Млечный Путь № 3 2021

Шимон ДАВИДЕНКО
НЕВИДИМОЕ ВЕЩЕСТВО ВСЕЛЕННОЙ

Мы продолжаем публиковать самые интересные материалы из сетевого научно-популярного издания Live Science.

https://www.livescience.com/

Мы невидимы?

Вопросы о темной материи и парадоксе Ферми

Новый взгляд на старые затруднения

Грант Пайпер

Рис

Фоновое излучение Вселенной

Сразу сказать, что я не астрофизик, чтобы сдержать неизбежные комментарии, которые попытаются дисквалифицировать мои размышления, потому что у меня нет определенной степени. Я не астрофизик и не претендую на то, чтобы быть кем-то другим, кроме того, кем являюсь. Я писатель со степенью в области философии и страстью к размышлениям вопросам и астрономии.

В 1950 году, после окончания Второй мировой войны, физик Энрико Ферми вместе с коллегами посетил Национальную лабораторию Лос-Аламоса. Легенда гласит, что группа ведущих ученых шла пообедать в Фуллер-Лодж, когда возникла тема инопланетян. Физики обсуждали возможность перемещения объектов со скоростью, превышающей скорость света. Они размышляли о том, могут ли летающие тарелки работать на такой технологии. Многие категорически заявили, что летающие тарелки - это розыгрыш. Это была стандартная болтовня между сверстников. Беззаботная и интересная тема, мало чем отличающаяся от тысяч разговоров, которые усердно ведут люди каждый день.

Когда группа вошла внутрь и села есть, Энрико Ферми задал вопрос, который до сих пор не дает нам покоя. "Где все?" Сначала его коллеги нервно смеялись, но Энрико был смертельно серьезен. Это был законный вопрос. Со всем, что человечество узнало за предыдущие полвека о ядерной физике, небесах и вычислениях, идея развитых инопланетных цивилизаций стала более удобоваримой, чем когда-либо.

После того, как он задал вопрос, последовали быстрые вычисления на салфетках и дискуссии, но, в конце концов, никто не получил ответа. На этот вопрос хорошего ответа до сих пор нет. Так родился парадокс Ферми.

Рис

Парадокс Ферми Фотография с бейджа Энрико Ферми в Лос-Аламосе.

Ферми задавал вопрос, который становится неизбежным для любого, кто достаточно долго изучает Вселенную. Если Вселенная так стара, как мы думаем, а звезд и планет так много, почему мы не можем увидеть никаких инопланетных цивилизаций? Расчеты сделать несложно. Даже любители могут оценить количество звезд в Галактике, количество планет земного типа в каждой системе или экстраполировать число известных планет земного типа.

Числа астрономически большие. Если мы возьмем это потенциальное количество жизнеобеспечивающих планет и вставим их в нашу картину Вселенной с миллиардами лет истории, нетрудно понять, что где-то что-то там должно быть. Но нет. По крайней мере, не то, что мы видим.

Интерес к парадоксу Ферми сохраняется и по сей день. Журнал Forbes опубликовал статью с подробным описанием недавнего исследования, в котором был сделан вывод о том, что, скорее всего, только в нашей Галактике существует 36 инопланетных цивилизаций, не говоря уже о сотнях миллионов других галактик.

Но никаких внеземных цивилизаций мы не видим. Почему? Ответы на этот вопрос были самыми разными.

Инопланетные цивилизации убивают себя, прежде чем они смогут достичь звезд.

Инопланетные цивилизации настолько развиты, что Земля им неинтересна.

Инопланетные цивилизации настолько странны и непознаваемы, что могут быть вокруг нас, и мы этого никогда не заметим.

Последний аргумент уподобляет нас муравьям, пересекающим автостраду. Хотя это все интересные предположения, нет никаких доказательств, что одно из них более вероятно, чем другое. Тот факт, что мы не можем видеть или обнаруживать какие-либо инопланетные цивилизации, заставил меня задуматься о темном веществе.

Рис

Темная материя и галактики, захваченные НАСА.

Темное вещество составляет 85% всей материи во Вселенной. Согласно данным ЦЕРНа, оно не взаимодействует с какой-либо электромагнитной силой, что делает его практически невозможным для наблюдений. Видимое вещество - звезды, планеты и облака межзвездного газа - составляет всего 5% от общей массы Вселенной. Так из чего же состоят остальные 95% Вселенной?

Благодаря чрезвычайно сложной математике и теориям таких людей, как Ньютон и Эйнштейн, мы знаем, что темная материя должна существовать. Это материя оказывает влияние на видимую Галактику, но в значительной степени невидима для нас.

Прелположим, вы встретили идеально сбалансированную шкалу. Вы выполнили уравнения, провели наблюдения и знаете, что эта шкала точна и функциональна. Однако вы не можете видеть другой конец шкалы, вы можете видеть только ближайший к вам конец. Вы кладете на весы гирю весом 5 кг и ждете, когда она идеально уравновесится. Как только это произойдет, вы сможете сделать вывод и с относительной уверенностью утверждать, что на другом конце весов также находится какой-то вес в 5 кг, даже если вы его не видите.

Вот как мы пришли к выводу о вероятном существовании темного вещества.

Мы с трудом понимаем темное вещество из-за ее отказа взаимодействовать с электромагнитными силами. Электромагнитные поля - это то, как мы взаимодействуем с Вселенной почти на всех уровнях. Электромагнетизм отвечает за видимый свет, радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. В целом, это составляет большую часть нашей способности наблюдать Вселенную. Без электромагнитного излучения мы в буквальном смысле слепы. Но что, если электромагнетизм - исключение, а не норма? Что, если мы смотрим в ночное небо и видим звезды, но какое-то другое существо, существо из темной материи, смотрит вверх и видит что-то совершенно другое? Что, если наша видимая часть Галактики так же упорно скрывается из поля зрения, как и невидимая часть? Если 85% материи во Вселенной состоит из темного вещества, которое мы не можем обнаружить, возможно, именно там находятся все инопланетные цивилизации. Что, если они нас тоже не видят? Что, если есть инопланетные физики, занимающиеся своими вычислениями во вселенной из темного вещества и ломающие голову над тем, почему 15% их вселенной должны быть невидимы, чтобы математика работала? Это были бы наши 15%. Что, если мы полностью невидимы?

Веселый мысленный эксперимент

Подобная идея разрешает парадокс Ферми. Возможно, существуют сотни инопланетных цивилизаций, но они представляют собой цивилизации из темного вещества, которые не могут или не удосуживаются смотреть на 15% видимой нам материи во Вселенной.

Мне всегда казалось странным, что математика утверждает, что 85% Вселенной в значительной степени необнаружимы для нас. Вместо этого представьте себе вселенную, в основном населенную существами из темного вещества. Могут быть звезды из темной материи, планеты из темной материи и всевозможные странные вещи, которые наш мозг просто не способен придумать. Они могут быть повсюду вокруг нас или сконцентрированы в какой-то части Вселенной, которую мы не очень хорошо видим. Они были бы для нас совершенно невидимы. Мы невидимы для них? Кто может сказать?

Другой способ взглянуть на это - использовать пример теоретической жизни, которая развивается на планете с солнцем, излучающим свет преимущественно в инфракрасном диапазоне. Так же, как люди не могут видеть в инфракрасном спектре, эти существа могут видеть только в инфракрасном диапазоне. Это дало бы им совершенно другой взгляд на мир, и некоторые вещи в нашей жизни, такие как экраны телефонов и неоновые огни, будут иначе отображаться для тех, кто видит только в инфракрасном диапазоне.

Может быть целая темная вселенная с притяжением, которое мы можем обнаружить в нашей Вселенной с помощью наблюдений и математики, но которое не может взаимодействовать с нами. Это может означать, что потенциальные инопланетные существа настолько странны и неестественны, что мы никогда не сможем взаимодействовать.

Вместо того, чтобы придумывать инопланетные миры, наполненные обезьяноподобными существами, мы должны задаться вопросом: не являемся ли мы чем-то вроде странного выброса во Вселенной? Жизнь, которая сумела развиться в части Вселенной, составляющей 15% видимой материи. Идея о том, что Земля - это какой-то странный особняк во Вселенной, где преобладает темная материя, объясняет, почему мы чувствуем себя такими уникальными. Это также объясняет, почему мы не видим никаких других инопланетных цивилизаций. Это во многом объясняет, почему мы не видим никаких доказательств существования какой-либо другой жизни ни в одном из исследуемых нами скалистых видимых миров. Возможно, жизнь просто не развивается во вселенной видимой материи.

Дополнительные измерения Вселенной?

Пол Саттер

Темное вещество может быть еще более странным, чем кто-либо думал, говорят космологи, предполагающие, что это загадочное вещество, на которое приходится более 80% массы Вселенной, может взаимодействовать с самим собой.

"Мы живем в океане темного вещества, но очень мало знаем о том, чем это может быть", - заявил Флип Танедо, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Все попытки объяснить темное вещество с помощью известной физики терпели неудачу, поэтому Танедо и его сотрудники разрабатывают экзотические модели, которые могут лучше соответствовать наблюдениям. Они спросили: что, если темное вещество взаимодействует само с собой через континуум сил, действующих в пространстве с большим количеством измерений, чем наши обычные три? Это звучит дико, но их модель может лучше объяснить поведение звезд в маленьких галактиках, чем традиционные простые модели темного вещества. Так что стоит попробовать.

Маленькие галактики, большие проблемы

Хотя космологи не знают, что такое темное вещество, им известны некоторые его свойства. Все наблюдения показывают, что темное вещество состоит из частиц нового типа, ранее неизвестных физике. Эти частицы есть в каждой галактике, составляя более 80% массы. Эти частицы не должны сильно взаимодействовать со светом, если вообще могут с ним взаимодействовать (иначе мы бы уже видели это в астрономических наблюдениях). И они не должны очень сильно взаимодействовать с нормальным веществом, если вообще с ним взаимодействуют (иначе мы бы увидели это в экспериментах на коллайдере).

Объединив эти свойства, космологи могут построить сложные компьютерные модели эволюции крупных структур во Вселенной. Эти симуляции обычно соответствуют наблюдениям с одной интересной оговоркой. Упрощенная картина темного вещества предсказывает, что небольшие галактики должны иметь очень высокую плотность темного вещества в своих ядрах (известную космологам как модель "куспида"), но наблюдения вместо этого показывают, что распределение плотности темного вещества относительно плоское, поэтому вещество должно быть равномерно распределенными по маленьким галактикам ("модель ядра"). Эта проблема была занозой в исследованиях темного вещества на протяжении десятилетий.

Успешная модель должна объяснять поведение малых и больших галактик, наряду со всеми другими наблюдениями. Одна такая модель называется самовзаимодействующим темным веществом, и, как следует из названия, предсказывает, что темное вещество иногда взаимодействует само с собой, а это означает, что частицы темного вещества могут иногда отскакивать друг от друга или даже аннигилировать друг с другом. Это самовзаимодействие сглаживает области высокой плотности темного вещества.

Суть проблемы

Проблема решена? Не совсем: модели самовзаимодействующего темного вещества имеют проблемы с сопоставлением с другими наблюдениями, такими, как линзирование галактик (когда гравитация огромного количества материи искажает и усиливает свет от определенных галактик позади наблюдаемой галактики) и рост галактик в ранней Вселенной. Однако эти все еще недостаточно эффективные модели основаны на четырех известных физических взаимодействиях. Электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитной силы. Кварки взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. И так далее.

Но если просто экспортировать известную физику в сферу темного вещества не удается, то, возможно, пришло время взглянуть на совершенно новые силы. Танедо и его сотрудники пытались сделать именно это и описали свою работу в статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics. Их новая модель значительно расширяет возможные модели взаимодействующего темного вещества, позволяя вступить в игру неизвестным силам.

"Цель моей исследовательской программы - расширить идею разговора "темной материи с темными силами, - сказал Танедо. - За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что управлять взаимодействием темного вещества могут скрытые силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темное вещество".

Подход Танедо включает в себя две удивительные особенности. Во-первых, вместо единой силы, которая связывает частицы темного вещества, модель включает бесконечный спектр новых сил, "работающих" вместе. Во-вторых, для модели требуется дополнительное измерение Вселенной, то есть четырехмерное пространство.

Мышление вне Вселенной

Бесконечный спектр сил, каждая из которых представлена новой частицей с разной массой, обеспечивает большую гибкость при построении теории взаимодействия частиц темной материи. И хотя в мире повседневной физики нет аналога такой теории, астрофизики уже знают, что темное вещество не обязательно действует по обычным правилам.

В теориях, объясняющих известную физику, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это, обмениваясь одним типом частиц, которые и ответственны за взаимодействие. Например, два электрона отскакивают друг от друга, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. Новая модель Танедо заменяет это единичное взаимодействие континуумом или спектром взаимодействий, работающих вместе, чтобы взаимодействие произошло.

"Моя исследовательская программа нацелена на одно из предположений, которые мы делаем о физике элементарных частиц: взаимодействие частиц хорошо описывается обменом большим количеством частиц, - сказал Танедо. - Хотя это верно для обычного вещества, нет никаких оснований предполагать это для темного вещества. Их взаимодействия можно описать континуумом обмениваемых частиц, а не просто обменом силовых частиц одного типа".

Что касается добавления дополнительного измерения, команда Танедо позаимствовала уловку, используемую в других теориях физики частиц высоких энергий. С помощью замечательной, но еще не полностью проверенной концепции, известной как соответствие AdS/CFT ("AdS" означает "анти-де Ситтер", что является разновидностью пространства-времени, а "CFT" означает конформную теорию поля, которая является категорией квантовых теорий), некоторые физические проблемы, которые чрезвычайно трудно решить в нашем нормальном трехмерном пространстве, становятся намного проще, когда они расширяются до четырехмерного пространства.

Используя этот математический трюк, Танедо и его сотрудники смогли решить, как силы темного вещества будут взаимодействовать друг с другом. Затем они могли бы перевести свои результаты в три измерения пространства и сделать прогнозы, как эти силы будут действовать в реальной Вселенной. Они обнаружили, что эти силы ведут себя совершенно иначе, чем силы природы, к которым мы привыкли.

"Что касается гравитационных или электрических сил, то в нашем трехмерном мире, когда вы удваиваете расстояние между двумя частицами, вы уменьшаете силу в четыре раза, - сказал Танедо. - С другой стороны, непрерывная сила уменьшается до восьми раз".

Эта модификация самовзаимодействия между частицами темного вещества позволила исследователям построить симуляции, которые соответствуют наблюдениям за небольшими галактиками.

Космологи используют темное вещество для объяснения множества различных наблюдений во Вселенной в самых разных масштабах. Дальнейшая работа покажет, соответствует ли эта экзотическая теория вселенной, которую мы видим.

Квантовый кристалл

Адам Манн

Рис

Используя причуду квантовой механики, исследователи создали кристалл бериллия, способный обнаруживать невероятно слабые электромагнитные поля. Однажды эту работу можно будет использовать для обнаружения гипотетических частиц темного вещества, называемых аксионами.

Исследователи в Университете Колорадо в Боулдере создали квантовый кристалл, уловив 150 заряженных частиц или ионов бериллия с помощью системы электродов и магнитных полей, которые помогли преодолеть их естественное отталкивание друг от друга.

Когда Рей и ее коллеги захватили ионы своей системой полей и электродов, атомы самоорганизовались в плоский лист, вдвое толще человеческого волоса. Этот организованный коллектив напоминал кристалл, вибрирующий при воздействии какой-либо внешней силы.

"Когда вы возбуждаете атомы, они не двигаются по отдельности, - сказала Рей. - Они движутся как единое целое". Когда этот "кристалл" бериллия сталкивался с электромагнитным полем, он двигается в ответ, и это движение можно преобразовать в измерение напряженности поля.

Но измерения любой квантово-механической системы подчиняются ограничениям, установленным принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что определенные свойства частицы, такие, как ее положение и импульс, не могут быть известны одновременно с высокой точностью. Команда придумала способ обойти этот принцип с помощью запутанности, когда атрибуты квантовых частиц неразрывно связаны друг с другом.

"Используя запутанность, мы можем почувствовать вещи, которые иначе были бы невозможны", - сказала Рей. В этом случае она и ее коллеги запутали движения ионов бериллия с их спинами. Квантовые системы напоминают крошечные вершины, а вращение описывает направление, скажем, вверх или вниз, куда указывают эти вершины. Когда кристалл вибрирует, он перемещается на определенное расстояние. Но из-за принципа неопределенности любое измерение этого смещения или количества перемещенных ионов будет зависеть от пределов точности и содержать много того, что известно как квантовый шум. Чтобы измерить смещение, нужно смещение больше, чем квантовый шум. Запутанность между движениями ионов и их спинами уменьшает шум, позволяя исследователям измерять сверхмалые флуктуации в кристалле.

Ученые протестировали систему, послав через нее слабую электромагнитную волну и увидев ее вибрацию. Работа описана в журнале Science. Кристалл уже в 10 раз более чувствителен при обнаружении сверхмалых электромагнитных сигналов, чем предыдущие квантовые датчики. Но команда считает, что с большим количеством ионов бериллия они могли бы создать еще более чувствительный детектор, способный искать аксионы.

Аксионы - это сверхлегкие частицы темного вещества с массой в миллион или миллиард раз меньше массы электрона. Некоторые модели аксиона предполагают, что он может иногда превращаться в фотон, и в этом случае он перестанет быть темным и будет производить слабое электромагнитное поле. Если бы какие-либо аксионы пролетели через лабораторию, содержащую этот кристалл бериллия, кристалл мог бы уловить их присутствие.

"Я думаю, это прекрасный результат и впечатляющий эксперимент", - сказал Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, который не принимал участия в исследовании. Карни считает, что, помимо помощи в поисках темного вещества, эта работа может найти множество применений, таких как поиск паразитных электромагнитных полей от проводов в лаборатории или поиск дефектов в материале.

Можем ли мы остановить время?

Адам Манн

Рис.

Неумолимое движение времени может быть источником беспокойства. Кто не желал хотя бы изредка "остановить" счастливое мгновение или не дать исчезнуть любимому человеку. Время от времени в научно-фантастической книге, фильме или телешоу персонажи могут делать то, что мы все хотим: останавливать время. Но возможно ли такое?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо погрузиться в самые глубокие области физики, философии и человеческого восприятия. Во-первых, мы должны дать определение времеми. "Для физика это не так уж и загадочно, - сказал Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. - Время - просто ярлык для разных частей Вселенной. Оно сообщаетт нам, когда что-то происходит".

Кэрролл добавил, что во многих физических уравнениях мало различий между прошлым, настоящим и будущим. Согласно теории Эйнштейна, время измеряется часами. Поскольку части часов должны двигаться в пространстве, время запутывается с пространством в более крупную концепцию, известную как пространство-время, которая лежит в основе Вселенной.

Теория относительности показала, что время может сильно колебаться в зависимости от того, насколько быстро один наблюдатель движется относительно другого. Если вы отправите человека с часами на космический корабль со скоростью, близкой к скорости света, время будет течь для него медленнее, чем для неподвижного друга, оставшегося на Земле. А космонавт, падающий в черную дыру, огромная гравитация которой может исказить время, может казаться замедляющимся по сравнению с удаленным наблюдателем.

Но на самом деле это не способ остановить время. Двое часов могут не совпадать в теории относительности, но каждые часы по-прежнему будут фиксировать обычный ход времени в своей системе отсчета.

"Если бы вы приближались к черной дыре, вы бы ничего не заметили, - сказал Кэрролл. - Вы бы посмотрели на свои наручные часы, и они показывали бы одну секунду в секунду".

Для него бессмысленно говорить об остановке времени.

"Мы знаем, что машина движется, потому что в разные моменты времени она находится в разных местах пространства. Движение - это изменение относительно времени, поэтому само время не может двигаться".

Другими словами, если бы время остановилось, остановилось бы и все движение. Хотя научная фантастика иногда дает нам главных героев, которые могут приостановить время для всех остальных, такие ситуации вызывают множество вопросов.

Кэрролл добавил, что персонаж, останавливающий время, вероятно, не сможет ничего увидеть, потому что световые лучи больше не будут достигать глазных яблок. На самом деле нет никакого последовательного сценария, при котором время останавливается.

Вот и все о физике. Но время - это больше, чем просто чтение по часам. Это также чувство, которое есть у нас в голове и теле, а также естественные ритмы мира. Однако в таких случаях время может стать зависящим от личных прихотей.

"Интересно размышлять о субъективном времени", - сказал Крейг Каллендер, философ, специализирующийся на времени в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Он описал хорошо известную психологическую иллюзию, известную как "хроностаз", при которой человек помещает часы на край поля зрения, а затем на мгновение смотрит на что-то еще. Если взглянуть на часы и сфокусироваться на секундной стрелке, они остановятся. (Это может быть необычным способом развлечься во время пятого урока математики в старшей школе.) "Секундная стрелка определенно висит здесь неподвижно, - сказал Каллендер. - Вы можете сделать так, чтобы время застыло".

Иллюзия связана с крошечными движениями глаз, называемыми саккадами, при которых ваши глазные яблоки быстро бегают вперед и назад, чтобы постоянно воспринимать окружающее. По словам Каллендера, чтобы предотвратить появление хаотичного размытия, ваш мозг фактически редактирует то, что видит в реальном времени, и создает впечатление непрерывного поля зрения.

Тогда возникает вопрос: какова взаимосвязь между нашим восприятием времени и временем, о котором говорят физики? Каллендер написал ряд книг, в которых пытается исследовать связь между разными временами, и пока нет единого мнения по поводу окончательного ответа. Что касается окончательного течения времени, Каллендер предпочитает картину, "где ничего не течет, но течет ваша история".

А что он думает относительно возможности остановки времени?

"Если мы подумаем о нашем субъективном ощущении времени, то мы можем остановить его части с помощью хроностаза, - сказал Каллендер. - Но это, наверное, самое большее, что мы можем сделать".

Какая самая маленькая частица во Вселенной?

(А как насчет самой большой?)

Джоанна Вендель

Рис.

Вселенная огромна, но состоит из маленьких частиц. Таблица Менделеева включает такие элементы, как кислород, углерод и другие строительные блоки, из которых состоят звезды, кошки или чашки кофе. Но с начала ХХ века ученые находили все меньшие и меньшие фундаментальные частицы - те, которые мельче атомов, заполняющие Вселенную.

Итак, какая из элементарных частиц самая маленькая? И, наоборот, какая самая большая? Дон Линкольн, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Ферми, - один из ученых, пытающихся ответить на этот вопрос. В Фермилабе ученые используют ускоритель частиц, чтобы разбивать отдельные частицы и смотреть на выходящие обломки - или возможные новые фундаментальные частицы. Линкольн сказал, что есть два способа измерить размер частиц: исследовать их массу и измерить их физический размер, например, вычислить диаметр шара.

С точки зрения массы, на эти вопросы относительно просто ответить. Самая мелкая из известных нам частиц ненулевой массы - это нейтрино. Однако Линкольн указал, что у нас нет точного измерения массы нейтрино, потому что инструменты, используемые для вычисления массы элементарных частиц, недостаточно чувствительны.

"Нейтрино - это своего рода призрак субатомного мира", - сказал Линкольн. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом и является второй по численности частицей после фотонов (которые ведут себя больше как волны, чем настоящие частицы). Фактически, в эту самую секунду через вас проходят триллионы нейтрино.

Нейтрино почти ничего не весят и движутся со скоростью, близкой к скорости света. Ядро атома состоит из нейтронов, протонов и электронов. По словам Линкольна, сами протоны и нейтроны составляют примерно одну десятую размера ядра в целом. Электрон имеет массу, близкую к нулю, но на самом деле он весит в 500 000 раз больше, чем нейтрино (опять же, точное измерение невозможно провести на данный момент). По словам Линкольна, физики используют электрон-вольты (эВ) для измерения массы субатомных частиц. Технически единица измерения - эВ/c^2, где c - скорость света. Один электрон-вольт эквивалентен примерно 1,6x10^-19 джоулей.

Чтобы упростить задачу, физики используют набор единиц, в которых скорость света равна 1. Чтобы вычислить массу субатомной частицы, вы должны использовать известное уравнение Альберта Эйнштейна E = mc^2, чтобы получить массу (m). в килограммах. Согласно Линкольну, масса электрона 511 000 электрон-вольт, что эквивалентно 9,11x10^-31 килограмм. Для сравнения, типичный протон в ядре типичного атома весит 938 миллионов электрон-вольт, или 1,67×10^-27 кг.

И наоборот, самая крупная (с точки зрения массы) фундаментальная частица, о которой мы знаем, - это частица, называемая топ-кварком, по словам Линкольна. Ее масса 172,5 миллиарда электрон-вольт.

Кварки - еще одна фундаментальная частица, которую, насколько нам известно, невозможно разбить на несколько частей. Ученые обнаружили шесть типов кварков. Верхние и нижние кварки составляют протоны и нейтроны, и они весят 3 миллиона и 5 миллионов электрон-вольт соответственно. Для сравнения, топ-кварк весит в 57 500 раз больше, чем ап-кварк.

На вопрос о физических размерах ответить сложнее. Мы знаем физический размер некоторых частиц, но не самых маленьких. Некоторые "крошечные" частицы, о которых люди слышат в повседневной жизни, например, вирусные частицы, на самом деле довольно большие. Линкольн предложил такой масштаб: типичная частица вируса имеет длину от 250 до 400 нанометров (нанометр составляет миллиардную долю метра, или 10^-9 м), а типичное атомное ядро имеет размер примерно 10^-14 м (0,00000000000001 м). Это означает, что ядро атома для вируса так же мало, как вирус для нас. В настоящее время самый маленький физический размер, который ученые могут измерить с помощью ускорителя частиц, в 2000 раз меньше, чем протон, или 5x 10^-20 м. Пока что ученым удалось определить, что кварки меньше этого размера, но насколько - неизвестно.

Новый тип оптических иллюзий

Недавно обнаруженная иллюзия, получившая название "мерцающая вспышка звездообразования": простой узор из концентрических "венков" на простом белом фоне.

рис

Однако почти каждый, кто смотрит на него, может увидеть яркие лучи или лучи, исходящие из центра рисунка, будто солнечный свет, пробивающийся сквозь облака. Зритель видит эти несуществующие лучи, потому что мозг "соединяет линиями" определенные точки в "венках".

Михаил Карлович, визуальный художник с опытом работы в области нейробиологии, в 2019 году создал сияющую звезду в качестве логотипа своей дизайнерской компании Recursia Studios.

"Когда я впервые увидел созданную мной иллюзию, у меня сразу возникло предчувствие, что я смотрю на эффект, которого никогда раньше не видел, - сказал Карлович. - Я был приятно удивлен, но в конечном итоге сбит с толку, поскольку не понимал, каким мог быть механизм, лежащий в основе этого эффекта".

Чтобы узнать больше, Карлович объединился с Паскалем Уоллишем, психологом и специалистом по данным из Нью-Йоркского университета, чтобы провести научное исследование дизайна.

Соединение точек

Сверкающий дизайн звездообразования состоит из концентрических "венков", каждый из которых состоит из пары звездных многоугольников, которые, в свою очередь, состоят из двух семиугольников, пересекающих друг друга. Звездообразные многоугольники расположены так, что семиугольники, разделенные пополам, выстраиваются в одну линию, образуя точки пересечения в "венках". Зрители видят эти точки пересечения как "яркие точки" или точки на их периферии, потому что эти точки являются самой тонкой частью "венков". Поскольку яркие точки каждого концентрического "венка" накладываются друг на друга, мозг создает лучи между ними, даже если цвет фона не меняется.

"Разум соединяет точки, чтобы создать иллюзорные отрезки линий, - сказал Карлович. - Однако этот эффект мимолетен, и если вы быстро проведете взглядом по рисунку, лучи ненадолго исчезнут или станут сильнее, в зависимости от того, куда вы смотрите".

Совершенно новая иллюзия

Визуальные иллюзии, которые заставляют мозг видеть то, чего нет, не являются новым явлением, но то, как работает эта конкретная иллюзия, ранее не изучалось и не документировалось. "Никогда не было демонстрации иллюзорных лучей, пронизывающих фон дизайна, - сказал Карлович. - Все другие иллюзии, связанные с иллюзорными линиями, ограничиваются сетками".

Сетчатые конструкции, такие как иллюзия сетки Германа, позволяют создать этот тип эффекта, потому что намного проще создавать привлекательные яркие точки на пересечениях в сетке. "Однако здесь у нас пример, когда мозг создает иллюзорные лучи через несеточные области, которые в противном случае должны быть пустыми", - сказал Карлович.

Различные конфигурации

Карлович и Валлиш экспериментировали с множеством различных конфигураций мерцающей вспышки звездообразования, чтобы определить, какие аспекты больше всего влияют на эффект. Сначала они поэкспериментировали с размером иллюзии.

"Насколько мы изучили, как только дизайн становится достаточно большим, чтобы сделать иллюзию видимой, эффект становится масштабно-инвариантным, - сказал Карлович. Однако Карлович и Валлиш подозревают, что эффект может исчезнуть, если его попробовать в гораздо большем масштабе, чем они изучали. Эксперименты также показали, что вращение конструкции усиливает эффект луча. Сила эффекта также увеличилась с увеличением количества "венков" в дизайне. Исследователи обнаружили, что лучи видны независимо от цвета линий и фона, если они контрастируют. Это также может привести к изменению цвета лучей; например, нанесение белых венков на черный фон заставляет людей видеть гораздо более темные, но столь же яркие лучи.

"Наши предварительные эксперименты с цветом показывают, что наиболее важным является наличие большого контраста между цветом фона и цветом линий, составляющих дизайн, - сказал Карлович. - Чем выше контраст, тем сильнее лучи".

Заполнение пробелов

Исследователи считают, что эта мерцающая вспышка не только является логотипом компании Карловича, но и имеет дальнейший исследовательский потенциал.

"Как и другие иллюзии, мерцающая вспышка звездообразования может гипотетически использоваться в качестве стимула в будущих исследованиях познания и зрения, - сказал Карлович. - Подобные иллюзии помогают нам больше узнать о том, как эволюционировал наш мозг. Визуальные иллюзии позволяют нам понять, как мозг реконструирует мир. Они учат нас предположениям и предсказаниям, которые мозг делает для построения нашего восприятия".