Quantum by samodin.ilya

10 2 18 40

42 56 50

Сингулярный компьютер – это концептуальный инструмент, который может быть полезен ученым, изучающим космологию и фундаментальную физику. Когда исследователи научатся создавать черные дыры в ускорителях частиц, можно будет убедиться, что они вычисляют.

Ученые рассматривают законы физики как компьютерные программы, а Вселенную – как компьютер. Чем компьютер отличается от черной дыры? Звучит как шутка о Microsoft, но это один из самых серьезных вопросов современной физики. Для большинства людей компьютеры – это красивые коробки на столе или чипы размером с ноготь, размещенные в современной аппаратуре. Но для физика все физические системы – компьютеры. Камни, атомные бомбы и галактики не могут работать под управлением популярных операционных систем, но они регистрируют и обрабаты-

вают информацию. Электроны, фотоны и другие элементарные частицы несут в себе информацию, которая изменяется каждый раз, когда частицы взаимодействуют друг с другом. Физическое существование и информационное содержание неразрывно связаны. Как сказал физик Джон Уилер (John Wheeler) из Принстонского университета, «все – из бита». Столь очевидная потеря информации весьма загадочна, потому что по законам квантовой механики информация сохраняется. Другие ученые, в том числе Леонард Зюскинд (Leonard

Susskind) из Стэнфордского университета, Джон Прескилл (John Preskill) из Калифорнийского технологического института и Джерард Хоофт (Gerard’t Hooft) из Утрехтского университета в Нидерландах, утверждают, что на самом деле испускаемое излучение не случайно, а представляет собой результат информационной обработки упавшего в черную дыру вещества. Прошлым летом Хокинг присоединился к их точке зрения. Черные дыры – просто самый экзотический пример общего принципа, гласящего, что Вселенная регистрирует и

научно популярное

Абсолютно все физические системы хранят и обрабатывают информацию, развиваясь во времени. Иначе говоря, вся Вселенная вычисляет. Законы физики, ограничивающие вычислительную мощность компьютеров, определяют предел точности, с которой можно измерить геометрию пространства-времени. Поскольку эта точность не так уж высока, «атомы» пространства и времени могут быть больше, чем считалось ранее.

обрабатывает информацию. Сама идея не нова: создатели статистической механики еще в XIX в. для объяснения законов термодинамики придумали то, что позже было названо теорией информации. На первый взгляд, термодинамика и теория информации предельно далеки: первая была разработана для описания паровых двигателей, а вторая – чтобы оптимизировать каналы связи. Тем не менее термодинамическая величина, называемая энтропией, которая ограничивает способность парового двигателя производить полезную работу, оказывается

пропорциональной числу битов, регистрируемых положениями и скоростями молекул в веществе. Созданная в XX в. квантовая механика позволила количественно обосновать связь термодинамики с информацией и ввести понятие квантовой информации. Вселенная состоит из квантовых битов – кубитов, обладающих гораздо более интересными свойствами, чем обычные биты. Анализ Вселенной в терминах битов и байтов не заменяет ее рассмотрения в рамках обычных понятий, таких как сила и энергия, но позволяет выявить новые фак-

научно популярное

ты. Например, в статистической механике такой подход позволил разрешить парадокс максвелловского демона, который, казалось бы, допускает существование вечного двигателя. В последние годы физики используют такой анализ для изучения природы черных дыр, тонкой структуры пространствавремени в малых масштабах, космической темной энергии и, наконец, самых глубинных законов природы. Вселенная – не просто гигантский компьютер, а гигантский квантовый компьютер.

Вселенная без начала и конца Согласно теории Большого взрыва, у нашей Вселенной есть вполне конкретный возраст, который сейчас оценивают в 13,7 млрд лет. Довольно мало для такого значительного объекта, как Вселенная, не правда ли?

научно популярное

Большой взрыв и инфляция Модель Большого взрыва (Big Bang) восходит к исследованиям, которые в 1920-х годах провели петербургский математик Александр Фридман и бельгийский астрофизик Жорж Леметр (Georges Lemattre). Свой завершенный вид теория приобрела около 1948 г. в работах Георгия Гамова и двух его ассистентов (Гамов в 1934 г. эмигрировал из СССР в США, где получил кафедру в столичном университете им. Джорджа

Вашингтона). После открытия в 1964 г. американскими радиоастрономами Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Робертом Вильсоном (Robert Wilson) микроволнового излучения, которое предсказывала теория Большого взрыва, она получила новую жизнь и быстро обрела статус стандартной модели рождения Вселенной. Как оригинальная теория Биг Бэнга, так и ее позднейшие версии утверждали, что Вселенная после

научно популярное

своего возникновения непрерывно расширялась, но скорость этого расширения всё время падала из-за тормозящего воздействия всемирного тяготения. Однако в начале 1980-х годов Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Ландау и сотрудник теоретического отдела Стэнфордского линейного ускорителя Алан Гут (Alan Guth) независимо друг от друга обнаружили, что

отказ от этого допущения послужит на пользу модели. Ранее приходилось предполагать, что Вселенная по какому-то странному стечению обстоятельств уже в момент рождения была практически идеально плоской и почти однородно заполненной частицами и излучением. Старобинский и Гут выдвинули гипотезу, что Вселенная вскоре после своего рождения в течение 10-34 секунды расширялась с быстро возрастающей скоростью и не менее ста раз удвоила свои размеры. Отсюда следовало, что сначала она могла быть сильно искривленной и неоднородной по составу, поскольку в результате растягивания всё равно была обязана сделаться плоской и повсюду одинаковой, за исключением мельчайших флуктуаций, которые становились зародышами первых звезд и галактик.

Сверхбыстрое разбухание пространства с легкой руки американского физика-теоретика Сидни Коулмена (Sidney Coleman) стали называть космологической инфляцией. Первоначально эта модель страдала рядом недоработок, которые вскоре исчезли благодаря работам научного сотрудника ФИАН, а ныне профессора Стэнфордского университета Андрея Линде и физиков из Университета Пенсильвании Пола Стейнхардта и Андреаса Альбрехта. Инфляционные модели в основном сходятся в том, что инфляцию запустило скалярное квантовое поле, которое обычно называют инфлатоном. Это поле действовало противоположно тяготению и потому вызывало расширение пространства. Поскольку плотность его энергии сначала падала

очень незначительно, оно растягивало пространство с неослабевающей силой, что и было причиной инфляции. Однако со временем поле стало терять энергию, которая в конце концов дошла до устойчивого минимума и зафиксировалась в этом положении. На этом этапе инфляция прекратилась. Перед тем, как это произошло, поле быстро осциллировало, порождая электромагнитное излучение и элементарные частицы. В результате к окончанию инфляционной фазы Вселенная заполнилась из гамма-квантов и целого букета частиц — кварков, электронов, нейтрино и еще не открытых, но, скорее всего, существующих частиц темной материи. Затем в свои права вступило тяготение, и Вселенная продолжила расширяться, но уже с уменьшающейся скоростью. Вскоре после создания инфляционной модели несколько теоретиков поняли, что ее вну-

Поскольку Вселенная сейчас расширяется с возрастающей скоростью, плотность материи и излучения постоянно падает.Как следует из общей теории относительности, гравитационное искривление пространства слабеет, а его геометрия становится все более идеально плоской. В течение следующего триллиона лет размеры Вселенной удвоятся около ста раз, и она превратится в практически пустой мир, лишенный материальных структур.

научно популярное

тренняя логика не противоречит идее перманентного множественного рождения всё новых и новых вселенных. В самом деле, квантовые флуктуации, подобные тем, которым мы обязаны существованием нашего мира, могут возникать в любом количестве, если для этого имеются подходящие условия. Не исключено, что наше мироздание вышло из флуктуационной зоны, сформировавшейся в мире-предшественнике. Можно даже допустить, что когда-нибудь и где-нибудь в нашей собственной Вселенной образуется флуктуация, которая «выдует» юную вселенную. Существуют модели, в которых дочерние вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и живут своей собственной жизнью (при этом вовсе не обязательно, что повсюду устанавливаются одни и те же физические законы). Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга.

А если без инфляции Физики-теоретики любят пересматривать даже самые устоявшиеся концепции. Поэтому не следует удивляться, что конкуренты появились и у инфляционной интерпретации Большого взрыва. Одну из таких моделей придумал тот самый Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), который в свое время помог заложить основы инфляционной космологии. Теперь он возглавляет Центр теоретической физики в Принстоне (www.physics.princeton. edu/~steinh/). В создании новой теории ему помог Нэйл Тьюрок (Neil Turok), который до 2008 г. руководил отделением математической физики Кембриджского университета, а затем стал директором Института теоретической физики «Периметр» в канадском городе Ватерлоо в провинции Онтарио. Так что оба автора принадлежат к суперэлите современной физики. Основы новой теории они изложили в рассчитанной на достаточно широкую аудиторию монографии Endless Universe: «Beyond the Big Bang», опубликованной в 2007 г. издательством Doubleday. Модель Стейнхардта и Тьюрока существует в нескольких версиях,

научно популярное

но я расскажу о самой наглядной. Она основана на разработанном в конце прошлого века обобщении теории квантовых суперструн, известном как М-теория. Эта теория утверждает, что физический мир странственных и одно временное. В нем плавают пространства меньших размерностей, так называемые браны (сокращение от мембраны). Наша Вселенная — просто одна из таких бран, обладающая тремя пространственными измерениями. Все истинно элементарные частицы, которые существуют во Вселенной (электроны, кварки, нейтрино, фотоны и т.п.), на самом деле являются разомкнутыми вибрирующими бесконечно тонкими и чрезвычайно короткими струнами. Концы каждой такой струны намертво закреплены внутри нашей трехмерной браны, поэтому покинуть ее струна не может. Отсюда следует, что все частицы навечно заперты в пределах нашего родимого пространства. Но есть и закольцованные струны — это гравитоны, переносчики поля тяготения. Очень важно, что струнные кольца не сцеплены с определенными бранами и потому могут свободно мигрировать между ними. Этим гравитация принципиально отличается от электромагнитного взаимодействия.

формы пространства В 1904 г. Анри Пуанкаре предположил, что любой трехмерный объект, обладающий определенными свойствами трехмерной сферы, можно преобразовать в 3-сферу. На доказательство этой гипотезы ушло 99 лет. (Внимание! Трехмерная сфера – это не то, о чем вы подумали.) Российский математик доказал высказанную сто лет назад гипотезу Пуанкаре и завершил создание каталога форм трехмерных пространств. Возможно, он получит премию в $1 млн. Оглянитесь вокруг. Окружающие вас предметы, как и вы сами, представляют собой набор частиц, перемещающихся в трехмерном пространстве (3-многообразии), которое простирается во всех направлениях на многие миллиарды световых лет.

Анри Пуанкаре

Многообразия – это математические построения. Со времен Галилея и Кеплера ученые успешно описывают действительность в терминах той или иной ветви математики. Физики считают, что все на свете происходит в трехмерном пространстве и положение любой частицы можно задать тремя числами, например, широтой, долготой и высотой (оставим пока в стороне высказанное в теории струн предположение о том, что помимо трех наблюдаемых нами измерений существуют еще несколько дополнительных). Согласно классической и традиционной квантовой физике, пространство фиксировано и неизменно. В то же время общая теория относительности рассматривает его как активного участника событий:

расстояние между двумя точками зависит от проходящих гравитационных волн и от того, сколько вещества и энергии расположено вблизи. Но и в ньютоновской, и в эйнштейновской физике пространство – бесконечное или конечное – в любом случае представляет собой 3-многообразие. Поэтому для полного понимания основ, на которые опирается почти вся современная наука, необходимо разобраться в свойствах 3-многообразий (не меньший интерес вызывают 4-многообразия, так как пространство и время вместе образуют одно из них). Раздел математики, в котором изучаются многообразия, называется топологией. Топологи прежде всего задались фундаментальными вопросами: каков самый простой

научно популярное

(т.е. характеризующийся наименее сложной структурой) тип 3-многообразия? Есть ли у него столь же простые собратья или же он уникален? Какие вообще бывают 3-многообразия? Ответ на первый вопрос известен давно: самым простым компактным 3-многообразием является пространство, называемое 3-сферой (Некомпактные многообразия бесконечны или имеют края. Далее рассматриваются только компактные многообразия). Два других вопроса оставались открытыми на протяжении столетия. Лишь в 2002 г. на них ответил российский математик Григорий Перельман, который, судя по всему, сумел доказать гипотезу Пуанкаре. Ровно сто лет назад французский математик Анри Пуанкаре предположил, что 3-сфера уникальна и никакое другое компактное

3-многообразие не обладает теми свойствами, которые делают ее столь простой. У более сложных 3-многообразий есть границы, встающие как кирпичная стена, или множественные связи между некоторыми областями, похожие на лесную тропинку, которая то разветвляется, то снова соединяется. Любой трехмерный объект со свойствами 3-сферы можно преобразовать в нее саму, поэтому для топологов он представляется просто ее копией. Доказательство Перельмана также позволяет ответить на третий вопрос и провести классификацию всех существующих 3-многообразий. Вам потребуется изрядное воображение, чтобы представить себе 3-сферу (см. МНОГОМЕРНАЯ МУЗЫКА СФЕР). К счастью, у нее много общего с 2-сферой, типичный пример которой – резина круглого

воздушного шарика: она двухмерна, поскольку любая точка на ней задается всего двумя координатами – широтой и долготой. Если рассмотреть достаточно маленький ее участок под мощной лупой, то он покажется кусочком плоского листа. Крошечному насекомому, ползающему по воздушному шарику, он будет казаться плоской поверхностью. Но если козявка будет достаточно долго двигаться по прямой, то в конечном счете вернется в точку отправления. Точно так же 3-сферу размером с нашу Вселенную мы бы воспринимали как «обычное» трехмерное пространство. Пролетев достаточно далеко в любом направлении, мы бы в конце концов совершили «кругосветное путешествие» по ней и оказались бы в исходной точке.

Целое столетие математики пытались доказать предположение Анри Пуанкаре об исключительной простоте и уникальности 3-сферы среди всех трехмерных объектов. Обоснование гипотезы Пуанкаре наконец появилось в работе молодого российского математика Григория Перельмана. Он также завершил обширную программу классификации трехмерных многообразий. Возможно, наша Вселенная имеет форму 3-сферы. Есть и другие интригующие связи математики с физикой элементарных частиц и общей теорией относительности.

всякое односвязное компактное трёхмерное многообразие без края гомеоморфно трёхмерной сфере.

научно популярное

12 12

Некоторые звезды намагничены столь сильно, что излучают гигантские вспышки за счет энергии магнитного поля и существенно изменяют квантовые свойства вакуума. «Звездотрясение» на магнитаре высвобождает огромное количество электромагнитной энергии (эквивалентное энергии землетрясения силой в 21 балл) и выбрасывает раскалённый плазменный шар, который захватывается магнитным полем.

астрофизика

Астрономы обнаружили несколько звезд, испускающих мощные вспышки гаммаи рентгеновского излучения, которые могут быть в миллионы раз ярче всех других известных повторяющихся вспышек. Огромная величина этих энергий и пульсации излучения указывают на нейтронные звезды – второй по экстремальности (после черных дыр) тип объектов во Вселенной. Эти нейтронные звезды обладают самыми сильными из измеренных магнитными полями, поэтому их и назвали магнитарами. Наблюдаемые вспышки могут объясняться магнитной неустойчивостью, подобной землетрясениям. Миллионы магнитар дрейфуют через нашу Галактику не замеченными, т.к. сохраняют активность всего 10 тыс. лет.

5 марта 1979 г., сбросив спускаемые аппараты в ядовитую атмосферу Венеры, советские космические станции «Венера-11» и «Венера-12» продолжили полет по эллиптическим орбитам через внутреннюю часть Солнечной системы. Показания счетчиков радиации на борту обеих станций колебались в пределах 100 отсчетов в секунду. Однако в 10:51 по среднеевропейскому времени (EST) на аппараты обрушился поток гамма-излучения. За долю миллисекунды уровень радиации превысил 200 тыс. отсчетов в секунду. Через 11 сек. поток гамма-излучения накрыл космический зонд Helios-2 NASA, который также двигался по орбите вокруг Солнца. Стало ясно, что через Солнечную систему прошел плоский фронт излучения высокой энергии. Вскоре

астрофизика

он дошел до Венеры, и на обращавшемся вокруг нее спутнике Pioneer VenusOrbiter детектор зашкалило. Спустя несколько секунд поток достиг Земли и был зарегистрирован тремя спутниками Vela министерства обороны США, советским спутником «Прогноз-7» и космической обсерваторией Einstein. Наконец, на пути через Солнечную систему волновой фронт ударил по международной космической станции International Sun-Earth Explorer. Всплеск жесткого гамма-излучения высокой энергии был в 100 раз интенсивнее всех предыдущих, приходивших из-за пределов Солнечной системы, и длился всего 0,2 сек. За ним последовал поток мягкого рентгеновского и гамма-излучения, пульсировавшего с периодом в 8 сек. и затухшего через три минуты. Спустя 14,5 часа в 01:17 6 марта в той же точке небесной сферы наблюдалась еще одна, но более слабая вспышка гамма-излучения. В течение последующих четырех лет группа ученых из Ленинградского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе под руководством Евгения Мазеца зарегистрировала ещё 16 вспышек. Они различались по интенсивности, но были слабее и короче всплеска 5 марта 1979 г. Астрономы никогда не сталкивались с подобным. Сначала новые вспышки были внесены в каталоги уже хорошо известных и изученных гамма-всплесков (Gamma-Ray Bursts, GRB), хотя отличались от них по целому ряду признаков. В 80-х гг. Кевин Харли (Kevin C. Hurley)

из Калифорнийского университета в Беркли обнаружил, что подобные взрывы происходили еще в двух областях неба. Вспышки у всех этих источников повторялись, в отличие от GRB, которые вспыхивали только один раз (см. №4 «В мире науки». Нейл Герелс, Луиджи Пирои Питер Леонард «Ярчайшие взрывы во Вселенной»). В июле 1986 г. на конференции в Тулузе астрономы пришли к согласию по вопросу о положении этих источников на небе и назвали их «повторными мягкими гамма-всплесками» (Soft Gamma Repeaters, SGR). Прошло еще семь лет, прежде чем Дункан и Томпсон, двое из авторов настоящей статьи, придумали объяснение для этих странных объектов, и только в 1988 г. Кувелиоту и ее группа нашли убедительные свидетельства, подтверждающие предложенную модель. Последние наблюдения показали, что все это имеет отношение к еще одному типу загадочных небесных тел, известных под названием аномальных рентгеновских пульсаров. Нейтронные звезды – самые плотные из известных небесных тел: их масса, несколько превышающая массу Солнца, сосредоточена в шаре диаметром всего 20 км. Исследования SGR показали, что некоторые нейтронные звезды обладают настолько сильным магнитным полем, что оно существенно изменяет свойства вещества внутри звезд и квантовое состояние вакуума вокруг них, что и приводит к физическим эффектам, не наблюдаемым в других местах Вселенной.

Теоретики предсказали существование нейтронных звезд (Neutron Star, NS) еще в тридцатые годы XX в., но их скорого открытия никто не ожидал, т.к. было ясно, что увидеть такой объект нелегко.

Уменьшение радиуса в сто раз означает, что площадь излучающей поверхности будет меньше в десять тысяч раз. Светимость пропорциональна площади источника и температуре его поверхности в четвертой степени. У нейтронной звезды температура поверхности может достигать нескольких миллионов градусов (у горячих белых карликов – лишь десятки тысяч градусов). В этом случае максимум излучаемой энергии у нейтронных звезд должен попадать в рентгеновский диапазон, но и там их светимости невелики. В оптическом диапазоне при температуре в миллион градусов излучается гораздо меньшая доля энергии, поэтому регистрация нейтронной звезды в середине XX в. представлялась совершенно невозможной. Несмотря на это, нейтронные звезды были обнаружены в конце 60-х гг., причем почти одновременно в двух различных своих ипостасях: как радиопульсары и как рентгеновские пульсары. Слово «пульсар» обозначает характерную особенность двух групп объектов – они испускают серии импульсов с почти идеальной периодичностью – первые в радиодиапазоне, вторые

Главное же отличие миллисекундных пульсаров от обычных заключено в том, как протекает их эволюция. Миллисекундными пульсарами не рождаются, а становятся, – мы не наблюдаем сколько-нибудь значительного рождения быстро вращающихся и слабо намагниченных нейтронных звезд.

– в рентгене. В остальном объекты очень сильно различаются. Все рентгеновские пульсары входят в состав тесных двойных систем, в которых второй компаньон является нормальной звездой. (Заметим, что наблюдают пульсирующее рентгеновское излучение и от одиночных нейтронных звезд. Но это уже другая история, и поэтому под «рентгеновскими пульсарами» мы будем подразумевать только двойные системы.) Высокая светимость таких пульсаров объясняется аккрецией на поверхность нейтронной звезды вещества, поставляемого соседкой. В мощном гравитационном поле нейтронной звезды вещество разгоняется

до очень высокой скорости и после удара о ее поверхность начинает светить в рентгеновском диапазоне. Из-за достаточно сильного магнитного поля NS вещество выпадет на поверхность только вблизи ее магнитных полюсов, а вращение звезды приводит к наблюдаемым пульсациям излучения. Первые радиопульсары оказались одиночными объектами. Несколько позднее стало ясно, что небольшая часть таких источников – примерно 1% – может входить в состав двойных систем, но механизм излучения никак с этим фактом не связан, что затрудняет процесс их обнаружения. Зато с помощью двойных радиопульсаров

астрофизика

можно изучать очень интересные явления: измерять массы нейтронных звезд, наблюдать их прецессию, проверять тонкие эффекты, предсказываемые общей теорией относительности (например, излучение гравитационных волн). В дальнейшем мы будем говорить только об одиночных нейтронных звездах. Физические процессы, происходящие на радиопульсарах, хорошо описаны в статье Криссы Кувелиоту, Роберта Дункана, Кристофера Томпсона. «Магнитары». Сегодня число открытых объектов уже перевалило за полторы тысячи. Многие годы самым типичным радиопульсаром считался источник в Крабовидной туманности. Вот его портрет: молодая нейтронная звезда с периодом вращения 0,033 секунды и магнитным полем порядка 1012 Гс (для сравнения скажем, что магнитное поле Земли составляет примерно 1 гаусс). Пульсар рождается в результате взрыва массивной звезды – вспышки сверхновой. Первые 10–100 тысяч лет своей жизни нейтронная звезда находится внутри оболочки из вещества, выброшенного при взрыве – остатка сверхновой, – или же совсем недалеко от этой оболочки. Крабовидная туманность как раз является таким остатком, а пульсар расположен почти точно в его центре. Быстрое вращение сильно намагниченного тела порождает потоки заряженных частиц (пульсарный ветер), которые уносят энергию. В результате вращение

астрофизика

пульсара постепенно замедляется, а период пульсаций увеличивается. Молодые NS проявляют себя как пульсары первые несколько миллионов лет, пока период их вращения не достигнет примерно секунды (чем больше магнитное поле, тем длиннее критический период). Потом они прекращают испускать радиоимпульсы. Первый признак того, что обычные радиопульсары это не все, чем нас могут порадовать одиночные NS, появился примерно 20 лет назад, когда были открыты так называемые миллисекундные радиопульсары, которые имеют всего два отличия от обычных, но каких! Во-первых, как следует из названия, они очень быстро вращаются, их периоды составляют тысячные доли секунды. (Два самых быстрых миллисекундных пульсара имеют периоды около 1,6 мс, т.е. делают

более 600 оборотов в секунду.) Вовторых, у них очень слабое по сравнению с другими NS магнитное поле – порядка 109 Гс, из-за чего миллисекундные пульсары очень медленно тормозятся и очень долго могут сохранять способность излучать радиоимпульсы. Время активного существования этих объектов сравнимо с возрастом Вселенной, но остальными проявлениями они похожи на своих более многочисленных обычных собратьев. Причем слово «многочисленные» надо понимать в буквальном смысле: сегодня известно примерно 50 миллисекундных пульсаров и более 1500 обычных. Следует отметить, что обычные пульсары живут несколько миллионов лет, а миллисекундные – сотни миллионов и миллиарды, т.е. возникновение миллисекундного пульсара чрезвычайно редкое событие.

Теория звездной эволюции в общих чертах уже известна, и многие ее выводы подтверждаются наблюдениями. Но до сих пор в ней существуют нерешенные проблемы, в частности, касающиеся возникновения звезд В этом смысле особый интерес представляет история звездообразования во Вселенной, то есть интенсивность, с которой рождались звезды в галактиках от момента появления первых светил до наших дней. В настоящее время в нашей Галактике каждый год рождаются звезды, общая масса которых примерно равна 2—3 солнечным. А как этот процесс протекал раньше? За 15 млрд лет существования Млечного Пути в нем сформировалось около 60 млрд солнечных масс. Был ли это монотонный процесс, или звездообразование происходило вспышками, вызванными, например, сближением с нашими соседями — Магеллановыми

Облаками? Пока нет ответа на этот вопрос. Астрономы не могут «прокрутить» время назад и посмотреть, как менялся темп звездообразования в интересующем их месте пространства. Тем не менее они могут заглянуть в прошлое, наблюдая далекие галактики. Исследуя процессы во все более удаленных объектах, ученые могут определить, как менялся темп звездообразования при эволюции Вселенной. Это, в свою очередь, поможет узнать, когда сформировались наиболее древние галактики, и как их состав изменялся со временем. Для решения данной задачи нужны надежные индикаторы звездообразования. Из-за высокой

температуры спектр молодых светил смещен в ультрафиолетовую область. Кроме того, они часто окружены пылью, которая поглощает их излучение и затем переизлучает его в виде тепла, т.е. в инфракрасном свете. Это дает возможность использовать излучение в ультрафиолетовом и далеком инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра для диагностики звездообразования. На практике такие индикаторы удалось внедрить только во второй половине XX в., когда появились телескопы, позволяющие проводить астрономические наблюдения за пределами видимого диапазона. Однако индикаторы не всегда надежны, т.к. ультрафиолетовое

астрофизика

Фаза термоядерного горения водорода – наиболее длинная и устойчивая в жизни любой звезды

излучение поглощается межзвездной средой, а интенсивность инфракрасного зависит от количества пыли в галактике, которое зачастую неизвестно. Солнце греет Землю уже около 5 млрд лет и, судя по запасам водорода, этот процесс будет продолжаться еще столько же. У звезды, масса которой в 8 раз больше, а светимость в тысячи раз выше, срок жизни существенно меньше — всего 40 млн лет. Более массивные объекты расходуют свои запасы топлива еще быстрее. Фаза термоядерного горения водорода — наиболее длинная и устойчивая в жизни любой звезды. Все это время она находится на так называемой главной последовательности (рис.

астрофизика

вверху). Когда весь водород в недрах превращается в гелий, звезда с нее «сходит». Источник энергии иссякает, равновесие нарушается, и под действием гравитационных сил светило начинает сжиматься. Дальнейшая судьба зависит от его массы. У небольших звезд температура в ядре не поднимается выше нескольких десятков миллионов градусов, поэтому термоядерный синтез более тяжелых элементов не происходит. Звезда медленно перемещается по диаграмме (рис. вверху) в область белых карликов и затем постепенно остывает. Более массивные звезды сжимаются достаточно сильно для того, чтобы вызвать последовательный

термоядерный синтез химических элементов вплоть до железа. Синтез более тяжелых элементов становится энергетически невыгодным и поэтому не происходит. Когда выделение тепла прекращается, сжатию ничто не препятствует, и образовавшееся железное ядро быстро коллапсирует до размеров 10—20 км, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру в зависимости от первоначальной массы звезды. От выделившейся гравитационной энергии оболочка взрывается и со скоростью около 10 тыс. км/с выбрасывается в окружающее пространство. Происходит так называемый взрыв сверхновой II типа.

первое фото черной дыры

Полученное фото – результат нескольких лет работы ученых по всему миру. В среду, 10 апреля, международная группа астрофизиков представила первую в истории фотографию черной дыры, а точнее – ее горизонта события. Изображение дыры в центре галактики M87 в созвездии Девы – результат нескольких лет обработки данных, полученных радиотелескопами по всей планете

главная новость

Рассказываем подробнее, что изображено на снимке и почему он так важен для научного мира. Первое фото черной дыры Сенсационное заявление сделали европейские ученые: им удалось впервые сделать фотографию черной дыры – сверхмассивного коллапсара в далекой галактике Messier 87, находящейся в скоплении Девы. Снимок был получен с помощью проекта Event Horizon Telescope [Телескоп горизонта событий – ред.], который запустился в 2012 году. Отметим, цвета на изображении – условные. Их можно было сделать зелеными, желтыми или розовыми, поскольку исходное изображение с телескопов получается монохромным. Но цвета здесь не главное, самое важное – внутренняя черная часть дыры. Расстояние до нее – 53 млн световых лет, или более 500 квинтиллионов [500 миллионов триллионов] километров. Чтобы ее сфотографировать, потребовалась сеть из восьми телескопов, расположенных на разных континентах. «То, что мы видим – больше по размеру, чем вся наша Солнечная система. Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз. Это одна из самых массивных черных дыр, которые в принципе

главная новость

могут существовать. Абсолютный монстр, чемпион Вселенной в сверхтяжелом весе», – поясняет в комментарии BBC Хейно Фальке, профессор Университета Неймгена в Нидерландах. Это настолько важное событие для всего научного мира, что журналистам объявили об этом на пресс-конференции, которую одновременно провели сразу в шести городах: в Брюсселе, Вашингтоне, Сантьяго-де-Чили, Тайбэе, Токио и Шанхае.

Как поясняет Фальке, на фото мы видим идеально круглую черную дыру, окруженную «огненным кольцом» – это устремляющийся в нее горячий газ, разогретый до невероятных температур. Газ светится так сильно, что затмевает по яркости несколько миллиардов звезд, расположенных в той же галактике. Сама черная окружность – это область внутри горизонта событий, откуда свет вырваться уже не может. Там перестают действовать все привычные нам законы физики.

Что мы знаем о черных дырах Добро пожаловать, земляне, в место, откуда выхода нет: область в космосе, где гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может пройти сквозь нее. Это и есть черная дыра. Даже Альберт Эйнштейн, чья общая теория относительности позволила представить такое место, подумал, что такая концепция слишком заурядна, чтобы существовать. Но, как пишет The New York Times, Эйнштейн ошибался. Теперь у нас есть доказательства существования черных дыр. Черные дыры, если говорить простым языком – это области пространства, обладающие сильным притяжением, из-за которого их не может покинуть свет. Ученые

полагают, что они существуют, основываясь на общей теорией относительности. Эти объекты невидимы и поглощают электромагнитное излучение, поэтому их нельзя обнаружить невооруженным глазом. Исследователи могут только наблюдать за радиацией, электромагнитными волнами и искажениями пространства вокруг черной дыры. До сих пор все наши представления о черных дырах были исключительно теоретическими. Само их реальное существование было лишь научной гипотезой, но астрономы практически не сомневались в их реальности, так как было получено огромное количество косвенных свидетельств их существования.

Первое научно обоснованное изображение черной дыры получил французский астрофизик ЖанПьер Люмине [Jean-Pierre Luminet] в 1979 году. Поскольку сама черная дыра по определению не может быть источником света, на изображении показано свечение газа, вращающегося вокруг черной дыры и постепенно падающего в нее – аккреционного диска. Картинка была сделана при помощи математических выкладок на компьютере IBM 7040. Но наиболее распространенным в массовой культуре изображением черной дыры, до появления реального фото, являлся образ Гаргантюа в фильме «Интерстеллар», за научную достоверность которого отвечал известный американский астрофизик Кип Торн. Еще мы знаем, что черные дыры могут «петь». Когда материя пересекает горизонт событий, раздается булькающий звук – преобразование энергии движения в звуковые волны. Так, в 2003-году в космической рентгеновской обсерватории Чандра астрономы поймали звуковые волны от сверхмассивной черной дыры на расстоянии 250 миллионов световых лет.

Как получили фото

Отметим, что на фото не сама черная дыра, а ее «внешняя оболочка» – точка невозврата,

главная новость

также известная как горизонт событий. Так называется область пространства-времени, внутри которой гравитация черной дыры уже не дает вырваться наружу никакой информации, но снаружи у лучей еще есть возможность избежать притяжения. Уловить и сфотографировать эти лучи – прошедшие по самому краю горизонта событий, но не поглощенные черной дырой – на протяжении многих лет пытался проект Event Horizon Telescope [EHT]. Это сложная сеть радиотелескопов, работающих в миллиметровом диапазоне, раскиданных по всему миру. Ключевым моментом было появление в 2013 году системы телескопов ALMA в Чили – это ядро «Телескопа горизонта событий». Объединение большого количества телескопов от Антарктиды до Гренландии и возможность совместной обработки данных, и позволили получить фото. Так, ЕНТ смог разглядеть тень сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье 87, также называемой Дева A. Данные с телескопов обрабатывали почти два года. Наблюдения на EHT основывались на применении методики интерферометрии со сверхдлинной базой [VLBI], ко-

главная новость

торая предполагает синхронизацию всех телескопов всемирной сети. «Когда мы убедились, что действительно получили изображение тени, мы сравнили наши результаты с обширной коллекцией компьютерных моделей, отражающих физические особенности искривленного пространства, нагретого до сверхвысоких температур вещества и сильных магнитных полей. Многие свойства полученного изображения неожиданно соот-

ветствуют нашим теоретическим представлениям”, – отмечает Пол Хо [Paul T.P. Ho], член Научного Комитета EHT.

Алгоритм Кэти Боумен

В общем и целом над получением фото черной дыры работала международная группа из более 200 ученых. И одним из важнейших участников команды стала Кэти Боумен [Katie Bouman] – 29-летняя девушка, разработавшая алгоритм

для визуализации данных с телескопов, входящих в сеть ЕНТ. Как пишет The Time, за несколько часов Боумен стала героиней пользователей соцсетей и «лицом» исторического события. А ученые признают, что без нее первое фото черной дыры могло бы и не получиться. В 2016 году Кэти училась в аспирантуре Массачусетского технологического института [MIT] – она изучала компьютерные науки и искусственный интеллект. В том же году Боумен разработала первую версию алгоритма, который бы превратил данные с разных телескопов в один снимок.

Год спустя телескопы собрали миллионы гигабайт данных о черной дыре. Информации было так много, что их отправили в MIT на нескольких сотнях жестких дисков и следующие два года Боумен возглавляла команду, обрабатывавшую всю информацию. Так, после презентации исторического снимка, фото довольной Боумен, увидевшей результат своей работы, стало вирусным. Ее сравнили с американской ученой Маргарет Гамильтон, которая руководила разработкой программного обеспечения для космической программы «Аполлон».

Но Кэти Боумен – лишь часть огромной группы людей, трудившихся над первым фото черной дыры. И она не выделяет себя на фоне остальной команды ученых и астрофизиков. «Для получения изображения потребовался удивительный талант команды ученых со всего мира и годы напряженной работы […] Это огромная честь и мне очень повезло работать со всеми вами», – написала Боумен на своей странице в Facebook Осенью 2019 года начинается следующий этап ее жизни – девушку пригласили преподавать в Калифорнийском технологическом институте.

Что дальше?

В пределах досягаемости «Телескопа горизонта событий» есть еще одна черная дыра – Стрелец A* – она расположена в центре нашей галактики Млечный Путь. Расстояние до нее составляет примерно 26 тысяч световых лет, а до M87, фото, которой было получено – 53 миллиона. Как ни странно, сделать этот снимок намного сложнее, чем сфотографировать черную дыру в далекой галактике, поскольку «огненное кольцо» в центре Млечного пути меньшего размера и не такое яркое. Но можно предполагать, что, скорее всего, фото черной дыры в нашей галактике, тоже скоро покажут.

главная новость

Даже сейчас, когда протоны завершили последние круги в самом успешном в истории физики элементарных частиц ускорителе, ученые надеются, что чудо произойдет и победа будет одержана.

Под поверхностью нетронутой зеленеющей иллинойсской прерии с пасущимися по ней бизонами по четырехмильному туннелю мчатся в противоположных направлениях протоны и антипротоны. И каждую секунду сотни тысяч этих частиц сталкиваются, порождая взрывное испускание массы различных частиц. Это происходит на Теватроне. подземном ускорителе элементарных частиц, находящемся в Лаборатории ускорителей им. Энрико Ферми (Фермилабе), которая находится на участке в 2751,9 га поблизости от городка Батавия, в 80 км к западу от Чикаго. Эксперименты длились не один день, и многие из них дали выдающиеся результаты; из 17 фундаментальных частиц, которые, по мнению физиков, образуют всю обычную материю и энергию во Вселенной, три были открыты

здесь. Но эти дни закончились: 1 октября было навсегда отключено электропитание всех (более тысячи) охлаждаемых жидким гелием сверхпроводящих магнитов, и завершилась 28-летняя работа ускорителя, который до недавнего времени был самым мощным в мире. Для нескольких сотен физиков, которые провели здесь почти 20 лет в поисках гипотетической частицы, известной под названием бозон Хиггса, это означает лишь одно - пальма первенства в борьбе за Нобелевскую славу отдана главному сопернику - Большому адронному коллайдеру (БАК), новому, более мощному, ускорителю в CERN на швейцарско-французской границе. Окружность его главного ускорительного кольца длиной около 27 км обеспечивает значительно большую энергию

частиц. БАК заместит Теватрон в качестве главного исследовательского инструмента для физики элементарных частиц, и эту позицию он сохранит еще и в следующем десятилетии. Решение Министерства энергетики США о закрытии Теватрона в конце текущего фискального года никого в Фермилабе не удивило. Некоторые физики рекомендовали министерству продлить финансирование стареющего ускорителя еще на три года для того, чтобы осуществить последнюю отчаянную попытку обнаружить эту ускользающую частицу - бозон Хиггса, которая, по убеждению физиков, определяет массы всех других частиц. Однако даже наиболее преданные старой машине ветераны понимают, что она уже стала излишней. «Я не огорчаюсь, - говорит Дмитрий Денисов, - Это

физика элементарных частиц

похоже на расставание со своим старым автомобилем. Вся история науки - это история новых инструментов. Этот прослужил более 25 лет. Пришла пора двигаться дальше». Такое признание нелегко дается Денисову, участнику, команды DO (Д-ноль), одного из двух детекторов, работающих на Теватроне. Два года назад на пресс-конференции во время ежегодного заседания Американской ассоциации по развитию науки Денисов сказал: «Нам повезло, что мы увидим следы бозона Хиггса до того, как это сделает БАК». Тогда неполадки в электропитании остановили БАК на несколько месяцев, и надежды Денисова разделяли многие сотрудники Фермилаба. Но этого не про-

изошло. Когда в ноябре 2009 г. БАК снова заработал, на нем в три раза была превзойдена энергия, которую мог обеспечить Теватрон. В течение последних трех десятилетий единственным конкурентом DO был детектор CDF (Collider Detector at Fermilab). На каждом из них работали сотни физиков из десятков стран. Прошедшей весной физики с CDF заявили, что они обнаружили следы события, которое могло быть связано с новой частицей. Мог ли Теватрон в свои последние дни действительно обнаружить первые признаки бозона Хиггса? Денисов и его коллеги на DO немедленно начали тщательно проверять результаты CDF. Когда данная статья

пошла в печать, результат был еще не ясен. Однако ясно одно: соперничество двух групп, работавших на Теватроне, еще не закончено. «Мне хочется победить Дмитрия, а ему - меня», говорит Роб Роузер (Rob Roser), руководитель команды CDF, «Мы добрые друзья, мы обсуждаем все проблемы. Но каждый из нас желает опередить другого. Теперь игра изменилась. Сегодня плохой парень - это БАК, а не Дмитрий. Я не хочу, чтобы БАК опередил любого из нас. Это все равно что сказать: никто не может ударить моего младшего брата, это могу только я». С прекращением (относительным) старого соперничества и стартом новых проектов Фермилаб

Теватрон, первоначально самый мощный в мире ускоритель-коллайдер, детище Лаборатории им. Энрико Ферми, прекратил работу 1 октября. Ему на смену пришел Большой адронный коллайдер. Несмотря на остановку Теватрона, у физиков Фермилаба накоплено много данных, в которых могут быть обнаружены доказательства существования бозона Хиггса. Они также надеются к 2020 г. построить новый ускоритель, Project X, а затем и более мощный последователь БАК.

переживает период неопределенности. То же можно сказать и обо всей физике элементарных частиц. Физики долго ждали создания новой машины, которая позволила бы им проникнуть в новую физическую реальность. В предвидении того, что через год-другой БАК удвоит энергию столкновений, нет недостатка в предположениях

о новых открытиях: пространства других измерений, суперсимметрия (предположение о том, что каждая из известных частиц имеет так называемого суперсимметричного близнеца) и, конечно, бозон Хиггса. А лучше всего, чтобы это было что-то совершенно неожиданное. Однако существует и другая возможность, которую обычно

предпочитают не рассматривать, но которой нельзя пренебрегать. И эта возможность одновременно и беспокоит, и интригует физиков: что если ни БАК, ни эксперименты, планируемые в текущем десятилетии в «бестеватронном» Фермилабе, не обнаружат вообще ничего нового?

физика элементарных частиц

Кажется, что Вселенная сегодня почти полностью состоит из материи. Современные данные из космологии и физики частиц (исследования Вселенной в наибольшем и наименьшем масштабах) предлагают объяснение этого факта. Все фундаментальные составляющие материи встречаются подходящими парами: для каждой частицы имеется античастица той же массы, но противоположная в других отношениях, таких, как электрический заряд. Симметричное удвоение частиц и античастиц требуется для соединения двух великих теорий в физике двадцатого века — релятивизма и квантовой механики. Эта симметрия хорошо подтверждена экспериментом. С 1932 г., когда был открыт позитрон (или антиэлектрон), каталог античастиц быстро рос вместе с каталогом частиц. В действительности частицу и ее античастицу часто открывали одновременно, когда обе они рождались парой в результате столкновения

частиц в ускорителе при высоких энергиях. Такие столкновения всегда, кажется, порождают материю и антиматерию в равных количествах; действительно, долгое время считалось, что законы природы не отдают предпочтения материи или антиматерии. И все же вне лаборатории, в окружающем нас мире, почти никогда не встречается антиматерия. Атомы, образующие Землю, состоят из нейтронов, протонов и электронов, но никогда из их античастиц. Преобладает ли эта асимметрия во всей Вселенной? То есть состоит ли Вселенная целиком в основном из материи с очень небольшой добавкой антиматерии? Если да, то всегда ли существовала асимметрия или Вселенная начина-

лась с равного количества частиц и античастиц, а дисбаланс каким-то образом развился позже? Недавние открытия в космологии и физике частиц предлагают ответы на эти вопросы. Они наводят на мысль, что в первый момент после большого взрыва, когда Вселенная была гораздо горячее и плотнее, чем сейчас, имелись равные количества материи и антиматерии. Однако еще до того, как Вселенная достигла возраста 10−35 с, частые столкновения между частицами создали условия, прямо ведущие к асимметрии между материей и антиматерией. С тех пор и навсегда асимметрия была заключена во Вселенную. Дорога, приводящая к этим выводам, местами еще не замощена, но я

физика элементарных частиц

Как можно убедиться в том, что Вселенная состоит только из материи? Можно легко продемонстрировать, что материя и антиматерия не могут быть однородно перемешаны. Как только частица и соответствующая античастица встречаются, они аннигилируют друг с другом и их масса превращается в энергию.

попытаюсь показать, что маршрут выбран правильно. Поэтому звезда, сделанная пополам из материи а антиматерии, моментально бы исчезла в титаническом взрыве. Остается, однако, возможность сосуществования материи и антиматерии, если они заключены в изолированных областях, разделенных пустым пространством. Одну группу доводов в пользу преобладания материи над антиматерией дают космические лучи — высокоэнергетические частицы, прилетающие из космоса. Они неизменно оказываются частицами материи, такими, как протоны, электроны и атомные ядра, сделанные из протонов и нейтронов; античастицы не наблюдаются.

Хотя природа космических лучей еще не полностью понята, они определенно приходят из источников, расположенных по всей галактике, а некоторые могут иметь еще более отдаленный источник. Представляется установленным, следовательно, что Млечный Путь состоит только из материи, и есть лишь немногим меньшая убежденность, что группа галактик, членом которой является Млечный Путь, тоже состоит из материи. Удостовериться, что более отдаленные галактики состоят из материи, более сложно. Просто глядя на галактику, не догадаешься, сделана ли она из материи или антиматерии. «Глядя на» подразумевает «детектируя фотоны, или кванты электромагнитного излуче-

физика элементарных частиц

ния». Фотоны отвечают не только видимому свету, но и радиоволнам, Х-лучам, γ-лучам и т. д. Сложность в том, что фотон является своей собственной античастицей и нет возможности отличить фотон, испущенный материей, от испущенного антиматерией. В результате свет от галактики из материи был бы идентичен свету от галактик.I из антиматерии, даже по детальной структуре спектра. Например, характерные линии излучения атома водорода точно дублировались бы линиями излучения антиводородного атома. Имеется одна ситуация, в которой фотонные наблюдения могли бы косвенно вскрыть присутствие антиматерии. Если галактика из антиматерии была бы расположена

близко к галактике из материи, пограничный район между ними был бы местом частых аннигиляции частиц и античастиц. Энергия каждой такой аннигиляции в конце концов появилась бы в форме фотонов с длинами волн в гамма-диапазоне. Следовательно, граничный район был бы местом, где обильно испускается гамма-излучение. Астрономические источники гамма-излучения известны и изучаются, но источник с нужными характеристиками не найден. Этот аргумент, однако, несуществен, если материя отделена от антиматерии пустым пространством. В лучшем случае неудача в наблюдении сильного 7-излучения предполагает, что скопления галактик должны состоять полностью из материи или полностью из антиматерии, а не из смеси. Скопления пропитывает межгалактический газ, и любая разница в составе внутри скопления даст вклад в гамма-излучение. В будущем вопрос, существуют ли значительные образования антиматерии во Вселенной, может быть решен с появлением телескопов, детектирующих не фотоны,

а нейтрино. В отличие от фотона, нейтрино имеет античастицу. Нейтрино и антинейтрино испускались бы в ядерных реакциях в материи и антиматерии в разных пропорциях. Звезда, состоящая из материи, излучает в основном нейтрино, тогда как звезда из антиматерии — в большинстве антинейтрино. Ясности здесь еще нет, так как строительство нейтринного телескопа — сложнейшая задача. Нейтрино имеют пренебрежимо малую массу и вообще едва взаимодействуют с материей; их детектирование проблематично. По крайней мере в настоящее время, преобладающим среди астрономов и астрофизиков является мнение, что в теперешней Вселенной материя доминирует по сравнению с антиматерией. Как я уже говорил, доводы в поддержку этого взгляда не неотразимы, хотя, с другой стороны, заметно отсутствуют доводы в пользу существования антиматерии. Трудно вообразить, как материя и антиматерия в ранней Вселенной могли быть изолированы в разных областях, и это представляется решающим

соображением. Более вероятным кажется процесс их взаимной аннигиляции повсюду во Вселенной. Если ныне Вселенная в основном состоит из материи, то естественно спросить, откуда взялась эта асимметрия. Одна возможность — то, что предпочтение материи было отдано с самого начала, что в первичном веществе с момента большого взрыва преобладала материя. Эта гипотеза не может быть отвергнута, по крайней мере сейчас, но она не очень удовлетворительна. В сущности, любой состав Вселенной мог бы быть объяснен таким же образом. Более того, гипотеза изначального дисбаланса придает фундаментальный статус начальным условиям, что явно не имеет разумного объяснения; любая альтернатива представляется равно правдоподобной. Если бы можно было построить теорию, согласующуюся с установившимися физическими принципами, в которой Вселенная изначально симметрична, то это было бы более привлекательным. Именно такую теорию предлагает соединение космологии и физики частиц.

протон

антипротон

электрон

позитрон

физика элементарных частиц

Обычно ионизация происходит следующим образом: отрицательно заряженному электрону, чтобы преодолеть силу электростатического притяжения, которая удерживает его у положительно заряженного ядра, и вылететь из атома, требуется поглотить фотон достаточно большой энергии (ультрафиолетовый или рентгеновский).

Краус заявил, что ему удалось получить УФ-импульсы длительностью всего 100 ас и поэтому вскоре он, возможно, сумеет разгадать загадку. Совершенствование лазеров несомненно даст в ближайшие годы, если не в ближайшие аттосекунды, ответы и на многие другие вопросы.

физика элементарных частиц

Однако недавно немецко-голландская группа исследователей впервые продемонстрировала другой механизм ионизации. Сильные электрические поля лазерного импульса способны на короткое время ослабить электростатическую связь и дать электрону возможность покинуть атом посредством квантового туннельного эффекта. Этот эффект предсказал еще в 1964 г. Леонид Келдыш, работающий сегодня в Физическом институте им. Лебедева в Москве. Но возможность наблюдать это явление появилась только тогда, когда удалось получить лазерные импульсы длительностью всего в несколько сотен аттосекунд (аттосекунда, ас — одна миллиардная одной миллиардной секунды, или 10-18 с). Аттосекундные лазерные импульсы уже позволили исследовать движение электронов в атомах и молекулах, а их усовершенствованные варианты помогут проследить движение электронов, происходящее, например, в ходе химических реакций. Группа Ференца Крауса (Ferenc Krausz) из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии описала свой эксперимент в журнале Nature от 5 апреля 2007 г. Для подталкивания одного из электронов в сторону от ядра впервые были использованы импульсы УФ-лазера длительностью 250 ас, которыми облучали газообразный неон. Почти одновременно физики запускали инфракрасный (ИК) лазер, импульсы которого длительностью 5 тыс. ас содержали всего несколько периодов колебаний электрического поля, ослаблявшего электростатическое притяжение поля ядра. Это позволяло электрону, связь которого с ядром уже была ослаблена, вылететь из атома, как могут вылетать квантовые частицы через узкий потенциальный барьер. Постепенно увеличивая задержку ИК-им-пульсов относительно УФимпульсов, ученые обнаружили рост числа образующихся ионов. Это показывает, что с ростом электрического поля ИК-импульса растет и интенсивность образования ионов.

Ferenc Krausz Теория ионизации сильным полем Келдыша была общепризнанна, и поэтому полученный результат не стал для исследователей «сюрпризом», признает Краус. Однако группа продемонстрировала новый способ исследования динамики электронов, отметил Пол Коркэм (Paul Corkum) из Национального научного совета Канады. Этот метод позволяет изучать пока еще плохо понятные процессы обмена энергией между электронами. В качестве примера Краус приводит процесс «встряхивания» атомов, при котором рентгеновский фотон большой энергии выбивает из атома электрон с одной из вну-

физика элементарных частиц

тренних оболочек. Вылетая, такой электрон может передать часть своей энергии другому электрону, который переходит в возбужденное состояние и смещается дальше от ядра. Следовательно, между поглощением рентгеновского фотона выбиваемым электроном и изменением положения другого электрона может существовать задержка, которая, как отмечает Краус, может составлять всего 50 ас, но если задержка существует, то это будет означать, что второй электрон получает энергию от первого, а не возбуждается одновременно с ним тем же рентгеновским фотоном.

На самых глубинных уровнях в иерархии строения нашей Вселенной частицы вещества и их взаимодействия могут представлять собой единый и полный изящества геометрический объект.

теория всего

Для поиска теорий объединения физика руководствуется как практическими, так и философско–эстетическими принципами. Если на каком–то этапе такое объединение удается, то полученная теория проясняет наше понимание устройства Вселенной и приводит к открытиям, которые не- возможно было бы получить иным путем. Усилия современной экспериментальной физики элементарных частиц, например создание Большого адронного коллайдера (CERN, окрестности Женевы), во многом направлены на поиски проявлений электрослабой теории. Помимо предсказания новых фи-

подходе, однако, существует проблема: каждой силе соответствует свой собственный геометрический объект. На протяжении многих лет физики предлагали различные варианты теории Великого объединения, в которой все три силы описывались бы единым геометрическим объектом, но до сих пор неизвестно, какой из этих вариантов истинный, если такой вообще есть. Современные физики столкнулись с еще более сложной проблемой. В действительно полной единой теории должны найти свое место и гравитация с материей; гравитационные силы должны естественно объединиться

Великого объединения и включить гравитацию как часть некоей всеобъемлющей геометрической концепции. В такой Единой теории поля, называемой E8, все частицы и силы описываются поворотами единого геометрического объекта. Все новые идеи должны проходить испытание каленым железом, и теория Е8 – не исключение. Как это обычно бывает, в научных кругах у нее нашлось много критиков. Основная проблема заключается в том, что теория E8 остается неполной. Однако даже находясь только на начальной стадии своего развития, она демонстрирует в действии красивейшие структуры глубинных

Даже если ученый и ошибается, предложенная теория Е8 вскрывает важные связи между элементарными частицами и их взаимодействиями, что так или иначе предстоит сделать любой теории, претендующей на роль единой.

зических эффектов единая теория предоставляет более эстетически привлекательную картину устройства Вселенной, чем совокупность отдельных не связанных между собой теорий. Многие исследователи, руководствуясь интуицией, считают, что на самом глубоком уровне иерархии материи все физические законы объединятся в универсальную математическую структуру. Стандартная модель физики элементарных частиц – лучшая современная теория, объединяющая все физические взаимодействия, исключая гравитационные (электромагнитные, слабые и сильные ядерные). Эта теория была сформулирована в 1970–х гг. Она описывает три силы и подчиняющиеся им частицы как динамичные геометрические объекты, в математическом формализме называемые группами Ли или пространствами расслоений (fiber bundles). В таком

теория всего

с другими силами, и все они – стать частью единой математической структуры, «теории всего». С 80–х гг. прошлого века теория струн – основная исследовательская программа современной физики частиц – предпринимает попытки описания теории гравитации в рамках Стандартной модели, с использованием понятия струн и мембран, вибрирующих в многомерном пространстве–времени. Теория струн не одинока в попытках создания теории всего. Альтер- нативная теория – петлевая квантовая гравитация – ближе к Стандартной модели, чем теория струн (см.: Смолин Л. Атомы пространства и времени // ВМН, № 4, 2004). Работая на основе этой теории, один из авторов настоящей статьи (Энтони Гаррет Лиси) в 2007 г. предложил новую теорию объединения. Ее основная идея заключается в том, чтобы расширить теории

слоев в иерархии вещества и предсказывает существование новых частиц, которые, возможно, будут обнаружены на Большом адронном коллайдере. Хотя современные ученые далеки от того, чтобы завершить путь длиной в столетия, ведущий к Единой теории, E8 представляет собой важный шаг в этом путешествии. Многие современные ученые полагают, что попытка объединить теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию должна радикально изменить наше понимание реальности. Однако в противовес им Лиси полагает, что геометрическое описание современной квантовой физики может быть расширено с включением в него и гравитационной теории, приведя к созданию долгожданной единой теории всех взаимодействий.

Будущие эксперименты в CERN и в других лабораториях должны позволить нам завершить Стандартную Модель физики элементарных частиц, но такая объединенная теория всех сил, вероятно, будет требовать радикально новых идей.

В объединенной теории приходится иметь дело с КВАНТОВЫМ ХАРАКТЕРОМ пространства и времени. В области сверхмалых расстояний, пространство может быть представлено непрерывной структурой соединяющихся между собой струн и мембран, или чем-либо другим, до сего времени еще неизвестным.

теория всего

Одна из главных задач физики постигать замечательное разнообразие природы единым способом. Самые большие научные достижения прошлого были шагами к этой цели: объединение земной и небесной механики Исааком Ньютоном в 17 столетии; оптики с теорией электричества и магнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 столетии; геометрии пространства-времени и гравитации Альбертом Эйнштейном с 1905 по 1916 год; а также химии и атомной физики в квантовой механике в 20-ых годах [см. илл. «Объединение» и «Главные достижения»]. Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни неудачному поиску «единой теории поля», которая объединила бы общую теорию относительности (его собственную теорию пространства-времени и гравитации) с теорией электромагнетизма Максвелла. Продвижение к объединению было сделано позже, но в другом направлении. Наша теперешняя теория элементарных частиц и сил, известная как Стандартная Модель физики элементарных частиц, достигла объединения электромагнетизма со слабыми взаимодействиями, сил, управляющих взаимопревращением нейтронов и протонов в радиоактивных процессах и в недрах звезд. Стандартная Модель дает отдельное, но похожее описание сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер. У нас есть идеи относительно того, как теория сильных взаимодействий может быть объединена с теорией слабых и электромагнитных взаимодействий (такое объединение часто называется Великим Объединением , но они могут сработать только если подключить гравитацию, что само по себе является тяжелейшей задачей. Мы подозреваем, что очевидные различия этих сил обусловлены некими событиями на самой ранней стадии Большого

теория всего

Взрыва , а исследование деталей столь ранней космической истории, возможно, потребует более подходящей теории гравитации и других сил. Существует шанс завершить работу над Великим Объединением к 2050, но мы вряд-ли можем говорит об этом уверенно. Стандартная Модель есть квантово-полевая теория. Основные объекты такой теории - поля, включая электрические и магнитные поля электродинамики 19-го века. Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое, а квантовая механика утверждает, что эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. В частности, квант электромагнитного поля - частица известная как фотон.

Стандартная Модель включает в себя поля для каждого типа элементарных частиц, наблюдаемых в лабораториях физики высоких энергий. Имеются лептонные поля, кванты которых представляют собой знакомые нам электроны, составляющие внешние оболочки обычных атомов, более тяжелые частицы, известные как мю-мезоны и тау-мезоны, а также соответствующие им электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино. Имеются также поля для кварков различных типов, некоторые из которых связаны вместе

внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Силы между этими частицами обусловлены процессами обмена фотонами и частицами W+, Wи Z0, передающих слабые взаимодействия, а также восемью типами глюонов, ответственных за сильное взаимодействие. Эти частицы демонстрируют нам широкое разнообразие масс, в котором скрыта еще не познанная нами закономерность, где электрон 350,000 раз легче, чем самый тяжелый кварк, а нейтрино еще легче, чем электрон. Стандартная Модель не предоставляет нам механизма, позволяющего рассчитать любую из этих масс, пока мы не введем в нее дополнительные скалярные поля (scalar fields). Слово «скаляр» означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши. (Напротив, если бы, например, имелось ненулевое магнитное поле всюду в пространстве, то мы могли идентифицировать привилегированное направление, используя обычный компас.) Взаимодействие других полей Стандартной Модели со всепроникающими скалярными полями, как полагают, дает массы частицам Стандартной Модели. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ физики элементарных частиц описывает каждую частицу материи и каждую силу как квантовые поля. Элементарные частицы материи - три поколения фермионов. Каждое поколение этих частиц имеет сходную структуру свойств. Фундаментальные взаимодействия переносятся бозонами, которые организованы согласно трем близко родственным симметриям. Кроме того, одна или большее количество частиц или полей Хиггса порождают массы других полей.

Вполне возможно, что нас отделяют века от окончательной теории, и она окажется совершенно непохожей на то, что мы способны сегодня вообразить. Но допустим на мгновение, что эта теория совсем близко, за углом. Что мы можем в этом случае сказать о ней на основании уже известных нам знаний?

Предполагается, что струны очень малы, так что если разглядывать их с достаточно больших расстояний, они кажутся точечными частицами. Так как струна может находиться в любой из бесконечно большого числа возможных мод колебаний, она выглядит как частица, которая может принадлежать к одному из бесконечно большого числа возможных сортов, соответствующих определенной моде колебаний струны.

Один из разделов современной физики, который, по моему мнению, сохранится неизменным в окончательной теории – квантовая механика. Дело не только в том, что квантовая механика является основой всех наших представлений о материи и разных взаимодействиях и прошла невиданно жесткую

экспериментальную проверку; более важно то, что никому не удалось придумать способ хоть как-нибудь изменить квантовую механику, который сохранил бы все ее достоинства, но не привел бы к логическим противоречиям. Хотя квантовая механика является как бы сценой, на которой

разыгрываются все явления природы, сама по себе эта сцена пуста. Квантовая механика позволяет вообразить бесчисленное множество возможных физических систем: систем, состоящих из частиц любого сорта и взаимодействующих самым разным образом, и даже систем, вообще не состоящих из частиц.

теория всего

История физики в ХХ в. отмечена все возрастающим пониманием того, что актеров в драме, разыгрывающейся на квантовой сцене, определяют принципы симметрии. Современная стандартная модель сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий основана на симметриях, а именно на пространственно-временных симметриях специальной теории относительности, которые требуют, чтобы стандартная модель была сформулирована на языке теории полей, и на внутренних симметриях, требующих существования электромагнитного и других полей, переносящих взаимодействия. Тяготение тоже можно понять с помощью принципов симметрии, заложенных в эйнштейновскую общую теорию относительности и утверждающих, что законы природы не должны меняться в результате любых возможных изменений нашего описания событий в пространстве и времени. На основании векового опыта общепризнано, что окончательная теория должна покоится на принципах симметрии. Мы ожидаем, что эти симметрии объединят тяготение со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями стандартной модели. Но за прошедшие десятилетия мы так и не узнали, каковы эти симметрии, и не сумели построить удовлетворительной квантовой теории гравитации, включающей симметрии общей теории относительности. Возможно, мы близки к переменам. За последнее десятилетие бурно развивался радикально новый подход к квантовой теории гравитации, а может

теория всего

быть, и ко всему остальному, – теория струн. Эта теория является первым приемлемым кандидатом на окончательную теорию. Корни теории струн восходят к 1968 г., когда теоретики пытались понять, как устроены сильные взаимодействия, не обращаясь к квантовой теории полей, не пользовавшейся тогда популярностью. Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния двух частиц на разные углы при разных энергиях и обладавшую некоторыми общими свойствами, которые вытекали из принципов теории относительности и квантовой механики. Используя известные математические приемы, которые в свое время проходит каждый студент-физик, он сумел построить поразительно простую формулу, удовлетворявшую всем необходимым условиям. Формула Венециано привлекла всеобщее внимание. Вскоре другие теоретики обобщили ее и положили в основу систематической приближенной схемы. В те годы никто и не помышлял о возможном применении этих идей к квантовой теории тяготения. Вся работа мотивировалась надеждой лучше понять сильные ядерные взаимодействия. (До создания правильной теории сильных взаимодействий – квантовой теории поля, известной под названием квантовая хромодинамика, оставалось еще несколько лет.) В процессе работы стало ясно (Предложено независимо Йоширо Намбу, Хольгером Нильсеном и Леонардом Сасскиндом), что формула Венециано и ее расширения и обобщения – не просто удачные догадки, а теория физических сущностей нового типа, получивших название релятивистских кванто-

во-механических струн. Конечно, обычные струны состоят из частиц – протонов, нейтронов, электронов. Но новые струны совсем другие: предполагается, что протоны и нейтроны состоят из них. Дело обстояло не так, будто на кого-то сошло вдохновение и он догадался, что материя построена из струн, а затем начал строить соответствующую теорию; на самом деле теория струн была построена до того, как кто-то понял, что это такое. Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства. Струны могут быть открытыми, с двумя свободными концами, или замкнутыми, как резиновая лента. Пролетая в пространстве, струны вибрируют. Каждая из струн может находиться в любом из бесконечного числа возможных состояний (мод) колебаний, похожих на обертоны, возникающие при колебаниях камертона или скрипичной струны. Со временем колебания скрипичной струны затухают, так как энергия этих колебаний переходит в энергию случайного движения атомов, из которых скрипичная струна состоит, т.е. в энергию теплового движения. Напротив, струны, о которых сейчас идет речь, поистине фундаментальные составные части материи, и могут продолжать колебаться бесконечно долго. Они не состоят из атомов или чего-то в этом роде, поэтому энергии их колебаний не во что переходить (Это замечание принадлежит Эдварду Виттену). Действительно, теорию струн можно рассматривать как теорию частиц, отвечающих различным модам колебаний струны, но из-за бесконечно большого числа сортов частиц в любой струнной теории она отличается от обычных квантовых теорий поля. Например, в квантовой теории поля испускание и обратное поглощение одного сорта частиц (скажем, фотона) приводит к бесконечному сдвигу энергии – в правильно сформулированной теории струн эта бесконечность сокращается благодаря эффектам испускания и поглощения частиц, принадлежащих бесконечному числу других типов

Google достигла квантового превосходства Квантовый компьютер Google смог за 3 минуты и 20 секунд выполнить расчет, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit (IBM) понадобилось бы примерно 10 тыс. лет.

Информацию об этом научном открытии сотрудники компании изложили в публикации, которая была размещена на сайте НАСА. Однако через некоторое время данный доклад был удален с сайта без объяснения причин. Но в издании Financial Times успели изучить и проанализировать текст открытия. В конце августа 2019 года специалисты Google подготовили доклад «Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor» о своем открытии при использовании нового квантового компьютера — достижении квантового превосходства. Материал был опубликован в сентябре 2019 года

на сайте НАСА, но позже удален. Данные этого доклада остались в кэше Bing и доступны по этой ссылке. Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над

обычными компьютерами в ряде алгоритмов. Квантовые процессоры Google находятся в лаборатории компании в Санта-Барбаре. Там их держат в специальных резервуарах — криостатах. Сжатый гелий и жидкий азот, перекачиваемый из морозильного резервуара, охлаждают внутренности криостата до минус 273,11°C. Такая низкая температура необходима для сохранения сверхпроводимости. Фактически, это квантовая интегральная система, включающая в себя помимо криостата с кубитами и классическую электронику, которая отвечает за удаленный доступ специалистов к системе для

главная новость

программных исследований и анализа полученных данных. При этом все элементы системы должны быть надежно защищены от взаимных и внешних помех. Инженерную команду по разработке квантовых технологий в Google возглавляет Хартмут Невен. Невен в компании ранее курировал самые инновационные проекты — от программного обеспечения ИИ для распознавания лиц до запуска в производство Google Glass. В конце 2017 года команда Невена в Южной Калифорнии готовилась к запуску квантового компьютера на 49-кубитовом процессоре, используя который планировалось преодолеть новый технологический рубеж, после которого квантовые компьютеры смогли бы достигнуть квантового превосходства. И вот, в сентябре 2019 года специалисты Google опубликовали доклад о своем открытии при использовании нового квантового компьютера — достижении квантового превосходства. В научном эксперименте принимал участие квантовый компьютер Google с 53-кубитовым процессором, получивший название «Sycamore» (Платан). Для создания

инфраструктуры Платана команде Google по разработке квантовых технологий даже пришлось даунгрейдить проект созданного ранее 72-кубитового процессора. В удаленном по неизвестным причинам материале на сайте НАСА утверждалось, что квантовый компьютер Google смог выполнить очень сложный программный расчет всего за двести секунд. Таким образом, была осуществлена экспериментальная демонстрация превосходства квантового компьютера над традиционным. Для сравнения, самый современный мощный суперкомпьютер Summit смог бы произвести подобный результат лишь за 10 тыс. лет. Суперкомпьютер Summit был запущен в США в 2018 году. Его расчетная мощность составляет 200 тыс. трлн операций в секунду, он состоит из 4608 вычислительных серверов, на каждом из которых установлено два 22-ядерных процессора IBM Power9, а встроенная память достигает 10 петабайт. Также по оценкам специалистов компании, выполнение того же эксперимента на сервере Google Cloud заняло бы 50 трлн часов (5.7 млрд лет).В своей публикации специалисты Google уточнили, что их новая система может выполнять только

один расчет, а использование квантовых компьютеров для решения практических задач находится еще в далеком будущем. Был ли связан этот расчет с определенными исследованиями или математическими задачами, в компании не уточнили. Хотя специалисты компании пояснили в статье, что в эксперименте были использованы случайные числа, сгенерированные по специальному сценарию, связанному с квантовыми явлениями. «Квантовые компьютеры никогда не будут господствовать над классическими компьютерами, а будут работать вместе с ними, поскольку у каждого есть свои уникальные преимущества». Директор Intel Labs по квантовым технологиям, обозначил такое достижение Google как значительный маркер в развитии квантовых компьютеров. Однако, по его словам, коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер еще потребует многих достижений и решений в области НИОКР, прежде чем станет реальностью. «Несмотря на то, что эта разработка все еще находится на первом этапе своего марафона, мы твердо верим в потенциал этой технологии», — добавил Кларк.

Альберт Эйнштейн - символическая фигура в физике XX в. Его работы навсегда изменили наши представления о природе мира. «Ньютон, простите меня, пожалуйста», - говорил Эйнштейн, поскольку его теория относительности перечеркивала абсолютность времени и пространства, которую верховный судья всех физических явлений принял больше двух столетий назад.

личности

Имея за плечами отвергнутую докторскую диссертацию, этот 26-летний эксперт патентного бюро, занимавшийся в свободное время исследованиями, осмелился утверждать, что физики тех дней «мыслили поверхностно». Кроме частной и общей теорий относительности его работы помогли рождению квантовой механики и современной статистической физики. Современная революция в биотехнологии тоже во многом обязана работе Эйнштейна, представившей свидетельства существования молекул и их поведения. Удивительно, но большую часть своих теоретических работ он опубликовал в течение одного 1905 г. История не знает других столь плодотворных периодов деятельности ученого. Известно лишь, что в 16651666 гг. Исаак Ньютон, запершись от чумы в загородном доме, начал излагать основы дифференциаль-

над которыми он безуспешно бился последние 30 лет своей жизни, буквально до смертного часа. Ясно, что общая теория относительности и физика частиц не дают полного описания мира, поскольку последняя в принципе является квантовой, а кванты и общая теория относительности, как вода и масло, не смешиваются. Десятки лет Эйнштейн пытался найти теоретические основы объединения относительности с электромагнетизмом. Современное поколение ученых разрабатывает теории, вооружившись более полным, чем располагал Эйнштейн, описанием фундаментальных физических сил, и подходит к решению задач без его предубеждений против квантовой механики. Для физиков, добившихся успеха, это может означать бессмертие, подобное бессмертию Эйнштейна и Ньютона, или новое представление о природе и новые

опубликованных в журнале Annalen der Physik от 7 июня, где Эйнштейн применил концепцию квантов для объяснения внешнего фотоэффекта - испускания электронов заряженным металлом под действием света. Объяснение состояло в том, что пучок света состоит из частиц, названных фотонами, тогда как в это время преобладало мнение, что свет имеет только волновую природу. Статья помогла признать двойственную природу света - как потока волн и частиц - и тем самым заложила основы квантовой механики. Если бы Эйнштейн благодаря какому-то чудесному искривлению времени и пространства неожиданно оказался среди нас, его мало тронуло бы всемирное празднование столетия его открытий. Он бы уклонился от торжеств Года физики в Иерусалиме, Цюрихе, Берлине или Принстоне, чтобы дать

«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно. Но всегда находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает открытие». Альберт Эйнштейн ного и интегрального исчислений, закона тяготения и теории цветов. В ознаменование столетия с момента появления теории Эйнштейна международное сообщество физиков объявило 2005 г. Всемирным годом физики. В течение всего XX в. ученые проверяли, претворяли в жизнь и внедряли в практику идеи, вытекающие из работ Эйнштейна. Всем известно, что его формула E = mc2 послужила ключом к созданию атомной бомбы и стала основой всего последующего развития физики. Предложенное Эйнштейном объяснение внешнего фотоэффекта легло в основу ряда технологий - от фотодиодов до передающих трубок телевизионных камер. Прошло немало лет, прежде чем были полностью экспериментально подтверждены его теории, что свидетельствует о гениальности ученого. Многие из самых интересных современных работ в области физики ставят еще более грандиозные цели - пойти дальше Эйнштейна и решить задачи, подобные тем,

личности

технологии, столь же нереальные сегодня, как черные дыры и квантовые компьютеры 100 лет назад. Весной 1905 г. молодой «раб патентов», как называл себя сам Эйнштейн, отправил своему другу Конраду Хабихту (Conrad Habicht) письмо, где сообщал, что собирается послать ему «несуразный лепет», представленный в виде статей. (Одна из работ в этой серии, которую Эйнштейн назвал революционной, не касалась относительности, но принесла ему в 1922 г. Нобелевскую премию.) В исследовании «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» («U..ber einen die Erzengung und Verwandlung des Lichtes betreftenden heuristischen Gesichtpunkt»), законченном в марте, Эйнштейн заимствовал и развил идею Макса Планка о квантах - о том, что энергия горячего тела может испускаться и поглощаться только некоторыми дискретными порциями. Статью ученый закончил в марте 1905 г., и она стала одной из трех

консультации по гравитационным волнам, постулированным общей теорией относительности. А затем он направился бы в Стэнфордский университет, чтобы обсудить с учеными данные, полученные от «гравитационного зонда B» (Gravity Probe B) NASA, которые могут подтвердить предсказания теории относительности о том, что массивные вращающиеся тела, например Земля, увлекают за собой пространство и время. Несомненно, Эйнштейн заинтересовался бы возрождением отвергнутой им космологической постоянной, которую теперь пытаются использовать для того, чтобы объяснить, почему расширение Вселенной ускоряется. Возможно, он выразил бы восхищение работами в области суперструн, мембран, М-теории и петлевой квантовой гравитации - всеми попытками объединить квантовую механику с гравитацией, входящей в общую теорию относительности.

Плеча этого застенчивого человека в 1994 году сама королева коснулась шпагой, производя его в рыцари. В парадоксальную логику Роджера Пенроуза мало кто верит — настолько она невероятна. С ней мало кто спорит — настолько она безупречна.

Обычно меня просят рассказать что-нибудь про сознание. Я уж и не знаю, что говорить, - тихо сокрушается сэр Роджер, усаживаясь за невзрачный столик в аудитории оксфордского Математического института. Мы смертельно волнуемся. Вот этот невысокий субтильный человечек перед нами - гений. В августе этого года ему исполняется 80 лет. Тот факт, что Нобелевская премия до сих пор обходила его стороной, - чистое недоразумение. Если проецировать на сегодняшний день научный пантеон начала прошлого века, Пенроуз, безусловно, выйдет Эйнштейном: то, что он говорит о физике, так же невероятно. И дело не столько в новых теориях или открытиях. Пенроуз предлагает что-то вроде нового способа познания - не от частного к целому, как действует наука с начала Нового времени. А наоборот - от целого к частному. Примерно так в Древней Греции думал Платон. Сейчас так думает один Пенроуз.

Лет тридцать назад Пенроуз единственный раз побывал в Ленинграде. В кармане профессора лежала заветная бумажка с адресом бабушки. - Я после лекции вышел на улицу, - рассказывает Пенроуз с тихой улыбкой, - и стал спрашивать у прохожих, где это находится. Ну, они читали мою бумажку и хохотали. Потом оказалось, что это адрес из какого-то вашего шпионского фильма. После интервью мы попытались реконструировать прошлое и припомнить известные «шпионские» адреса Питера. Смогли восстановить только Гороховую, 2, Шпалерную, 25 и Литейный, 4. Если бабушка Пенроуза перед отъездом и в самом деле побывала по одному из этих адресов, нетрудно понять, почему она не хотела

Что он знать не должен

Сэр Роджер Пенроуз не относится к числу эксцентричных харизматиков, которые влетают в помещение в расстегнутом пальто и обмотанные шарфом. Первое впечатление - хрупкость и беззащитность. Маленькая фигурка в потертом пиджаке, размер которого явно больше, чем того требуют эти худые острые плечи. На лице мерцает детская улыбка. Он застенчиво отводит глаза, как будто прислушивается к далекой чудесной музыке. Извиняемся за свой кошмарный английский. - О! - машет рукой Пенроуз, мой русский еще хуже. Уж и не помню, когда я его учил. Мне было лет двадцать, кажется. Моя бабушка ведь жила в Петербурге. -? - Да-да. Про это нигде не говорится. Она всегда держала это в огромном секрете. Когда она встретила моего деда-англичанина, она уехала из России и никогда про это не говорила. Я сам долго не знал.

личности

вспоминать свое российское прошлое. Мы не стали рассказывать о наших догадках сэру Роджеру. Этого хрупкого человека хочется защитить от всех форм мирового зла. Что он должен держать в голове История про русскую бабушку нас несколько обескуражила. Из российского далека Пенроуз казался плодом чисто английского воспитания. - Правда? - искренне изумляется он. - Никогда не думал, что оно английское. Но это очень интересно. Расскажите мне, пожалуйста. Мы в крайнем смущении рассказываем профессору про чистоту и ясность его мышления, новый рационализм, платонизм

и счастливое избегание крайностей метафизики и позитивизма. Сэр Роджер улыбается своей детской улыбкой и, кажется, совершенно с нами не согласен. На самом деле Англия здесь ни при чем. Логический гений Пенроуза принадлежит к разряду частных семейных ценностей. Начало было положено отцом Лайонелом Пенроузом. В историю науки он вошел как генетик, но к числу его любимых занятий относились и теория шахмат, и математика. Последняя тоже была чем-то вроде шахматного поля - красивой и строгой территорией для высокой игры. - Однажды я пришел домой из школы, - вспоминает Роджер Пенроуз, - и сказал, что на следующем уроке учительница обещала научить нас считать. Отец, услышав это, изменился в лице, ужасно разволновался, потащил меня в угол и немедленно начал учить считать. Он был уверен, что именно он должен обучить меня математике и показать красоту этой науки. Это касалось не только Роджера. Его сестра стала социальным генетиком, старший брат - математиком, а младший - десятикратным чемпионом Британии по шахматам. - У отца был такой драйв - объяснить мир, - задумчиво говорит Пенроуз. - Это далеко не у всех бывает. Даже не у всех математиков. Им нравится математика, но не нравится мир. - Вам не тяжело сознавать, что ваша позиция не поддерживается большинством современных ученых? Сэр Роджер опускает глаза, улыбка становится болезненно грустной: - В каком-то предельном смысле это, конечно, обращает на себя внимание. Но это философский вопрос. Гораздо важнее научные вопросы. То, что люди не замечают противоречия в квантовой механике, это меня действительно волнует. А философские вопросы - ну ладно. Это ничего.

Многие годы космос и атом находятся в конфликте. Если кто-то из физиков и может примирить их, так это Стивен Вайнберг.

Однажды, когда Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) сидел за рулем своего красного Сатаго, ему в голову пришла хорошая идея, которая впоследствии нашла воплощение в статье «Модель лептонов» на двух с половиной страницах, включая ссылки и благодарности. В 1967 г. на нее мало кто обратил внимание. Однако позднее эта статья стала одной из наиболее цитируемых работ по физике и помогла Вайнбергу получить в 1979 г. Нобелевскую премию вместе с Абдусом Саламом и Шелдоном Глэшоу.

На этих двух с половиной страницах Вайнберг показал, что два из четырех известных фундаментальных взаимодействий элементарных частиц - электромагнитное и слабое, кажущиеся на первый взгляд совершенно различными, могут быть лишь разными проявлениями одного «электрослабого» взаимодействия. Данная теория предсказывала существование еще одной нейтральной частицы в числе промежуточных бозонов, осуществляющих слабое взаимодействие. И Вайнберг показал, что природная симметрия электромагнитного вза-

имодействия оказывается скрытой, или, как говорят физики, «спонтанно нарушенной», из-за чего мы и воспринимаем электромагнитное и слабое взаимодействия как различные. Процесс нарушения симметрии порождает такие частицы, как кварки с ненулевой массой покоя. Стивен Вайнберг внес вклад и в теорию третьего вида фундаментальных взаимодействий - сильного. Сегодня обе теории составляют основу наиболее признанного объяснения материального мира

личности

Создание единой теории материи - главная цель современной физики, и очень немногие физики внесли в ее создание такой вклад, как Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине.

- Стандартной модели физики элементарных частиц. Вайнберг продолжает исследовать глубинные тайны природы, предлагая теории, которые выходят за рамки Стандартной модели и дают надежду на создание полной единой теории, которая будет охватывать не только электромагнитное и ядерные взаимодействия, но и гравитационное. Он выполнил одну из первых работ в области теории струн - наиболее вероятного кандидата на роль единой теории. Кроме того, Вайнберг пишет книги для широкого круга

личности

читателей. Последняя из них сборник эссе под названием Lake Views («Виды на озеро»). Редакция журнала Scientific American попросила физика Амира Акселя из Бостонского университета поговорить со Стивеном Вайнбергом о перспективах этих теорий, как они представляются сегодня, когда на Большом адронном коллайдере (БАК) - гигантском ускорителе в CERN близ Женевы - ведутся поиски бозона Хиггса и других частиц. В 1960-х гг. Вайнберг помог разработать устои Стандартной модели: объединение электромаг-

нитного и слабого взаимодействий и теорию сильного взаимодействия. С тех пор он продолжает работать над завершением создания единой теории, внеся в частности вклад в создание теории струн, включающей в себя единственное фундаментальное взаимодействие, не охваченное Стандартной моделью, - гравитационное. Кроме того, Вайнберг приложил физику элементарных частиц к космологии. Его модель, объясняющая природу темной энергии в понятиях параллельных вселенных.

куда делся литий? После Большого взрыва первичный «суп» состоял из водорода, гелия, которого было поменьше, и совсем небольшого количества лития. Но вот беда: последнего должно быть намного больше, чем мы наблюдаем сейчас. Что не так с нашими теориями?

новости космологии

Интересно, что количество лития связано в металличностью, но эта нелинейная зависимость не получила пока бесспорного теоретического объяснения.

Магеллановы Облака

Строго говоря, при нынешнем уровне наших наблюдений ошибки быть не должно: лития очень мало. Ситуация однозначно намекает на какую-то новую физику, неизвестный нам процесс, имевший место сразу после Большого взрыва. Самое свежее исследование на эту тему затронуло наименее изменившиеся после Большого взрыва регионы — атмосферы старых звёзд, находящихся на периферии Млечного Пути. Поскольку они изолированы от ядра, где литий может нарабатываться, вероятность позднего загрязнения, влияющего на результаты, должна быть крайне мала. В их атмосферах лития-7 обнаружено всего около трети от уровня, предсказанного моделированием. Причины? Одно из предложенных объяснений: он утонул. Литий из атмосферы звёзд просто начал тонуть в веществе светил, постепенно добираясь до их недр. Поэтому его и не видно в их атмосферах. Кристофер Хок из Университета Нотр-Дам вместе с коллегами взялся проверить результаты на основе данных по Малому Магелланову Облаку, галактике-спутнику Млечного Пути. А чтобы избавить данные от эффекта «погружения лития» и прочих влияний местных звёздных процессов, исследователи проанализировали содержимое межзвёздного газа в этой карли-

ковой галактике, предполагая, что уж он-то должен гордиться своим литием: ему здесь просто не в чем тонуть. Используя наблюдения Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, астрономы обнаружили там именно столько лития, сколько предсказывала модель Большого взрыва, о чём было поведано в журнале Nature. Но и это, увы, не слишком помогло в решении вопроса. Дело в том, что литий постоянно образуется во Вселенной в ходе естественных процессов, а сверхновые взрывами равномерно разносят его по Метагалактике, подобно всем остальным наработанным в недрах элементам. Новые результаты, по словам Кристофера Хока, лишь усугубили литиевую загадку: «Говорить о решении этой проблемы можно только в том случае, если со времён Большого взрыва никаких изменений в количестве имеющегося лития не происходило». И то только в масштабах Малого Магелланова Облака! Самое главное: очень трудно представить себе, что за 12–13 млрд лет термоядерного синтеза, создавшего те самые тяжёлые элементы, которые делают возможной жизнь на Земле, литий почему-то не вырабатывался. По крайней мере наши сегодняшние представления о термоядерном нуклеосинтезе

новости космологии

не позволяют выдвинуть такую гипотезу. Хуже того, новая работа Мигеля Пато из Мюнхенского технического университета (Германия) и Фабио Йокко (Fabio Iocco) из Стокгольмского университета (Швеция) показала, что не только сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик, но и самые обычные (и более многочисленные) ЧД звёздного происхождения должны генерировать литий в своих аккреционных дисках, причём весьма интенсивно. Теперь же получается, что практически каждый микроквазар (попросту система ЧД — аккреционный диск) должен создавать литий. А ведь теоретически их должно быть намного больше, чем СМЧД, отмечает Мигель Пато. Словом, ясности в этом вопросе пока нет. Кристофер Хок, к примеру, предполагает, что сразу после Большого взрыва во Вселенной могли идти какие-то экзотические с физической точки зрения реакции, в которых участвовали частицы тёмной материи, и они подавляли образование лития. Это могло бы объяснить то, что в Малом Магеллановом Облаке лития оказалось больше, чем в нашей Галактике: карликовые галактики, к которым относится ММО, должны были менее активно притягивать тёмную материю в ранней Вселенной.

Существование гравитационных волн проверено на паре белых карликов Группа американских астрономов провела тщательный анализ изменения орбит двух белых карликов в системе J0651. Она находится в 3 000 световых лет от Земли и примечательна тем, что каждые шесть минут один из карликов скрывается (по отношению к земному наблюдателю) за своим компаньоном. Астрономы под руководством Дж. Дж. Хермеса провели тщательный анализ изменения орбит двух белых карликов в двойной системе SDSS J065133.338+284423.37 (или просто J0651), отстоящей от Земли на 3 тыс. световых лет. Она примечательна тем, что каждые шесть минут один из двух белых карликов скрывается (по отношению к земному наблюдателю) за своим компаньоном. Расстояние между ними столь мало — втрое меньше, чем от Земли до Луны, — что их сверхмощное гравитационное взаимодействие порождает гравитационные волны, существование которых можно проверить по эволюции периода их взаимного обращения.

Гравитационные волны (ГВ) измерить напрямую даже сложнее, чем недавно полуобнаруженный бозон Хиггса. Первые установки, которые, вероятно, смогут это сделать, будут достроены к 2015 году. Однако проверить существование ГВ можно и раньше. Ведь они представляют собой возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, распространяющуюся со скоростью света от точки образования. А чтобы такая волна была сильной, взаимодействие должно происходить между двумя предельно близкими объектами сверхвысокой плотности. Ранее на их роль рассматривали лишь пару нейтронных звёзд. Однако белые карлики, чья плотность в миллионы раз больше земной, также способны помочь в этом, по крайне мере если вращаются предельно близко друг к другу. Как именно? «Каждые шесть минут звёзды системы J0651 затмевают одна другую по отношению к земному наблюдателю, что представляет собой не имеющие аналогов сверхточные часы, находящиеся от нас в 3 000 световых лет», — пояс-

няет ведущий автор исследования Дж. Дж. Хермес из Техасского университета в Остине (США). Но, согласно ОТО, в этот «отсчёт» должна вкрадываться «ошибка»: генерируя «рябь» пространства-времени (ГВ), карлики тратят свою энергию, и их вращение каждый год должно замедляться на считанные секунды. Исследовательской группе удалось зафиксировать факт такого замедления по материалам более чем годичных наблюдений. По сравнению с апрелем 2011 года, когда явление было обнаружено, затмения стали случаться на шесть секунд чаще. Релятивистский эффект, ведущий к сокращению времени вращения белых карликов друг вокруг друга, согласно прогнозу группы, доведёт сокращение периода затмений до 20 секунд к маю 2013 года. Ну а через два миллиона лет звёзды должны сократить расстояние между собой до такой степени, что будут вынуждены столкнуться и, предположительно, превысить предел Чандрасекара, став нейтронной звездой.

новости космологии

Холодный характер тёмной материи Тёмная материя в галактических скоплениях подтверждает «холодный» характер её частиц Вопреки предшествующим наблюдениям отдельных скоплений, исследование показывает, что теория «холодной» ТМ правильно предсказывает её распределение в пространстве. Астрофизик Нобухиро Окабе (Nobuhiro Okabe), представляющий Тайваньскую академию наук, проследил вместе с коллегами за распределением тёмной материи (ТМ) в галактических скоплениях и теперь уверен, что полученные им результаты совместимы с теорией «холодной» тёмной материи. «Галактическое скопление — это как огромный город, который вы видите сверху ночью, — поясняет один из соавторов работы Грэм Смит (Graham Smith) из Бирмингемского университета (Великобритания). — Всякий яркий городской огонь — как галактика, а тёмные прогалины кажутся пустыми, но в действительности они

полны тёмной материи. ТМ в галактике можно представить себе как инфраструктуру, внутри которой живёт галактика». Наблюдая за распределением ТМ по гравитационному линзированию, которое её скопления вызывают своей огромной массой, учёные выяснили, что в таком «городе» плотность ТМ указывает на правоту теории «холодной» тёмной материи. Используя для отслеживания пятидесяти галактических скоплений одну из камер телескопа «Субару», астрономы наблюдали, как ТМ этих скоплений искривляла свет от далёких фоновых галактик. С точки зрения этой теории, распределение ТМ в скоплении описывается массой последнего и так называемым параметром концентрации. Параметр концентрации для ТМ там должен быть ниже, чем в отдельных галактиках, с их

новости космологии

высокой плотностью. Связано это с тем, что «холодные» ТМ-частицы взаимодействуют с другими лишь с помощью гравитации. Поэтому, например, в центре Млечного Пути из-за большого количества материи ТМ будет собираться интенсивнее, чем в галактическом скоплении, где плотность материи в целом меньше. Обнаружив, что именно такова ситуация в исследованной полусотне галактических скоплений, учёные решили старую головоломку: более ранние исследования одиночных галактических скоплений показывали, что параметр концентрации там иной, а плотность от ядра к периферии убывает быстрее предсказанного теорией «холодной» ТМ. Как отмечают авторы, исследовав сразу много скоплений, они получили статистически более достоверную картину, которая говорит в пользу этой теории.

календарь лунных и солнечных затмений с 2019 по 2038 гг. (таблица) ГОД

ДАТА

СОЛНЕЧНЫЕ

2019

6 ЯНВ.

15° Козер.

2 июля

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

ДАТА

ЛУННЫЕ

21 янв.

01° Льва

11° Рака

16 июля

24° Козер.

26 дек.

04° Козер.

10 янв. (2020)

20° Рака

21 июня

00° Рака

5 июня

16° Стрел.

5 июля

14° Козер.

14 дек.

23° Стрел.

30 нояб.

09° Близн.

10 июня

20° Близн.

26 мая

05° Стрел.

4 дек.

12° Стрел.

19 нояб.

27° Тельца

30 апр.

10° Тельца

16 мая

25° Скорп.

25 окт.

02° Скорп.

8 нояб.

16° Тельца

20 апр.

30° Овна

5 мая

15° Скорп.

14 окт.

21° Весов

28 окт.

05° Тельца

8 апр.

19° Овна

25 марта

05° Весов

2 окт.

10° Весов

18 сент.

26° Рыб

29 марта

09° Овна

Нов. 9N

14 марта

24° Девы

21 сент.

29° Девы

Нов. 9S

7 сент.

15° Рыб

17фев.

29° Водол.

10N

3 марта

13° Скорп.

12авг.

20° Льва

10S

28 авг.

05° Рыб

новости космологии

2027

2028

2029

2030

2031

2032

2033

2034

2035

2036

2037

2038

6 фев.

18° Водол.

11N

20 фев.

02° Девы

2 авг.

10° Льва

11S

18 июля

26° Козер.

17 авг.

24° Водол.

26 янв.

06° Водол.

12N

12 янв.

21° Рака

22 июля

30° Рака

12S

6 июля

15° Козер.

14 янв.

25° Козер.

13N

31 дек. (2028)

11° Рака

12 июня

21° Близн.

Ст. 13S

26 июня

05° Козер.

11 июля

20° Рака

Нов.13S

5 дек.

14° Стрел.

14N

20 дек.

29° Близн.

1 июня

110 Близн.

14S

15 июня

25° Стрел.

25 нояб.

03° Стрел.

15N

9 дек.

18° Близн.

21 мая

00° Близн.

15S

7 мая

16° Скорп.

5 июня

15° Стрел.

14 нояб.

22° Скорп.

16N

30 окт.

07° Тельца

9 мая

19° Тельца

16S

25 апр.

06° Скорп.

3 нояб.

11° Скорп.

Нов.17N

18 окт.

26° Овна

30 марта

10° Овна

17S

14 апр.

25° Весов

23 сент.

01° Весов

18N

8 окт.

15° Овна

20 марта

30° Рыб

18S

3 апр.

14° Весов

12 сент.

20° Девы

19N

28 сент.

05° Овна

9 марта

19° Рыб

19S

22 фев.

04° Девы

2 сент.

09° Девы

19авг.

26° Водол.

27 фев.

08° Рыб

11 фев.

23° Льва

23 июля

01° Льва

Нов. 2N

7 авг.

15° Водол.

21 авг.

29° Льва

Ст. 2N (конец)

16 ЯНВ.

27° Козер.

31 янв.

12° Льва

13 июля

21° Рака

27 июля

04° Водол.

5 янв.

15° Козер.

21 янв.

01° Льва

2 июля

11° Рака

17 июня

26° Стрел.

16 июля

24° Козер.

новости космологии

Почему «Гравитация» — самый точный фильм о космосе в истории кино Сегодня, когда новинку Альфонсо Куарона «Гравитация» успели посмотреть и обсудить почти все и можно свободно нашпиговать статью о фильме зарядом спойлеров, мы пригласили журналиста Ивана Сорокина, который объясняет, почему «Гравитация» — самый точный фильм о космосе и что именно для этого пришлось учесть его создателям. Да, китайская космическая станция, МКС и Хаббл находятся на разном расстоянии от Земли (более того, их орбиты имеют разный наклон). Случись аналогичное несчастье в реальном мире, доктор Стоун была бы обречена; но не отменять же из-за этого съемки? Да, Альфонсо Куарон обошел не слишком киногеничные детали быта астронавтов: в частности тот факт, что все они при выходе в открытый космос надевают

подгузники. Но ведь тогда сцена с Райан-эмбрионом была бы не столь сильной, правда? Предметы не всегда ведут себя в невесомости так, как это показано в фильме: в особенности это касается той сцены, где героиня Сандры Буллок плачет. Но не лишать же зрителя возможности посмотреть на сферические слезы? Радиосвязь с МКС не могла прерваться полностью — для этого ее орбита находится слишком

низко. Но можно представить, что передатчик просто вышел из строя. Визоры скафандров устроены так, что лиц людей, которые находятся внутри, почти не видно. Но послушайте, как же мы без глаз Сандры и Джорджа, не смотреть же на зеркальное отражение черноты в поверхности визора весь фильм? Никто не пытается сказать, что «Гравитация» точна во всем — однако сомнений насчет того, что это самый точный фильм о космосе

с точки зрения науки

в истории художественного кинематографа, нет даже у Базза Олдрина. А если кино понравилось второму человеку, ступавшему на поверхность Луны, то к чему нытье? Лучше поподробнее взглянуть на те вещи, которые режиссер Куарон и оператор Любецки изобразили со стопроцентным попаданием в цель — особенно по сравнению с богатым опытом других фильмов о космических кораблях, где с точки зрения механики и астрофизики все не то и все не так.

Звук Титр, рассказывающий о том, что в космосе нет звука (звуковые волны — это колебания воздуха; воздуха, разумеется, в космосе нет), присутствует на открывающих фильм кадрах — и это отличие «Гравитации» от прочих мейнстримовых фильмов бросается в глаза сильнее других. Разумеется, обойтись совсем без звука создатели не могли, но выкрутились максимально элегантно: за вычетом фоновой музыки все, что присутствует на аудиодорожке картины в «космических» сценах, — это радиопереговоры и те вещи, которые герои ощущают посредством вибраций различных поверхностей. Сравнить эту ситуацию можно с той, что изображена в любом

фильме саги «Звездные войны»: пиу-пиу лазерных пушек присутствует в каждом кадре с летящими космическими кораблями.

Огонь Один из самых драматичных эпизодов фильма связан с возгоранием на Международной космической станции — и в этом как раз нет никакой проблемы, поскольку модули МКС, предназначенные для проживания и работы, естественно, заполнены воздухом. В свою очередь, космос, не содержащий кислорода или других окислителей, не может поддерживать горение — что прекрасно показано в фильме (единственный язык пламени, прорывающийся в безвоздушное пространство, исчезает буквально за секунду). А теперь сравните эту ситуацию с той, что изображена в «Армагеддоне»: там тоже демонстрируется гибель космической станции — и сопровождается она десятками взрывов.

Астероиды Списывать повреждения космических кораблей на удары астероидов — один из самых распространенных сюжетных приемов в научной фантастике. Проблема заключается в том, что существу-

ющие в реальности пояса астероидов (в частности тот, который располагается в нашей Солнечной системе) никогда не отличаются высокой плотностью небесных тел: никаких проблем с навигацией сквозь них у стандартного размера космических кораблей возникать не должно. Именно поэтому реализующийся в «Гравитации» сценарий с обломками спутников, размножающимися в геометрической прогрессии, сталкиваясь с другими спутниками, выглядит гораздо реалистичнее: для подобной ситуации в астрофизике есть даже специальный термин — синдром Кесслера (пусть развиваться такая ситуация должна с куда меньшей скоростью).

Замерзание В сцене жертвенной гибели героя Джорджа Клуни многие увидели параллель со странноватым, но в меру культовым фильмом «Миссия на Марс» классика Нового Голливуда Брайана де Пальмы. Напомню, что в случае с кинокартиной 2000 года для пущей эффектности астронавт открывал визор — и тут же умирал от обморожения. В жизни ничего такого произойти не может даже близко: астронавт задохнется, умрет от баротравмы и внутреннего кровотечения, но никак не замерзнет. Это еще один эффект

отсутствия воздуха в космосе: конвекционный теплообмен в таких условиях невозможен (именно таким образом мы теряем большую часть тепла), поэтому тело будет нагреваться от солнечной радиации, а не охлаждаться. Что мы и видим в случае погибшей команды шаттла: трупы, проплывающие перед Стоун и Ковальски, никак не назовешь обледеневшими мумиями.

Трение Большинство космических кораблей совершенно не похожи по форме на самолеты — и это снова связано с отсутствием воздуха в открытом космосе: когда вокруг нет молекул, на которые можно опереться крылом, беспокоиться о подъемной силе и трении не стоит (соответственно, можно забыть об аэродинамике). Наличие

в космическом пространстве мифического безвоздушного трения — наверное, самая распространенная ошибка стандартных сай-файфильмов наряду с космическими звуками. В «Гравитации» с этим проблем нет: раз запущенный куда-то предмет не теряет скорости, пока не встретит на пути другой объект.

Трехмерность Сценаристы и режиссеры зачастую забывают, что словосочетание «космический корабль» менее образно, чем «космическая субмарина»: в отличие от поверхности воды, космос — трехмерное пространство, а не плоскость (подобно толще воды, в которой и обитают подводные лодки). Подобный подход типичен даже для самых щепетильных фильмов

и сериалов: например, в Star Trek: The Next Generation «Энтерпрайз» в подавляющем большинстве случаев подходит к другим кораблям только лоб-в-лоб или сбоку — как если бы речь шла о морских кораблях! Не то «Гравитация»: в первые же десять минут унесенная от шаттла героиня Буллок испытывает страшную дезориентацию, не понимая, где она находится в трехмерном пространстве, и не будучи способной остановить собственное вращение.

Орбита Свойство земной орбиты состоит в том, что вещь, двигающаяся по ней с большой скоростью, вернется в то же место через предсказуемый период времени. Именно это можно наблюдать в фильме Куарона.

Никто не пытается сказать, что «Гравитация» точна во всем — однако сомнений насчет того, что это самый точный фильм о космосе в истории художественного кинематографа, нет даже у Базза Олдрина. А если кино понравилось второму человеку, ступавшему на поверхность Луны, то к чему нытье?

с точки зрения науки

«Интерстеллар» с точки зрения науки: что в фильме правда, а что - вымысел? Даже основанное на настоящей науке кино обязано немного расширять границы. Если вы один из 3 гаджилионов людей, которые посмотрели или посмотрят блокбастер Криса Нолана Интерстеллар, вы должны понимать, что это не документальный фильм. Это научная фантастика, и, если вы идете в кино за большим количеством захватывающих научных моментов, то найдете их немного. Тем не менее, значительная часть привлекательности фильма в том, что он действительно сосредоточен на научной базе. Нолан нанял Кипа Торна, космолога из Калифорнийского Технологического Университета, в качестве консультанта по технической части. Торн пристально следил за тем, чтобы события сюжета как можно больше соответствовали законам физики, которыми управляется вселенная. Какие моменты в Интерстеллар были абсолютно достоверным, а в каких допустили свободу повествования?

с точки зрения науки

Вот несколько ключевых моментов сюжета и вердикт от ученого по ним. 1. В пространстве может образоваться отверстие, позволяющее быстро переместиться из одной части вселенной в другую. Вердикт: по большей части, правда. Наличие таких отверстий вполне допускается в современной космологии. По теории Торна, пространство это не столько пустота, сколько некая материя, которая при определенных обстоятельствах может накладываться сама на себя. Но проделать такие дыры там, где это необходимо, чтобы совершить перелет через вселенную будет сложнее. «Чтобы создать и удержать открытым такой портал потребуется то, что известно как отрицательная энергия, энергетическое состояние ниже ноля», - говорит принстонский космолог Дж. Ричард Готт. Имели место несколько попыток воссоздать такие условия в лаборатории, которые хоть и были далеки от создания настоящего портала, но помогли доказать теорию. 2. Нахождение в зоне притяжения массивного объекта, такого как черная дыра, заставляет время идти медленнее, чем это было бы на Земле. Вердикт: правда. В этом случае, пространство и время – это ткань, натянутая,

как батут. Теперь разместите на ней 500-фунтовое пушечное ядро. Это и есть ваша черная дыра с мощным гравитационным полем. Вертикальные потоки сплетения ткани это пространство, горизонтальные – время, и ядро не может исказить одно, не искажая при этом второе. Это значит, что всё, даже то, насколько скоро наступит ваш День рождения, будет растянуто. Все действительно настолько просто. Конечно, если вы не хотите провести некоторое время за уравнениями, доказывающими то, чего, поверьте нам, вы не знаете. 3. Возможно ли поддерживать связь с Землей, находясь внутри черной дыры? Вердикт: не исключено. Принято считать, что гравитационное сжатие черной дыры настолько мощное, что даже свет не может из нее вырваться – отсюда она и получила свое название. Но даже в физике есть лазейки. Одна из - излучение Хокинга (открытое угадайте кем). Когда частица попадает в черную дыру, тот факт, что она падает, создает еще одну форму негативной энергии. Но природа ненавидит, когда ее части несбалансированны. Негативное без соответствующего позитивного – это как дебет без кредита. Черная дыра выпускает частицы, чтобы сохранить баланс. Зиллионы этих частиц создают вытекающую энергию – и эта энергия может быть закодирована на пере-

с точки зрения науки

несение информации, так работают все виды беспроводной связи. Это вряд ли тоже самое, что иметь возможность связаться с Хьюстоном по радио, находясь в пасти черной дыры, но это продвинет вас на шаг ближе. 4. Возможно ли пережить прыжок в черную дыру? Вердикт: нет (с исключением). Космологи соперничают за лучший термин для описания того, что случится с вами, если вы пересечете так называемый горизонт событий черной дыры или ее светопоглощающий порог. Победителем в этой лингвистической борьбе стало слово «спагеттификация», что звучит не очень хорошо. Такая ужасная кончина может произойти не мгновенно. «Большинство людей согласятся, что человек, прыгнувший в черную дыру – обречен», - говорит космолог из Колумбийского Университета и продаваемый автор Брайан Грин. «Но, если черная дыра достаточно большая, то вы не погибнете сразу». Слабое утешение, но для хорошего сценариста это достаточное пространство для маневра. 5. И, наконец, Энн Хэтэуэй может двигаться сквозь время и пространство, и помогать спасти всё человечество, а ее волосы все равно будут выглядеть прекрасно. Вердикт: по-другому и быть не могло.

Фильм «Марсианин», снятый по книге Энди Уира, явно претендует на достоверность в изображении марсианской миссии. Астрофизик Алексей Вареников, принимавший участие в команде управления команды управления марсохода Curiosity, посмотрел фильм и рассказал, что в нем правдоподобно с точки зрения науки

Конечно, на Марс вряд ли отправят людей всего на 30 дней, как в фильме, — это будет намного более долгая миссия. А значит, появятся психологические проблемы. Если последний эксперимент по имитации полета на Марс прошел успешно, то предыдущие были неудачными: капитан набил кому-то морду, и эксперимент прекратили. Кроме того, на космических станциях очень шумно: там постоянно что-то трещит, шипит и жужжит, а это является еще более тяжелой психологической нагрузкой, особенно когда люди находятся в закрытом пространстве.

с точки зрения науки

Из проектов типа Mars One никто точно никуда не полетит. Если и полетят, то точно летчики. Хорошо, если вместе с летчиками пустят ученых. Путь в астронавты очень долгий.

с точки зрения науки

Ландшафт Марсианские ландшафты показаны довольно близко к реальности. Но есть некоторые нюансы: например, ветровая эрозия, которая на Марсе за последние миллиарды сильно сгладила существующие горы. Поэтому если в фильме показываются красивые вертикальные стены из скалистой породы, то на самом деле это очень редкое явление. Вердикт: правдоподобен

Закат Все закаты в фильме были показаны в земных красно-оранжевых цветах, на самом же деле закат на Марсе зелено-синий из-за углекислого газа в атмосфере — настолько депрессивный, что хоть вешайся. Вердикт: неправдоподобен

Бури и ветра Бури на Марсе — хорошо изученное явление, они имеют сезонную периодичность. Конечно, буря из фильма — это вынужденная драматическая завязка сюжета. На Марсе очень низкое давление и разреженная атмосфера. Ветер там бывает действительно сильный, но он не сдувает. Единственное

неприятное ощущение — мелкие песчинки, которые летят со скоростью 100 метров в секунду. От этого очень страдают камеры марсоходов — на их линзах остаются мелкие царапины. Но крупные камни марсианский ветер поднять не может, поэтому, если в фильме камни летают как мухи, в реальности такого быть не могло. Соответственно, и антенна не могла просто оторваться и улететь. Также небо в бурю не темнеет — из-за разреженности атмосферы оно становится красным. Вердикт: неправдоподобен

Смерчи Смерчи точно есть. Так называемые dust devils оставляют следы на поверхности Марса, и эти следы запечатлены на многих фотографиях. Единственное, в фильме они показаны относительно низкими. На Марсе они могут достигать высоту до 30 км. Жалко, что в фильме не показали марсианский снег. Там действительно он выпадает, но состоит он не из водяного льда, а из углекислоты (CO2). Аппараты «Викинги», которые очень долго стояли на Марсе, передавали занятные снимки с углекислой поземкой. Вердикт: правдоподобны

Сухой марсианский грунт На Curiosity установлен прибор DAN, который предназначен для поиска воды. Когда аппарат сел, у нас были ожидания, что процент содержания воды должен быть на уровне 4–5%. А в каких-то местах даже ожидали увидеть до 10% (на месте старых Марсианских рек). Но в результате аппарат показал 1,5%-3% (на основе существующих моделей), что примерно как в Сахаре. Большая часть водяного льда на Марсе присутствует только в полярных районах. Единственный, кто реально докопался до воды, — аппарат «Феникс» в 2008 году. Он высадился на дальнем севере, примерно в Мурманске по земным меркам. Он откопал приповерхностный лед, но не смог стряхнуть его в анализатор — образец примерз к лопатке. В итоге, через несколько солов, лед просто испарился. Вердикт: правдоподобен

Гравитация Гравитация на Марсе меньше, чем как на Земле. В начале фильма, режиссер замедлил кадры, чтобы реалистичнее передать гравитацию. Вердикт: правдоподобна

Радиация

Жилой модуль

Вообще, на Марсе вполне можно гулять, но есть большая вероятность пострадать от солнечной вспышки. Если у Земли есть мощное и равномерное магнитное поле, которое защищает нас от выбросов солнечной радиации, то у Марса магнитное поле локальное. Планета имеет металлическое ядро, но оно остановилось — прекратило вращаться. Магнитное поле там вморожено в кору. Именно в радиации заключается и одна из главных проблем перелета от Земли до Марса. Попав под «хорошую» солнечную вспышку в космосе, человек может умереть в течение недели или месяца. А за больше 700 солов, которые герой Мэтта Деймона провел на Марсе, он бы точно напоролся на мощную вспышку. И, конечно, РИТЭГ, который он использовал в качестве обогревателя, в реальности намного жестче. Его лепесточки имеют температуру 150–200 градусов, а в самой батарее оксид плутония уложен небольшими таблетками. От радиоактивного распада они светятся красным светом и будут это делать еще десятки тысяч лет. Вердикт: неправдоподобна

База реалистична. Единственное, ее нужно было бы закопать, чтобы защититься от радиации, для этого стоило углубиться на 2–3 метра в грунт. Также он не совсем реалистично замотал пробоину полиэтиленом после взрыва и «надул» помещение в одну атмосферу. С другой стороны, НАСА постоянно разрабатывает новые высокотехнологичные материалы (из-за них, кстати, американские аппараты такие дорогие). Вердикт: правдоподобен

Офисы НАСА Один в один. Все эти гениальные психи, которые рассчитывают траектории, действительно работают точно так же. Неважно, где и как ты живешь, важно, что ты умеешь делать и делаешь это профессионально. Лаборатория Реактивного Движения (JPL) одно из лучших мест на земле для занятий научной деятельностью. Правда, там нет чернокожих вообще, кроме одного приглашенного ученого из Франции и парня на ресепшене. Но азиатов там работает действительно много. Вердикт: в целом правдоподобны

с точки зрения науки

Выращивание картошки, добыча воды и кислорода Я не биолог, но выращивание картошки показано правдоподобно. Почва на Марсе содержит оксид железа — то есть ржавчину. По сути тот же самый песок можно найти, например, в США в долине Смерти. Воду для полива он тоже получал вполне достоверно: взял бочки с водородосодержащим топливом (гидразином) и окислителем, затем аккуратно поджег их. Кислород для дыхания он получал при помощи генератора закрытого цикла — они очень эффективны и используются сейчас довольно широко. Вердикт: правдоподобны

Полное отсутствие связи с Землей Обычно НАСА дублирует каналы связи, и выход из строя даже двух из них к полной потере контакта не приведет. Но на деле может произойти все что угодно, например повреждение антенны. При отсутствии связи в реальной ситуации действовать ему пришлось бы примерно так же — лезть в шестнадцатеричный код. Вердикт: правдоподобно

Найденный Pathfinder На деле аппарат было бы найти еще проще: вряд ли его сильно занесло песком даже за 25–30 лет. Недавно на Марсе был найден «Марс-3» (был запущен в 1971 году) — тоже по парашюту, — и его не засыпало. И «Викингов» (1976) не засыпало. Нереалистично только то, что Pathfinder вообще включился. У аппарата есть определенный запас прочности по радиации, но он не вечный. Например, у «Вояджера», который вылетел за пределы Солнечной системы, радиация выжгла практически всю электронику, и он фактически сейчас работает как маяк. Вердикт: неправдоподобен

«Гермес» Все довольно достоверно. Крутящийся модуль в реальном корабле был бы обязательно. Жаль только, что в фильме не показали разные любопытные эффекты,

которые можно было бы в нем наблюдать. Например, если бежать в этом колесе быстро — гравитация будет действовать в два раза сильнее, а если резко развернуться и побежать в обратную сторону, в какой-то момент можно зависнуть в воздухе и смотреть на движущийся под тобой пол. Жалко, что ничего не рассказали про двигатели «Гермеса». Еще не очень правдоподобный момент, как «Гермес» затормозил, сбросив воздух с помощью взрыва. Весь кислород на борту имеет хоть и приличную массу, ее все равно недостаточно, чтобы приостановить такой огромный корабль. Ну и конечно, внутри него слишком чисто и опрятно. Если посмотреть, как реально живут на МКС — у американцев, может быть, еще более-менее, в модуле у наших полный бардак. Вердикт: правдоподобен

маленькая. Такая могла бы долететь только до самой нижней орбиты. Во-вторых, на ракету очень сильно влияет атмосфера, хотя она там и разреженная, — особенно на большой скорости в начале запуска. И конечно, с открытым «забралом» взлетать нельзя. Похорошему, чтобы взлететь с Марса, нужен нормальный космодром. Вердикт: неправдоподобен

Управление полетом с помощью дырки в перчатке Это полный фейл. Для движения в одном направлении вектор тяги должен быть всегда направлен точно в центр массы объекта. И любое смещение приводит к вращению. Продырявив перчатку, он бы просто начал крутиться на месте. Вердикт: неправдоподобно

Взлет ракеты с Марса Во-первых, ракета у героя Мэтта Деймона была слишком

с точки зрения науки

Возможна ли подобная миссия когда-нибудь? Первая ласточка возможности полета человека на Марс появится после возвращения грунта с поверхности Марса. В планах пока это стоит на 2020–2026 год, но стоимость этой программы просто нереальная. Только марсоход обошелся в $2,5 млрд, что сравнимо со стоимостью строительства небольшого городка. Марсианская база тоже под большим вопросом. Наиболее оптимально с точки зрения денежных затрат сделать сначала лунную базу. А уже потом можно летать на Марс, стартуя с поверхности Луны причем практически без топлива — на магнитных ускорителях.

с точки зрения науки

научно-информационный журнал основан в 2019 г. № 1 от 18.10.2019 г. издатель главный редактор редактор: художник иллюстратор: ретушер:

S1 Design studio И. В. Самодин И. В. Самодин И. В. Самодин И. В. Самодин

адрес редакции: Украина, г. Запорожье электронный адрес: samodin.ilya@gmail.com издатель S1 Design studio, Украина, г. Запорожье

напечатано в типографии «Просвита» Украина, г.Запорожье, пр. Соборный 75 электронный адрес: prosvitabook@gmail.com prosvitabook.com