Млечный Путь № 2 2020

Шимон ДАВИДЕНКО
НОВОЕ - НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

В Интернете сейчас можно найти множество порталов и сайтов, СМИ и личных блогов, где публикуют новости науки и техники. Не всегда сразу удается понять, какие из новостей соответствуют действительности, какие новости еще не "отшлифованы" реальными проверками, а какие и вовсе выдуманы и являются фейком.

Один из надежных интернет-ресурсов - портал

https://medium.com/

Портал англоязычный, но сейчас очень легко любой англоязычный текст перевести на русский там же, в интернете. Разумеется, это не будет высокохудожественный перевод, но вполне понятный для того, чтобы разобраться в опубликованной научной новости.

Вот несколько интересных примеров.

https://medium.com/average-student/whats-on-the-other-side-of-a-black-hole-409aa86fd004

ЧТО ТАМ, С ДРУГОЙ СТОРОНЫ ОТ ЧЕРНЫХ ДЫР?

Шидхар Трипати

Обычные карты бесполезны внутри черных дыр. На горизонте событий - конечной сфере невозврата, когда вы приближаетесь к черной дыре, - время и пространство меняют свой характер. Нужна новая система координат, чтобы проследить путь материального тела внутрь черной дыры. Но карты, которые мы рисуем с использованием обычных координат, показывают что-то неожиданное - они не оканчиваются внутри черной дыры, но продолжаются дальше! На этих картах черные дыры становятся червоточинами, на другой стороне которых находятся новые вселенные.

Картографы изображают поверхность Земли по линиям долготы и широты, чтобы каждая точка на планете могла быть четко определена двумя числами - везде, кроме северного и южного полюсов. Там все линии долготы сливаются, и на северном полюсе все направления показывают на юг. Мы называем эти точки координатными особенностями (сингулярностями).

Сингулярность - это место, где переменная величина становится бесконечно большой - и один оборот на полюсе переносит вас через долготы с бесконечной скоростью.

Сингулярность полюсов может быть "изгнана", если мы сместим сферическую систему координат, используемой для изображения Земли, или вообще полностью изменим систему координат - например, вы можете увеличить расстояние между линиями долготы при приближении к полюсам, чтобы эти линии не сходились вообще. Разверните получившийся цилиндр, и вы получите проекцию Меркатора - очень полезную карту, если помнить, что Гренландия на самом деле не больше, чем Южная Америка.

Чтобы отобразить Вселенную, нам нужно три измерения пространства вместо двух, плюс измерение времени. И карты Вселенной в этом четырехмерном пространстве-времени также имеют координатные особенности - например, вокруг черной дыры.

Наша первая карта пространства-времени черной дыры - метрика Шварцшильда - сравнительно простой фрагмент алгебраического выражения, полученный Карлом Шварцшильдом всего через пару месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. Метрика Шварцшильда позволяет рассчитать траекторию движения объекта в безумном гравитационном поле черной дыры. Эта метрика даже "работает" внутри черной дыры - под неизбежным горизонтом событий.

Хотя метрика Шварцшильда и "работает" в обеих этих областях, ее нельзя использовать для построения траектории, которая фактически пересекает горизонт событий. Это происходит потому, что на горизонте событий время, по-видимому, замерзает с точки зрения отдаленного наблюдателя. А ведь метрика Шварцшильда определяется в единицах пространства и времени именно этого наблюдателя. Поэтому, если попытаться проследить путь материального тела через горизонт по часам внешнего наблюдателя, то момент пересечения никогда не наступит! Это похоже на то, как Ахиллес гоняется за черепахой в парадоксе Зенона: Ахиллес на каждом шаге пробегает лишь половину оставшегося расстояния и поэтому никогда не догонит черепаху.

Конечно, в реальности Ахиллес догнал бы черепаху и, в связанной с ним системе координат, провалился бы сквозь горизонт событий. Горизонт событий - это просто координатная сингулярность, подобная полюсам Земли, и поэтому для создания гладкой карты черной дыры нам нужна проекция Меркатора.

В проекции Меркатора расстояние между линиями долготы умножается на коэффициент, который зависит от широты точки измерения, и этот коэффициент становится бесконечно большим на полюсах, чтобы исключить сходящиеся линии долготы. Для черной дыры мы вместо этого соединяем время с чем-то, называемым координатой черепахи в парадоксе Зенона. Это мера расстояния, которая становится бесконечно компактной при приближении к горизонту. Компактификация устраняет бесконечное растяжение времени, так что координатные линии плавно проходят через горизонт событий.

Первой такой схемой были координаты Эддингтона-Финкельштейна, и они показали, что сингулярность горизонта событий является иллюзией. Координаты Крускала-Секереша улучшили карту, показав, что траектория движения луча света (фотона) всегда проходит под углом 45 градусов к горизонту событий. На диаграмме Крускала-Секереша горизонт событий становится также 45-градусной линией, хотя на самом деле имеет постоянный физический размер. Поскольку ничто не может путешествовать быстрее света, это очень ясно дает понять, какие части вселенной доступны.

Координаты Крускала - Секереша

Близко к горизонту событий даже на скоростной трассе есть только узкое окно спасения. Внутри же горизонта событий такого окна не остается. Сейчас еще более популярны среди межгалактических путешественников координаты Пенроуза. На диаграммах Пенроуза пространство и время также объединяются на бесконечном расстоянии, так что вся вселенная помещается на одной диаграмме.

В проекции Меркатора мы знаем, что линии долготы и широты не просто заканчиваются на краю страницы - они зацикливаются. Общая теория относительности использует нулевую геодезическую линию - путь, пройденный световыми лучами, - в сетке пространства-времени, и мы также предполагаем, что эти линии не заканчиваются. Нет резкого перегиба пространства-времени, развевающегося на ветру.

Единственное место, где заканчиваются геодезические - это настоящие сингулярности, как в центре черной дыры. На диаграмме Пенроуза мы видим, что световые лучи могут либо уйти от черной дыры на бесконечное расстояние, либо продвинуться к центру черной дыры и потеряться.

Диаграмма Пенроуза Pt.2 (пунктирные линии показывают движение света от будущего космического горизонта и сингулярности черной дыры, в то время как другие линии показывают движение света к будущему космическому

горизонту и сингулярности черной дыры от прошлого

космического горизонта.)

Мы также видим, что световые лучи могут входить издалека в сторону черной дыры - никаких проблем там нет. Но как насчет лучей света, идущих в другом направлении? У них нет разумной точки происхождения.

Мы говорим, что диаграмма Пенроуза геодезически неполна, потому что есть лучи света с неопределенным происхождением. Это равносильно тому, что мы не исследовали весь диапазон координат Пенроуза в рамках описания черной дыры Шварцшильдом. Если мы проследим эти координаты в полном объеме, мы получим так называемое максимально расширенное решение Шварцшильда - и оно обнаруживает странные новые области на диаграмме Пенроуза. Если мы проследим луч света назад от нашей вселенной, то столкнемся с областью, которая похожа на черную дыру - но с обращенным временем. Это белая дыра - еще одна очень странная область. Область определяется путем отслеживания движущихся вправо световых лучей назад изнутри черной дыры.

В наших координатах Пенроуза или Крускала-Секереша этот регион выглядит как наша вселенная. Фактически, это похоже на зеркально отраженную версию нашей вселенной, по крайней мере, с точки зрения координат пространства-времени.

Диаграмма Пенроуза, показывающая параллельную вселенную

Вопрос: реальна ли эта параллельная вселенная? Можем ли мы туда добраться? Прежде чем продолжить, я должен сказать: карта, которую вы только что увидели, предназначена для случая вечной черной дыры Шварцшильда. Той, чьи координаты не меняются со временем, подразумевая, что она всегда существовала. Позже мы увидим, как все изменится в случае черной дыры, возникшей в результате коллапса звезды. А пока давайте посмотрим, сможем ли мы отправиться в параллельную вселенную вечной черной дыры.

Единственный способ пройти между этими вселенными - путешествовать быстрее света. Это видно по тому факту, что между вселенными могут проходить только мировые лнии с наклоном менее 45 градусов. Но представьте, что вы могли бы путешествовать с бесконечной скоростью - тогда вы могли бы пойти по этим горизонталям, которые погрузились бы за горизонт событий, и появились бы в зеркальной вселенной. Вы только что пересекли мост Эйнштейна-Розена - червоточину.

Что вы увидите, оказавшись внутри черной дыры?

Свет может достичь вас из вселенной за вами, который обгоняет вас и направляется к центральной сингулярности. Свет также может достигать вас снизу - это свет от всего, что упало перед вами. Он пытается сбежать и в конечном итоге потерпит неудачу, увлеченный каскадной тканью пространства. Но сейчас вы обгоняете этот свет и видите прошлое черной дыры. Вы никогда не увидите сингулярность - она проявляется как неизбежное сокрушительное будущее, в котором пространство вокруг вас становится бесконечно искривленным.

Так что вы сделаете?

Вы можете повернуться и попытаться вернуться тем же путем, которым пришли - и если вы сможете путешествовать быстрее, чем свет, то выйдете из черной дыры через тот же горизонт событий, который вас поглотил. Или вы можете погрузиться быстрее света в направлении света, идущего снизу. Вопреки интуиции, движение в этом направлении быстрее света не приведет вас к сингулярности быстрее - вместо этого вас выбросит через параллельную вселенную. Внутри черной дыры вы видите горизонт событий позади и впереди себя. Но только сверхсветовые скорости приведут вас к горизонту.

Предположим, вы можете достичь параллельной вселенной.

Что бы вы увидели?

Здесь мнения разделились. Некоторые думают, что параллельная вселенная и белые дыры являются просто координатными отражениями обычной вселенной и черной дыры и не имеют независимого существования.

Как и в проекции Меркатора, путешествие за пределы пространства-времени Шварцшильда возвращает вас в другое место в том же пространстве-времени. Где именно -зависит от того, как работает это отражение. Возможно, вы выходите из прошлой белой дыры, путешествующей вперед во времени, или из будущей черной дыры, но путешествуя назад во времени. Это было бы похоже на падение в черную дыру, но движущуюся назад во времени. Это было бы похоже на падение в черную дыру того, кто движется вперед во времени.

Это очень смущает. И это нормально, поскольку в этом нет особого смысла - движение быстрее, чем свет, всегда приводит к глупым парадоксам, потому что это невозможно. Мало того, что путешествие быстрее света невозможно, но и вечных черных дыр тоже не существует.

Параллельная вселенная и белая дыра необходимы на карте вечной черной дыры Шварцшильда, чтобы геодезические линии могли откуда-то исходить. Но настоящие черные дыры образуются из коллапсирующих звезд - в их прошлом нет белой дыры. И внутри этих черных дыр любой исходящий луч света может быть прослежен до поверхности коллапсирующей звезды и до ее внутренней части.

Хотя параллельная вселенная черной дыры Шварцшильда вряд ли будет реальной, существуют интригующие возможности. Например, мост Эйнштейна-Розена может потенциально вывести нас к различным частям нашей вселенной и может быть пройден, если его можно будет открыть. Это было бы здорово, поскольку позволило бы мгновенно путешествовать между отдаленными местами. И в случае вращающейся черной дыры, проходимую червоточину и даже параллельную вселенную не так просто отбросить, как в случае черной дыры Шварцшильда. На самом деле, надеюсь, мы скоро сумеем пройти по скоростной дороге через черные дыры Керра в параллельные области пространства-времени.

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-what-is-energy-d6f16f3452fe

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ?

Этан Сигель

В школьном курсе физики мы изучаем, что такое энергия. Но знаем ли мы на самом деле, что же это такое?

Мы говорим об энергии, спорим об этом и даже ведем войны за энергию. Мы знаем это, когда видим это. Но что такое энергия?

Когда речь идет о том, чтобы быть человеком на планете Земля, энергия влияет практически на все аспекты нашей жизни. Содержание энергии в комнате определяет температуру; способность использовать энергию направленным способом - перемещаясь; мы используем энергию для приготовления пищи; энергия, которую мы сжигаем в наших телах, необходима, чтобы поддерживать нас в живых. От энергии движения к накопленной энергии до ее распределения или сохранения - энергия влияет на все аспекты нашей жизни. Но даже определение того, что такое энергия, может быть очень сложной задачей.

Мы говорим об энергии и знаем, что существуют различные формы энергии, и вы можете работать с ней, и она должна быть сохранена, энергия и материя взаимозаменяемы и т. д. Но что такое энергия?

Физика может многое сказать об энергии, но даже ведущие физики-теоретики не могут придумать определение, которым каждый может быть доволен.

Во время слияния двух нейтронных звезд должно высвобождаться огромное количество энергии, а также тяжелых элементов, гравитационных и электромагнитных волн, как показано здесь. Существует множество типов энергии, которые вступают в игру в подобном событии, и все же нам все еще не хватает однозначного, универсально применимого определения самой энергии.

Первое определение энергии, на котором построено физическое определение, было таково: энергия - это способность выполнять работу. Но работа в физике не случайно определена особо, поскольку обычно мы имеем в виду работу скорее в разговорном смысле. Вместо этого работа означает нечто очень специфическое: сила, приложенная к объекту, который перемещается на определенное расстояние в том же направлении, в котором действует сила.

Если вы нажимаете на коробку с усилием 10 Н в том же направлении, в котором коробка перемещается на расстояние 1 метр, вы выполняете 10 Дж работы.

Если вы нажимаете на коробку с силой 10 Н в направлении, противоположном тому, что коробка перемещается на расстояние 1 метр, вы выполняете -10 Дж работы.

И если вы нажимаете на коробку с силой 10 Н, перпендикулярной направлению, в котором она движется на 1 метр, вы вообще работу не совершаете.

Концепция лазерного паруса DEEP основана на большой лазерной матрице, ускоряющей космический корабль малой массы с большой площадью поверхности. Потенциально так можно ускорить неживые объекты до скоростей, приближающихся к скорости света, что делает возможным межзвездное путешествие в течение одной человеческой жизни. Работа, выполняемая лазером с применением силы, когда объект перемещается на определенное расстояние, является примером перехода энергии из одной формы в другую.

Традиционно все другие определения энергии полагаются на способность превращаться в способность выполнять работу. Энергия определяется вашей способностью выполнять работу, но работа (циклически) определяется как передача энергии от одного источника к другому. Однако, несмотря на наше невежество, мы можем с уверенностью сказать, что есть много вещей, которые не вызывают сомнений, в том числе:

- масса и материя содержат это,

- это можно определить количественно,

- мы можем хранить это электрически, химически, термически и т. д.,

- мы можем преобразовать это из одной формы в другую,

- мы можем использовать это, чтобы выполнить нечто (то есть сделать работу),

- мы не создаем и не разрушаем это,

- и мы можем генерировать, рассчитывать и измерять различные формы этого.

"Перекачивая" электроны в возбужденное состояние и стимулируя их фотоном желаемой длины волны, вы можете вызвать испускание другого фотона с точно такой же энергией и длиной волны. Обратите внимание: излучение плюс вырабатываемое тепло равны введенной энергии: она сохраняется.

Что касается различных форм энергии, то здесь нет предела. Если у вас есть какая-либо конфигурация, из которой можно извлекать, передавать или выполнять работу, вы получаете новую форму энергии. Это может быть энергия механическая, электрическая или химическая; это может быть в кинетической (движущейся) или потенциальной (неподвижной) форме; оно может быть в форме тепла или света; это может быть на основе частиц или на основе волн; это может быть классическим или квантовым по своей природе.

Но энергию не всегда можно извлечь. Наряду со всеми этими различными формами, физика также дает вам представление об основном состоянии или состоянии с самой низкой энергией, которого может достичь любая квантовая система. Эта энергия нулевой точки не обязательно равна классическому значению состояния с нулевой энергией, но часто может обладать конечным ненулевым значением. Например, энергия атома водорода в низшем (основном) состоянии - не ноль, а большая величина.

21-сантиметровая водородная линия возникает, когда атом водорода, содержащий комбинацию протон/электрон с одинаково направленными спинами (вверху), переворачивается, чтобы получились противоположно направленные спины (внизу), испуская один фотон с характерной длиной волны. Конфигурация противоположного спина на энергетическом уровне n = 1 представляет основное состояние водорода, но его энергия нулевой точки является конечным ненулевым значением.

Эта разница между основным состоянием и классическим значением нуля определяет то, что мы знаем как энергию нулевой точки. Возможно, самое поразительное открытие в истории физики: исследования расширяющейся Вселенной за последние 20 лет привели ученых к выводу, что энергия нулевой точки самого пространства является не нулевой, а некоторой большей конечной величиной.

Запомните первоначальное определение энергии: это способность выполнять работу (прикладывать силу вдоль направления движения). Если само пространство заполнено некой энергией, известной сегодня как темная энергия, то она оказывает отрицательное давление, которое является силой, действующей на определенную площадь. И если Вселенная расширяется, это означает, что площадь поверхности границы наблюдаемой Вселенной изменяется на определенном расстоянии. Следовательно, темная энергия работает на расширение Вселенной.

Эффект повышения температуры газа внутри контейнера. Внешнее давление может привести к увеличению объема, при котором внутренние молекулы действительно работают на стенках контейнера.

Однако кажется, что Вселенная, наполненная темной энергией, не сохраняет энергию. Если плотность энергии - энергия на единицу объема - остается постоянной, но объем Вселенной увеличивается, не означает ли это, что общее количество энергии во Вселенной увеличивается? И разве это не нарушает закон сохранения энергии?

Здесь мы начинаем сталкиваться с проблемами. Правда более сложна и нелогична, но сводится к следующему: в расширяющейся Вселенной энергия не сохраняется. На самом деле, в расширяющемся пространстве-времени по законам общей теории относительности энергия даже на глобальном уровне не определяется вообще.

Если бы у вас было статическое пространство-время, которое не менялось, энергосбережение было бы гарантировано. Но если структура пространства меняется по мере того, как объекты, которые вас интересуют, перемещаются, закон сохранения энергии в общей теории относительности

больше не существует.

Два основных вывода:

1. Когда частицы взаимодействуют в неизменном пространстве-времени, энергия должна быть сохранена. Когда пространство-время меняется, закон сохранения больше не действует.

2. Если вы переопределите энергию, чтобы включить проделанную работу, как положительную, так и отрицательную, в пространство вокруг нее, вы можете сохранить энергию в расширяющейся Вселенной. Это верно как для величин с положительным давлением (например, фотонов), так и величин с отрицательным давлением (например, темной энергии).

Но это переопределение не является надежным; это просто математическое переопределение, которое мы можем использовать для сохранения энергии. Дело в том, что энергия в расширяющейся Вселенной не сохраняется.

Традиционно, мы привыкли к тому, что предметы расширяются, потому что внутри них существует положительное (внешнее) давление. Противоречивая вещь о темной энергии состоит в том, что она имеет давление противоположного знака, но все еще заставляет ткань пространства расширяться.

Итак, это возвращает нас по полному кругу к первоначальному вопросу. Что такое энергия? Насколько нам известно, энергия не может существовать независимо от частиц или систем частиц. (Даже гравитационные волны состоят из гипотетических частиц, известных как гравитоны, так же, как электромагнитные волны состоят из фотонов.) Энергия может быть разных форм: некоторые фундаментальны, а некоторые производные.

Например, энергия покоя частицы присуща каждой частице самой Вселенной. Но все другие формы энергии, которые существуют, являются относительными. Кинетическая энергия относительна; электрическая энергия накапливается относительно других зарядов; Химическая энергия зависит от разрыва и формирования связей. Атом в возбужденном состоянии имеет больше энергии, чем атом в основном состоянии, но эта энергия может быть высвобождена только через излучение фотона.

Вы не можете осуществить этот переход из одного энергетического состояния в другое без сохранения энергии, и эта энергия должна переноситься частицей.

Насколько мы можем судить, энергия - это не то, что мы можем выделить в лаборатории, а только одно из многих свойств, которыми обладают вещество, антивещество и излучение. Энергия может быть определена только относительно другого, несколько произвольного состояния, и полностью зависит от полного набора частиц, составляющих вашу систему. Прошло более 300 лет с тех пор, как физика ввела определение энергии, связанное с работой, и, хотя мы все еще используем ее для всего, что происходит, оно не применяется повсеместно.

Чуть более века назад уважаемый физик Анри Пуанкаре отметил следующее: "наука строится из фактов, как дом построен из камней; но накопление фактов - не более наука, чем куча камней - дом". Мы все время говорим о том, что может сделать энергия, как она используется, где она появляется и в каких количествах, и как решить с ее помощью множество задач. Но где фундаментальное, универсальное определение? Это достижение, которое все еще за пределами нашей досягаемости.

***

https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=4Rg2GELb7MI&feature=emb_logo

Аккумуляторные батареи служат человечеству достаточно хорошо уже на протяжении нескольких десятилетий. Однако размеры современных электронных устройств уменьшаются с каждым годом, и в этих устройствах уже не остается места для тяжелых, достаточно габаритных батарей, которые, к тому же, требуют периодической подзарядки. Есть, конечно, и альтернативные источники энергии, такие, как солнечные батареи, но все они, к сожалению, сильно зависят от условий окружающей среды и не способны в большинстве случаев, обеспечить достаточную постоянную мощность. Свой вариант решения описанной проблемы представили исследователи из Пенсильванского университета. Созданный ими источник питания приводит в действие небольшого колесного робота, который в буквальном смысле "пожирает" металл поверхности, по которой движется.

Созданный учеными источник питания можно назвать быстродействующей химической батареей, некоторые из компонентов которой (металл и воздух), являются элементами окружающей среды. Такая технология получила название MAS (metal-air scavenger). MAS-батарея имеет все традиционные компоненты обычных батарей, включая катод, анод и электролит. Однако анод не является частью конструкции батареи, в его роли может выступать любая металлическая поверхность, над которой располагаются остальные компоненты батареи.

Катод изготовлен из углерода, покрытого слоем PTFE-пластика (polytetrafluoroethylene). В состав углеродного материала включены платиновые наночастицы, выполняющие роль катализатора. В качестве электролита выступает гидрогель, в состав которого входит раствор определенных солей, и когда этот желеобразный участок батареи тянут по металлической поверхности, он окисляет металл и, ломая химические связи, вырабатывает электрическую энергию. Необходимый для этой реакции кислород отбирается из воздуха расположенным выше катодом.

"Наша MAS-технология имеет в 10 раз больший показатель плотности энергии, чем аналогичный показатель других систем, черпающих энергию из окружающей среды. Поэтому мы уже можем конкурировать с аккумуляторными батареями, - пишут исследователи. - Это использует традиционные для батарей химические процессы, но имеет гораздо меньший вес, так как некоторые компоненты берутся из окружающей среды".

Созданный учеными MAS-источник энергии был установлен на маленькой модели автомобиля с электрическим моторчиком, который тянул гидрогель по алюминиевой поверхности. Эта модель начала двигаться по кругу и единственное, в чем она нуждалась, - это в небольшом количестве воды для периодического увлажнения слоя гидрогеля. Конечно, процесс окисления, производимый MAS-батареей, оставляет за собой след из оксида металла. Но этот процесс затрагивает слой поверхности, толщиной в сто микронов, что не наносит значительного ущерба структуре поверхности.

В скором времени такая технология может быть использована для обеспечения энергией малопотребляющих устройств из разряда Интернета Вещей (internet-of-things), которые устанавливаются на движущихся объектах, к примеру, датчики на транспортных контейнерах и т.п.