Рубрика: ФИЗИКА

Спросите Итана: почему мы не чувствуем, как Земля летит сквозь космос?


Отправляющийся на Меркурий космический аппарат “Мессенджер” смог сделать несколько потрясающе красивых фотографий Земли, закладывая гравитационную петлю вокруг своей родной планеты 2 августа 2005 года. Несколько сотен изображений, сделанных широкоугольной камерой двойной системы получения изображений корабля (MDIS) были соединены в фильм

Наша планета – не неподвижное место, которое мы ощущаем под ногами, а тело, движущееся по невероятно сложному маршруту по Вселенной. Мы вращаемся вокруг своей оси каждые 24 часа, вращаемся вокруг Солнца раз в год, при этом вся Солнечная система вращается со скоростью 220 км/с вокруг центра Млечного пути, который ускоряется в направлении Андромеды в местной группе галактик, которая двигается относительно остаточного излучения Большого взрыва. Очень насыщенное космическое движение! Но при этом мы его совсем не чувствуем. Это беспокоит многих людей, включая читательницу, которая спрашивает:

Мне очень нужна ваша помощь! Пожалуйста, помогите мне объяснить моему мужу, почему мы не чувствуем, как Земля летит сквозь космос?

Есть простая причина, по которой мы не ощущаем этого движения телом, однако она не будет интуитивно понятной всем, привыкшим ощущать мир, живя на поверхности Земли.
(далее…)

Конец времени

В фундаментальной физике мира нет ни пространства, ни времени

Не расспрашивай ты, ведать грешно, мне и тебе какой,
Левконоя, пошлют боги конец, и вавилонские
Числа ты не пытай. Лучше терпеть, что бы ни ждало нас, –
Дал Юпитер в удел много ль нам зим или последнюю,

Что в скалистых брегах ныне томит море Тирренское
Бурей. Будь же мудра, вина цеди. Долгой надежды нить
Кратким сроком урежь. Мы говорим, время ж завистное
Мчится. Пользуйся днем, меньше всего веря грядущему.

Гораций, Ода I, стих 11

Таково знакомое нам изображение времени: нечто, текущее равномерно и одинаково по всей Вселенной, в течение чего всё и происходит. Настоящее время, существующее по всему мирозданию, “сейчас”, составляющее реальность. Прошлое для всех фиксировано, оно прошло, уже случилось. Будущее открыто, и ему ещё предстоит определиться. Реальность течёт из прошлого, сквозь настоящее, по направлению к будущему – и эволюция всего между прошлым и будущим по сути своей асимметрична. Именно так мы ощущаем базовую структуру мира.

Но эта знакомая картинка развалилась, показав себя лишь приближением к куда как более сложной реальности.
(далее…)

Не потеряли ли на Большом адронном коллайдере свидетельства наличия новой физики?


Детектор частиц ATLAS на БАК в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. БАК, построенный внутри подземного туннеля окружностью в 27 км, является крупнейшим и мощнейшим ускорителем частиц и крупнейшей машиной в мире. Но он способен записывать лишь малую долю собираемых им данных.

В Большом адронном коллайдере протоны одновременно кружатся по часовой и против часовой стрелки, и сталкиваются друг с другом, двигаясь при этом со скоростью, составляющей 99,9999991% от скорости света. В двух точках, где по схеме должно происходить наибольшее количество столкновений, построены огромные детекторы частиц: CMS и ATLAS. После миллиардов и миллиардов столкновений, произошедших на таких огромных энергиях, БАК позволил нам продвинуться дальше в нашей охоте за фундаментальной природой Вселенной и пониманием элементарных строительных блоков материи.

В сентябре прошлого года БАК отметил 10 лет своей работы, открыв бозон Хиггса, что стало его главным достижением. Но, несмотря на эти успехи, на нём не было обнаружено никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или новой фундаментальной физики. А что хуже всего – большая часть данных, полученных с БАК, навсегда теряется.
(далее…)

Как не обмануться, занимаясь физикой

Специалисты по физике частиц и астрофизики применяют разнообразные инструменты во избежание получения ошибочных результатов

В 1990-х в эксперименте, проводившемся в Лос-Аламосе, примерно в 55 км к северо-западу от столицы Нью-Мексико, вроде бы обнаружилось что-то странное.

Учёные разработали детектор нейтрино с жидким сцинтиллятором [Liquid Scintillator Neutrino Detector] в Национальной лаборатории Лос-Аламоса при Министерстве энергетики США для того, чтобы подсчитывать нейтрино – неуловимые частицы, бывающие трёх типов и редко взаимодействующие с другой материей. На LSND искали свидетельства нейтринных осцилляций – перехода нейтрино из одного типа в другой.

В нескольких предыдущих экспериментах были обнаружены признаки подобных осцилляций, из чего следовало, что у нейтрино имеются небольшие массы, не входящие в Стандартную Модель, главную теорию физики частиц. Учёные на LSND хотели заново проверить те ранние измерения.
(далее…)

“Квантовая атмосфера” может раскрыть секреты материи

Новая теория предполагает, что квантовые свойства объекта простираются на “атмосферу”, окружающую материал

За несколько последних лет некоторые материалы стали игровой площадкой для физиков. Они не состоят из чего-то особенного – в их составе обычные частицы вроде протонов, нейтронов и электронов. Но они представляют собой нечто большее, чем сумму составных частей. У этих материалов есть наборы впечатляющих свойств и явлений, которые даже навели физиков на новые фазы материи – за пределами твёрдого, жидкого и газообразного состояния, с которыми мы все знакомы.

Один класс материалов, особенно интересный физикам, это топологические изоляторы – или, в более общем виде, топологические фазы вещества, теоретические основы которых принесли их первооткрывателям нобелевскую премию в 2016. По поверхности топологического изолятора электроны движутся свободно, а внутри они неподвижны. Поэтому его поверхность служит проводником, похожим на металл, а внутренности похожи на керамический изолятор. Топологические изоляторы привлекли внимание своей необычной физикой и потенциалом для использования в квантовых компьютерах и т.н. устройствах спинтроники, использующих спины электронов, а не только их заряд.
(далее…)

Величайшая ошибка в истории физики


Сегодня мы считаем, что все частицы, от массивных кварков до безмассовых фотонов, имеют двойную корпускулярно/волновую природу. Сотни лет назад люди рассматривали только частицы. Но в 1818 году волнам суждено было совершить триумфальное возвращение на основе исследований природы света.

Все мы любим наши наиболее ценные идеи по поводу устройства мира и Вселенной. Наша концепция реальности часто неразрывно связана с нашим представлением о самих себе. Но быть учёным – значит, быть готовым подвергать сомнению все эти представления при каждой их проверке. Всего лишь одного наблюдения, измерения или эксперимента, противоречащего теории, бывает достаточно для того, чтобы пересмотреть или полностью отказаться от нашего представления о реальности. Если мы можем воспроизвести эту научную проверку и убедительно показать, что она не совпадает с преобладающей теорией, мы закладываем основы научной революции. Но если кто-то не хочет подвергать теорию или предположения проверкам, он, возможно, совершает величайшую ошибку в истории физики.
(далее…)

Физики на БАК применяют метод грубой силы к поиску новых частиц

Мощнейший ускоритель частиц в мире пока что не дал нам никакой новой физики – и некоторые учёные выбирают новую стратегию поисков.


Детектор ATLAS

Когда-то бывший противоречивым, новый подход к поиску частиц на Большом адронном коллайдере становится основным. Один из основных экспериментов БАК, ATLAS, официально принял этот метод на вооружение – альтернативный способ просеивать горы данных, порождаемых машиной – как лучшую надежду на выявление поведения частиц, выходящего за рамки Стандартной модели. Привычные техники до сих пор не дали результатов.

Пока что все исследования на БАК – который расположен в ЦЕРН, в Европейской лаборатории физики частиц близ Женевы – включали в себя “целевые поиски” признаков из наиболее популярных теорий. Теперь же коллаборация ATLAS описывает свой первый “общий” поиск по данным детектора в препринте работы, опубликованной на сайте arXiv, и предложенной журналу European Physics Journal C. Другой важный эксперимент БАК, компактный мюонный соленоид (CMS), работает над сходным проектом.
(далее…)

Учёные смущённо признают, что до сих пор не знают точной величины гравитационного взаимодействия


По легенде, первый эксперимент, показавший, что все объекты падают с одной скоростью, вне зависимости от массы, провёл Галилео Галилей, стоя на вершине Пизанской башни. Два любых объекта, брошенных вниз в гравитационном поле, в отсутствии сопротивления воздуха (или при пренебрежении им) будут ускоряться одинаково. Позже это правило было кратко записано Ньютоном после изучения им данного вопроса.

Впервые начав формулировать законы физики, мы делали это эмпирически: посредством экспериментов. Бросьте шар с башни, как это, возможно, сделал Галилей, и вы сможете измерить, сколько он пролетит и через какое время упадёт. Отпустите маятник, и вы сможете обнаружить взаимосвязь между его длиной и количеством времени на один период. Проделав это с различными расстояниями, длинами и временными отрезками, вы начнёте замечать систему: высота падения объекта пропорциональна квадрату времени, период маятника пропорционален квадратному корню его длины.

Но чтобы превратить пропорции в уравнения, нужно подобрать одну константу.
(далее…)

Двухфазный детектор нейтрино в эксперименте DUNE

Deep Underground Neutrino Experiment [подземный нейтринный эксперимент глубокого залегания] продвинет технологии, часто используемые для экспериментов, связанных с тёмной материей, и масштабирует их до рекордных размеров

В физике частиц настали интереснейшие времена. В ней полно загадок. Имеются намёки на вещи, не укладывающиеся в самые лучшие модели Вселенной, какие только есть у учёных – а исследователи вдохновляются друг другом, изучая все эти намёки.

Один из недавних примеров связан с готовящимся экспериментом Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), международным научным проектом мега-масштаба, в котором участвует 1100 учёных из 32 стран. Им руководит Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (Фермилаб), принадлежащая Министерству энергетики США, и расположенная в г. Батавия, Иллинойс. Фермилаб отправит пучок частиц под названием нейтрино сквозь 1300 км земной породы по направлению к огромному детектору частиц – он будет состоять из четырёх модулей, в сумме содержащих 70 000 тонн жидкого аргона – который приютит Стэнфордская подземная исследовательская лаборатория в Южной Дакоте. Учёные надеются узнать больше о свойствах этих загадочных частиц, возможно, имеющих прямое отношение к существованию самой материи.
(далее…)

Новая охота на тёмную материю проходит под горой

Давид Д’Анджело не всегда интересовался тёмной материей, но теперь он попал на передний край охоты за наиболее неуловимой частицей во Вселенной

Примерно в часе езды от Рима расположилось плотное скопление гор под названием Гран-Сассо-д’Италия. Они известны своей природной красотой и притягивают туристов круглый год, предлагая горнолыжные курорты мирового класса и пешеходные маршруты зимой, а также возможность купаться летом. Для 43-летнего итальянского физика Давида Д’Анджело эти горы – всё равно что второй дом. В отличие от большинства посетителей Гран-Сассо, Д’Анджело проводит большую часть времени под горами, а не на них.

Там, в изобилующем пещерами пространстве в тысяче метров под поверхностью земли, Д’Анджело работает над новым поколением экспериментов, посвящённых охоте за частицами тёмной материи – экзотической формы материи, чьё существование предполагается уже несколько десятилетий, но пока ещё не было доказано экспериментально.

Считается, что тёмная материя составляет до 27% Вселенной, и описание этой неуловимой субстанции – одна из наиболее острых проблем современной физики. Хотя Д’Анджело оптимистично считает, что прорыв произойдёт ещё при его жизни – точно так же думало и предыдущее поколение физиков. В принципе, есть неплохие шансы на то, что частицы, разыскиваемые Д’Анджело, вообще не существуют. Однако для физиков, зондирующих фундаментальную природу Вселенной, возможность провести всю карьеру в “охоте за привидениями”, как говорит Д’Анджело – это цена продвижения науки.
(далее…)