Самый большой в мире девайс для поиска тёмной материи скоро будет готов к работе. Сооружение четырёхтонной Dark Energy Camera стоимостью $35 млн завершится через месяц в лаборатории Fermilab в Иллинойсе. Там её сейчас тестируют, установив в крепление от телескопа (сборка крепления — на видео). А в полную силу камера заработает после установки на телескоп Виктора Бланко в горах Чили, в октябре 2012 года.



Участники этого проекта собираются замерить скорость 300 млн галактик в Южном полушарии звёздного неба, чтобы проверить теорию о существовании тёмной материи.

Перевод поста Стивена Вольфрама "What Is Spacetime, Really?".
Выражаю огромную благодарность Кириллу Гузенко KirillGuzenko за помощь в переводе и подготовке публикации.

Примечание: данный пост Стивена Вольфрама неразрывно связан с теорией клеточных автоматов и других смежных понятий, а также с его книгой A New Kind of Science (Новый вид науки), на которую из этой статьи идёт большое количество ссылок. Пост хорошо иллюстрирует применение программирования в научной сфере, в частности, Стивен показывает (код приводится в книге) множество примеров программирования на языке Wolfram Language в области физики, математики, теории вычислимости, дискретных систем и др.

---

Содержание

Простая теория всего?
Структура данных Вселенной
Пространство как граф
Может быть, нет ничего, кроме пространства
Что есть время?
Формирование сети
Вывод СТО
Вывод ОТО (Общей теории относительности)
Частицы, квантовая механика и прочее
В поисках вселенной
Ок, покажите мне Вселенную
Заниматься физикой или нет — вот в чем вопрос
Что требуется?
Но пришло ли время?

---

Сто лет назад Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности — блестящую, элегантную теорию, которая пережила целый век и открыла единственный успешный путь к описанию пространства-времени (пространственно-временного континуума).

Есть много различных моментов в теории, указывающих, что общая теория относительности — не последняя точка в истории о пространстве-времени. И в самом деле, пускай мне нравится ОТО как абстрактная теория, однако я пришел к мысли, что она, возможно, на целый век увела нас от пути познания истинной природы пространства и времени.

Я размышлял об устройстве пространства и времени немногим более сорока лет. В начале, будучи молодым физиком-теоретиком, я просто принимал эйнштейновскую математическую постановку задачи специальной и общей теории относительности, а так же занимался некоторой работой в квантовой теории поля, космологии и других областях, основываясь на ней.

Но около 35 лет назад, отчасти вдохновленный своим опытом в технических областях, я начал более детально исследовать фундаментальные вопросы теоретической науки, с чего и начался мой длинный путь выхода за рамки традиционных математических уравнений и использования вместо них вычислений и программ как основных моделей в науке. Вскоре после этого мне довелось выяснить, что даже очень простые программы могут демонстрировать очень сложное поведение, а затем, спустя годы, я обнаружил, что системы любого вида могут быть представлены в терминах этих программ.

Воодушевившись этим успехом, я стал размышлять, может ли это иметь отношение к важнейшему из научных вопросов — физической теории всего.

Во-первых, такой подход казался не слишком перспективным — хотя бы потому, что модели, которые я изучал (клеточные автоматы), казалось, работали так, что это полностью противоречило всему тому, что я знал из физики. Но где-то в 88-м году — в то время, когда вышла первая версия Mathematica, я начал понимать, что если бы я изменил свои представления о пространстве и времени, возможно, это к чему то бы меня привело.

Сегодня научная коллаборация LIGO-Virgo объявила об обнаружении гравитационных волн от второго источника и обнародовала результаты первого научного цикла наблюдений (всего три события за четыре месяца наблюдений). Статья опубликована в Physical Review Letters.

Что такое наука? — Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.

С места в карьер! В физике есть три главные константы: скорость света (с = 3 *10¹⁰см/с), гравитационная постоянная (G = 6,67 * 10^-8 см³/гр сек) и постоянная Планка (h/2pi = 1,05 * 10^-27 эрг сек). Теории делятся по тому, как они учитывают эти константы.

Сто лет назад, в ноябре 1915 года, Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО)

Эйнштейн опубликовал в берлинском журнале Prussian Academy of Sciences всего четыре небольшие статьи: 1, 2, 3, 4. Последняя из них отправлена 25 ноября 1915 года. В статьях указан один автор, и работу часто принимают как труд одного гения. Но это совершенно не так.


Марсель Гроссманн (слева) и Мишель Бессо (справа) были университетскими друзьями Альберта Эйнштейна (в центре)

На самом деле физик получил неоценимую помощь от друзей и коллег, большинство из которых никогда не стали известными и были незаслуженно забыты, пишет журнал Nature со ссылками на несколько литературных источников, авторы которых изучали жизнь Эйнштейна и историю создания ОТО.

В этот четверг, в 18.30 по Москве состоится пресс-конференция научной коллаборации LIGO, посвященная прогрессу в детектировании гравитационных волн.


На официальной странице коллаборации появилось сообщение с подробностями о грядущем сообщении. Планируется также прямая трансляция в Youtube, и в Google Hangouts, где можно будет задать любые вопросы ученым и получить подробные ответы.

Сегодня на специальной пресс-коференции ученые международной коллаборации LVC (LIGO) объявили о первом прямом детектировании гравитационных волн от слияния двух черных дыр с достоверностью 5.1σ.

UPD Запись пресс-конференции — историческое видео теперь. Кстати, отлично объясняю, что к чему. Еще добавил в конец статьи больше ссылок на материалы.


Image Credit: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel (see www.black-holes.org/lensing)

14 сентября 2015 год в 09:50:45 UTC два детектора LIGO (расположенные в США) одновременно наблюдали гравитационно-волновой сигнал GW150914. Сигнал с возрастающей частотой от 35 Гц до 250 Гц и амплитудой деформации метрики в 1x10^-21. Сигнал соответствует предсказаниям Общей Теории Относительности (ОТО) для слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечной.

Что еще интереснее, это открытие впервые позволяет с уверенностью сказать о существовании систем черных дыр, и характеризовать динамику системы черных дыр с позиций ОТО.

Результаты исследования опубликованы сегодня в Physical Review Letters.

Симуляция на суперкомпьютере COSMOS, проведённая теоретическими физиками из Кембриджа и Лондонского университета королевы Марии, показала, что чёрные дыры, формирующиеся во Вселенной, имеющей более четырёх измерений, должны распадаться на голые сингулярности. Правда, этому свойству будут подвержены только чёрные дыры особой формы.

Голая сингулярность – это точка бесконечной плотности, вблизи которой общая теория относительности становится несостоятельной, то есть, теряет предсказательную способность.

Английский физик Роджер Пенроуз сформулировал "принцип космической цензуры", гласящий, что «природа питает отвращение к голой сингулярности». Впоследствии физики высказывали и другие гипотезы: Стивен Хокинг уточнил, что сингулярности, если они могут существовать, непременно должны быть скрыты от наблюдателя – например, горизонтом чёрной дыры. Этот принцип был назван «слабой формой космической цензуры».

В нашем четырехмерном пространстве-времени чёрные дыры обладают сферической формой (а также, возможно, могут формироваться объекты в виде кольца с нулевой толщиной, но ненулевым радиусом, под названием «кольцеобразная сингулярность» или «сингулярность Керра»).

Эйнштейн предложил объяснение гравитации как искривление пространства-времени вблизи массивных объектов. Это утверждение рассматривает статического наблюдателя и искривление пустоты. Но что если все на самом деле наоборот? Если вселенная все еще расширяется со времен Большого взрыва, то материя расширяется вместе с ней, причем с ускорением. И гравитация это не объекты, которые притягиваются или двигаются в сторону Земли, это Земля расширяясь с ускорением сбивает и прижимает все на своем пути. И мы не замечаем этого, так как синхронно расширяемся вместе с ней и относительные измерения остаются неизменны. Так что это не яблоко упало Ньютону на голову, это Ньютон догнал яблоко головой.

Сегодня международная коллаборация LIGO-Virgo объявила о регистрации гравитационных волн в третий раз в истории. Источником, как и в предыдущие два раза, являлась пара черных дыр. О результатах исследования опубликована статья в Physical Review Letters.

Сегодня коллаборация LIGO & Virgo объявили (будет опубликована в PRL, статью можно почитать тут) о новом детектировании гравитационных волн (GW170814). Первые три события (раз, два, три) были зарегистрированы на двух детекторах LIGO в США. 1 августа к наблюдениям присоединился европейский детектор Advanced VIRGO, расположенный в Италии. А уже 14 августа гравитационные волны от слияния двух черных дыр были зарегистрированы всеми тремя детекторами.


Оценка расположения всех зарегистированных источников гравитационных волн. GW170814 определен с гораздо большей точностью за счет использования данных с трех детекторов.

Коллаборация LIGO-Virgo вместе с астрономами из 70 обсерваторий объявила сегодня о наблюдении слияния двух нейтронных звезд в гравитационном и электромагнитном диапазонах: увидели гамма-всплеск, а также рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио излучение.


Иллюстрация столкновения нейтронных звезд. Узкий выброс по диагонали — поток гамма-лучей. Светящееся облако вокруг звезд — источник видимого света, который наблюдали телескопы после слияния. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Нейтронные звезды, самые маленькие и плотные из всех звезд, образуются при взрыве сверхновой. Когда две нейтронные звезды образуются в паре, они вращаются друг вокруг друга, и постепенно теряют энергию, сближаясь и излучая гравитационные волны, пока наконец не сталкиваются. Такое столкновение и наблюдали телескопы LIGO, а через две секунды после — гамма-вслеск достиг космического телескопа Ферми, и в последующие дни и недели астрономы могли наблюдать событие в других электромагнитных диапазонах.

Впервые гравитационные волны были зарегистрированы два года назад — от слияния черных дыр. С тех пор еще три сигнала от черных дыр были приняты детекторами, последний — всего за три дня до этого события.

Под катом — о сигнале и открытиях, с ним связанных: точной оценке на скорость гравитационных волн, независимой оценке на постоянную Хаббла и новых данных по физике нейтронных звезд.

UPD Краткое изложение главной статьи о детектировании ГВ на русском — здесь.

Хронологическое будущее для точки p

Поведение малых возмущений гравитационного и электромагнитного полей внутри чёрной дыры — давний предмет исследований в Общей теории относительности (ОТО). Нам нужно очень точно знать, как затухают эти возмущения, чтобы продвинуться в понимании природы гравитации, от интерпретации данных зарегистрированных гравитационных волн до более фундаментальных вопросов — таких как детерминистический характер ОТО.

Появление горизонта Коши в астрофизических применениях вычислений Эйнштейна сигнализирует о возможном нарушении детерминизма в рамках ОТО. Как известно, горизонт Коши ограничивает «область предсказуемости»: За горизонтом Коши однозначные предсказания ни в классической, ни в квантовой теории невозможны, поскольку часть необходимой информации приходит туда из других областей пространства-времени, не пересекающихся с начальной частичной поверхностью Коши.

Другими словами, мы уже не можем предсказать будущее наблюдателя, который пересекает горизонт Коши, исходя из начальных условий до пересечения горизонта и уравнений Эйнштейна. Тем не менее, в контексте пространства-времени чёрной дыры (ЧД) можно ожидать, что возмущения внешней области могут бесконечно усиливаться, превращая горизонт Коши изнутри в сингулярность (конечная граница), за пределами которой уравнения поля перестают иметь смысл. Такое предположение обосновывается в гипотезе Пенроуза о принципе «космической цензуры».

Две команды исследователей значительно продвинулись к доказательству гипотезы устойчивости чёрных дыр, важнейшей математической проверке Общей теории относительности Эйнштейна.

В ноябре 1915 года на лекции в Прусской академии наук, Альберт Эйнштейн описал идею, перевернувшую представление человечества о Вселенной. Вместо того, чтобы принимать геометрию пространства и времени фиксированной, Эйнштейн объяснил, что мы живём в четырёхмерной реальности под названием пространство-время, чья форма колеблется, реагируя на материю и энергию.

Эйнштейн подробно расписал эту важную идею в нескольких уравнениях, называемых "уравнениями Эйнштейна" (или уравнениями гравитационного поля), формирующих ядро его ОТО. Эту теорию подтвердили все экспериментальные проверки, которым она подвергалась в следующее столетие.

Математики опровергли гипотезу существования сильного принципа космической цензуры. Их работа отвечает на один из наиболее важных вопросов в изучении общей теории относительности и меняет то, как мы рассуждаем о пространстве-времени.

Спустя почти 40 лет после его постановки, математики определились с одним из самых выдающихся вопросов в изучении общей теории относительности. В работе, опубликованной в интернете прошлой осенью, математики Михалис Дафермос и Джонатан Лак доказали, что сильная форма принципа космической цензуры, относящегося к странной структуре чёрных дыр, неверна.

«Лично я считаю эту работу невероятным достижением – качественным скачком в нашем понимании ОТО», — написал мне Игорь Роднянский, математик из Принстонского университета.

Стрелец А* и его звездное скопление. Источник: оригинальная статья.

Европейская южная лаборатория (European Southern Observatory, ESO) при помощи системы VLT (Very Large Telescope, «Очень Большой Телескоп», ОБТ) впервые обнаружила эффекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), при наблюдении за движением звезды, которая прошла через мощное гравитационное поле сверхмассивной чёрной дыры Стрелец А* в центре Млечного Пути.

Два года назад, листая старую тетрадь с вычислениями, я наткнулся на явную ошибку в одном уравнении. Находясь в совершенном ужасе — это уравнение-то было опубликовано в научном журнале месяцем ранее, — бросил все дела и стал срочно переделывать расчет. И ошибка никуда не делась.



Как баг превратился в фичу, о научном прогрессе и всех приключениях в попытках опубликоваться в Nature. Спойлер: почти получилось.

А разве у них есть поверхность? Ведь все привыкли к представлению о черной дыре как о сингулярности скрытой от нашего взора горизонтом события. Впрочем, исследуя термодинамику черных дыр, физики давно пришли к выводу, что они ведут себя не как трехмерные, а как двухмерные объекты. Например, количество составных частей черной дыры как термодинамической системы, пропорционально квадрату радиуса горизонта события, а не его кубу. Но данный «прозрачный намёк» принято относить скорее к проблемам, таким как: Куда девается информация провалившаяся за горизонт события? Если из двух квантово запутанных частиц одна пересекла горизонт события, то с чем запутана оставшаяся?

Однако показать, что такая поверхность вполне материальна, можно используя известные эффекты теории относительности. Так, с точки зрения неподвижного внешнего наблюдателя, никакой падающий в черную дыру объект никогда не пересечет горизонт события, потому что по мере приближения к нему, время в системе отсчета, связанной с объектом, будет замедляться относительно внешнего наблюдателя из-за того, что в гравитационном поле вблизи массивных тел, время даже для неподвижных тел течет медленнее, чем вне поля. Скорость такого объекта относительно внешнего наблюдателя сначала нарастает, а затем замедляется. При приближении к горизонту события время для такого объекта почти остановится, поэтому для того чтобы преодолеть остаток пути с точки зрения внешнего наблюдателя ему потребуется бесконечно большой промежуток времени.

Habritants! Когда в процессе моего ознакомления с темой решения уравнений общей теории относительности для метрики Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера выяснилось, что единого транспарентного материала на эту тему на русском языке нет, я решил запостить разбор в виде статьи, заодно ещё раз самому лучше вникнув в тему.

Всем желающим найти собственное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна или просто лучше понять бытие посвящается.

В статье «О кривизне пространства» , в которой Фридман впервые приводит решение ОТО для нестационарной Вселенной, Александр Александрович указывает лишь метрику в виде интервала и уравнения-результат, справедливо полагая само решение не заслуживающей внимания рутиной.

Но в поисках «вариаций на тему» рутина горит как кокс. Поэтому — в путь.

Для понимания материала необходимы знания алгебры: понятие о производных в большей степени; тензорная — в меньшей.

… или два плюс два равно четыре.

Для понимания статьи достаточно школьного курса математики.

Форма множителя в метрике Шварцшильда давно не давала мне покоя своей изысканной двуличностью, и я решил уделить некоторое время изысканиям возможностей её преобразования. Сама метрика Шварцшильда получается в результате решения ОТО для вакуумного случая (тензор энергии-импульса равен нулю):

$$

Она описывает пространственно-временной континуум в окрестностях произвольного компактного массивного объекта. Компактного, значит, девиации формы незначительны в отношении к массе. Проще говоря, круглый и плотный. Обычно здесь приводят в пример чёрную дыру. Никто почему-то не приводит примеров некомпактных объектов. Герметичная палка из пенопласта в открытом космосе на бесконечном удалении от массивных объектов, например, некомпактный объект. Кубический конь на расстоянии, с которого можно разглядеть печаль в его глазах — тоже.