нужно потратить немного времени чтобы проверить.
1.Включите воду в кране с холодной водой.Пропустите до ледяного состояния.Подставте голову под струю.Вначале на макушку и голову - и подержите. Чувствуется ли холод всем телом когда под ледяной водой только макушка?
2.Переведите струю холодной воды медленно с макушки на область затылка. Становится ли холод нетерпимым сразу или медленно усиливается до нетерпимого при приближении ( от макущки к затылку) к области шишковидной железы? Появляется ли ощущение озноба всего тела и желания прекратить охлаждение при нахождении струи ледяной воды в области затылка(шишковидной железы)?
Для экспертов - если не сложно обьясните почему или как (принцип) в медицинских или научных терминах это работает.
По личному опыту ледяная вода на голове(макушке) очищяет сознание и помогает просыпатся и быть бодрым, а также терпима. При переводе струи воды на затылок и шишковидную железу - ощущение нетерпимости - усиленное в разы ощущение холода , озноб и желание прекратить лить воду.
Ощущения холода от струи ледяной воды на голове?
Появляется ли ощущение холода от струи ледяной воды на теле при охлаждении головы?
Хочу рассказать об эксперименте, целью которого было продемонстрировать, что с помощью небольшого набора правил можно создавать сложные, интересно устроенные виртуальные миры прямо в окне браузера.
Это своего рода симуляция «цифровой химии» — межатомных взаимодействий в 2D- и 3D-пространствах:
— коллизии и отскоки частиц при контакте; — силы притяжения и отталкивания между частицами; — связи между частицами и влияние других частиц на эти связи; — влияние температуры и других факторов среды (макропараметров) на поведение частиц.
Частицы разных типов визуализируются разными цветами. От типа частицы зависят их свойства, представленные в конфигурации мира:
1. Матрица коэффициентов гравитации несвязанных частиц показывает, будет ли частица одного типа притягиваться или отталкиваться от частицы другого типа в случае, когда они не связаны между собой, и с какой силой. 2. Матрица коэффициентов гравитации связанных частиц показывает, будет ли частица одного типа притягиваться или отталкиваться от частицы другого типа в случае, когда они связаны между собой, и с какой силой. 3. Список лимитов связей показывает, какое максимальное количество связей могут иметь частицы каждого типа. 4. Матрица лимитов связей показывает, какое максимальное количество связей могут иметь частицы каждого типа с частицами разных типов. 5. Матрица влияния частиц на связи своих соседей.
На последнем пункте остановимся поподробнее. Без этого правила почти все сгенерированные вселенные через какое-то время застывали или приходили в вечное движение, но без регулярного образования новых связей. Для решения этой проблемы я ввел правило, по которому частица каждого типа имеет возможность повлиять на максимальную длину связей частиц разных типов в сторону увеличения или уменьшения. Таким образом получилось достичь эффекта непрекращающегося синтеза и распада сложных «молекулярных» соединений.
Всеми основными параметрами симуляции можно управлять через пользовательский интерфейс, меняя таким образом «физику» мира. Кроме того, за счет настраиваемой рандомизации можно создавать практически неограниченное количество уникальных новых «вселенных» со своими неповторимыми законами. В общем, получилась занимательная и залипательная штука.
Для высокопроизводительной обработки взаимодействий между тысячами частиц пришлось применить множество приемов оптимизации. Расти в этом направлении еще есть куда, но эту работу я уже буду продолжать на Python с использованием Numpy и Numba, потому что браузер позволяет использовать только одно ядро процессора на одну открытую вкладку, что сильно ограничивает возможности масштабирования.
Кстати, встретив интересный набор законов, не хочется, чтобы он канул в лету после закрытия окна браузера, — поэтому я внедрил кнопку создания ссылки на запуск симуляции с заданным набором параметров. А поделиться ссылками на интересные конфигурации можно в специальном issue либо здесь, в комментариях.
Спасибо за внимание!
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Великим ученым свойственны не только великие открытия, но и великие заблуждения, и это я сейчас без сарказма говорю: чтобы изобрести чрезвычайно правдоподобную, рабочую, но при этом ошибочную теорию, нужно на самом деле очень хорошо разбираться в своем предмете. Именно поэтому у приверженцев, например, гомеопатии нет и шанса для адекватной аргументации своих идей, а вот теория теплорода, несмотря на ошибочность, долгое время признавалась научным сообществом и самое главное – была основой для нескольких важнейших открытий.
Крошка-сын к отцу пришел, И спросила кроха: Теплород ведь – хорошо? Или это плохо?
Представьте, что вы не были прилежным учеником, прогуливали все уроки физики с 8го по 11й класс, а теперь выросли, и ваш ребенок вас спрашивает: «Дорогой родитель, почему батарея теплая?». Вы, конечно, скажете, что по батарее течет горячая вода, которая нагревает ее, а та в свою очередь передает тепло в комнату. Но дети гораздо дотошнее взрослых, и следующим вопросом скорее всего будет: «А как она передает тепло?» или еще хуже «А что такое тепло?».
Правильный ответ на этот вопрос далеко не очевиден даже современным взрослым, а уж в 18-м, начале 19 века, когда молекулярно-кинетическая теория не обладала достаточным математическим обоснованием (на самом деле, тогда еще даже не было подходящего матаппарата, чтобы полностью описать ее), абстрактная идея тепла не давала покоя ученым.
Люди, а особенно ученые, в принципе склонны к конкретике, так что вместо расплывчатой размазни-«теплоты» появился вполне себе логичный «теплотвор» или «теплород» - невидимая, практически невесомая субстанция, содержащаяся во всех веществах и способная передаваться от тела к телу. При этом, на волне хайпа атомизма теплороду приписали еще и корпускулярный состав, мол, это есть ничто иное как крошечные частицы, высвобождающиеся, например, при горении, которые заполняют «поры» в телах, рассеиваясь внутри, и таким образом нагревают их (стоит добавить, что так считали не все, но многие).
Думаю, ваш ребенок был бы вполне доволен таким ответом, ведь на самом деле он звучит потрясающе логично. Довольным осталось и большинство ученых, когда Антуан Лавуазье в 18 веке ввел определение теплорода в качестве отдельной субстанции.
Разумеется, вскоре были придуманы всякие уловки для объяснения различных тепловых явлений на основе теории «жидкой теплоты» (ладно, большинство представляли теплород скорее как газ или флюид). Например, быстрый нагрев тел объяснялся притяжением частиц теплорода к атомам вещества, а расширение тел при нагреве считалось следствием активного заполнения «пор» и налипания теплорода вокруг атомов, что увеличивало межатомные расстояния. Кроме того, предполагалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга (как одинаковые заряды что ли?), а потому стремятся от горячего к холодному, туда, где побольше привлекательных свободных атомов и поменьше конкурентов – "теплородинок", тем самым сглаживая разницу температур. В общем, грамотно притянули, красиво склеили – вуаля! А если серьезно, теория теплорода выглядела очень даже обоснованно, интуитивно понятно, но что самое важное – она появилась очень вовремя.
Почему теплород – это хорошо.
Эпоха промышленной революции не просто так иногда зовется эпохой пара: паровые двигатели стали настоящим символом технического прогресса того времени. Так вот, Лавуазье со своими тепловыми изысками был нужен как никогда, чтобы, опираясь хоть на какую-то цельную и внятную теорию, можно было изучать новый источник энергии.
Во-первых, получилось удобное разъяснение идеи теплового равновесия. Если оставить теплый кофе на улице вечером, то он остынет, а его температура станет равна температуре окружающего воздуха. Если два одинаковых металлических бруска разной температуры привести в соприкосновение, их конечная температура будет примерно равна среднему арифметическому начальных значений (эт я грубо сейчас говорю, конечно, но суть понятна). Почему так? Все просто, ведь теплород в силу своей непреодолимой тяги к атомам вещества и отталкивания от себе подобных частиц, растекался максимально равномерно между телами и внутри них, достигая равновесия между силами притяжения и отталкивания.
Во-вторых, благодаря идее теплового флюида (и, конечно, заслугам химика Николя Клемана) наконец-то сложилась визуальная картина о таком важном понятии (которое до этого никак не могли четко зафиксировать в науке), как «количество теплоты», ну или как тогда считали «количестве теплорода». Мы все на уровне бытовой интуиции мы понимаем, что, например, чтобы нагреть до одинаковой температуры таз воды надо больше времени, чем чтобы нагреть кастрюлю. А теория теплорода подсказывает: все дело в концентрации теплорода в веществе. Конечно, чтобы она была одинаковой у тел разного объема, его потребуется разное количество. В общем, льем наш тепловой флюид в тело, пока не достигнем нужной температуры.
В-третьих, то, что большинством ученых теплород принимался за субстанцию, состоящую из частиц, позволяло применить к нему один из любимейших законов всех ученых: закон сохранения. Это было очень хорошо, прямо бальзам на сердца физиков. Если постулировать, что теплород, как и остальная материя, не может быть создан из ничего и исчезнуть в никуда, мы уже имеем красивое уравнение для описания любого теплового процесса. Количество теплорода «до» равняется количеству теплорода «после», а если вдруг не равняется – ищите, куда он мог сбежать. И самое главное – этот подход работал (ладно, не всегда).
Ну и вишенкой на торте стала триумфальная роль теплорода в термодинамике – еще совсем зеленой науке о тепловом движении. Молодой ученый Сади Карно, принимая теорию теплорода за основу*, ввел понятие о «потоке теплоты» как о силе, способной создавать механическое движение. Он сравнивал тепловой поток со столбом воды, падающим с высоты и раскручивающим водяную мельницу, и считал, что по этой аналогии и извлекается энергия из паровых двигателей. Таким образом, Карно выстроил первый теоретический принцип устройства всех тепловых машин (который до сих пор проходится в школах и университетах). Это однозначно был успех!
В общем, я надеюсь, всех этих хвалебных аргументов достаточно, чтобы понять, почему теория была так популярна. Думаю, если с серьезным лицом начать втирать это нынешнему школьнику, он вполне может уверовать в сие учение. Но, как говорят, чем выше забрался, тем больнее падать, и пик славы идеи теплорода стал началом ее конца.
А теперь почему, теплород — это все-таки плохо.
Не буду рассказывать про тех несогласных с Лавуазье (сюда, по-хорошему, надо записать и Ньютона с Галилеем, и Локка, и даже Платона…), которые не проявляли активности в борьбе с ошибочной теорией. В этом акте на сцене будет два главных героя** и имя первого из них - Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, американский эмигрант и военный советник курфюрста Баварии, который своими экспериментами смог впервые наглядно показать нестыковки теории теплорода.
Аргумент первый (разминка): что там с массой?
Принимая теплород за субстанцию, можно справедливо предположить, что он должен иметь вес. Правда, в 18-19 вв, это не было жестким требованием (видимо, невесомые частицы были для того времени нормой), но проверить не мешало бы. Пускай масса частиц теплорода крайне мала, зато мы можем бахнуть его ооочень много, и попробовать зафиксировать разницу в весе, что Томпсон и сделал. Разумеется, эксперименты ничего не обнаружили, однако критика этого опыта сводилась к тому, что если теплород и имеет массу, то настолько легок, что обычными приборами разницу в весе увидеть невозможно.
Аргумент второй (коронный): нарушаем законы сохранения.
Помимо того, что Томпсон на досуге увлекался тепловыми явлениями, он управлял национальным арсеналом Баварии, где обнаружил, что при высверливании каналов в пушечных стволах инструментом, напоминающим огромную буровую головку, создается трение, которое производит огромное количество теплоты. Чтобы изучить этот эффект, Томпсон погрузил пушечный ствол под воду и приступил к высверливанию канала. Через два с половиной часа выделилось столько теплоты, что вода закипела.
В чем проблема? Да нет проблем, разве что мы только что открыли бесконечный источник теплорода, который по утверждениям невозможно создать из ничего. В статье, представленной на рассмотрение ведущей научной организации Британии, Королевскому обществу, Томпсон утверждал, что теория теплорода объясняет, почему теплота выделяется при горении, но ничего не говорит о трении. Иными словами, складывалось впечатление, что трение создает теплоту, а не освобождает ее, что шло вразрез с идеей о том, что теплота – неразрушимая субстанция.
Аргумент третий (похоронный): помощь Зевса
Очень большой проблемой оппозиционеров теплорода было отсутствие качественно проработанной альтернативы, ведь несмотря на большое число сторонников молекулярно-кинетической теории, вопросов к ней было чуть ли не больше, чем к теплороду: она все еще была слишком сырой с точки зрения математики. Плюс, эксперимент с трением не показывал одной важной связки: как соотносятся между собой механическая работа и тепло? Так что эксперименты Томпсона хотя и обсуждались, но не стали решающими в этом научном споре. И только спустя почти 50 лет, после введения грамотного определения энергии, работы и теплоты появилось финальное доказательство ошибочности теории теплорода.
Примерно в 1840 году, сидя в лаборатории, устроенной в доме родителей, наш второй герой – Джеймс Джоуль – физик энтузиаст, конструировал батареи, электромагниты и двигатели, чтобы изучать их работу. Одно из первых его наблюдений стало самым важным. Он заметил, что при прохождении электрического тока провод нагревается. Иными словами, электричество могло не только питать двигатель, но и давать теплоту.
Способность электричества создавать теплоту подкрепила общие сомнения в теории теплорода, которая гласила, что теплоту невозможно ни создать, ни уничтожить. А вскоре Клаузиусом и Больцманом была наконец-то доработана долгожданная молекулярно-кинетическая теория, считающаяся общепринятой на сегодняшний день.
Так что, если сегодня ребенок (не обязательно ваш) спросит вас, что такое тепло, вы гордо и без к̶о̶л̶е̶б̶а̶н̶и̶й̶ ̶раздумий ответите, что "теплота - это механические колебания атомов и молекул в твёрдых телах и жидкостях", что на самом деле, по своей сути - это просто очередная форма энергии, и никакой "тепловой субстанции" придумывать не нужно.
Вместо заключения.
В общем, теплород, не выглядел совсем уж кривым костылем по сравнению с несчастным флогистоном, потому что долгое время вполне сносно работал в ему отведенных рамках. А в качестве напоминания о "жидком тепле", мы до сих пор пользуемся выражением Сади Карно и Фурье о «потоке теплоты».
P.S. Есть небольшая доля иронии в том, что Томпсон - главный критик теории теплорода, женился на Марии-Анне Лавуазье, вдове нашего злосчастного химика и автора этой самой теории. Нужно отметить, что граф не выдержал свободолюбивого нрава женщины своего противника, и брак продлился совсем недолго.
*Очень хочется воткнуть одну важную ремарку: дело в том, что Сади Карно, в своих черновиках уже отказался от идеи теплорода, и даже называл его другим словом, более близким к понятию теплоты. К сожалению, он умер в сумасшедшем доме от эпидемии холеры в возрасте 36 лет и не успел доработать свои идеи.
** Ярым сторонником и практически основоположником противоположной – корпускулярно-волновой теории – был Михаил Ломоносов. Однако, его критика теплорода была лишь теоретическим доказательством от противного, так что эксперименты Томпсона являлись аргументом гораздо более весомым. Но Михаила Васильевича тож не забудем, он был очень яркой фигурой в научных спорах об этих двух теориях.
Источники: "Холодильник Эйнштейна" Пол Сен
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Такую задачу поставил Little.Bit пикабушникам. И на его призыв откликнулись PILOTMISHA, MorGott и Lei Radna. Поэтому теперь вы знаете, как сделать игру, скрафтить косплей, написать историю и посадить самолет. А если еще не знаете, то смотрите и учитесь.
(Да, подобрать кликбейтное название для этой заметки сложно, так что берите что есть)
Итак, меня довольно давно не было, но вот я вернулась, и хочу рассказать о явлении, которое очень хорошо роняло первые поколения истребителей. Представьте: вот вы пилот, летите, никого не трогаете, примус починяете, и решаете набрать высоту. Для этого надо немного ускориться и параллельно чуть увеличить тангаж, что вы, собственно, и делаете. Увеличивая тягу РУДом, вы параллельно немного тянете рычаг управления на себя. Все идёт хорошо первые несколько минут, но тут рычаг полностью самостоятельно и с огромной силой уходит в положение "на себя" до упора и там замирает. Поздравляю вас, вы познакомились с явлением, именуемым "перекомпенсация руля высоты". Пока вы лихорадочно пытаетесь оттолкнуть рычаг в нормальное положение, а ваш самолёт переходит в устойчивый штопор, у как раз вас есть несколько минут падения до земли, так что давайте познакомимся с этим явлением поближе.
Схема расположения центра давления
Предварительно нужно определиться с такой штукой, как центр давления. Википедия говорит, что для крыла самолёта (а руль высоты это почти крыло) центр давления это точка, где пересекаются линия действия аэродинамической силы и плоскость хорд крыла. То есть такая точка на профиле крыла, куда, условно, действует аэродинамическая сила (равнодействующая всех сил, которые вы нарисуете летящему в воздухе самолёту). В общем случае центр давления умеет двигаться, и он меняет свое положение в зависимости от скорости самолёта и угла атаки (давайте сохраним остатки рассудка и не будем разбирать его движение).
Вторая штука, необходимая для понимания происходящего, это шарнирный момент. В авиации это момент, который действует на орган управления (руль высоты в нашем случае) относительно его оси вращения и который создаётся аэродинамической силой. В норме, шарнирный момент направлен против отклонения руля и стремится вернуть руль в нейтральное положение. То есть, руль высоты отклонен в балансировочное положение, отклонен вокруг центра вращения, в котором он закреплён и вокруг которого он крутится. Где-то на руле есть центр давления, куда действует аэродинамическая сила. Если центр давления и центр вращения НЕ совпадают, то сила создаст шарнирный момент. Этот момент стремится вернуть руль в нейтральное положение. Если ничего не понятно, не отчаивайтесь, это нормально, я в конце картинку поставлю. И ещё один важный, но не всегда очевидный нюанс: шарнирный момент зависит от угла отклонения руля и скорости полета (вообще там скоростной напор, но нафиг нам такие сложности), чем больше угол и больше скорость, тем больше шарнирный момент.
Схема роговой компенсации
Продолжаем наше вступление. На заре авиации самолёты были маленькие, и летали медленно. Шарнирные моменты на рулях были маленькие, и среднестатистический пилот мог спокойно их пересилить просто мощью своих мускулов (картинка накачанного пилота в летной форме 18+ без смс и регистрации разблокирована). В те старые добрые времена все рули были связаны с рычагом управления и педалями (да, у пилотов есть педали, почти как на машине) механически, системой тяг и качалок, то есть тупо тросиками, и все усилия с рулей пилот ощущал напрямую руками/ногами. Но время шло, аппетиты людей росли, скорости полета тоже. Настал момент, когда усилия на рулях выросли настолько, что даже тяжелоатлет не смог бы удержать рычаг управления. В систему управления самолётом вошли сначала бустеры (гидроусилители), а потом электроника. Довольно быстро выяснилось, что скорости полета (и величины шарнирных моментов) растут сильно быстрее мощности гидроприводов. И даже если привод достигает необходимой мощности, чтобы держать руль в необходимом положении на сверхзвуке (сорокатонные приводы руля высоты с Сушек одобряют), они тупо становятся слишком огромными. И приходится выбирать: либо мощный привод = тяжелый самолёт = хреново разгоняется, либо маленький привод = маленькая мощность = не сможет удержать руль, надо ограничивать скорость. Два стула, и оба плохие.
Схема компенсации триммером (и сервокомпенсации в целом)
Вы ещё тут? Продолжим. Инженеры не собирались мириться с двумя плохими стульями, они сделали третий, хороший: изобрели способы компенсации шарнирных моментов на рулях. Их есть аж несколько: осевая, роговая, внутренняя компенсация, сервокомпенсация и использование триммера. Кратко пробежимся по этим методам. (Держитесь, осталось немного).
Осевая компенсация состоит в том, что ось вращения расположена не на конце руля, а немного дальше, так, что часть руля остается вереди оси вращения. Тогда при отклонении руля передняя часть руля как бы отклоняется в другую сторону, и на ней создается момент противоположного знака. Снискала всеобщую любовь за легкость конструктивного исполнения и хорошую аэродинамику.
Роговая компенсация похожа на осевую, но тут впереди оси вращения остается меньший кусок площади, похожий на рог, откуда и пошло название. Этот кусок и создает компенсирующий момент. Так же прост в исполнении, но ухудшает аэродинамику, особенно на больших углах отклонения руля.
Внутренняя компенсация распространена большей частью на элеронах. В этом случае кусок профиля, примыкающий к оси вращения руля остается пустым и делится гибкой герметичной перегородкой (диафрагмой) на две полости. В полостях возникает разность давлений, действующая на диафрагму и создающая компенсирующий момент. Не вносит никаких возмущений в поток, что особенно ценится на сверх- и гиперзвуке, но ограничивает диапазон отклонений руля, особенно на тонком профиле.
Сервокомпенсация это использование небольших отклоняемых поверхностей на задней кромке основного руля. Этакий руль на руле. Компенсация триммером ‒ один из видов сервокомпенсации, он отличается тем, что применяется на установившихся режимах полета и полностью обнуляет шарнирный момент (все остальные виды компенсации его только уменьшают, но не убирают полностью).
Итак, мы добрались. У осевой компенсации есть один интересный и крайне опасный побочный эффект: если по каким-либо причинам центр давления уползет на компенсатор (та самая часть перед осью вращения), начнется треш.
Во-первых, руль (и рычаг управления тоже) моментально улетает в крайнее положение. Во-вторых, сразу же возникает обращение знака усилий на рычаге управления. Теперь, чтобы перевести рычаг из положения «на себя» в нейтральное, надо его ТОЛКАТЬ, тогда как в норме рычаг сам стремится туда и его надо ТЯНУТЬ. Это очень сильно осложняет управление и может привести к катастрофе. И в-третьих, пока летчик все это сообразит, самолет уже выйдет на критические режимы (штопор - земля - гроб - кладбище).
Примерная схема усилий на нормальном (а) и перекомпенсированном (б) руле. Видно, что в случае перекомпенсации момент направлен на увеличение угла отклонения руля
Поздравляю, вы познакомились с госпожой перекомпенсацией. А руль, соответственно, стал перекомпенсированным. Перекомпенсация это крайне опасная хрень, и ее стараются избегать всеми возможными и невозможными методами. Как когда-то я слышала на лекциях (за надежность инфы не ручаюсь), что на самолеты Сухого ставят охрененно мощные привода, способные пересилить возможную перекомпенсацию, а вот МиГ хитрее, они строят рули так, что на малых скоростях (и малых шарнирных моментах) они перекомпенсированы, но тогда они легко пересиливаются, а вот на больших скоростях рули становятся уже нормальными. Такая схема позволяет ставить более слабые и легкие приводы. В идеале, конечно, лучше перекомпенсацию вообще не допускать, но тут уж как повезет. Полет истребителя ‒ штука непредсказуемая.
Приятной вам посадки
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!