Почему скорость света константа на пальцах ⁠ ⁠

Скорость света - это, можно сказать, постоянная скорость движения абсолютно всей материи в пространстве-времени. Т.е. всё материальное в нашей 4-мерной Вселенной изначально движется со скоростью света, но скорость эта "делится": чем быстрее материя движется в пространстве, тем меньшая доля от скорости света остаётся на движение во времени, и наоборот - если тело медленно движется в пространстве, значит, оно с охеренной скоростью движется во времени. Экстремальный случай - сами фотоны (частицы света), они движутся в пространстве с максимальной скоростью, а во времени не движутся вообще. А способность у них такая потому, что они не имеют массы, т.е. их не "удерживает" поле Хиггса, поэтому как только они появляются - сразу "стреляют" в некоторую сторону с максимальной скоростью.

Всё это, конечно, очень грубо и на пальцах, но некоторое представление об устройстве Вселенной может дать)

Вопрос: "почему скорость света максимальна и постоянна?" некорректен, так как подразумевает необходимость наличия какой-то причины. Сейчас же оснований полагать, что такая причина существует - нет. То же самое касается и всех остальных фундаментальных констант, к примеру констант взаимодействий или чисел Пи, e.

Ни слова о гениальном Пуанкаре реальном авторе теории относительности, он бы вам точно все по полочкам разложил

ну, можно заметить, что эта скорость максимальна хотя бы по той причине, что для того, что бы разогнать некоторый абстрактный объект до скорости на бесконечно малую величину больше скорости света потребуется бесконечно большое количество энергии. проще говоря, большая скорость недостижима в нашей вселенной по той причине, что во всей вселенной не хватит на это энергии. так что нельзя сказать, что не существует математических объяснений "константности" этой скорости

39 цифр после запятой имеют из-за размерности вселенной или почему? а то чет такого не слышал)

Так вот почему рост людей на планете поднимается. Скорость света уточняют, ясно, спасибо!

И все-таки: почему скорость света не может быть выше того, что мы знаем сейчас? Весь пост был про то, как скорость измерили, как ее уточняли и как решили вместо нее "измерить" метр.

Потому что постулат всемогущего релятивиста определившего за все системы отчета универсума. relativism god mode on

Вот так вот захочешь после 22 лет раздолбайства узнать, как мир то на самом деле устроен и подумаешь - еб твою маать

ошибочка там есть: ". теперь скорость света c - истинная константа, а метр 1000 метров это расстояние, которое проходит свет в вакууме за (1/299 792 458) секунды"

или: ". теперь скорость света c - истинная константа, а метр это расстояние, которое проходит свет в вакууме за (1/299 792 458 000) секунды"

На самом деле никто точно не скажет, почему она - константа, так же, как и никто не знает, нахрена нужны и откуда взялись темные материя и энергия, а непонятную штуку в центре черной дыры назвали сингулярностью. В последнее время, кстати, довольно часто встречаются мнения, что мы живем в симуляции, причем мнения эти подкрепляются весьма убедительными фактами. Если в ближайшее время в науке не будет никаких важных прорывов, то, судя по всему, вся наша наука превратится в религию, основанную на вере. Во славу Императора

Теория струн⁠ ⁠

Модернизированный и усиленный Большой адронный коллайдер – снова в деле⁠ ⁠

Большой адронный коллайдер (БАК) - это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений.

БАК - это находящийся 100 метрах под землей кольцевой туннель длиной 27 км. Он расположен между международным аэропортом Женевы (Швейцария) и близлежащими горами Юра. Большая часть его протяженности находится на французской стороне границы. Официальный запуск БАК состоялся 10 сентября 2008 года.

Довольно большое количество людей по всему миру думают, что проводимые на БАК научные изыскания, неминуемо приведут к катастрофе мирового масштаба. Еще на этапе строительства БАК, мировая общественность и журналисты начали устраивать вокруг проекта невероятную шумиху. Черная дыра, странная материя, магнитный монополь – это только три основных "порождения" БАК, каждое из которых приведёт к гибели Земли. В основном, вокруг этих трёх "гипотез", и строят свои теории по катастрофе мирового масштаба конспирологи и антагонисты БАК. Массированию в умах человечества этих "гипотез", немало способствует и естественные страхи людей ко всему неизведанному и непонятному.

На самом деле, БАК – это далеко не единственный построенный и успешно функционирующий в мире адронный коллайдер. Вы возможно удивитесь, но в этом году адронным коллайдерам исполнился уж 51 год. 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в адронном коллайдере. Ускоритель CERN Intersecting Storage Rings длинною 943 метра, являлся как раз предшественником БАК, и именно на нём Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН) были начаты исследования по открытию новых частиц.

В 1999 году в лаборатории Фраскати в Италии был запущен электрон–позитронный коллайдер DAPHNE. Релятивистский тяжелый коллайдер иона (RHIC) был запущен Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) в Аптон, Нью-Йорк, США. В 2006 году запущен электрон–позитронный коллайдер ВЕРС II в институте физики высоких энергий IHEP, Пекин, Китай.

Ещё в советские времена Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) были запущены электрон–позитронные коллайдеры ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Оба этих коллайдера регулярно модернизируют и они успешно работают и по сей день (даже несмотря на пожар на ВЭПП-4М, который его практически уничтожил). Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжёлых ионов NICA, строящийся с 2013 года на базе Лаборатории физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований, в городе Дубна Московской области ,Россия, официально запустят в этом году.

Обновлённый БАК

3 декабря 2018 года научные эксперименты на БАК были остановлены на два года, для производства на нём второго крупного обновления. Обновление ускорителя и установка в кольцо коллайдера массы новых детекторов частиц и других приборов, затянулись много дольше изначально планированного. Только в 13:16 (по МСК) 22 апреля 2022 года в кольце БАК вновь начали циркулировать два пучка протонов.

В опубликованным сегодня CERN (ЦЕРН) официальном заявлении, говорится следующее:

Крупнейший и самый мощный в мире ускоритель частиц возобновил работу после более чем трехлетнего перерыва, связанного с проведением работ по техническому обслуживанию, усилению и модернизации. Сегодня, 22 апреля, в 12:16 CEST два пучка протонов начали циркулировать в противоположных направлениях по 27-километровому кольцу Большого адронного коллайдера с энергией их инжекции в 450 миллиардов электронвольт (450 ГэВ).

“Эти пучки циркулировали с энергией инжекции и содержали относительно небольшое количество протонов. Столкновения высокой интенсивности и высокой энергии ожидаются через пару месяцев”, - сказала глава отдела пучков ЦЕРНА Родри Джонс.

“Узловые части и оборудование коллайдера подверглись серьезной модернизации во время второй длительной остановки ускорительного комплекса CERN. На самом БАК был проведён целый комплекс мероприятий по усилению и теперь он будет работать с еще более высокой энергией, а благодаря значительным усовершенствованиям инжекторного комплекса он будет предоставлять значительно больше данных по новым экспериментам”, - сказал директор CERN по ускорителям и технологиям Майк Ламонт.

Эксперты LHC будут работать круглосуточно, чтобы постепенно увеличивать нагрузку на БАК и безопасно увеличить энергию и интенсивность пучков, прежде чем начнутся эксперименты со столкновениями частиц при рекордной энергии в 13,6 триллиона электронвольт (13,6 ТэВ). В этом третьем запуске БАК, получившем название Run 3, эксперименты по столкновению частиц позволят собирать данные о столкновениях не только с рекордной энергией, но и в беспрецедентных количествах. Эксперименты по новым столкновениям частиц позволят международным группам физиков в ЦЕРН и по всему миру изучить бозон Хиггса в мельчайших деталях и подвергнуть стандартную модель физики элементарных частиц и ее различные расширения самым строгим испытаниям.

Стоит отметить, что с начала работы БАК 10 сентября 2008 года и до его остановки на вторую крупную модернизацию 3 декабря 2018 года, с помощью Большого адронного коллайдера было открыто более 50 новых частиц. От элементарной частицы прелестно-странный барион (это реальное название частицы) открытой в рамках совместных исследований инженеров МФТИ, МИФИ и ФАН, и до всем известного бозон Хиггса.

Пережить космический Апокалипсис⁠ ⁠

Картина гибели человечества, показанная в вышедшем не так давно фильме “Не смотрите наверх” оживила в моем сознании угнездившееся там еще с “Семиевия” Нила Стивенсона недовольство. Я глубоко убежден, что уничтожить человечество гораздо сложнее, нежели тараканов, крыс или ворон, и меры слабее, чем расколоть планету на кусочки или устроить из Земли вторую Венеру, тут не сработают. И, при всей моей любви к космонавтике, шансы пронести цивилизацию через катастрофу на новый виток прогресса выше у других, более прозаичных вариантов.

Столкновение кометы с Землей, кадр из фильма

Все-таки не удержусь, чтобы не написать один абзац про “Не смотрите наверх”. Картина представляет собой сатиру на современное политическое и социальное устройство США, и сюжет двигается по следующим из этого законам. Возможности других космических государств от всего Европейского космического агентства до России (несколько сотен межконтинентальных баллистических ракет с ядерными боезарядами), Китая (примерно сотня МБР), Индии (несколько десятков) или даже Северной Кореи (неизвестное количество) сюжетно ограничиваются одной небольшой и неудачной попыткой на Байконуре. Не говоря о том, что человечество уже давно направляет плоды своего труда на траектории столкновения с другими небесными телами и первую миссию по отработке технологий изменения орбиты астероида запустило примерно за месяц до выхода фильма. Так что когда действительно угрожающие нашей планете астероид или комета появятся, у землян будут не только технологии, но и опыт аналогичных действий.

Но ладно, допустим, Земле угрожает неотвратимый астероид/комета или дождь из превратившейся в поток астероидов Луны. Здесь стоит отметить, что очень важным будет запас времени. Полгода из “Не смотрите наверх” или два года в “Семиевии” — это очень небольшие сроки, за которые даже в условиях военного положения и направления всех ресурсов на выживание, сделать можно будет не очень много. Сложные технические проекты, которыми человечество по-настоящему может гордиться, шли более длительное время: от попавших в СССР “Фау-2” до первого спутника прошло 12 лет, лунная программа “Аполлон” заняла 8 лет до первой высадки, советская ядерная программа длилась примерно 7, американский “Манхеттенский проект” — примерно шесть.

Уже под землей

Про катакомбы Парижа слышали многие, но если вы откроете список “подземных городов”, то удивитесь его длине. Впрочем, в большинстве случаев это всего лишь подземные переходы между зданиями или размещенные под поверхностью торговые центры. Большинство из них без расширения не позволят накопить сколько-нибудь серьезные ресурсы, чтобы пережить ад на поверхности, и не выдержат “поражающих факторов” астероида — ударную и сейсмические волны, а также цунами. По тем же причинам весьма сомнительна эффективность использования в качестве долговременного убежища метро, как правило, там постоянно приходится бороться с грунтовыми водами.

Из уже подготовленных природой убежищ нельзя не отметить пещеры, из которых не менее двадцати пяти имеют общую длину, превышающую 100 километров. Рекордсмен, Мамонтова пещера (штат Кентукки, США), имеет длину 676 км, два десятка больших залов и подземную реку. Но она лежит сравнительно близко к поверхности, а самая глубокая, пещера Веревкина, расположена в Абхазии и уходит вниз на 2212 метров, и совсем рядом есть еще четыре пещеры глубже полутора километров.

Нельзя не забывать про расположенные по всему миру шахты. Например, самая глубокая из вырытых, золотая шахта Мпоненг в ЮАР, имеет глубину 4 км. В сумме, 14 шахт достигают глубины 3 км. Необходимо понимать, что шахты создавались для добычи ресурсов, и их сейсмическая устойчивость будет очень различной. Но у человечества также есть и готовые сооружения, способные с максимальной вероятностью пережить падение “кометы Дибиаски”.

Схема комплекса NORAD в горе Шайенн, иллюстрация ВВС США

Так получилось, что “поражающие факторы” астероида не сильно отличаются от мощного атомного взрыва. А с началом ядерной эры сверхдержавы построили бункеры, способные пережить не просто прямое попадание ядерной боеголовки, но и специального противобункерного оружия. Самый известный — комплекс NORAD в горе Шайенн: под шестью сотнями метров гранита в туннелях объемом не меньше 453 тысяч кубических метров расположились пятнадцать трехэтажных зданий, установленных на амортизирующих сейсмический удар пружинах. Комплекс способен пережить близкий подрыв термоядерной боеголовки, но без модификаций его автономность составляет всего примерно месяц. Вода поступает из подземных источников, причем в больших количествах, чем потребляет комплекс, но электричество обеспечивают дизель-генераторы, топлива для которых надолго не хватит.Еще один бункер, который называют “подземным Пентагоном”, располагается в горе Рейвен рок, но про него известно гораздо меньше. Аналогичные бункеры для стратегического управления войсками, скорее всего, есть в России, американская пресса называла два возможных места: Косьвинский камень (Свердловская область) и гору Ямантау (Башкортостан). Количество китайских подземных баз оценивается примерно в сорок штук, но из них часть заброшены или переоборудованы в музеи. Широко известна база подводных лодок Юйлинь, но, в силу расположения на острове Хайнань от падения астероида ей, очевидно, будет дополнительно угрожать цунами. Известно, что весьма широко использует подземные сооружения Северная Корея, но из-за закрытости страны у нас есть только догадки об их характеристиках.

Подводные земледельцы

Не только погружение под землю позволяет оказаться в условиях постоянной и комфортной температуры, какой бы ад не творился на поверхности. Кроме случая превращения Земли в Венеру, когда океаны действительно выкипят, гигантские запасы воды будут служить амортизатором планетарной катастрофы. Учитывая, что средняя глубина Атлантического, Индийского, Тихого и Южного океанов превышает три километра, пространства, чтобы спрятаться, не просто много, а очень много. Температура воды резко падает от поверхности до глубины примерно километр, зато потом практически не меняется.

Огромным преимуществом подводных колоний будет доступность, теоретически, всего оставшегося океана. Можно добывать ресурсы из не тронутых во времена до катастрофы месторождений, расширять пространство с ростом населения, кочевать в более подходящие районы. Всех этих возможностей подземная колония лишена.

Подводная станция SEALAB I. Фото Undersea Technologies/Undersea Labs (Habitats) & Obs.

К сожалению, на этом хорошие новости заканчиваются. У человечества нет опыта создания и длительной работы обитаемых подводных сооружений не то, что ниже полутора километров, но и на гораздо меньшей глубине. Экспериментальных баз было создано более двадцати, но они были маленькими и, как правило, располагались не ниже нескольких десятков метров. Далее, подводное сооружение может функционировать в одном из двух режимов: в нем поддерживается обычное атмосферное давление, и конструкция выдерживает внешнее давление воды, либо же внутреннее давление равно наружному, и в конструкции есть удобный выход через открытый вниз проем, по-английски он называется “moon pool” (вспомните фильм “Бездна” или игру Subnautica). Очевидно, что с технической точки зрения для длительного пребывания лучше подходит второй вариант, но исследования в этом направлении велись недостаточно. Известно, что чисто кислородная атмосфера при повышенном давлении очень пожароопасна, в таких условиях горит даже то, что не горит в чистом кислороде при давлении в одну атмосферу. Также кислород при повышенном давлении токсичен. Использовать азот нельзя — отравление начинается примерно с глубины 30 метров (

4 атмосферы).Неврологический синдром высокого давления при использовании гелия начинается с 300 метров (

30 атмосфер). Рекорд погружения для человека составляет 701 метр (70,5 атм), но он был установлен в барокамере, и для дыхания использовалась смесь кислорода, гелия и водорода.

Если говорить про первый тип, когда внутри поддерживается обычное давление, то, с одной стороны, количество пилотируемых погружений в Марианскую впадину уже не помещается на пальцах одной руки, с другой стороны, это были короткие экспедиции — опустились, и назад. В жестком водолазном костюме, выдерживающем внешнее давление, рекорд погружения составляет 610 метров. Советская подводная лодка “Комсомолец” могла погружаться на 1250 м, но она была единственным представителем проекта, и ее автономность составляла всего 180 суток. Несмотря на кажущуюся привлекательность и освоенность этого пути, конструкции, которые должны выдерживать внешнее давление, будут стареть, изнашиваться, терять прочность, а построить новые будет крайне сложно.

К сожалению, несмотря на то, что внешне реально существовавшие экспериментальные базы очень похожи на капли из “Семиевия”, тут же возникшая идея построить их побольше и забрасывать в океан, что гораздо проще и дешевле, нежели выводить на орбиту, увы не годится без решения проблемы противостояния давлению либо выживания в повышенном. Учитывая, что за несколько лет до катастрофы из космоса длительных исследований провести не получится, единственным возможным вариантом оказываются мобильные сооружения, которые будут перемещаться так близко к поверхности, как это будут позволять условия, и, начав с конструкций для режима один, перейдут к режиму два, когда это позволят условия наверху.

Жизнеобеспечение

Падение крупного астероида окажет сравнимый с ядерной зимой эффект: поднятые вверх при ударе и последующих пожарах по всему миру частицы уменьшат количество падающих на поверхность солнечных лучей. Каменный Ливень “Семиевия” по сюжету продлился пять тысяч лет. Есть ли у человечества какие-то наработки, чтобы продержаться как можно дольше?

Сооружения Eden Project, фото A1personage/Wikimedia Commons

С одной стороны, картина может показаться не очень радостной. Широко известно, что эксперимент “Биосфера-2” провалился — создать полностью замкнутую систему жизнеобеспечения не удалось, даже несмотря на немаленькую площадь в 1,27 гектара. Но, в то же время, советский эксперимент БИОС-3 достиг практически 100% замкнутости по воде и воздуху и 80% по еде. На сегодняшний день, кроме “Биосферы” и БИОСа, замкнутые экосистемы исследуют: MELiSSA в Барселоне и китайский “Югон-1” (“Лунный дворец”). Британский Eden Project главным образом занимается культурой и просвещением. В 2014 году вышла книга Дэвида Данкенбергера и Джошуа Пирса “Накормить всех любой ценой”, где с научной точки зрения анализируются способы прокормить всех землян в случае глобальных катастроф, и делается вывод, что это вполне возможно. Среди предложенных вариантов: переработанная бактериями биомасса, грибы, орехи, насекомые, крысы, варианты весьма разнообразны.

Но необходимо понимать, что система жизнеобеспечения, в отличие от марсианского корабля, не будет полностью замкнутой, и это сильно облегчает задачу. В пещерах и шахтах можно забить все свободное пространство припасами, а в океане забросить контейнеры с ними поглубже.

Также, в море изобилие воды, из которой, если не хватит производительности растений, можно вырабатывать кислород для дыхания. Но и подземные сооружения могут получать воду: образцы воды из шахты Кидд, штат Онтарио, Канада, с глубины трех километров, оказались возрастом 2 миллиарда лет. То есть вода находилась в глубине со времен, когда атмосфера еще не была пригодна для дыхания. Там же сказано, что, несмотря на оценочную скорость глубинных подземных вод в 1 метр за год, пробуренные отверстия позволяют получать примерно два литра воды в минуту. Дополнительным, пусть и слабым, утешением служит то, что образующиеся при взаимодействии воды с породой сульфаты создают условия, благоприятные для жизни, так что если у нас не получится, выбравшиеся из шахт бактерии станут источником жизни когда-нибудь потом. И, кстати, этот факт говорит, что для поиска жизни на Марсе не обойтись без бурения глубоких шахт.

Еще один важный вопрос — энергетика. Здесь, кстати, все очень неплохо. Уже существует проект “Шельф”, где обслуживаемая раз в пять лет станция может быть погружена на небольшую глубину. Разменяв эффективность на надежность, вполне реально создать проект, рассчитанный лет на сто. Радиоизотопные генераторы (РИТЭГи) способны автономно, без какого-либо вмешательства, поставлять электричество десятилетиями. Также нельзя забывать про геотермальную энергетику. Градиент температуры составляет 25-30°С на километр, а, благодаря изобретенному в СССР бинарному циклу станции могут производить электричество на гораздо меньшей, нежели требовалось раньше, разнице температур.

Сколько спасать

Важный вопрос — размер популяции в убежище. Понятно, что в “Семиевии”, сократившееся до 8 женщин космическое человечество, в реальности было бы обречено — людей банально не хватит, чтобы обслуживать сложную технику, что уж тут говорить про описанные в книге интриги по рождению новых рас. Логичен вывод, что спасать нужно как можно больше, и дело даже не в гуманизме — у человека есть всего лишь примерно 16 рабочих часов в сутки, а, кроме основных работ по колонии вроде ухода за растениями, требуется ремонт ветшающей и ломающейся техники, обучение новых поколений, активности, связанные с культурой, которые не позволят деградировать и скатиться в варварство. Но здесь есть проблема — чем больше людей, тем меньше располагаемый запас ресурсов.

К сожалению, предыдущий опыт человечества, когда небольшая группа уходила в неизвестность и образовывала новую расу (белокожие, краснокожие и желтокожие люди появились именно так), здесь не подходит. Такие маленькие племена могли жить охотой и собирательством, в то время как обитатели убежищ критически зависят от своей техники. И, например, сценарий, когда мудрый компьютер или искусственный интеллект заботится об оборудовании и пасет дикарей, на нынешнем уровне технологий не является правдоподобным. К сожалению, оценок требуемой популяции немного и они весьма различаются.

В 2002 году антрополог Джон Мур рассчитал, что для стабильной популяции на протяжении двух веков требуется не менее 160 человек, но социальная инженерия, главным образом позднее деторождение, позволит, теоретически, сократить это количество до 80. Однако более продвинутая модель Кэмерона Смита, учитывающая риски эпидемий, несчастных случаев и как минимум одной серьезной катастрофы, получила число в диапазоне от 14 до 44 тысяч, что уже гораздо сложнее реализовать в одной шахте. В каком-то смысле эта (и еще множество потенциальных) проблем решаются распределением — расположенные в разных точках планеты убежища в целом переживут катастрофу, даже если несколько погибнут.

Если кто-то сейчас захочет мне напомнить про диггеров или пингеров “Семиевия”, то я отвечу, что эти проекты велись самодеятельной группой частников или государством по остаточному принципу. При подготовке этого материала мне попалась информация, что сам Стивенсон якобы говорил в интервью, что книга выражает его мнение о непропорциональном развитии ракет по сравнению с другими направлениями освоения потенциально обитаемого пространства. Тогда все логично выражает его позицию. Но поскольку я не вижу перекосов в развитии человечества (например, замечательные эксперименты Березина в “Огромном черном корабле” требуют очень специфической истории мира и все равно выглядят фантастикой для тех, кто мечтает о суперкалибрах, а не чем-то реалистичном), то и пренебрежение вполне реализуемыми мерами, особенно на фоне спасаемого исключительно сюжетным произволом космического человечества, не может не резать глаз.

Вообще, нарисованная выше картина еще невольно напоминает вселенную Fallout, но там, насколько я понимаю, генераторы электричества, чипы для очистки воды, системы кондиционирования и прочее представляют из себя техноволшебство, и их конструкция подробно не объясняется. В реальных убежищах вроде комплекса NORAD в горе Шайенн используются фильтры, что логично — война с использованием ядерного, химического или биологического оружия кислород из атмосферы не уничтожит, и гораздо проще фильтровать внешний воздух, нежели заниматься рециркуляцией. В сценарии одиночного астероида атмосфера может остаться пригодной для дыхания, что очень сильно упрощает ситуацию, но вот Тяжелая Бомбардировка из “Семиевия” такой возможности не даст.

Таким образом, финал “Не смотрите наверх” является слишком пессимистичным по сюжетным причинам. Биосфера Земли без специальных высокотехнологичных убежищ пережила падение небесного тела, образовавшего кратер Чикшулуб, и, предположительно, уничтожившего динозавров. Большинство ученых считают, что это был астероид, но есть и сторонники гипотезы того, что это была комета. Размер тела также оценивается по-разному, но он сравним с девятью километрами “кометы Дибиаски”. Так что финальные кадры с сыном госпожи президента являются не только попыткой скрасить шуткой мрачный финал, но и невольным намеком, что где-то на планете выжили лучше подготовленные люди.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Занимательная физика. Фонтан Герона, наглядно⁠ ⁠

Скорость света⁠ ⁠

Включил перед сном лекцию А.С. Чирцова про теорию относительности. Дремлю, почти засыпаю. И тут бац, сышу - рентгеновское и гамма излучение в веществе распространяется со скоростью превышающей скорость света.

А я всегда думал, что нет ничего быстрее света. Сон пропал) Захотелось с кем-то поделиться)

Интерес к науке⁠ ⁠

Электродинамика | Что такое электричество | Лекции по физике – физик Кирилл Половников | Научпоп⁠ ⁠

Электродинамика с нуля: что она описывает и изучает. Откуда берётся электричество? Как и кто его изучал? Как работают магниты? Есть ли противоречия в электродинамике? Чем электрическое поле отличается от магнитного? Что такое свет? Какие есть законы электродинамики?

Об этом — в мини-лекции по физике Кирилла Половникова, физика, кандидата физико-математических наук, стипендиата фонда «Династия».

Как определить массу Земли с помощью шаров и веревки⁠ ⁠

Чтобы найти суперогромные величины, нужно делать расчеты с очень и очень маленькими числами.Занятно думать о том, каким способом мы узнаём что-то. Например, масса Солнца составляет около 2 х 1030 кг. Это такое огромное число, что его трудно осознать. И если нам так сложно даже вообразить такие большие числа, как мы будем искать эти значения? Что ж, первоначальный метод заключался в использовании небольших масс, палки и веревки. Пожалуй, это один из важных шагов в определении массы как Солнца, так и всех планет в нашей Солнечной системе. Это эксперимент Кавендиша, впервые проведенный Генри Кавендишем в 1798 году. Эксперимент действительно крутой, поэтому я собираюсь объяснить, как он работает.

Между объектами, обладающими массой, существует гравитационное притяжение. У баскетбольного мяча есть гравитационное взаимодействие с Землей (поскольку они оба имеют массу). Именно это гравитационное взаимодействие заставляет баскетбольный мяч ускоряться, когда он падает на землю, если вы его отпустите. Естественно, все всегда знали, что если отпустить предмет, он упадет. Однако только примерно во времена Ньютона люди осознали, что это притяжение также действует между астрономическими объектами, такими как Земля, Луна и Солнце. Это дает нам модель взаимодействия сил, которую часто называют законом всемирного тяготения Ньютона, но, как и у большинства крупных идей, у нее наверняка было много соавторов.

Давайте рассмотрим эту модель гравитационной силы. Во-первых, величина этой силы зависит от произведения двух взаимодействующих масс (m1 и m2). Во-вторых, величина уменьшается пропорционально квадрату расстояния между двумя объектами ( r ). Наконец, есть G. Это универсальная гравитационная постоянная. Это ключ к определению массы Земли.

Итак, давайте сделаем шаг назад на мгновение. Когда мы измеряем вещи, нам всегда приходится делать какой-то выбор. Если мы хотим получить массу в килограммах, то мы должны решить, как указать значение 1 кг. Можно сказать, что килограмм — это масса 1 литра воды. Конечно, это не лучшее определение (теперь у нас есть методы получше). Хорошо, а как насчет измерения силы? Мы используем единицу под названием Ньютон, где 1 Ньютон — это сила, необходимая для ускорения тела, массой 1 килограмм, на 1 метр на секунду в квадрате. Да, ситуация выходит из-под контроля, но главное то, что вы можете дать эти определения и построить одну единицу измерения на другой.

А теперь представьте себе этот эксперимент. Предположим, я беру литр воды (который, как я знаю, составляет 1 килограмм) и измеряю гравитационную силу, исходящую от Земли. Если я знаю радиус Земли (греки прекрасно справились с его вычислением) и гравитационную постоянную G, то я могу решить уравнение гравитационной силы для массы Земли (см.выше). Но что такое гравитационная постоянная? Это сложная часть, и вот как вы можете найти значение G.

Оказывается, эта гравитационная постоянная очень мала. Это означает, что притяжение между двумя обычными объектами, такими как бутылки с водой, до смешного ничтожно мало. Единственный способ получить заметную гравитационную силу — это если одна из взаимодействующих масс огромна (как Земля). Однако есть способ разобраться — использовать крутильные весы.

Начнем с простой демонстрации физики, которую вы можете попробовать дома. Возьмите карандаш и поместите его на край стола так, чтобы примерно половина карандаша свешивалась с края, будто он вот-вот упадет, но держится. В этот момент карандаш в основном балансирует прямо на краю стола. Карандаш поддерживает только эта крошечная точка контакта, поэтому сила трения не может вызвать крутящий момент, чтобы остановить его вращение. Даже сверхмалое усилие, прижимающее конец карандаша, заставит его вращаться. Стоит едва подуть, чтобы карандаш начал вращаться.

Мне нравится подносить пальцы к карандашу и притворяться, будто я использую свои супергеройские способности, чтобы двигать его. Теперь давайте заменим карандаш более длинной палкой, и вместо того, чтобы класть ее на стол, я бы повесил ее на веревке. Поскольку она опирается на середину, достаточно крошечной силы чтобы заставить ее вращаться, как и в случае с карандашом. Вместо того, чтобы дуть, мы могли бы заставить небольшую гравитационную силу двигать ее. Вот как это работает.

На конце вращающегося горизонтального стержня есть две меньшие массы (обозначенные m1). Эти массы взаимодействуют с большими массами (m2), которые находятся на расстоянии ( r ) от них. Горизонтальный стержень в конечном итоге достигнет некоторого положения равновесия, поскольку из-за скручивания троса, который поддерживает стержень, возникает небольшой крутящий момент. Трос действует как вращающаяся пружина. Чем больше он скручивается, тем больше крутящий момент. Если вы знаете соотношение между углом поворота (θ) и крутящим моментом, вы можете вычислить гравитационную силу, притягивающую массу на конце палки к большей неподвижной массе. В конфигурации на диаграмме выше большие массы заставят палку вращаться по часовой стрелке (как видно сверху). Если вы переместите бóльшие массы на другую сторону от палки, гравитационные силы заставят ее вращаться против часовой стрелки. Это показывает, что вращение происходит из-за гравитационного взаимодействия между парными массами. Как только палка займет устойчивое положение, останется лишь измерить массы и расстояние между ними, чтобы получить гравитационную постоянную.

В этом случае мы получаем гравитационную постоянную G = 6,67 x 10-11N*m^2 кг^2. Вы можете видеть, что эта константа действительно очень мала. В качестве примера мы можем продемонстрировать, как производится вычисление. Предположим, что вы человек, стоящий на расстоянии 1 метра от другого человека такой же массы (около 75 кг). Какая величина силы будет действовать на вас из-за гравитационного притяжения? Подставляя эти значения (вместе с константой) в уравнение силы мы получаем:

Но в этом нет смысла. Никто не может почувствовать настолько небольшую силу. Попробуем представить ситуацию с силой, сопоставимой с гравитационным притяжением между двумя людьми. Как вам такое? Предположим, вы кладете в руку небольшой предмет. Вы можете почувствовать гравитационную силу Земли на этом объекте, потому что ваша рука должна толкать его вверх, чтобы уравновесить гравитационную силу. Объект какой массы создаст вызванную Землей гравитационную силу, равную силе притяжения между двумя людьми? На поверхности Земли некоторые из этих значений всегда одинаковы (гравитационная постоянная, масса Земли и расстояние до центра Земли). Мы можем сгруппировать все эти значения в одно число.

Мы можем назвать это локальной гравитационной постоянной Земли (local-Earth gravitational constant). Все, что вам нужно сделать, это взять массу и умножить на «g» (мы используем строчную букву «g», чтобы ее не путать с другой гравитационной постоянной «G»), и вы получите гравитационную силу (вес). В этом случае вам понадобится объект массой около 4 x 10-11 грамм, чтобы получить вес, равный силе притяжения между двумя людьми. Это все еще слишком мало для того, чтобы понять. А если так? Человеческие волосы могут иметь линейную массовую плотность 6,5 граммов на километр (информация из этой публикации). Это означает, волос длиной всего 6 x 10-6 миллиметров имеет вес, равный притяжению между двумя людьми. Это уму непостижимо. Вот вам бонус, мои расчеты, если вы хотите изменить значения.

О, да, вы можете повторить тот же самый расчет, но использовать известную массу и вычислить массу Земли. Получится около 5,97 x 10^24 килограмма. Но зачем останавливаться на достигнутом? Вы также можете использовать значение G, чтобы найти массу солнца. Я кратко объясню, как работает этот расчет.

Итак, у вас есть планета, подобная Меркурию, которая вращается вокруг Солнца. Если учесть, что орбита круговая, то на Меркурий действует гравитационная сила со стороны Солнца.

Гравитационная сила заставляет планету ускоряться и двигаться по кругу (центростремительное ускорение). Но это центростремительное ускорение зависит как от угловой скорости (ω), так и от орбитального расстояния ( R ). Поскольку на планете действует только одна сила (гравитационная сила), она будет равна массе, умноженной на ускорение, и в результате получится следующее соотношение.

Обратите внимание: здесь предполагается, что солнце неподвижно, что, в целом, верно. Масса Солнца колоссальна по сравнению с массой Меркурия, так что масса Меркурия не имеет значения. Итак, решение для нахождения массы солнца:

Теперь вам просто нужно найти расстояние от точки орбиты до центра Меркурия. Вы можете сделать это, начав с радиуса Земли. Затем вам нужно найти угловую скорость — вы можете получить её, посмотрев, сколько времени требуется Меркурию, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. После этого все готово. У вас есть гравитационная постоянная, и вы можете вычислить массу Солнца. Удивительно, что все это начнется с каких-то небольших масс на горизонтально вращающейся палке, но это правда.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Илон Маск дело говорит!⁠ ⁠

Есть коробка с носками:

Сверхсветовая скорость возможна для объектов , теория делает звезды ближе⁠ ⁠

Ученые придумали, как преодолеть скорость света при космических полетах

Примеры топологии солитонных пузырей с космическим кораблем.

Астрофизик из Геттингенского университета Эрик Ленц предложил теоретическое решение для создания так называемых варп-двигателей, разгоняющих космические корабли до скоростей, превышающих скорость света. Такой двигатель, если он будет создан, позволит долететь до ближайшей звезды и вернуться обратно за считанные годы вместо десятков тысяч лет. Статья опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

Варп-двигатель, или двигатель искривления — вымышленный элемент космических аппаратов, описанный во многих научно-фантастических произведениях. Предполагается, что звездолеты, оснащенные таким двигателем, перемещаются в пространстве со скоростью, превышающей скорость света, и таким образом преодолевают межзвездные расстояния за приемлемое для одного поколения людей время.

Чисто теоретически такое сверхсветовое перемещение возможно, если создать перераспределение темной энергии в охватывающем корабль космическом пространстве, чтобы позади корабля был ее избыток, а спереди — область отрицательной энергии.

Но, во-первых, о темной энергии на сегодняшний день практически ничего не известно, а во-вторых, исходя из общей теории относительности Эйнштейна, перераспределение огромного количества гипотетических частиц материи, обладающей экзотическими свойствами, потребует гигантского количества энергии.

Новое исследование, проведенное в Геттингенском университете, позволяет обойти эти проблемы с помощью нового класса сверхбыстрых устойчивых одиночных волн — солитонов, созданных только за счет источников с положительной энергией. Никаких "экзотических" отрицательных плотностей энергии для этого не требуется.

Автор исследования доктор Эрик Ленц (Erik Lentz) описывает теоретически возможные конфигурации кривизны пространства-времени, организованные в солитоны, или "пузыри искривления" — компактные волны, которые, сохраняя свою форму, могут двигаться с любой скоростью. Помещенный внутрь такого пузыря космический корабль будет перемещаться вместе с самим солитоном.

По расчетам ученого, если бы можно было выработать достаточно энергии, путь до ближайшей звезды Проксима Центавра внутри пузыря искривления занял бы всего четыре года. Для сравнения, при нынешних ракетных технологиях время такого путешествия составит более 50 тысяч лет. При этом все уравнения, использованные автором исследования, основаны на традиционной физике.

Ленц вывел уравнения Эйнштейна — Максвелла для неизученных солитонных конфигураций и обнаружил, что измененная геометрия пространства-времени может быть сформирована таким образом, чтобы работать даже с обычными источниками энергии. По сути, новый метод использует саму структуру пространства и времени, организованную в солитон, чтобы обеспечить решение проблемы сверхсветового путешествия.

Кроме того, солитоны Ленца сконфигурированы так, чтобы минимизировать действие приливных сил, так что течение времени внутри и снаружи пузыря совпадает. Это позволяет избежать так называемого "парадокса близнецов", согласно которому один близнец, путешествующий со скоростью, близкой к скорости света, будет стареть намного медленнее другого, оставшегося на Земле.

"Эта работа переместила проблему путешествий со скоростью, превышающей скорость света, на один шаг из области теоретических исследований фундаментальной физики к инженерным наукам, — приводятся в пресс-релизе Геттингенского университета слова ученого. — Следующим шагом будет выяснение того, как снизить астрономическое количество необходимой энергии до диапазона сегодняшних технологий, таких как ядерная силовая установка, работающая на цепной реакции деления. Тогда можно будет говорить о создании первых прототипов".

В настоящее время количество энергии, требуемой для этого нового типа космической силовой установки, по-прежнему огромно.

солитон: Уединенная волна в лабораторном волновом канале В математике и физике , солитон или уединенная волна представляет собой устойчивый волновой пакет , который сохраняет свою форму в то время как она распространяется с постоянной скоростью, с минимальной потерей энергии. Солитоны возникают из-за отмены нелинейных и дисперсионных эффектов в среде. (Эффекты дисперсии - это свойство некоторых систем, в которых скорость волны зависит от ее частоты.) Солитон - https://ru.qaz.wiki/wiki/Soliton

Солитон не просто волна, а волна сохраняющая компактную форму с малой потерей энергии. Природа солитона связана с граничными условиями, в которых распространяется волна, а не с механикой вихрей в самой волне. Отражение волны от дна и берегов канала при удачном соотношении путей отражённых волн создает возвращение излученной во-вне энергии обратно в волну. Поэтому потери расходуются только на трение (внутреннее и о границы) и солитон имеет большую амплитуду гораздо дольше, чем волна в открытой среде или при неудачной геометрии границ. Солитоны можно получить не только в волновом движении, но и в движении упругих шаров в жёлобе. Например, два шара могут разбегаться, а потом, после отражения от стенок, опять сходиться, и так много раз.

Физики шутят: "Если эта наклейка голубая, то ты едешь слишком быстро"⁠ ⁠

Скорость света сняли с помощью сверхбыстрой камеры⁠ ⁠

Известные блогеры youtube-канала The Slow Mo опубликовали новый видеосюжет, в котором показали, как выглядит в реальности перемещение света. Для этого они использовали камеру, способную снимать со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.

Скорости камеры оказалось достаточно, чтобы она смогла зафиксировать перемещение света. Сюжет блогеров за сутки посмотрели почти полмиллиона человек.

"У меня странные ощущения, словно человек никогда не должен был бы это видеть. Мы словно проникли в основание Вселенной", - отметил один из блогеров.

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света⁠ ⁠

В первой части своего повествования, я упомянул как аксиому тот факт, что скорость света постоянна и не зависит от системы отсчёта, однако, не рассказал, зачем вообще нашей вселенной понадобилось ограничивать максимальную скорость передвижения. Данный пост я хочу посвятить исключительно ответу на вопрос

ЗАЧЕМ ВСЕЛЕННОЙ СКОРОСТЬ СВЕТА И ПОЧЕМУ СВЕТ ЗДЕСЬ НИ ПРИ ЧЁМ?

Имеет ли скорость света какое-либо отношение собственно к свету? Что же делает скорость света такой «специальной», почему мы наблюдаем такой «Вселенский» заговор, препятствующий всем фотонам (да что там фотонам – чему угодно!) перемещаться быстрее, чем предельные 299 тыс. км/с?

Ответ — данное утверждение ложно. Вернее оно перевёрнуто с ног на голову. Вселенная не устроена так, чтобы поддерживать скорость света постоянной, в действительности пространству-времени наплевать на свет, оно и сейчас расширяется быстрее скорости света и при этом ещё и продолжает ускоряться. Вселенское ограничение скорости имеет более глубокие корни.

В предыдущем посте я уже затронул причинность при рассказе о пространственно-временных интервалах. Причинно-следственные связи — это единственное, о чём могут договориться любые наблюдатели, находящиеся в любой системе отсчёта.

Но почему у причинности имеется максимальная скорость? И почему эта скорость случайно совпадает со скоростью света в вакууме?

Давайте разбираться, и начнём мы издалека, с 1632 года, когда Галилео Галилей предстал перед судом Святой Инквизиции за его поддержку в своей книге идей Коперника о гелиоцентрической системе мироустройства. Однако, кроме всего прочего, в своей книге Галилей так же упомянул «принцип относительности», который его словами звучал примерно так:

Галилео заявлял, что не только нет никакого особенного места, но и нет никакой особенной скорости, которая могла бы повлиять на исход «механического эксперимента» в системе, которая движется прямолинейно и без ускорения. Это одно из великих предвидений Галилея было позднее кодифицировано другим гигантом — Исааком Ньютоном в своих «законах».

Перенесёмся на 200 лет позднее для того, чтобы встретить ещё одного героя нашего рассказа – Джеймса Кларка Максвелла, который умудрился вплести эти законы в 4 уравнения, элегантно описывающие весь феномен электромагнетизма.

К концу 19 века у нас были законы Ньютона, уравнения Максвелла, ещё несколько теорий, и общее ощущение того, что физика закончилась и вселенная познана. кроме двух маленьких проблемок — первые намёки на квантовую природу Вселенной и небольшую сумятицу, которые уравнения Максвелла внесли в Галилееву относительность. Вообще, и Ньютонова механика негласно опиралась на предположение, что скорость света бесконечно велика, а если бы это было действительно так, то это повлекло бы весьма серьёзные осложнения, однако, давайте разберёмся с уравнениями Максвелла, вот они:

Эти уравнения настолько значимы, что отлиты в бронзе на его памятнике. Не пугайтесь, примерный смысл этих уравнений выражается следующим образом:

1. Электрический заряд является источником магнитной индукции (теорема Гаусса).

3. Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле (закон индукции Фарадея)

4. Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле (закон Ампера - Максвелла).

Тот перевёрнутый треугольник называется "набла" - это просто индикатор особой операции, чуть сложнее, чем операторы + или —.

Но будем проще. Позовём наших друзей, Алису и Бориса, которые путешествуют на железнодорожной платформе. При этом Алиса ещё катается на скейте. и она электрическая, нам ведь нужно что-то электрически-заряженное, чтобы генерировать магнитное поле. Выглядит это как-то так:

Перемещаясь по платформе, Алиса генерирует магнитное поле, и мы, зная уравнения Максвелла, можем посчитать силу данного поля, зная полную скорость Алисы (v1 + v2). Мы так же можем прямо измерить эту силу при помощи физического эксперимента.

Борис — кот учёный и тоже умеет считать. Наблюдая за перемещениями Алисы со скоростью v1 он так же посчитает силу магнитного поля. и что-то не сходится. Очевидно же, что сила магнитного поля, которое генерирует Алиса, одна и та же. Мы измеряем не само поле, а его эффект — силу Лоренца — зависимый от скорости баланс между электрическим и магнитными полями. Оба поля работа работают, чтобы создать эту силу (полная сила электромагнитного поля на движущийся со скоростью v заряд q, в которую вносит свой вклад как электрическое Е, так и магнитное B поля:

Причём, сила эта не зависит от системы отсчёта. Это наводит нас на мысль о том, что электромагнитная сила каким-то образом связывает скорость и пространство-время. Как же нам выявить эту связь? Борису и нам нужна какое-нибудь волшебное преобразование, позволяющее переводить уравнения Максвелла из одной системы отсчёта в другую.

Таким примером могло бы служить Галилеево преобразование, которое просто говорит о том, что скорости складываются, а пространство и время не зависят от скорости. То же самое преобразование использует Ньютоновская механика, и мы только что применили их для преобразования уравнений Максвелла к скорости Алисы.

Но внезапно оказалось, что к уравнениям Максвелла нельзя применить Галилеево преобразование таким образом, чтобы они выдавали непротиворечивые результаты, иными словами они НЕ ИНВАРИАНТНЫ!

Вроде бы они и выдавали правильные значения для низких скоростей, но приводили в полный хаос векторные составляющие полей, а для высоких скоростей эти значения. нет, просто забудьте о высоких скоростях! Физика совсем поломалась!

После преобразований, линии напряжённости магнитного поля будут выглядеть как-то так:

Так что же, Максвелл был неправ? Нет, как выяснилось, неправ был Галилей.

Преобразования, на которых работала Ньютоновская механика, были неправильными. Единственные работающие преобразования, были Лоренцевы (о них я рассказывал в первой части), но до сего момента они были чуть больше, чем некая математическая абстракция для преобразования поворота в четырёхмерном пространстве (к слову, к современному виду их привёл французский математик Анри Пуанкаре за 5 лет до Эйнштейна в 1900 года, который об этой работе не знал и сделал то же самое лишь в 1905).

Лоренцевы преобразования были известны задолго до Эйнштейна. Кому интересно узнать больше, на Википедии есть хорошая статья про то, как их можно вывести самостоятельно в домашних условиях.

Вкратце, история сводится к следующим логическим выкладкам:

Давайте честно признаем, что сложение скоростей (v1 + v2) не работает! Необходимо другое преобразование!

Законы физики работают неизменно, вне зависимости от положения, ориентации или скорости. Нам абсолютно не важно, где находится Алиса, в каком направлении, и с какой скоростью она движется. Это должно быть так — Земля вертится вокруг своей оси, вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Млечного пути, наше положение, ориентация и скорость меняются кардинальным образом, в зависимости от нашей точки зрения, но наши физические эксперименты выдают одни и те же результаты, несмотря на это.

Теперь давайте сделаем ещё одно смелое предположение — что Вселенная устроена логично!

Добавим так же требование, что нам постоянно необходимо делать преобразования между разными системами отсчёта туда и обратно и получать непротиворечивые результаты — мы должны иметь возможность пройти путь преобразований при переходе из в системы отсчёта Алисы к системе отсчёта Бориса, затем – в нашу систему отсчёта, откуда мы их наблюдаем, а затем повторить весь путь назад к Алисе и получить те же результаты, с которых мы начали, при этом изменяя лишь один параметр — скорость.

И наконец, добавим ко всему этому щепотку алгебры — получим преобразования Лоренца. Единственное преобразование, которое отвечает всем нашим требованиям!

Эйнштейн заподозрил, что поскольку данные преобразования столь хорошо справляются сзадачей, возможно, они описывают некие фундаментальные законы самой природы пространства-времени, природы нашей реальности.

Однако, в формуле преобразования Лоренца присутствует некая константа c, значение которой нам неизвестно.

Физический смысл этой константы – вселенский скоростной предел. Почему? Потому что без неё константы, преобразования Лоренца бы попросту не работали, данная константа — необходимый элемент формулы преобразования, без которого обойтись невозможно. Преобразования Галилея — это лишь частный случай преобразований Лоренца, гдс c = ∞. И действительно, с точки зрения симметрии и относительности, константа c действительно могла бы быть бесконечной.

При помощи преобразований Лоренца, наконец, позволили получить инвариантные версии уравнений Максвелла (согласованное значение для магнитного поля Алисы, вне зависимости от системы отсчёта: нашей, Бориса, либо её собственной), без них, мы бы не смоли дать описания законам электромагнетизма — это стало ещё одним подтверждением того, что данные преобразования корректно описывают окружающую нас действительность.

Однако, не любое значение константы с нам подойдёт. Данное значение должно быть комбинацией значений фундаментальных констант в уравнениях Максвелла, иными словами, для того, чтобы электрические законы и законы магнетизма работали, нам так же необходимо ограничение — совершенно определённое значение константы c в формуле преобразования Лоренца.

Так что же это за значение? Да можно просто найти его комбинируя результаты физических экспериментов с электромагнитными полями, а затем — применять к этим значениям преобразования Лоренца туда и обратно с разными значениями с. Когда после преобразования из одной системы отсчёта в другую и обратно результаты совпадут с исходными, это и будет требуемым нам значением. Но подождите. ВНЕЗАПНО оказывается, что значение, которое мы нашли, в точности совпадает с измеренной скоростью распространения электромагнитных волн — скоростью света.

Ещё со времён Ньютона мы знаем, что масса обременяет движение, если же у чего-либо отсутствует масса, то нет и никаких препятствий двигаться настолько быстро, насколько это вообще возможно. Фотоны, гравитационные волны, глюоны — всё, что не имеет массы движется в нашей Вселенной с максимально-возможной скоростью. Соответственно, и для передачи информации (взаимодействия) между двумя уголками Вселенной, максимальной скоростью будет являться скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

Иными словами, скорость света, это максимальная скорость распространения причинно-следственных связей — скорость причинности.

Взгляните на рисунок — это трёхмерное представление уже знакомой нам диаграммы Минковского. К нашему настоящему моменту (красная стрелка показывает наблюдателя) из прошлого сужается воронка — наш «световой конус прошлого». На наше текущее настоящее может повлиять только событие, которое попадает в рамки данного конуса — этот конус — наш «горизонт событий». В будущее воронка расходится и включает в себя все события, на которые мы в состоянии повлиять из настоящего момента. Если событие находится за пределами нашего светового конуса, то причинно-следственной связи между такими событиями быть не может.

Интерпретация Эйнштейном ФИЗИЧЕСКОГО СМЫСЛА преобразований Лоренца и дала нам Специальную Теорию Относительности, установив фундаментальную связь между пространством и временем.

Так что бы было, если бы не было этого Вселенского ограничения скорости? Если мы оставим значение c = ∞ (сейчас речь о константе c в преобразованиях, а не о скорости света), то не было бы и массы, так как на создание какой-либо массы потребовалось бы бесконечное количество энергии (E = mc²), во вселенной существовали бы только безмассовые частицы, перемещающиеся на бесконечной скорости.

Существование самого пространства-времени было бы невозможным – с бесконечным замедлением времени и сокращением расстояний до нуля, между событиями отсутствовали бы причинно-следственные связи (вернее, любое бесконечно-удалённое и бесконечно-давнее событие могло бы повлиять на любое событие в бесконечном будущем и наоборот), был бы вселенский хаос — безвременной танец безмассовых частиц в вечном «здесь и сейчас».

Разумеется, мы не могли бы существовать в подобном парадоксе. Для возникновения нашей Вселенной, ей просто необходимо было ограничить максимальную скорость причинно-следственных связей, иначе она попросту не могла бы возникнуть и существовать .

В следующей части мы поговорим об эквивалентности массы и энергии и об истинном смысле формулы E = mc².

Что вы увидите при разгоне до скорости света⁠ ⁠

Из-за аберрации света и эффекта Доплера картинка так необычно искажается. А из-за замедления времени, которое описывает теория относительности, полет даже к самым далеким звездам может занять всего несколько минут (если вы выдержите такое ускорение, правда:))

Когда частица может двигаться быстрее скорости света⁠ ⁠

В 1933 году в лаборатории Физико-математического института Павел Черенков и Сергей Вавилов обнаружили ранее неизвестный феномен. Чистая вода, без всяких примесей, начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах — быстрее света.

Слова "быстрее света" не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а в разных материалах он движется медленнее. Свет — это электромагнитная волна, колебания поля. Но в любом веществе есть атомы, которые вносят задержку в передачу энергии электромагнитной волной. Или просто не пропускают волну внутрь: это происходит в непрозрачных средах.

Если в вакууме предел составляет без малого 300 тыс. км/с (с такой скоростью за 1 с можно облететь Землю по экватору 7,5 раза), то в воде — только 225 тыс. км/с. Для оптического стекла значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тыс. км/с.

Законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, поэтому какое-то расстояние в среде частица пролетает быстрее "местного ограничения". Все это время она тормозит и, следовательно, теряет энергию, которой надо куда-то деваться. При торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света.

Детально эффект был описан Черенковым, Вавиловым, Игорем Таммом и Ильей Франком. Все они, кроме умершего в 1951-м Вавилова, получили Нобелевскую премию по физике. Сам эффект по сей день применяется в исследованиях, а наблюдается как в технике, так и в природе, главное — знать, куда смотреть.

Почему стекло прозрачное на пальцах™⁠ ⁠

В статье я пробую рассказать, почему некоторые вещества прозрачны для видимого света, а другие нет. Полностью эта тема — весьма сложна и уходит в самые дебри физических процессов, затрагивая оптику, химию, квантовую механику и еще множество смежных дисциплин и включает в себя вырвиглазные формулы и зубодробильный матаппарат. Я сознательно буду делать весьма широкие допущения, опуская 9/10х того, что происходит в веществе на самом деле.

Моя цель — рассказать так, чтобы стало понятно школьнику, который даже еще не начал изучать физику, т.е. буквально пятикласснику.

Итак, как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атомы устроены не сложно (в нашем, простецком описании на пальцах™). В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона, или группы протонов и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны на своих электронных орбитах/орбиталях.

Свет тоже устроен довольно просто. Забудем (кто помнил) про корпускулярно–волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет потоком шариков–фотонов, летящий из фонарика прямо к нам в глаз.

Теперь, если мы поставим между фонариком и глазом бетонную стенку — мы больше не увидим света. А если посветим на эту стенку фонариком с нашей стороны — наоборот увидим, ибо луч света отразится от бетона, и попадет к нам в глаз. Но сквозь бетон свет не пойдет.

Логично предположить, что шарики–фотоны отражаются и не проходят сквозь бетонную стену потому, что бьются об атомы вещества, т.е. бетона. Точнее бьются об электроны, ибо электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиталь к ядру, а отскакивает и отражается уже от электрона.

Почему же свет проходит сквозь стеклянную стену? Ведь внутри стекла тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким–нибудь из них, ведь атомов же триллионы в каждой крупинке стекла!

Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. Возьмем самый простой случай, один электрон вращается вокруг одного протона (это атом водорода) и представим себе, что по этому электрону шарахнуло фотоном.

Вся энергия фотона перешла электрону. Говорят, что фотон поглотился электроном и исчез. А электрон получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.

Поглощение фотона электроном и переход последнего на более высокую орбиту

Чаще всего более высокие орбиты менее устойчивы, и через какое–то время, электрон испустит этот фотон, т.е. "отпустит его на свободу", а сам вернется на свою низкую устойчивую орбиту. Испущенный фотон полетит в совершенно случайную сторону, потом будет поглощен другим, соседним атомом, и так и останется блуждать в веществе, покуда случайно не излучится назад обратно, или не пойдет в конечном итоге на нагрев бетонной стены.

А теперь самое интересное. Электронные орбиты не могут находиться где угодно вокруг ядра атома. У каждого атома каждого химического элемента есть четко детерминированный и конечный набор уровней или орбит. Электрон не может чуть–чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне четкий промежуток вверх или вниз, а так как эти уровни различаются энергиями, это означает, что только фотон с определенной и весьма точно заданной энергией может подтолкнуть электрон на более высокую орбиту.

Получается, что если у нас летят три фотона с разными энергиями, и только у одного она точно равна разнице энергий между уровнями какого–то конкретного атома, лишь этот фотон "столкнется" с атомом, остальные пролетят мимо, в буквальном смысле "сквозь атом", ибо не смогут сообщить электрону четко заданную порцию энергии для перехода на другой уровень.

А как мы можем найти фотоны с разными энергиями?

Вроде бы, чем больше скорость, тем выше энергия, это знает каждый, но ведь все фотоны летят с одной и той же скоростью — скоростью света!

Может быть чем ярче и мощнее источник света (например если взять армейский прожектор, вместо фонарика), тем больше энергии будет у фотонов? Нет. В мощном и ярком луче прожектора просто большее количество самих штук фотонов, но энергия у каждого отдельного фотона точно такая же, как и у тех, что вылетают из дохлого карманного фонарика.

И вот тут нам придется все–таки вспомнить, что свет это не только поток шариков–частиц, но еще и волна. Разные фотоны отличаются разной длиной волны, т.е. разной частотой собственных колебаний. И чем выше частота колебаний, тем более мощный заряд энергии несет фотон.

Низкочастотные фотоны (инфракрасного света или радиоволны) несут мало энергии, высокочастотные (ультрафиолетовый свет или рентгеновское излучение) — много. Видимый свет — где–то посредине.

Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла!

Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.

А вот ультрафиолетовые фотоны — вполне себе несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло — совершенно черное и непрозрачное.

Причем, что интересно. Слишком много энергии — тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций, т.е. молекул.

Например бетон прозрачен для радиоволн, и инфракрасного излучения, непрозрачен для видимого света и ультрафиолета, не прозрачен так же для рентгена, но снова прозрачен (в какой–то мере) для гамма-излучения.

Именно по этому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.

А если еще вспомнить, что видимый свет тоже не весь белый, а состоит из разных длин (т.е. цветов) волн от красного до темно–синего, станет примерно понятно, почему предметы имеют разные цвета и оттенки, почему розы красные, а фиалки — голубые. Но, это уже тема для другого поста, объясняющего сложные физические явления простым языком аналогий на пальцах™.

Элементарные частицы на пальцах™⁠ ⁠

эпиграф

"Весь мир лишь атомы и пустота"

Демокрит –400 год

Все тела состоят из атомов. Атомы находятся в бесконечной пустоте и при этом неделимы и неотличимы друг от друга. Все разнообразие мира возникает лишь от разности конфигурации атомов в структуры высшего порядка.

Как и другие философы Древней Греции, Демокрит выдвинул свою идею об атомах и общем устройстве мира абсолютно из головы. Посидел, подумал, почитал труды предшественников и современников и задвинул такую мощную телегу. Ни на чем не основываясь, лишь потому, что идея красивая и в слова складывается ладно. Древние греки вообще доказательствами себя сильно не морочили. Философские споры того времени решались просто — кто красивей выступил на публичном форуме, тот и прав. Многие современные аспекты человеческой деятельности так и остались на древнегреческом уровне развития, но вот наука со временем отмежевалась от философии и перешла к оперированию сущностями объективной реальности, данной нам в ощущениях, а нашим приборам в измерениях.

Что думает об элементарных частицах наука сегодня, точнее, как их можно представить себе на пальцах™, читайте далее.

Идея Демокрита о фундаментальных и неделимых атомах прожила 2500 лет и лишь совсем недавно получила научные подтверждения. Конечно, в нее внесли кое–какие корректировки, все знают, что атомы оказались не такими уж и неделимыми, что они состоят из элементарных частиц — электронов, протонов и нейтронов. Которые, в свою очередь, тоже, вроде бы состоят из неких кварков, но тут еще не до конца все понятно, так как состоят–то они состоят, но разделить их на отдельные части–кварки не получается, ибо конфайнмент.

Кроме этих трех вроде бы основных, существует еще масса других экзотических элементарных частиц, всяческие бозоны Хиггса и нейтрино, с разными параметрами и свойствами, их открыто уже более двухсот, так официально и называют "зоопарк частиц" или "particle zoo" по–английски.

Ученые знают (потому что тестировали, потому что проводили эксперименты) множество законов, которым эти частицы подчиняются, какими способами они могут соединяться друг с другом и даже превращаться друг в друга, однако до сих пор в научных кругах нет единого мнения, что же из себя представляют частицы, что они есть, в чем их суть?

В данной статье попытаюсь рассказать на пальцах™, как современная наука понимает суть элементарных частиц, повторюсь — единого мнения нет, есть множество формул, глядя на которые ученые мужи кивают головами и говорят — "да, сие есть правда". Но попробуй попросить объяснить, что эти формулы означают. Тут каждый выйдет вперед со своим толкованием, во–первых потому, что как я уже (три раза) упоминал — единого мнения до сих по нет, а во–вторых, потому что формулы описывают настолько заумные и далекие от повседневной жизни сущности, которые и представить себе сложно или даже невозможно, если не упрощать и не пользоваться доступными аналогиями. Если начать копать в глубину, у нормального человека мозг заканчивается уже на подступах, да и сами ученые на каком–то этапе бросают попытки визуализировать и как–либо представить себе происходящее, а просто продолжают гонять формулы туда–сюда, получая при этом (это важно!) предсказания, согласующиеся с результатами эксперимента.

И это совсем не значит, что "вот такие ученые дураки, даже элементарной частицы представить себе не могут!", как раз наоборот, наука продолжает давать верные ответы (что для нас означает — новые айфоны, автомобили и телевизоры) там, где человеческая фантазия и способность удерживать картинку в голове заканчивается. Натренированное на сказках "о драконах и принцессах" человеческое воображение пасует перед визуализацией "гамильтониана энергетических переходов многомерной вложенности" и прочими прелестями микромира. Но отчаиваться не стоит, не забираясь в детали и упрощая аналогии, любой неподготовленный человек может составить себе хоть какую–то картину, возможно данный пост поможет вам в этом.

Демокрит отказался провидчески прав, кроме неких деталей он почти все угадал верно — сегодня ученые считают, что даже атомы не нужны, весь мир лишь энергия и пространство–время (пустота).

Сначала люди думали, что элементарные частицы (которые тогда еще называли "атомы") это такие малююююсенькие шарики, которые непонятно как цепляются друг к другу, образуя все привычные вещества и предметы окружающей реальности. Почему шарики? Просто потому, почему бы и нет. Сфера — простейшая фигура, идеальная и симметричная со всех сторон. Природа ведь во всем стремится к простоте, в науке этот тезис звучит как "принцип наименьшего действия".

Древнегреческий математик и философ Платон решил, что шарики это слишком просто. Он наделил атомы формой, считая, что как и все совершенное, атомы должны представлять из себя правильные многогранники.

Как вы наверное слышали, в девятнадцатом веке ученые решили, что элементарные частицы вовсе не частицы, а наоборот волны. А в начале двадцатого придумали квантовую механику, решили, что элементарные частицы сразу одновременно и волны и частицы, нарекли их "волночастицами", породив тем самым корпускулярно–волновой дуализм.

Однако уже к тридцатым годам прошлого столетия от этой концепции решили отказаться. Да–да, вот уже почти сотню лет никакого корпускулярно–волнового дуализма в науке нет. Что бы там ни рассказывали в школе, это устаревшее понятие, и ученые им больше не пользуются. Однако широкую публику решили не шокировать и пока от волночастиц вслух не открещиваться. Народу даже с дуализмом смириться, и то серьезных ментальных усилий стоит. А реальность уж куда удивительней и загадочней.

Дело в том, что любая элементарная частица это как бы хитросплетенный сконденсированный кусочек чистой энергии. Визуально представить подобное почти невозможно, воображение заканчивается. В этой статье я как раз пытаюсь на пальцах™ объяснить, что это может значит. Как способен существовать кусочек чистой энергии? А если способен, то почему элементарные частицы отличаются друг от друга, энергия–то одна и та же. Или все–таки разная?

Нет, энергия одна, хоть и принимает различные физические формы, как вода, разлитая по разным сосудам. Действительно, так как все элементарные частицы состоят из одной и той же энергии, то теоретически, они могут превращаться друг в друга в любой комбинации. Что, кстати говоря, и делают в реальности. Точнее, не совсем в любой. В мире элементарных частиц, как, впрочем, и в нашем, действуют так называемые законы сохранения. Существуют некоторые свойства, от которых невозможно избавиться никакими метаморфозами. Например закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, импульса и так далее, подробности чуть ниже.

Для начала подумайте, как устроены и для чего предназначены разнообразные ускорители частиц, вроде Большого Адронного Коллайдера и прочих синхрофазотронов? Весь смысл их работы — собрать большое количество энергии в малом объеме. Точка. Как это достигается, не так уж и важно. Самый простой способ, это разогнать две частицы и столкнуть их лоб в лоб. То есть берут два протона (на самом деле конечно же миллиарды протонов), разгоняют их по кругу в противоположных направлениях до практически световых скоростей и сталкивают друг об друга. От удара выделяется большая энергия. В достаточно небольшом объеме. Сами протоны уничтожаются в этом столкновении, на какой–то миг переходят в состояние чистой энергии, как бы "возносятся в небеса", чтобы потом "вернуться и осесть" в виде каких–то других частиц, если повезет, даже доселе неизвестных науке.

Вкратце, это все, чем занимаются ученые. Концентрируют большую энергию в малом объеме, и смотрят, что из этого получится. Для этого необязательно сталкивать протоны. Можно сталкивать электроны, нейтроны или атомы свинца. Можно вообще ничего не сталкивать, есть другие виды экспериментов, например очень мощный лазер фокусируют на мельчайшей мишени и расстреливают ее в упор, это тоже способ собрать большую энергию в малом объеме. В конце концов можно просто взять молоток и со всей дури начать херачить им по наковальне. При этом тоже будет выделяться некая энергия и при большой удаче можно будет получить какую–то элементарную частицу. Это я шучу, конечно, все–таки порядки энергий не совсем те, но в принципе идея та же самая. "Возгоняем" материю до состояния чистой энергии, а потом смотрим, во что она "оседает".

Тут важно помнить и понимать два существенных фактора. Первый я уже упоминал, это наличие законов сохранения. Вполне интуитивная концепция — существуют несколько не меняющихся характеристик, которые как вошли в реакцию, точно так же и выдут из нее. Самый главный тут, конечно — закон сохранения энергии. Посчитаем, сколько у нас частиц (по массе) участвовало в реакции, ведь, что масса, что энергия, все равно E=mc^2. Плюс добавим сюда ту энергию, которую частицы приобрели за счет своей скорости (а их для того и разгоняют в ускорителях, чтобы добавить дополнительной энергии). Ровно столько же энергии мы получим на выходе, она никуда не денется, не исчезнет. То есть теоретически (теоретически!), мы можем так разогнать два протона, что после столкновения их лоб в лоб у нас окажется столько энергии, что ее хватит на образование сразу миллиона протонов. Теоретически да, но тут нельзя забывать, что кроме закона сохранения энергии существуют и другие законы сохранения.

Например закон сохранения заряда. Если в реакцию "влетело" два протона, и каждый имел при этом положительный заряд +1, то и на выходе мы должны получить что–то, что будет иметь суммарный заряд равный +2. Например на выходе нас могут ожидать 1000 нейтронов (заряд 0), 1000 электронов (заряд –1) и 1002 позитрона (заряд +1), чтобы в сумме все равно получалось +2. Или любая другая комбинация, главное, чтобы общий баланс в итоге сошелся. Кроме этого есть и другие законы сохранения: закон сохранения момента импульса, барионного числа, спина, четности и т.д. Некоторые из них безусловные, т.е. работают всегда и при любых обстоятельствах, другие выполняются лишь в определенных конфигурациях, но в целом идея весьма простая. Что, грубо говоря, влетело в реакцию, то (в сумме) из нее и вылетит. Хоть и в совершено неузнаваемом виде, не обязательно это будут те протоны, которые изначально в нее влетали.

Отмечу, что у нас тут не обычная химическая реакция, а некий процесс перехода материи в состояние чистой энергии, а затем возвращение ее назад, но уже в абсолютно ином, точнее, абсолютно любом виде. Вылететь из этой реакции может все что угодно. Все, что не нарушает законы сохранения. Это могут оказаться совершенно экзотические частицы, вместо привычных протонов, электронов и нейтронов. Могут вылететь какие–нибудь тау–мезоны, мюонные антинейтрино, отрицательные W– бозоны, или вообще неведомая зверушка, для которой и названия не придумали. Как раз упомянутый выше "зоопарк частиц", который еще не полон и ученые периодически открывают новые, все более экзотические экземпляры.

Чем более массивная получилась частица, чем больше энергии мы затратили на ее изготовление, тем короче она живет. Практически все тяжелые экзотические частицы нестабильны, и в сжатое время (мы говорим о порядках 10^–24 секунды) они распадаются на другие, уже более легкие, которые тоже могут распасться на еще более легкие, покуда в итоге мы не вернемся к привычным стабильным протонам с электронами. Ну, и фотонам, конечно же. Фотоны — частицы света, частицы этой самой "чистой энергии" тоже рождаются в таких реакциях, и если не удается "осадить" в виде какой–нибудь стабильной частицы, то они просто разлетаются в стороны, унося энергию с собой в виде тепла. Получается, что энергия может существовать как–бы в двух состояниях. Состоянии собственно чистой энергии — не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света фотонов, или же она может "сконденсироваться и осесть" в виде какой–либо элементарной частицы, с массой покоя и другими присущими материи характеристиками. Это, если повезет, конечно.

Ведь есть еще и второй, очень важный фактор, который играет огромную роль во всех этих превращениях частиц друг в друга, но который совершенно не интуитивен с точки зрения каждодневного человеческого опыта. Все реакции "возгонки и осаждения" элементарных частиц происходят в мире, которым управляют законы квантовой механики. А если вы хоть чуточку знакомы с принципами этой механики, то должны бы знать — все процессы в ней принципиально вероятностны и абсолютно случайны. Например, влетело у нас в реакцию два протона, с суммарной энергией, скажем, 10 ТэВ (10 триллионов электронвольт). Цифра не значит абсолютно ничего и приведена лишь для примера, не нужно ей особо заморачиваться. Следуя законам квантовой механики, каждый раз из этой реакции будут вываливаться другой набор частиц. Учитывая все законы сохранения, естественно, о которых я писал выше. Но никогда не узнаешь наперед, что вывалится в следующей конкретной реакции. Вот у нас из двух протонов на энергии столкновения 10 ТэВ получился топ–кварк и три тау–лептона (еще раз напоминаю, все реакции не соответствуют действительным, и приведены лишь в качестве примеров), а вот из таких же двух протонов (или даже тех же самых) на той же энергии столкновения, родилось 10 каонов, 11 мюонов, 7 тау–нейтрино и один бозон Хиггса. И никогда не угадаешь, почему так, а не иначе.

Ну, ученые тоже не совсем зря хлеб едят. Они все подсчитали, и чисто статистически, учитывая все тонкости, могут сказать — с вероятностью 40% при столкновении на такой энергии из реакции вывалятся три тау–лептона. С вероятностью 25% родятся 11 мюонов и 13 позитронов. А 11 мюонов и 12 позитронов вообще никогда не родятся, ибо при этом нарушится закон сохранения электрического заряда. Но с вероятностью в 3% могут родиться 11 мюонов, 13 позитронов и один нейтрон, так как он нейтральный и своей лепты в закон сохранения заряда не вносит.

В принципе, если сильно не лезть в детали, самое важное в реакции это масса, т.е. энергия родившейся частицы. Например частица Z–бозон имеет массу около 1.6·10^–25 килограмм, и это уже не с потолка цифра, а из википедии взята. Значит, если мы столкнем два протона на энергии 91.2 ГэВ (91.2 миллиардов электронвольт), а это как раз эквивалентно массе 1.6·10^–25 килограмм по всем уже полюбившейся формуле эквивалентности энергии и массы E=mc^2, то скорее всего мы этот Z–бозон в результате и получим. Если все другие законы сохранения не нарушены, естественно. А можем и не получить. Все вроде есть, энергия присутствует, заряды на месте, все указывает на то, что в результате реакции должен родится Z–бозон. А он раз, и не родился. Вероятность не выпала, не судьба. Короче говоря — "без выигрыша, попробуйте еще раз".

Именно таким образом и искали небезызвестный бозон Хиггса, про которого столько шума было в прессе пару лет назад. Ученые не знали точной его массы, но предполагали, что по теоретическим расчетам, она должна быть не менее такой–то величины, но в то же время и не более другой. В этом промежутке энергий и сталкивали протоны наугад, в надежде, что попадут в верное место и бозон Хиггса все–таки родится. Потому его поиски заняли несколько лет, если очень упрощенно говорить — все это время наугад тыкали, на каких же энергиях необходимо сталкивать протоны, чтобы получился бозон Хиггса. Перебирали разные варианты и в результате в конце концов вроде бы нашли его на энергии 125 ГэВ, что составляет примерно 2.22·10^–25 килограмма, или около 133 масс протона.

Теперь собственно, основная часть статьи. Аналогия, которая, возможно, поможет хоть как–то визуализировать, что из себя представляет элементарная частица, каким образом она рождается и как умирает.

Представьте себе некую ткань, например полотенце, которое небрежно уронили куда–то. На полотенце лежат две кучки песка, символизирующие два протона. Затем по этой ткани снизу ударили рукой, песок из кучек поднялся в воздух и посыпался обратно на полотенце. А оно совсем не натянуто, оно скомкано, в горах и долинах, ямы то тут, то там, совершенно измятая структура. Песок в данной аналогии у нас представляет собой энергию, которая поднявшись вверх затем "осаждается" в виде частиц, а полотенце даже сразу и не соображу, что символизирует. Оно символизирует одновременно и начальные условия и законы сохранения этих условий, и конфигурацию пространства–времени в месте, где происходит реакция "нисхождения" энергии, и расположение локальных минимумов энергии в этом пространстве–времени и еще много чего. Короче говоря — символизирует условия, в которых происходит процесс "осаждения" энергии. Что–то такое эфемерное и надуманное, ну, так аналогия же. Не нужно к ней слишком сильно придираться, конечно можно найти кучу нестыковок, она для образного представления приведена, а не для точного описания физики элементарных частиц.

Вроде бы равномерно (но все–таки случайным образом) падающий на ткань песок будет накапливаться в ямках, формируя какие–то структуры. Тут горка, там горка, а тут целая горища, потому что ямка в этом месте была глубокая. Горищи окажутся скорее всего неустойчивыми и при малейшем колебании рассыпятся на более мелкие кучки, а кое–где так и останутся ни с чем не связанные отдельные песчинки–фотоны.

Тут должна быть анимированная трехмерная модель, как песок подлетает, а затем валится назад на полотенце, образует кучки, кучки собираются и вновь рассыпаются, все это в динамике, вращается в пространстве под разными углами, видны сечения процессов и так далее. Но такой анимации в Интернете я не нашел, так что, поверьте на слово и включите воображение в этом месте все должно быть круто, информативно и доступно.

Читатели со звездочкой(*) знают, что хотя издалека полотенце кажется однородным и скомканным примерно равномерно, все время выходит так, что левые склоны формирующихся горок постоянно оказываются чуть более пологими, чем правые. Сразу и не заметишь, однако такая интересная закономерность была экспериментально обнаружена. Как и множество других, по кусочкам воссоздающих единую картину физики микромира.

Вот такая вот аналогия. Каждая образовавшаяся кучка песка в нашем воображаемом эксперименте представляет из себя некую стабильную частицу, получившуюся в результате "осаждения" энергии, высвободившейся при столкновении протонов. Причем не красивые ровные горы, а такие скрюченные складками полотенца, размазанные по пространству хреновины непонятной формы. А те горки, что развалились, представляют нестабильные частицы, которые вроде бы формируются, но потом опять распадаются под тяжестью собственного веса.

Какие в результате окажутся у нас частицы заранее и не скажешь, все будет зависеть от конфигурации изгибов ткани, а она у нас, напомню, брошена совершенно случайным образом. Но случайность–случайностью, а законы сохранения плюс статистика позволяют ученым делать кое–какие проверяемые предсказания.

Однако каждая кучка, по сути, состоит из одинакового песка. Просто сложенного в виде какой–то хитрой фигуры, заданной формой ткани полотенца. Каждая частица это одна и та же, но в разном количестве и по разному скомканная энергия. Еще раз особо подчеркну — не нужно думать, что наше скомканное полотенце, это искривленное пространство–время, в складках которого "застревает" энергия, образуя элементарные частицы. Не нужно понимать эту аналогию конкретно и буквально, искривления пространства–времени это совсем другой оперы либретто, это вам в Общую Теорию Относительности надо. От читателя хочу добиться лишь образной визуализации — каждая элементарная частица, это кусочек особым образом сконфигурированной (внешними обстоятельствами) энергии, висящей в окружающей пустоте. Вроде (только вроде!) нижеприведенной картинки, хотя это и вольная фантазия художника, а не реальная фотография частицы, естественно.

Конфигурация (фигура, если можно так сказать) данной энергии очень важна. Конфигурация энергии воспринимается нами, наблюдателями, как свойства конкретной частицы — заряд, спин, барионное число, масса покоя и так далее. Именно от этих свойств зависит, как частицы взаимодействуют между собой, или даже как превращаются друг в друга. Некоторые частицы вообще не будут друг с другом взаимодействовать. Не подходят их конфигурации друг другу, не входят "штырьки в отверстия, а ключи в замки", они просто пролетают мимо друг друга, а иногда и сквозь друг друга в прямом смысле слова, без взаимодействия. Потому что энергия же, ничего твердого внутри частиц нет.

Если конфигурация иная, частицы сталкиваются лоб в лоб, и разлетаются, словно бильярдные шары. Как будто–бы их энергия становится твердой. Хоть так и неправильно говорить, конечно. Просто при взаимодействии двух кусочков энергии они так идеально подходят друг другу, что образуют взаимодействия притягивания или отталкивания. А если конфигурация третья — то и могут объединиться в единую систему, стать запутанными частицами, образовать единую волновую функцию. А то и вовсе слиться из двух в одну устойчивую частицу, так тоже бывает.

И еще раз, теперь уже в последний, напомню и предостерегу. Представление частицы, как некой "хитрым образом размазанной по пространству энергии" призвано лишь помочь в визуализации. Это лучше чем "корпускулы", лучше чем "волны" и даже лучше, чем "корпускулярно–волновой дуализм". Но это все еще очень далеко от реальности. В реальности придется долго–долго перемножать многоэтажные тензоры комплексного гильбертова пространства, чтобы хоть как–то что–то предсказать и рассчитать. А как там оно на самом деле до сих пор не знает никто.