Тотальный ликбез: ещё 10 терминов, которые позволят вам прослыть эрудитом и хоть немного понимать научную тарабарщину
В сегодняшнем выпуске поговорим об антиматерии и тёмной материи (нет, это не одно и то же), коллайдере, будь он неладен, и много о чём ещё, о чём вы, возможно, слышали много раз, но стеснялись спросить!
Пока что на роль Теории всего больше всего подходит Стандартная модель – классическая теория, успешно объединяющая три фундаментальных взаимодействия из четырех. Впрочем, есть у Стандартной модели и серьезные пробелы. Она не может стать теорией всего, пока не объяснит гравитацию, темную материю и темную энергию, в чем пока безуспешна. 1
Конкурентом Стандартной модели на поприще становления Теории всего является Теория струн. Это очень сложная по своему математическому аппарату теория, правильно понять которую, как утверждают ученые, могут только опытные физики-теоретики.
В приблизительном изложении теория струн гласит, что все пространство нашей Вселенной не состоит из точечных частиц, а пронизано невероятно крошечными нитями энергии, или струнами, колебания которых в столь же крошечных десяти (а в теории суперструн даже 26!) измерениях (условно говоря, «сосудах») и представляют собой материю и фундаментальные взаимодействия.
Несмотря на то, что современные технологии не дают никакой возможности доказать существование струн, теория считается весьма перспективной, так как именно благодаря ей появляется возможность объединить ОТО и квантовую механику.
Помимо обычной материи, из которой мы с вами состоим, есть еще и антиматерия. Ее существование обусловлено существованием симметричных пар частица-античастица. Например, электрон-позитрон, протон-антипротон и т. д. Когда частица и ее античастица сталкиваются, происходит аннигиляция – взаимное уничтожение частиц с высвобождением значительного количества энергии.
Теория гласит, что в момент Большого взрыва, когда Вселенная только родилась, появилось равное количество материи и антиматерии. Сейчас во всем наблюдаемом космосе мы видим абсолютное превосходство обычной материи. Почему? Ответ на этот фундаментальный вопрос является предметом теоретических изысканий уже очень давно. Пока ученые не могут ответить наверняка.
Однажды Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную константу, чтобы результаты теоретических изысканий сошлись на желаемом результате. Впоследствии он стыдился этого несколько отчаянного шага и считал его самой большой ошибкой в своей жизни.
А затем, получив более совершенные астрофизические данные, ученые ввели в физику понятие темной энергии – неведомой силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением, которая по своим свойствам как раз описывается «подставной» эйнштейновской константой.
Консенсуса по поводу того, что из себя представляет темная энергия, пока нет. Однако все больше ученых склонны думать, что это неизменная энергетическая плотность, равномерно распределенная по Вселенной.
Темная энергия никак не взаимодействует с обычной материей за исключением гравитации. Также она составляет примерно 68,3% всей наблюдаемой Вселенной – намного больше, чем любой другой вид материи или энергии.
Если бы ее не было, то галактики должны были бы двигаться по-другому. Но наблюдения показывают, что на них действует что-то кроме видимого вещества. Массу этого «что-то» и назвали темной материей. Согласно расчетам, она составляет 26,8% от массы Вселенной.
В этот момент упорядоченность системы оказывается под угрозой, и ее дальнейшее развитие может пойти по двум из возможных сценариев: либо распад до хаотического состояния, либо выход на качественно новый уровень упорядоченности. К примеру, точкой бифуркации для государства можно назвать период политической нестабильности, для экономики – экономический кризис, а для человека – травмирующее событие.
Квантовый мир – то есть мир взаимодействия элементарных частиц, микромир – известен явлениями, которые невозможны или не имеют никакого эффекта в привычном нам макромире, состоящем из крупных объектов. Одним из самых любопытных таких явлений можно назвать квантовую запутанность.
Квантовая запутанность проявляется так: две (и более) частицы – к примеру, фотоны – оказываются взаимозависимыми, даже если их разделить на большие расстояния. Когда наблюдатель измеряет какую-либо квантовую характеристику одной частицы, то изменяется состояние и другой. Это явление можно использовать для создания невзламываемых шифров – квантовой криптографии, чем занимаются сейчас очень многие ученые по всему миру.
Значительно упрощая принцип неопределенности, открытый одним из отцов квантовой механики Вернером Гейзенбергом, можно описать так: невозможно определить, как будет двигаться любая частица, потому что это зависит от множества равнозначных вероятностей. Другими словами, явления квантового мира – как и, впрочем, всей физической Вселенной – не предопределены, а представляют из себя набор различных возможностей. Этот принцип – фундамент всей квантовой механики.
По этому поводу хорошо известны споры Альберта Эйнштейна с Гейзенбергом и Нильсом Бором. Эйнштейн не верил в квантовую механику, ответив как-то на аргументы относительно принципа неопределенности фразой «Бог не играет в кости». На что Бор, в свою очередь, ответил «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».
Научные новости относительно часто пестрят заголовками про новые рекорды квантовой телепортации. Но не стоит путать квантовую телепортацию с «обычной» телепортацией из научной фантастики. В первой перемещают информацию о квантовом состоянии отдельных элементарных частиц, а во второй с помощью фантастических, еще не изобретенных приспособлений, физически перемещают крупные объекты, включая человека, целиком.
Практическая осуществимость квантовой телепортации и эксперименты в этой области прямо сейчас приближают к нам эру полезных квантовых технологий, вроде все той же квантовой криптографии.
Громкие споры о том, принесет ли Большой адронный коллайдер апокалипсис, закончились еще где-то в самом начале 2010-х, но многие до сих пор не знают, что же это за зверь такой – коллайдер. Отвечаем: фактически это труба, прямая или зацикленная, в которой элементарные частицы разгоняют по направлению друг к другу и сталкивают в определенной точке. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Разгон заряженных частиц происходит за счёт электромагнитного пля.
Цель довольно проста: в высокоэнергетических столкновениях частицы распадаются на более мелкие частицы, и в этот момент ученые аккуратно детектируют все, что из них «высыпалось». Так ученые открывают новые элементарные частицы и углубляют наши представления о квантовом фундаменте Вселенной.
Стандартная модель
Мечтой физиков-теоретиков, включая всемирно известного Стивена Хокинга, уже многие годы является создание так называемой Теории всего, которая должна была бы объединить все накопленные знания о мире фундаментальных взаимодействий в единую непротиворечивую систему.Пока что на роль Теории всего больше всего подходит Стандартная модель – классическая теория, успешно объединяющая три фундаментальных взаимодействия из четырех. Впрочем, есть у Стандартной модели и серьезные пробелы. Она не может стать теорией всего, пока не объяснит гравитацию, темную материю и темную энергию, в чем пока безуспешна. 1
Теория струн
Конкурентом Стандартной модели на поприще становления Теории всего является Теория струн. Это очень сложная по своему математическому аппарату теория, правильно понять которую, как утверждают ученые, могут только опытные физики-теоретики.
В приблизительном изложении теория струн гласит, что все пространство нашей Вселенной не состоит из точечных частиц, а пронизано невероятно крошечными нитями энергии, или струнами, колебания которых в столь же крошечных десяти (а в теории суперструн даже 26!) измерениях (условно говоря, «сосудах») и представляют собой материю и фундаментальные взаимодействия.
Несмотря на то, что современные технологии не дают никакой возможности доказать существование струн, теория считается весьма перспективной, так как именно благодаря ей появляется возможность объединить ОТО и квантовую механику.
Антиматерия
Помимо обычной материи, из которой мы с вами состоим, есть еще и антиматерия. Ее существование обусловлено существованием симметричных пар частица-античастица. Например, электрон-позитрон, протон-антипротон и т. д. Когда частица и ее античастица сталкиваются, происходит аннигиляция – взаимное уничтожение частиц с высвобождением значительного количества энергии. Теория гласит, что в момент Большого взрыва, когда Вселенная только родилась, появилось равное количество материи и антиматерии. Сейчас во всем наблюдаемом космосе мы видим абсолютное превосходство обычной материи. Почему? Ответ на этот фундаментальный вопрос является предметом теоретических изысканий уже очень давно. Пока ученые не могут ответить наверняка.
Темная энергия
Однажды Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную константу, чтобы результаты теоретических изысканий сошлись на желаемом результате. Впоследствии он стыдился этого несколько отчаянного шага и считал его самой большой ошибкой в своей жизни. А затем, получив более совершенные астрофизические данные, ученые ввели в физику понятие темной энергии – неведомой силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением, которая по своим свойствам как раз описывается «подставной» эйнштейновской константой.
Консенсуса по поводу того, что из себя представляет темная энергия, пока нет. Однако все больше ученых склонны думать, что это неизменная энергетическая плотность, равномерно распределенная по Вселенной.
Темная энергия никак не взаимодействует с обычной материей за исключением гравитации. Также она составляет примерно 68,3% всей наблюдаемой Вселенной – намного больше, чем любой другой вид материи или энергии.
Темная материя
Помимо темной энергии есть еще и темная материя, которая так же воздействует на обычное вещество только через гравитацию. Темная материя тоже еще ни разу не наблюдалась напрямую, однако ее существование вытекает из современных математических моделей Вселенной.Если бы ее не было, то галактики должны были бы двигаться по-другому. Но наблюдения показывают, что на них действует что-то кроме видимого вещества. Массу этого «что-то» и назвали темной материей. Согласно расчетам, она составляет 26,8% от массы Вселенной.
Точка бифуркации
В термодинамике есть особое понятие, которое можно адаптировать практически к любой сложной динамической системе. Время от времени любая такая система, будь это государство, экономика или психика человека, вступает в критическое состояние неопределенности.В этот момент упорядоченность системы оказывается под угрозой, и ее дальнейшее развитие может пойти по двум из возможных сценариев: либо распад до хаотического состояния, либо выход на качественно новый уровень упорядоченности. К примеру, точкой бифуркации для государства можно назвать период политической нестабильности, для экономики – экономический кризис, а для человека – травмирующее событие.
Квантовая запутанность
Квантовый мир – то есть мир взаимодействия элементарных частиц, микромир – известен явлениями, которые невозможны или не имеют никакого эффекта в привычном нам макромире, состоящем из крупных объектов. Одним из самых любопытных таких явлений можно назвать квантовую запутанность. Квантовая запутанность проявляется так: две (и более) частицы – к примеру, фотоны – оказываются взаимозависимыми, даже если их разделить на большие расстояния. Когда наблюдатель измеряет какую-либо квантовую характеристику одной частицы, то изменяется состояние и другой. Это явление можно использовать для создания невзламываемых шифров – квантовой криптографии, чем занимаются сейчас очень многие ученые по всему миру.
Принцип неопределенности
Значительно упрощая принцип неопределенности, открытый одним из отцов квантовой механики Вернером Гейзенбергом, можно описать так: невозможно определить, как будет двигаться любая частица, потому что это зависит от множества равнозначных вероятностей. Другими словами, явления квантового мира – как и, впрочем, всей физической Вселенной – не предопределены, а представляют из себя набор различных возможностей. Этот принцип – фундамент всей квантовой механики.
По этому поводу хорошо известны споры Альберта Эйнштейна с Гейзенбергом и Нильсом Бором. Эйнштейн не верил в квантовую механику, ответив как-то на аргументы относительно принципа неопределенности фразой «Бог не играет в кости». На что Бор, в свою очередь, ответил «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».
Квантовая телепортация
Научные новости относительно часто пестрят заголовками про новые рекорды квантовой телепортации. Но не стоит путать квантовую телепортацию с «обычной» телепортацией из научной фантастики. В первой перемещают информацию о квантовом состоянии отдельных элементарных частиц, а во второй с помощью фантастических, еще не изобретенных приспособлений, физически перемещают крупные объекты, включая человека, целиком.
Практическая осуществимость квантовой телепортации и эксперименты в этой области прямо сейчас приближают к нам эру полезных квантовых технологий, вроде все той же квантовой криптографии.
Коллайдер (англ. collider от collide – сталкиваться)
Громкие споры о том, принесет ли Большой адронный коллайдер апокалипсис, закончились еще где-то в самом начале 2010-х, но многие до сих пор не знают, что же это за зверь такой – коллайдер. Отвечаем: фактически это труба, прямая или зацикленная, в которой элементарные частицы разгоняют по направлению друг к другу и сталкивают в определенной точке. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Разгон заряженных частиц происходит за счёт электромагнитного пля.Цель довольно проста: в высокоэнергетических столкновениях частицы распадаются на более мелкие частицы, и в этот момент ученые аккуратно детектируют все, что из них «высыпалось». Так ученые открывают новые элементарные частицы и углубляют наши представления о квантовом фундаменте Вселенной.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
