Млечный Путь № 4 2021

Шимон ДАВИДЕНКО
МОЖЕТ ЛИ НАУКА ОШИБАТЬСЯ?

Мы продолжаем публикацию наиболее интересных материалов из интернет-версии журнала Sciene Life

Уилл Локетт

Батарейка на тысячу лет

В научной фантастике вы никогда не увидите, чтобы кто-то что-то заряжал. Роботу R2D2 ни разу не пришлось просить Оби-Вана быстрое зарядное устройство USB-C, поскольку он был на исходе, а световой меч Люка не давал сбоев, потому из-за того, что он не заряжал меч накануне вечером. Если бы это было так в реальной жизни! Представьте, что вам никогда не придется заряжать свой телефон, ноутбук или даже электромобиль! Что ж, благодаря алмазным батареям это может стать реальностью раньше, чем вы думаете.

Самым распространенным типом аккумуляторов сегодня является литий-ионный аккумулятор. Все, от вашего телефона до самой быстрой Tesla, используют их, но они не идеальны. Для них требуются редкие металлы, такие, как кобальт, добыча которого наносит огромный ущерб окружающей среде. Самое замечательное в них и причина, по которой мы так широко их используем, заключается в том, что они очень энергоемкие, поэтому небольшая упаковка содержит много энергии.

Аккумуляторы могут высвобождать энергию очень быстро, но дополнительным недостатком является то, что они со временем разлагаются и их необходимо регулярно заряжать. Это может засвидетельствовать любой, у кого есть iPhone старше года.

Итак, литий-ионный аккумулятор - хороший аккумулятор, но он не идеален. Но новый тип батареи обещает решить все проблемы, связанные с литий-ионными батареями, используя радиоактивные отходы!

Собственное название этой новой батареи - "Радиоактивная алмазная батарея", и она состоит из трех частей: радиоактивных алмазов, бетавольтаической окантовки и радиозащиты. Вместе эти три простых компонента могут произвести революцию в технологиях.

Они начинаются с использованных графитовых стержней управления ядерных реакторов. Стержни поглощают нейтронное излучение от уранового топлива, поэтому, если опустить их в реактор, они замедляет цепную реакцию, предотвращая любое расплавление. Но графит состоит из углерода, который имеет два основных изотопа, углерод-12 и углерод-14. Углерод-12 является наиболее распространенным типом и поглощает нейтронное излучение. Углерод-14 является более редким типом, он также не поглощает нейтроны и является радиоактивным.

Но если углерод-12 подвергается бомбардировке нейтронным излучением, он может поглотить нейтроны и превратиться в углерод-14. Управляющие стержни из углеродного графита-12 служат недолго, так как большая часть каждого стержня довольно быстро превращается в углерод-14, что снижает их способность контролировать цепную реакцию. Их нужно заменять на свежие стержни. Но отработанные стержни в настоящее время сами излучают значительное количество радиации, поскольку в них содержится повышенное количество углерода-14, поэтому мы должны обращаться с ними как с радиоактивными отходами.

Наши радиоактивные алмазы сделаны из этих графитовых управляющих стержней ядерных реакторов. Сжимая и нагревая их, их можно превратить в крошечные алмазы, богатые углеродом 14. Эти маленькие радиоактивные алмазы - наш источник энергии.

Углерод 14 имеет период полураспада 5700 лет, и когда он распадается, то высвобождает нейтрон и электрон (бета-излучение) и превращается в азот 14. Это означает, что мы можем получить относительно постоянный поток электронов из куска углерода 14 на несколько тысяч лет.

Если вы можете захватить это бета-излучение и направить его в схему, то можете создать потенциал напряжения, иначе известный как батарея. Окружите горстку алмазов, богатых углеродом-14, бетавольтаическими материалами, и у вас есть аккумулятор. Более того, из батареи не может выйти бета-излучение, поскольку оно полностью поглощается бетавольтаическим материалом.

Но с этой батареей пока небезопасно. Углерод-14 также испускает нейтронное излучение, а нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью, поэтому вылетает из батареи. Однако углеродные полимеры могут быть отличными блокаторами нейтронов, поэтому нам нужно окружить нашу алмазную батарею чем-то вроде полиэтиленовой радиационной защиты.

Теперь у нас есть аккумулятор! К сожалению, не совсем так. Эта установка была предложена Университетом Бата в 2016 году и в настоящее время находится в разработке. У нас еще нет радиоактивной алмазной батареи, которая могла бы привести в действие что угодно. Создание алмазов из углерода-14 - сложная задача, которая, наряду с другими инженерными проблемами, такими как безопасное производство, делает производство такой батареи очень сложным и чрезвычайно дорогостоящим. Но теоретически это может сработать.

На что будет похожа эта теоретическая батарея? Через сто лет заряд почти не упадет. Это почти то же самое, что унести с собой безграничную энергию. Это также относительно безопасно, поскольку углерод-14 заперт в алмазах, что затрудняет создание эффективной "грязной бомбы".

В прошлом инженеры пытались передать в руки широкой публики миниатюрные ядерные устройства, такие как Ford Nucleon. Но большая проблема в том, что ядерное топливо часто имело форму, которую можно было легко превратить в мелкий порошок и имитировать вещества, которые накапливаются в нашем организме, например, кальций. Таким образом, для человека было бы относительно легко собрать много ядерного материала из этих устройств, привязать его к бомбе и взорвать. Это испаряет ядерный материал. Мы вдыхаем его или перевариваем, а затем наше тело накапливает его в тканях, и мы получаем радиоактивное отравление изнутри.

Этот тип оружия известен как "грязная бомба", и он может убить тысячи людей с помощью небольшого количества ядерного топлива. Неудивительно, что никто не хотел этого риска, и от широко распространенных ядерных устройств отказались. Но алмазы из углерода-14 нельзя измельчить в мелкий порошок, поскольку они стабильны и инертны. Так что, даже если нам удастся его переварить или вдохнуть, мы получим лишь небольшую дозу радиации, когда алмазы пройдут через нас. Это делает радиоактивные алмазные батареи относительно безопасными, поскольку из этих батарей сложно сделать работоспособную грязную бомбу.

Это безопасный аккумулятор с длительным сроком службы с минимальным содержанием тяжелых металлов. Представляете, как это может изменить нашу жизнь. Аккумулятор можно использовать для миссий к Марсу или спутникам Юпитера и Сатурна, где не хватает солнечной энергии. Аккумулятор вашего телефона переживет телефон. То же самое и с вашим ноутбуком или электромобилем. Представьте, что вы покупаете машину и никогда ее не заправляете!

Будет значительно сокращено количество электронных отходов, поскольку люди захотят сохранить и повторно использовать старые батареи. Это действительно будет идеальный аккумулятор.

Но две проблемы мешают этой утопической технологии вызвать революцию. Во-первых, стоимость. В мире не так много атомных электростанций, поэтому поставки облученного углерода-14 низкие, что делает его дефицитным товаром и, следовательно, дорогим! Обработка графитовых стержней для превращения их в алмазы также является чрезвычайно дорогой. В будущем цена может снизиться по мере удешевления переработки, но, поскольку поставки углерода-14 ограничены, похоже, что они останутся дорогими.

Я не могу найти никаких цифр о том, насколько дорого, но инженеры сомневаются, что это может быть коммерциализировано. Учитывая, что это аккумулятор, который никогда не требует зарядки (представьте, какую экономию вы получите), это означает, что он может быть на порядки дороже, чем литий-ионный, даже если будет производиться в промышленных масштабах.

Последняя проблема - плотность мощности. В отличие от литий-ионных, вы не можете заставить радиоактивную алмазную батарею сбросить всю свою мощность за один раз. Вы должны подождать, пока алмазы распадутся. Это означает, что хотя одна батарея может содержать сотни ватт-часов энергии (3,3 Вт/г), энергия выделяется очень медленно. Таким образом, чтобы получить достаточное напряжение для питания телефона или автомобиля, вам понадобится батарея гораздо большего размера, чем эквивалентная литий-ионная. Это не только означает, что вам придется таскать с собой тяжелую батарею, но и еще больше увеличивает стоимость батареи! Эта технология, вероятно, будет недоступна для большинства из нас

Но если у вас есть деньги и вы довольны дополнительным весом, есть шанс построить робота, который не нуждается в зарядке, или электромобиль, который может проехать миллионы миль!

На практике эти батареи не используются. Вместо этого они будут использоваться в качестве резервных систем низкого напряжения и зарядных устройств для удаленных и тяжелых приложений, таких как спутники дальнего космоса или удаленные метеостанции. По-прежнему революционная технология, которая может помочь нам расширить наши знания о Вселенной, но не совсем аккумулятор нашей мечты.

Так мы застряли с литий-ионным аккумулятором?

Возможно, нет. Есть и другие альтернативы, например, батареи на основе графена, но они находятся на очень ранней стадии разработки. В настоящее время ведутся исследования в области аккумуляторных технологий, и каждая концепция серьезно рассматривается. Кто знает, может быть, мы сможем сделать радиоактивные алмазные батареи более компактными, мощными и дешевыми, и сможем получить батарею своей мечты.

Одно можно сказать наверняка: будущее энергетики выглядит очень интересным, поскольку наши научно-фантастические мечты о световых мечах, роботах, космических путешествиях и совершенном автомобиле с каждым днем становятся все ближе к реальности.

Тим Танк

Межпространственная гипотеза: ведущая теория в разведывательном сообществе

Один из неопознанных феноменов был тщательно исследован лучшими умами в правительстве США и за его пределами. У этого трудного исследование высокий уровень согласия.

Каким бы обнадеживающим ни был недавний поворот событий для общего поиска реальности, очень жаль, что тысячи ученых, инженеров, гражданских чиновников и других экспертов были изображены лжецами и психами просто потому, что осмелились начать дискуссию о предмете, который большинство людей просто не готовы понять. Этот разрыв между философией и личными убеждениями является основным источником нападок и насмешек со стороны величайших мыслителей общества. Мы положились на них, чтобы разделить атом, отправить нас на Луну и создать компьютерные сети, которые позволят вам прочитать эту статью. Однако, как только эти гении начинают обсуждать НЛО и Феномен, они обречены на анонимность. Их работа в основном хранится в архивах Министерства обороны и спецслужб. Большинство из них удалено из общественного достояния или затруднено для доступа.

Государственные ведомства и те, кто занимается созданием боевых машин, с другой стороны, изучают их работу в секрете.

Межпространственная гипотеза

Она часто известна как "парафизическая теория". Если вы прочитаете между строк современного жаргона тех, кто близок к AATIP, AWSAP и другим проектам, исследующим Феномен (НЛО), вы скоро начнете слышать такие фразы, как "Мы ??должны мыслить вне пределов реальности". коробка "или "Человеческий разум просто видит вещи линейно ". Если вы продолжите читать работы людей, тесно связанных с Министерством обороны и разведывательными службами, сообщение станет сильнее по мере того, как вы вернетесь в прошлое. Похоже, что нас не беспокоит что-либо из другого мира или галактики. На мой взгляд, книга Джона А. Киля "Операция" Троянский конь" лучше описывает то, что исследователи обнаружили с течением времени.

Доктор Эрик Дэвис, один из ведущих ученых AATIP, заявил, что он прочитал эту книгу, когда ему было восемь лет. По словам Жака Валле, исследователя, который также был советником AATIP и предыдущих программ, необъяснимые летающие объекты (НЛО) и связанные с ними явления включают посещения из других "реальностей" или "измерений", которые сосуществуют независимо от наших. Это не всегда ответ на внеземную теорию, поскольку две теории не идентичны друг другу, и обе могут быть действительными одновременно. Согласно Межпространственной гипотезе, НЛО - это современная версия явления, существовавшего на протяжении всей известной истории человечества и ранее приписываемого мифологическим или сверхъестественным существам.

На фото (слева) Дж. Аллен Хайнек и (справа) Жак Валле.

Кажется, они уже были здесь. Возможно, они хозяева. Кил работал полный рабочий день, семь дней в неделю, более четырех лет. Роман представляет собой сокращенную версию оригинальной рукописи объемом более 2000 страниц. Ясность исследования становится очевидной, если вы можете на секунду отказаться от научной шляпы и увидеть за пределами "научного подхода" глазами философа.

Они смотрят на нас

В 1966 году Кил собрал более 10 000 вырезок из новостей (для сравнения, ВВС якобы получили только 1060 сообщений за тот же период). Автор сам расследовал большую часть случаев и убедился в их правдивости. Затем в 1967 году автор посвятил свое время сортировке и категоризации собранной им информации, а также свел ее к четкому математическому методу исследования. У него было сильное желание обнаружить любые закономерности или циклы, которые могут произойти. Как только он организовал наблюдения по датам, стала очевидна первая значимая закономерность. Наблюдения, как правило, собирались в определенные дни недели. В среду было наибольшее количество наблюдений, и о них обычно сообщали между 8 и 11 часами вечера. Если деятельность НЛО была исключительно психологической, то в субботу или пятницу вечером должно быть больше наблюдений, так как больше людей будет на улице, добираясь до мест развлечений и так далее. Вместо этого мы обнаруживаем, что большинство наблюдений регистрируется в среду, и их число постепенно уменьшаются в течение остальной части недели. Во вторник регистрируется самый низкий уровень.

Этот загадочный "феномен среды" оказался вполне реальным и был воспроизведен в 1967 и 1968 годах. Кил обнаруживает, что НЛО, похоже, ограничивают свои действия политическими границами, внимательно наблюдая за географическими положениями подтвержденных массовых наблюдений, которые были подтверждены многими людьми. Как будто они точно знают, где заканчивается Оклахома и начинается Техас.

Если НЛО метеоры или другое небесное явление, несомненно, они будут зарегистрированы в соседних странах. Скептики ошибаются в том, что наблюдения между штатами случаются не так часто, как им хотелось бы думать. Это работа инопланетных пришельцев в поездке, которая случайно натолкнулась на интересную голубую планету? Или это похоже на работу кого-то, кто пользуется нашими картами и календарями и поэтому хорошо осведомлен о нас, хотя мы очень мало знаем о "них"?

Парафизические игры

Возможно, нас посещают существа с другой планеты, но это не обязательно. Ведь если материальность НЛО парафизична (и, следовательно, обычно нематериальна), то более вероятно, что НЛО могут быть творениями невидимой вселенной, сосуществующей с нашим реальным пространством. Это объяснение кажется гораздо более реалистичным, чем Феномен, возникающий из других миров. При условии, что настоящие НЛО являются парафизическими, способны отражать свет, как призраки, и что они остаются видимыми, пока перемещаются на сверхвысоких скоростях из одной точки в другую, это означает, что те, кто остаются видимыми при переходе, не дематериализуются для этого быстрого перехода, и, следовательно, их масса должна быть прозрачной (очень диффузной), а их субстанция - сравнительно эфирной. Рассказы очевидцев Феномена, от Нимица до Кена Арнольда, подтверждают парафизическое утверждение и увеличивают вероятность возникновения феномена на Земле по сравнению с вероятностью их существования на другой планете. Призраки, склонные к иллюзиям, изобилуют в астральном царстве иллюзий. Он известен своими разнообразными творческими практиками и наставлениями.

Ранчо Скинуокеров - это то, что вам нужно. Некоторые из этих существ, кажется, олицетворяют княжества и силы. Другие делают заявления о религии, теологии, богословии и так далее. Все эти астральные представители, вызывающие человеческое сознание, могут быть подлинными, но многие из их теорий могут быть построены так, чтобы увековечить особый фантазм, возможно, о предыдущем воплощении, или удовлетворить горячее и постоянное научное стремление к материалистическому развитию, или просто удивить и досаждают легковерным ради этого.

По сути, феномен НЛО может быть ошеломляющим космическим зрелищем, устроенным невидимыми существами, которые долгое время пугали, тревожили и вводили в заблуждение человечество. Чем больше мы препятствуем нашему успеху, задаваясь вопросом, справляются ли надежные источники информации с беспорядком воздушных шаров и чаек, тем дальше другие будут следить за нашими движениями и прислушиваться к нашим ограничениям. Известно, что следователи, аналитики и исследователи используют ряд методов для конструирования преступления или теории. Традиционно подтверждающие показания сотен свидетелей могут считаться убедительным фактическим заявлением в гражданском суде. Если бы теория заключалась в том, что транспортные средства, спроектированные и собранные нечеловеческим разумом, потерпели крушение на Земле, необходимые доказательства должны быть весьма значительными. У тех, кто призывает к существованию разбитых внеземных транспортных средств, уже есть гора очевидцев из первых рук, которые выступили публично. Однако из-за...

Тим Андерсен

Наука может быть не права

рис

Нил де Грасс Тайсон недавно написал в Твиттере то, что у большинства ученых не вызывает споров. Наука хороша тем, что она истинна вне зависимости от того, верите ли вы в нее или нет. Но верно ли это утверждение? При всем уважении к доктору Тайсону, я возражаю против использования им слова "истина".

Я делаю это не потому, что не согласен по духу, а потому, что мне кажется, что в течение многих лет такие утверждения неправильно понимались как утверждения философской истины и, по иронии судьбы, использовались против науки, как будто притязания науки на истину противоречат ее склонности к самовосстанавливающийся истине. Но это не так. Скорее, это сокращенный способ сказать, что научные теории имеют весомые доказательства, подтверждающие их, и поэтому они не зависят от личных чувств или убеждений.

Тем не менее, они не "верны", и на самом деле это хорошо для науки. Весь смысл научного метода, по мнению многих ученых, состоит в том, чтобы отличить истину от лжи путем наблюдения, гипотез, экспериментов и пересмотра концепций. Так формируются теории, которые мы обычно считаем "истинными". В отличие от теологических или философских утверждений о Боге, свободе воли, этическом поведении и т. д., научные утверждения подкреплены данными, исключающими альтернативные утверждения. Но являются ли эти утверждения "верными"?

Истина для моих целей относится к логической истине, означающей, что предложение или утверждение следует от посылки к заключению.

Например, у меня есть такое высказывание: "Если идет дождь, значит, трава мокрая". Затем, если я говорю "идет дождь", логически следует утверждение, что "трава мокрая". Следовательно, это правда. Однако, если я просто скажу "трава мокрая", я не могу сделать вывод, что "идет дождь", потому что утверждение "если" действует только в одном направлении. Я могу "сделать вывод", что идет дождь, но я не могу сказать, что "идет дождь" - верное утверждение. Трава могла быть влажной из-за разбрызгивателя. Таким образом, если взглянуть на научные утверждения, такие как закон всемирного тяготения Ньютона, то это скорее умозаключения, чем утверждения.

Научная теория или гипотеза выступает в качестве предпосылки, а не заключения. Например, если закон всемирного тяготения Ньютона верен, то каждый член системы двух тел (Солнца и планеты) будет двигаться по эллиптической орбите. Мы наблюдаем, что две системы тел подчиняются эллиптическим орбитам, поэтому заключаем, что теория Ньютона верна. Но логически это ошибочный вывод. Мы можем только сделать вывод, что теория Ньютона верна, но если другая теория также подразумевала эллиптические орбиты, то эта теория также могла бы быть верной.

Есть много предпосылок, которые могут подразумевать одни и те же выводы, особенно в отношении научных предложений, которые призваны быть универсальными. Цель науки - найти лучшие. Вот почему я предпочитаю, когда ношу хотя бы свою философскую фуражку, использовать слова "лучший", "лучше" и "хуже" для научных теорий, а не "истинные" и "ложные".

Привыкание к этому языку может помочь вам понять, как научную теорию можно заменить, но при этом она будет полезной. В самом деле, мы знаем, что теория гравитации Эйнштейна объясняет явления, которые не объясняет теория Ньютона. Например, объясняет прецессию орбиты планеты Меркурий, искривление света, гравитационное красное смещение и многие другие измеряемые явления, которые теория Ньютона не учитывает. Следовательно, посылка о том, что теория Ньютона верна, не приводит к выводу, что мы наблюдали бы эти вещи. Поскольку мы наблюдаем их, это означает, что посылка логически ложна. Теория Ньютона неверна. Вот как работают последствия.

Если посылка верна, заключение должно быть верным. Если вывод ложный, посылка должна быть ложной. Однако это не означает, что теория Эйнштейна верна, и не означает, что теория Ньютона бесполезна. В конце концов, теория Ньютона широко используется в ракетостроении и баллистике. В большинстве случаев это теория моделирования движения повседневных объектов. Поэтому правильнее сказать, что теория Эйнштейна "лучше", чем теория Ньютона, как общее объяснение гравитации. Между тем теория Ньютона, хотя и ошибочна, но все же полезна. Где-то, вероятно, есть теория, которая лучше, чем у Эйнштейна, объясняет гравитацию. Возможно, квантовая теория, но при этом она не делает бесполезной и эйнштейновскую теориию. Эта новая теория может быть более сложной, чем теория Эйнштейна, и полезна только в особых случаях. Даже если мы уверены, что теория Эйнштейна, как и теория Ньютона, должна быть ложной, мы не можем отклонить ее как не лучшую. По крайней мере, на данный момент она лучшая. И обе теории, безусловно, лучше, чем наша собственная интуиция или желания, которые легко рушатся при малейшем свидетельстве.

Наука не гонится за истиной, поскольку не может определить, какие предпосылки истинны, в отличие от математики, где предпосылки просто определены. Наука гонится только за улучшениями.

И ученые это понимают. Объективный характер научных данных почти гарантирует, что наука со временем улучшит свои модели. Каждый раз, когда вы собираете доказательства того, что научная модель не работает в определенном режиме, например, в случае несостоятельности закона Ньютона для черных дыр, а другая модель преуспевает в этом режиме, а также во всех других, в которых преуспевает другая модель, например, Эйнштейна, тогда объективно можно сказать, что вторая модель является "лучшим" объяснением данного явления, например, гравитации. Точно так же вы можете сказать, что старая модель ложна, не только хуже, но и логически ложна.

Однако бывают случаи, когда у вас может быть более одной гипотезы, объясняющей одни и те же данные, без реального способа их различить. В этом случае ни то, ни другое не является ложным, так как же определить, что лучше? В данном случае у нас есть инструмент, который может ранжировать теории от лучших к худшим: бритва Оккама. Бритва Оккама - это практическое правило или самоочевидная аксиома. Она говорит, что лучшая теория - это та, которая объясняет все данные, а также является самой простой. Вы не можете доказать, что бритва Оккама верна, но это не обязательно. Скорее, это способ ранжирования гипотез, чтобы дать наиболее полезные и, следовательно, наилучшие ответы на научные вопросы. Бритва Оккама также не говорит вам, какая теория верна. Она только говорит, какая из теорий лучшая. И, в конце концов, это все, что имеет значение.

Многие из нас неявно используют бритву Оккама как быстрый способ найти лучшее объяснение тому, с чем мы сталкиваемся каждый день. Если вы придете домой и обнаружите, что ваша обувь изжевана, вы легко поймете, что это ваша собака сделала, а не какой-то случайный незнакомец. Только в том случае, если у вас нет собаки, вам пришлось бы тянуться к более сложным объяснениям.

Однако, когда эта привычка нарушается, и мы начинаем верить сложным объяснениям вместо простых, мы кажемся странными. Только подумайте, как выглядят теоретики заговора, когда они придерживаются сложных теорий, в которых задействованы многочисленные скрытные деятели для объяснения мирских событий.

С другой стороны, иногда сложные явления требуют сложных объяснений. Когда из-за невежества мы игнорируем сложность в пользу простых объяснений, мы получаем не сторонника теории заговора, а экстремиста, который хотел бы свести все к одному принципу.

Наука балансирует между этими двумя крайностями. Возникает вопрос, откроет ли однажды наука теорию всего, что нельзя улучшить. Будет ли эта теория, наконец, верной? К сожалению, логика так не работает. Единственный способ узнать, что научная теория верна, - это определить ее самостоятельно. В этом случае это было бы тавтологически (автоматически) верно. Вы должны быть Богом. Пока мы являемся частью Вселенной и не создаем ее сами, нам придется жить с неопределенностью, заключающейся в том, что мы никогда не узнаем, что есть правда, а только то, что ложно, и верим мы не в истину, а в лучшие теории, которые мы доказали. Поступать иначе было бы нелогично.

Гленн Рцесс

Можно ли путешествовать во времени?

Те, кто видят статьи с такими названиями, любят большие вопросы: откуда мы все пришли, куда идем, и что такое жизнь, Вселенная и все остальное? Поэтому, когда уважаемый астрофизик заявляет, что да, мы можем вернуться в прошлое, мы говорим: "Подождите, что?"

Вы слышали о горизонте событий черных дыр? В той точке, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ускользнуть? Получается, что в то время как статические черные дыры имеют один горизонт событий, вращающиеся черные дыры имеют два горизонта событий. Во вращающейся черной дыре точка, где скорость вращения равна скорости света, не совпадает с точкой, в которой скорость убегания равна скорости света... Внутри эргосферы ничто не может избежать увлечения при совместном вращении, но, до тех пор, пока он остается за пределами внешнего горизонта событий, теоретически может избежать втягивания в сингулярность.

Однако профессор Маллет говорит, что до тех пор, пока человек входит во внешний горизонт событий под прямым углом, с достаточной скоростью и не пересекает границу внутреннего горизонта событий, он все еще может покинуть внешний горизонт событий и перейти в открытое пространство. Маллет указывает, что между внутренним и внешним горизонтами событий происходит нечто, называемое "перетаскиванием кадра". Согласно общей теории относительности Эйнштейна, чем сильнее гравитационный колодец, тем медленнее течет время. Гравитационный колодец черной дыры не только замедляет течение времени, но и увлекает за собой пространство-время - ткань самой реальности. Это эффект Ленса-Тирринга, более известный как "перетаскивание кадра".

Наблюдатель попадает в часть пространства-времени, которая находится в некоторой точке прошлого. Как далеко в прошлом? По словам профессора Маллета, невозможно предсказать пункт назначения. Фактически, можно даже попасть в часть пространства-времени с момента образования черной дыры, возможно, миллиарды лет назад. И, конечно, есть небольшая проблема - сделать это с достаточно высокой скоростью, чтобы покинуть внешний горизонт событий.

Единственный вопрос, который я могу придумать: если космический корабль входит под внешний горизонт событий из настоящего и попадает в "рамку" пространства-времени в прошлом, то, когда этот космический корабль покидает рамку, останется ли он в той же точке времени, или воссоединится с рамкой пространства-времени, из которой произошел?

Вход из настоящего в пространственно-временной фрейм из прошлого - это своего рода обман, уловка, момент, когда стрела времени обходится, как будто ее никогда не существовало. Но когда кто-то покидает эту пространственно-временную рамку из прошлого и выходит за пределы внешнего горизонта событий, он, безусловно, подвержен стреле времени. Более того, логически говоря, если космический корабль способен двигаться достаточно быстро, чтобы войти за внешний горизонт событий в настоящем, а затем выйти в какой-то момент в прошлом, вполне вероятно, что такой космический корабль может путешествовать достаточно близко к скорости света, чтобы использовать замедление времени и вернуться в собственное настоящее. Все, что нам нужно, - это космический корабль, который может годами путешествовать со скоростью, близкой к скорости света (и выдерживать гравитационные нагрузки, вызванные неудобной близостью к сингулярности). Тогда мы действительно можем увидеть, реален "парадокс дедушки" или нет.

Пол Саттер

Состоит ли темная материя из "шаров Ферми"?

Темная материя - загадочное вещество, которое проявляет свое притяжение, но не взаимодействует со светом. Оно может состоять из крошечных черных дыр, пронизывающих Вселенную. Согласно новой теории, эти черные дыры могли быть сформированы из "шаров Ферми" или квантовых "мешков" субатомных частиц, известных как фермионы, которые смешивались в плотных "карманах" во время зарождения Вселенной.

Теория могла объяснить, почему темное вещество стало доминировать во Вселенной.

"Мы обнаруживаем, что в некоторых случаях "шары Ферми" настолько плотны, что фермионы находятся слишком близко друг к другу, вызывая коллапс такого шара в черную дыру, - сказал Ке-Пан Се, исследователь Центра теоретической физики в Сеульском национальном университете в Южной Корее.

Се и его сотрудник Киёхару Кавана разработали новый сценарий, объясняющий, как темное вещество стало доминировать во Вселенной: в разгар невероятной трансформации, когда возраст космоса был меньше секунды, появился новый вид частиц, которые попали в ловушку, схлопнувшись до такой маленькой точки, что превратились в черные дыры. Затем эти черные дыры заполнили Вселенную, обеспечивая массу, необходимую для объяснения темного вещества.

Причина возникновения первобытных черных дыр

Астрономы и физики не могут объяснить темное вещество, загадочную субстанцию, которая составляет более 80% массы любой большой структуры, от галактик до космической паутины во Вселенной. Интригующая возможность заключается в том, что темное вещество возникло из черных дыр. В конце концов, черные дыры, как и темное вещество, не излучают света.

"Как своего рода несветящийся и компактный объект, черные дыры являются естественным объяснением темной материи", - сказал Се.

Но астрономам давно известно, что обычные черные дыры звездной массы не могут объяснить темное вещество во Вселенной. За всю историю Вселенной образовалось недостаточно звезд, чтобы сформировать достаточно черных дыр и объяснить темное вещество. Но в самые ранние моменты во Вселенной была довольно ошеломляющая физика. Возможно, то, что происходило тогда, породило триллионы маломассивных черных дыр. Эти черные дыры могут существовать и по сей день, потенциально решая загадку темного вещества.

Но теория должна создать достаточно черных дыр.

Пенистая Вселенная

Се и Кавана добавили несколько ингредиентов в свою модель. Они начали с очень молодой, очень горячей и очень плотной Вселенной. Эти экстремальные условия допускают некоторые физические процессы, которые не происходят в нормальных условиях современной Вселенной. Первый ингредиент - это нечто, называемое скалярным полем, которое представляет собой квантово-механическую сущность, охватывающую все пространство. (Хорошо известное поле Хиггса, которое придает материи ее массу, является примером одного из них.) Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, это скалярное поле претерпевало фазовый переход, переходя из одного квантово-механического состояния в другое.

Этот фазовый переход не произошел сразу во всей Вселенной. Было несколько точек, где переход начался, а затем распространился - так же, как несколько пузырьков в кастрюле с кипящей водой сливаются, образуя более крупные пузырьки. Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из "жидкой фазы" в "газовую", и последняя сначала существует в виде растущих пузырьков. Новое состояние скалярного поля, называемое "основным состоянием", распространяется из этих точек, как пучок шипящих пузырей.

В конце концов, пузыри полностью сливаются, и скалярное поле завершает переход.

Как сделать шар Ферми

Однако для создания первичных черных дыр, порождающих темное вещество, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Поэтому они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы - это категория частиц, которые составляют строительные блоки Вселенной. Например, электроны, протоны и нейтроны, составляющие атомы в вашем теле, являются фермионами. В очень ранней Вселенной фермионы свободно перемещались в скалярном поле. Но согласно рецепту, который приготовили Се и Кавана, эти фермионы не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся пузыри нового основного состояния во время фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся "карманах", становясь "шарами Ферми".

И тогда все пошло наперекосяк. Это связано с тем, что между фермионами существует дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызванная тем же самым скалярным полем, какое предложили Се и Кавана в статье. Обычно фермионы не любят, когда их собирают в небольшие объемы, но скалярное поле добавляет силу притяжения, которая может подавить это естественное отталкивание. Например, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки являются фермионами и обычно ненавидят друг друга, но дополнительная сила заставляет их оставаться вместе.

Эту силу можно смоделировать как взаимодействие Юкавы, подобное физике ранней Вселенной, действовавшей в модели Се и Каваны. Согласно теории Се и Каваны, как только взаимодействие Юкавы завоевало популярность, игра в маленькие "шары Ферми" была окончена. Втиснувшись в маленькие "карманы" быстро менявшейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество черных дыр. Эти черные дыры пережили конец фазового перехода и затопили Вселенную в виде темного вещества.

По крайней мере, идея такова. Это радикальное предположение, но когда дело доходит до физики ранней Вселенной и тайны, окружающей темное вещество, нам нужны некоторые радикальные предложения, а также наблюдения, чтобы добиться прогресса.

Итан Сигель

Таинственная темная энергия

Что на фундаментальном уровне составляет Вселенную? Когда мы задаем этот вопрос, мы обычно думаем о том, чтобы начать с вещей, которые наблюдаем напрямую - звезды, планеты, люди, газ, пыль, плазма и другие формы материи, которые мы знаем, - и разделить их на части, пока вы не достигнете чего-то, что неделимо. Когда мы овладели законами физики и начали манипулировать субатомными частицами, мы получили способность ускорять и сталкивать их, что позволило создавать широкий набор частиц и античастиц: все, что описано в Стандартной модели физики элементарных частиц. И все же, если мы сложим общую сумму всех этих форм материи, включая фотоны, нейтрино и все, что не состоит из атомов, мы окажемся далеко от того, что необходимо для описания нашей Вселенной. Необходимы два дополнительных компонента: темное вещество и темная энергия. Более того, хотя мы полностью ожидаем, что за темное вещество отвечают частицы, это совсем не так для темной энергии.

Частицы и античастицы Стандартной модели подчиняются всевозможным законам сохранения, с фундаментальными различиями между фермионными частицами и античастицами и бозонными. Каждый набор частиц обладает собственными уникальными квантовыми числами, но никакие частицы не могут объяснить темное вещество или темную энергию. У всех частиц, по крайней мере, в том виде, в каком мы их знаем, есть несколько общих черт. У них есть набор "квантовых чисел" или свойств, которые им присущи, которые определяют их массы, спины и различные заряды. Все частицы одного и того же типа - электроны, нижние кварки, Z-бозоны и т. д. - имеют идентичные свойства, и вы можете заменить любую из них любой другой идентичной частицей, и все останется таким же. Единственное, что между ними различается, является либо случайным, например временем их распада (если они нестабильны), либо ситуационным: такие вещи, как импульс, орбитальный угловой момент или уровни энергии в связанной системе.

Но есть частицы массивные и безмассовые. Массивные частицы замедляются по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, и в конечном итоге гравитационно слипаются вместе, поскольку каждая масса универсально притягивает любую другую массу. Однако безмассовые частицы просто перемещаются через искривленное пространство с единственно допустимой скоростью, скоростью света, пока не начнут взаимодействовать с другой частицей на своем пути.

Массивные (вещество) и безмассовые (излучение) частицы эволюционируют принципиально по-разному по отношению к расширяющейся Вселенной.

В то время как вещество и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения ее объема, темная энергия - это форма энергии, присущая самому космосу. По мере того, как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной.

С астрофизической точки зрения, когда мы исследуем Вселенную всеми известными нам способами, открывается множество аспектов космической истории. Наблюдая за тем, насколько распространены легчайшие элементы и их изотопы, мы можем определить, сколько всего нормального вещества составляет нашу Вселенную. Измеряя, как галактики группируются вместе, а также их крупномасштабное распределение и индивидуальные внутренние свойства, мы можем определить, сколько всего существует "вещества", которое ведет себя так, как будто оно состоит из массивных частиц. И когда мы смотрим на детали, включенные в оставшееся свечение от Большого взрыва - космический микроволновый фон - это говорит нам о том, что Вселенная пространственно плоская, и о том, сколько всего "вещества" присутствует во Вселенной в целом.

график

Из этой информации мы узнаем, что весь нормальный материал Стандартной модели в нашей Вселенной составляет всего 5 процентов от общего количества. Еще ~ 27 процентов - это темное вещество, которое не может вести себя как ни одна из известных частиц. Оно слипается и гравитирует, как обычная материя, но не сталкивается с нормальной материей, светом или другими частицами темного вещества.

Хотя мы можем обнаружить присутствие темного вещества только по его гравитационному влиянию, сразу становится очевидным, что темное вещество распределено гораздо более плавно, чем обычное; оно не такое комковатое, особенно в малых космических масштабах.

К сожалению, все попытки экспериментов по прямому обнаружению не дали надежного положительного результата. Истинная природа темного вещества остается загадочной.

Однако даже при сочетании нормальной и темной материи мы еще не приблизились к тому, чтобы найти остальные ~ 68 процентов.

Ключ к разгадке того, что это за "материя" впервые появился в 1990-х годах, когда наблюдения далеких сверхновых показали, что они слабее, чем предсказывали наши модели Вселенной. Как будто что-то еще сверх того, что мы ожидали, вносило свой вклад во Вселенную. По мере поступления доказательств, подкрепленных космическим микроволновым фоном и крупномасштабными данными о скоплениях галактик, мы поняли, что должна присутствовать совершенно новая форма энергии, несовместимая со свойствами любой формы вещества или излучения: то, что мы называем темной энергией.

Темная энергия распределена идеально однородно. Нет никаких доказательств того, что в пространстве, занятом богатыми скоплениями галактик, больше или меньше темной энергии, чем в пустотах пустого пространства. Нет никаких доказательств того, что темная энергия коррелирует с плотностью, направлением, местоположением или возрастом Вселенной. Она кажется неизменной во всем пространстве и времени.

И все же, несмотря на свою простоту, она ведет себя принципиально иначе, чем все другие известные формы энергии.

Каждая форма материи и излучения во Вселенной каким-то образом связана с квантовыми частицами. Нормальная материя состоит из субатомных частиц, которых существует конечное число. По мере расширения Вселенной количество частиц остается неизменным, а объем увеличивается, следовательно, вещество становится менее плотным с течением времени. Точно так же и излучение квантуется в частицы (даже, теоретически, гравитационное излучение, которое должно квантоваться в гравитоны), но эти частицы безмассовые. По мере расширения Вселенной не только количество частиц остается неизменным при увеличении объема, но и энергия каждой отдельной частицы уменьшается.

Тем не менее, оба этих описания не подходят для темной энергии. По мере увеличения объема Вселенной плотность энергии не меняется; она остается постоянна. Как будто во всем пространстве присутствует что-то, не зависящее от чего-либо еще: плотности материи, плотности излучения, температуры, изменения объема и т. д. Хотя мы можем измерить и количественно оценить темную энергию и ее влияние на Вселенную, мы не можем сказать, что мы понимаем ее природу. Это могло быть

∙ частица какого-то типа,

∙ поле, пронизывающее вселенную,

∙ или даже свойство, присущее самой ткани пространства.

Если темная энергия - это частица, то либо должны постоянно создаваться новые частицы, чтобы поддерживать постоянную плотность энергии, либо поведение этих частиц должно со временем эволюционировать, чтобы их влияние на Вселенную оставалось постоянным.

Если темная энергия - это поле, пронизывающее Вселенную, нет никаких доказательств того, что темная энергия - это что-то иное, кроме самой простой сущности, которую только можно вообразить: свойство, которое неизменно присуще пространству везде и всегда. Как это возможно?

1. Вселенная может иметь положительную, ненулевую космологическую постоянную, термин из общей теории относительности. Постоянная должна быть очень, очень маленькой, но, когда вы помещаете ее повсюду по всей Вселенной, она в конечном итоге начинает доминировать.

2. Это может быть квантовое свойство пространства: энергия нулевой точки всех полей в космическом вакууме не обязательно должна быть равна нулю, но может принимать какое-то положительное значение. То, что мы часто интерпретируем как квантовые флуктуации или возникающие и исчезающие пары частица-античастица, может быть причиной темной энергии.

С теоретической точки зрения важно иметь в виду, что до тех пор, пока мы не поймем природу темной энергии, мы должны держать все эти варианты в уме. Темная энергия может быть связана с инфляционной эпохой, которая положила начало Большому взрыву; темная энергия могла быть важной и действенной на раннем этапе истории Вселенной, прежде чем перейти в ее нынешнее состояние с низкой плотностью; темная энергия может быть медленно эволюционирующей или неоднородной, или может иметь немного более высокую или более низкую плотность в зависимости от того, что еще есть вокруг. Теоретически все варианты остаются на столе. Но именно поэтому мы не основываем наши выводы только на теории.

Вся идея науки основана на представлении о том, что мы узнаем информацию о Вселенной, проверяя саму Вселенную посредством измерений, экспериментов и наблюдений. По мере изучения:

∙ космического микроволнового фона до все меньших и меньших масштабов, в большем количестве диапазонов длин волн и с учетом поляризации;

∙ крупномасштабной структуры Вселенной на больших расстояниях, более слабых объектов и больших областей на небе;

∙ и индивидуально светящихся объектов, с большей точностью и на больших расстояниях.

Изучая все это, мы получаем возможность видеть, есть ли какие-либо указания на то, что темная энергия является чем-то другим, кроме чистой константы, и показывает ли она доказательства какой-либо эволюции или неоднородностей во времени и/или пространстве.

Пятнадцать лет назад мы смогли ограничить постоянство темной энергии с точностью ╠ 30 процентов. Сегодня точность этого показателя увеличилась до ╠ 7 процентов. С появлением следующего поколения космических и наземных обсерваторий точность достигнет ╠ 1 процента. Если есть какие-либо неоднородности или эволюционные эффекты, которые происходят в темной энергии, предстоящие исследования смогут этто выявить.

Однако есть и другие методы, которые могут выявить более экзотические интерпретации. Недавно в эксперименте XENON наблюдалось превышение количества событий над ожидаемым фоном, за пределами того, что можно было бы объяснить с помощью традиционных источников. В настоящее время есть три основных интерпретации:

1. Результат является экспериментальной случайностью, которая уйдет с лучшей статистикой;

2. это первое свидетельство неожиданного типа темного вещества, и объяснение потребует дополнительных изменений по сравнению с теми, что предполагались ранее;

3. Причиной этого является новый источник фона, который не был включен в анализ (например, тритий в воде).

Из этих объяснений большинство физиков предпочитают последнее. Но, как мы уже говорили ранее, нужно иметь в виду все возможности, какими бы экзотическими или странными они ни были.

Детектор XENON1T с низкофоновым криостатом установлен в центре большого водяного экрана для защиты прибора от фона космических лучей. Эта установка позволяет ученым, работающим над экспериментом XENON1T, значительно снизить фоновый шум и более уверенно обнаруживать сигналы от процессов, которые они пытаются изучить. КСЕНОН ищет не только тяжелое темное вещество, но и другие формы потенциального темного вещества и темной энергии.

Если не принимать желаемое за действительное и посмотреть только на доказательства, которые у нас есть, то история, рассказываемая Вселенной, очень проста, хотя и противоречит здравому смыслу. То, что мы досконально понимаем: вещество и излучение, состоящие из всех известных частиц Стандартной модели плюс гравитационные волны, составляет лишь 5 процентов от общего количества того, что существует.

Есть еще одна форма массы: темное вещество, составляющее около 27 процентов. Но большая часть того, что присутствует, ~ 68 процентов Вселенной, - это темная энергия. Она ведет себя не как частица или поле, а как свойство, присущее самому пространству.

Пора серьезно отнестись к идее о том, что темная энергия может быть просто свойством, присущим самой ткани пространства. Пока мы не научимся вычислять нулевую энергию самого пустого пространства или не получим каких-то странных, удивительных и неожиданных свидетельств, это останется одним из самых больших экзистенциальных вопросов во всей Вселенной.