Месяц: Март 2021

Десятилетия поисков раскрыли подробности того, как ведёт себя антиматерия внутри протона

Двадцать лет назад физики занялись исследованием загадочной асимметрии внутренностей протона. И вот результаты их работы демонстрируют, как антиматерия помогает стабилизировать ядро каждого атома.


На первый взгляд протон состоит из трёх частиц, кварков. Но если присмотреться к нему поближе, можно обнаружить море частиц, возникающих и вновь исчезающих в небытие.

Нечасто можно встретить упоминание того, что протон, положительно заряженная частица, составляющая ядра атомов, частично состоит из антиматерии.

В школе мы узнаём, что протон – это клубок из трёх элементарных частиц, кварков. Его составляют два “верхних” кварка и один “нижний”, комбинация электрических зарядов которых (+2/3 и -1/3 соотв.) в сумме дают заряд протона в +1. Однако это упрощение, за которым скрывается гораздо более удивительная и ещё не до конца понятая история.

На самом же деле внутри протона вьётся постоянно изменяющееся количество кварков шести разновидностей, их двойников из антиматерии с противоположным зарядом (антикварков), и глюонов – частиц, связывающих их вместе, превращающихся в них и с лёгкостью множащихся. И каким-то образом этот мутный водоворот оказывается идеально стабильным и внешне простым – имитируя в некоторых аспектах простую тройку кварков. “Как это всё работает – это, честно говоря, больше похоже на чудо”, – сказал Дональд Гизаман, специалист по ядерной физике из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе.
(далее…)

Как в одном атоме умещается вся физика


Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.

Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.

Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.
(далее…)

Возможно, без использования комплексных чисел нельзя описать реальность

Из нового мысленного эксперимента следует, что квантовая механика не работает без использования этих странных чисел, становящихся отрицательными при возведении в квадрат

Несколько десятилетий назад математиков неприятно поразило одно откровение: для вычисления свойств определённых кривых требовалось, казалось, невозможное – ввести числа, квадрат которых будет отрицательным.

Любое число с числовой прямой в квадрате будет положительным: 22 = 4, и (-2)2 = 4. Математики начали называть эти привычные числа “действительными” [по-английски их называют real, т.е. “реальными” / прим. пер.], а вроде бы невозможную породу чисел “мнимой”.

Мнимые числа, которые записывали при помощи i (где, к примеру, (2i)2 = -4), постепенно стали неотъемлемой частью абстрактного математического мира. Физикам же хватало и действительных чисел для описания реальности. Иногда т.н. “комплексные числа”, содержащие действительную и мнимую часть, типа 2 + 3i, ускоряли вычисления, но были, в общем-то, необязательными. Ещё ни один прибор не возвращал показаний, в которых содержалась бы мнимая единица.
(далее…)

Новый загадочный объект космоса может оказаться чёрной дырой нового семейства

Долгое время учёные не могли найти чёрные дыры небольшого размера – астрономы даже задумались о том, а существуют ли такие вообще. Но новая серия открытий, включая обнаружение чёрной дыры-“единорога”, дало надежду на решение этой давней загадки.

Почти десять лет назад Фериал Озель с коллегами заметили нечто странное. Хотя в нашей Галактике нашлось множество чёрных дыр различного размера, не было найдено ни одной, размер которой был бы меньше определённой величины. “Наблюдался дефицит чёрных дыр массой меньше пяти солнечных, – сказала она. – Это было очень важно со статистической точки зрения”.

С тех пор, как в Озель, астрофизик из Аризонского университета, опубликовала в 2010-м работу по этому вопросу, этот “разрыв масс” оставался необъяснимым. И даже после того, как детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo начали находить десятки ранее скрытых чёрных дыр – не исключая и некоторые неожиданные варианты – разрыв масс никуда не делся.

В какой-то момент астрофизики начали задумываться: небольшие чёрные дыры просто трудно найти, или их вообще нет? “Важно подтвердить наблюдениями реальность этого разрыва, либо решить, что это – артефакт наблюдений”, – сказала Вики Калогера, астрофиизк из Северо-западного Университета, лидер команды LIGO.
(далее…)

Планет какого типа во Вселенной больше всего?


Как художник видит экзопланету Проксима b. Считается, что она недружелюбна для жизни из-за того, что не имеет атмосферы из-за свойств родительской звезды. Это, как говорят астрономы, “глазеющий” мир – одна сторона планеты постоянно смотрит на звезду, и жарится в её свете, а другая замерзает. Возможно, именно таких планет больше всего во Вселенной.

В астрономии есть один популярный миф о том, что Солнце – это типичная звезда. Если речь о том, что Солнце ничем особенным не выделяется – то да, так и есть. Оно состоит из тех же ингредиентов, что и остальные звёзды. Это 70% водорода, 28% гелия, 1-2% других элементов. Энергию оно получает из ядерного синтеза, происходящего в ядре. В каком-то смысле, это “типичная” звезда, входящая в подавляющее большинство из примерно 1024 звёзд, содержащихся в границах наблюдаемой Вселенной.

Однако на самом деле Солнце ярче и массивнее, а продолжительность его жизни короче, чем у 95% звёзд Вселенной. Если выбрать любую случайную звезду, то с вероятностью 80% это будет красный карлик – он будет меньше, холоднее, тусклее и меньше по массе, чем наше Солнце. Большинство звёзд не такие, как наше Солнце.

А что насчёт планет? Если брать в расчёт только те, что мы обнаружили на сегодняшний день – а это уже более 4000 – можно заключить, что чаще всего встречаются планеты чуть больше Земли. Однако это, скорее всего, не так. Если не быть осторожными, Вселенная с лёгкостью может нас обмануть – однако у нас есть достаточно информации, чтобы этого избежать. И вот откуда мы знаем о том, какого типа планет во Вселенной больше всего.
(далее…)

Почему маховики не прижились в автомобилях?

Идея родилась при подготовке к гонкам Формулы-1, однако с переменным успехом выступила лишь на гонке “24 часа Ле-Мана”.

В 2010 году во время 10-часовой гонки Petit Le Mans, проводящейся в городе Брэзелтон, шт. Джорджия, США, экспериментальный гоночный автомобиль компании Porsche 911 GT3 R Hybrid находился в первой 20-ке среди 45 автомобилей. В это время репортёры телевизионной сети Speed брали интервью у Марго Т. Оге, которая тогда была директором отдела транспорта и качества воздуха при агентстве по охране окружающей среды США.

Репортёры при каждой возможности обращали внимание зрителей на новый автомобиль Porsche. Гибридные автомобили для дорог общего пользования становились всё более привычными, и Оге постоянно подчёркивала “большую значимость” этого автомобиля, вкупе с энергетической независимостью и низкими углеродными выбросами. Именно таких целей и добивалось агентство.
(далее…)