Физика

Возможно вы слышали, что по Калининградской области на днях прокатился Ураган Бернадетт. Кто-то возможно переживает по этому поводу, но сильные ветра, шторма и ураганы здесь дело обычное.

Итан Сигел, американский астрофизик-теоретик, научный журналист, автор рубрики “Спросите Итана” и один из пропагандистов современных научных знаний, утверждает, что, казалось бы, самый фундаментальный из всех законов, закон сохранения энергии, не работает в расширяющейся Вселенной... Но почему?..

@avshkol перевел эту статью (и снабдил несколькими критическими комментариями) для всех, кто хочет глубже вникнуть в проблему темной энергии и расширения Вселенной, но без сложных формул...

На первом курсе аспирантуры я проходил дисциплину «История и философия науки». Курс погружал в вопросы познания, разные философские теории и в саму суть научного поиска — в том числе в размышления о том, что значит быть учёным. Я не относился к этой дисциплине с восторгом, но она всё же зацепила меня — в ней было над чем подумать. Особенно когда хотелось отвлечься от работы над моделями электроснабжения АЭС и стендом по диагностике асинхронных двигателей.

К зачёту нужно было подготовить реферат о каком‑нибудь философе и его учении. Я выбрал Николу Теслу — инженера‑электротехника, которого по праву считают одним из гениев XX века. На первый взгляд выбор казался неожиданным: какое отношение учёный имеет к философии? Но вскоре стало ясно, что связь здесь глубокая.

То, что свет нельзя обогнать, сложение скоростей, замедление времени — всё это стоит на обычном школьном синусе, которому угол сделали мнимым. Не метафора и не «похоже» — буквально та же функция.Давайте убедимся в этом сами.

Это финал серии. В первой синус был показан тенью вращающейся стрелки, во второй — каталогом из сорока с лишним мест, где эта тень лежит. А в конце каталога была ремарка, что у синуса есть гиперболический двойник, за которым стоит ещё пол-математики.

В основе всей статьи один ход, и он не мой — ему двести с лишним лет: подставить в синус мнимый угол. Операция законна с тех пор, как Эйлер переписал синус через экспоненту: ряду всё равно, веществен ли аргумент. Этим ходом Лобачевский объяснил свою геометрию, а Минковский — построил пространство-время; мы пройдём тот же путь с выводами. Итак: что такое sin(iθ)?

Путь: ход Эйлера → корень всего → круг и гипербола → геометрия Лобачевского → эмбеддинги нейросетей → относительность → малые углы → чёрная дыра → бонус: слово «синус» → итог

В один тихий день 2021 года во время пандемии Чжиюань Ван, тогда ещё аспирант Университета Райса, разгонял скуку, работая над странной математической задачей. Найдя для неё экзотическое решение, он начал задумываться, можно ли интерпретировать эти математические выкладки с физической точки зрения. В конце концов, он понял, что они, по-видимому, описывают новый тип частицы: такую, которая не является ни частицей материи, ни частицей, переносящей силу. Похоже, это было нечто совершенно иное.

Ван был полон желания превратить это случайное открытие в полноценную теорию новой, третьей категории частиц. Он поделился этой идеей со своим научным руководителем Каденом Хаззардом.

«Я сказал: „Не уверен, что это может быть правдой“, — вспоминает Хаззард, — „но если ты действительно этим увлечён, тебе следует посвятить этому всё своё время и бросить всё остальное, над чем ты сейчас работаешь“».

В январе этого года Ван, который сейчас является постдокторантом в Институте квантовой оптики имени Макса Планка в Германии, и Хаззард опубликовали уточнённые результаты работы в этой области в журнале Nature. Они утверждают, что третий класс частиц, называемый парачастицами, действительно может существовать, и что эти частицы способны давать нам необычные новые материалы.

Каждый раз, когда я пишу о физике элементарных частиц, я сталкиваюсь с моментом неопределённости относительно величины, которая, на первый взгляд, должна быть ясной. Сколько видов элементарных частиц, по-вашему, существует?

В экспериментах на Большом адронном коллайдере физики сталкивают пучки протонов, разбивая их на все возможные элементарные частицы. При этом у них есть невероятно точный набор математических уравнений, описывающих эти строительные блоки материи и все способы их соединения. Итак, поскольку известные частицы природы можно как эмпирически наблюдать, так и теоретически описать, можно было бы подумать, что их также легко можно сосчитать. Но, увы, нет. Я уже знала, что по причинам, которые мы увидим, подсчёт не так прост, как кажется.

Поэтому недавно я написала нескольким физикам, чтобы спросить, как каждый из них лично подсчитывает фундаментальные составляющие природы. Первый признак того, насколько сложен этот вопрос, проявился в ответе Дэвида Тонга, физика из Кембриджского университета и автора учебников, когда мы назначали видеозвонок: «Думаю, правильный ответ на ваш вопрос — не целое число!»

В прошлой статье мы рассчитывали основные показатели электрических цепей, учитывая температурную зависимость сопротивления. В этой статье мы учтём зависимость теплоёмкости от температуры  добавим охлаждение проводника из-за окружающей среды.

В первой статье синус оказался не просто функцией из учебника, а тенью крутящейся стрелки. Там я показал три главные двери: заморозить стрелку — проекция, пустить во времени — колебание, сложить несколько — волны. Здесь дверей будет больше — к трём главным добавятся поворот и кривизна, плюс бонус.

Эта статья — каталог. Сорок два примера по пяти дверям и бонусу, и каждый со своим живым графиком: ниже не одна обложка на дверь, а отдельная карточка на каждый случай. Три из них — Доплер, ряд Фурье и гласные — со звуком: жми «слушать» и услышишь синус ушами.

Читать подряд не обязательно — это карта, а не маршрут. Электрик, скорее всего, осядет во второй двери, фронтендер — в четвёртой, штурман — в пятой. Идите туда, где ваше; остальное подождёт в закладках.

Сразу честная оговорка: 42 — это не «столько синусов в мире», а столько, сколько набралось у нас, с понятным перекосом в физику и инженерию. Синус не «применяется в N законах», как гвоздь в N досках — он следствие одной структуры: всё, что вращается, колеблется или имеет волновую симметрию, автоматически его порождает. А таких систем не конечное число, их класс. Так что ниже — не перепись, а полевой определитель: яркие представители бесконечного семейства. В конце я отдельно перечислю, чего тут нет.

В 1963 году 21-летний аспирант из Кембриджа начал замечать странную неуклюжесть в движениях и вскоре услышал от врачей страшный диагноз — боковой амиотрофический склероз. Ему прогнозировали всего несколько лет жизни. Болезнь постепенно лишала его подвижности и речи, но его разум продолжал работать с поразительной силой. Его звали Стивен Хокинг. Спустя десятилетия он станет одним из самых известных физиков современности, напишет бестселлер «Краткая история времени», а его идея о квантовом излучении чёрных дыр серьёзно изменит представления о космосе.

«Теория всего» — это не учебник, а сборник из семи лекций. В них Хокинг почти не использует сложные формулы и последовательно проводит читателя через историю научных представлений о Вселенной: от античной философии до современных теорий.

Человек всегда работал с деревом, это естественный и привычный материал для инструментов, мебели, посуды, жилища и т. д. Полмиллиона лет назад люди смастерили первые деревянные инструменты, и лишь значительно позже начали использовать металл и пластик.

Может, пришло время вернуться к истокам, только на новом технологическом уровне?

В наше время инженеры получают сверхпрочную уплотнённую древесину, которую можно использовать в строительстве или бронежилетах. Кроме того, из дерева делают дешёвые органические солнечные элементы и накопители солнечного тепла в энергетике.

В 1935 году Эрвин Шрёдингер решил, что с него хватит.

За десять лет до этого смелый венский физик своим «волновым уравнением» преобразовал новую теорию квантовой механики, описав в нём то, как квантовые частицы способны вести себя подобно волнам. После этого он стал свидетелем того, как некоторые исследователи выдумывали то, что он считал смехотворной интерпретацией квантовой теории, отрицавшей реальность таких квантовых объектов, как атомы и субатомные частицы, до наблюдения за ними.

Шрёдингер написал письмо столь же скептически настроенному Альберту Эйнштейну, рассказав о мысленном эксперименте, в котором квантовое событие могло убить или не убить сидящего в ящике кота. По словам Шрёдингера, было бы смехотворно, если бы кот был и жив, и мёртв, пока мы его не увидим, и из этого простого наблюдения следует, что природа обязана выбрать то или иное состояние.

Приведя пример квантового поведения, влияющего на объекты, которые мы можем увидеть (и даже погладить), Шрёдингер хотел показать абсурдность того, что наблюдения способны определять реальность.

Почти сотню лет его мысленный эксперимент порождал споры о том, что же именно подразумевается под измерением или наблюдением в квантовой теории. Это бросило вызов экспериментальной физике: насколько большими мы можем делать объекты, сохраняющие любопытные квантовые свойства (не находящиеся ни в том, ни в другом состоянии)? Можно ли создать если не для кота, то хотя бы для существенного объёма неживой материи (который некоторый называют котятами Шрёдингера) такие странные квантовые «суперпозиции»?

И это не просто академический вопрос. В прошлом году Нобелевскую премию вручили исследователям, показавшим в 1980-х, что суперпозиции можно создавать в петлях сверхпроводников: подобные компоненты используются в качестве квантовых битов в квантовых компьютерах, производимых такими компаниями, как Google и IBM; эти компьютеры достигают своей огромной вычислительной мощи благодаря обработке информации, представленной в виде суперпозиции двоичных нулей и единиц.

В конечном итоге, эксперименты с котятами Шрёдингера позволяют прощупывать сами пределы квантовой теории. Действительно ли мир полностью квантовый и последствия этого просто сложнее разглядеть с увеличением масс и размеров? Или же, как считают некоторые исследователи, существует граничная точка, после которой квантовая механика ломается и описывать мир оказывается способна только классическая физика?

Мои постоянные читатели знают, что ранее я не раз затрагивал на Хабре тему скрытой массы и поиск гипотетических частиц или объектов, из которых может состоять тёмная материя. Базовый минимум о тёмной материи на русском языке изложен в отличной книге Йостейна Кристиансена «Невидимая Вселенная», вышедшей в 2022 году. Чаще всего рассматривается два основных варианта «скрытой массы»: либо предполагается, что она состоит из каких-то пока не известных частиц, не взаимодействующих с обычной материей, либо заключена в чёрных дырах. В первом случае речь может идти о материи из аксионов — об этих частицах на Хабре рассказывал уважаемый @BiktorSergeev в статье «Аксион: частица, которая может объяснить темную материю». Во втором случае скрытая масса может приходиться на пока не открытые микроскопические первичные чёрные дыры, рассеянные в пространстве и обладающие огромной гравитацией. Эту точку зрения популяризует уважаемый Валерий Исаковский @valisak в статье «Cага о первичных чёрных дырах: призрак Стивена Хокинга и генезис невидимой Вселенной». А я публиковал на Хабре переводную статью «Что если мы никогда не найдём тёмную материю?», в которой приводил инфографику в форме диаграммы Венна, демонстрирующую соотношение различных частиц-кандидатов на роль тёмной материи и таблицу с обзором их возможных свойств.

Есть и ещё одна относительно маргинальная теория о том, что сверхтяжёлая неучтённая материя может входить в состав CUDO – «компактных ультраплотных объектов», которые могут содержать химические элементы с атомным числом до 164 и находиться в глубине метеоритов и астероидов, под слоем обычной материи. Одним из самых известных подобных объектов в Солнечной системе может быть астероид Полигимния, о котором мы и поговорим под катом.    

Мы не знаем, существуют ли в реальности гипотетические первичные чёрные дыры (ПЧД). Теоретически они должны были образоваться в самой ранней Вселенной, когда законы физики были совсем другими. У них не было звёзд-предшественников, они возникли в результате прямого коллапса плотно спрессованной субатомной материи. Теоретики задаются вопросом, могут ли ПЧД быть тёмной материей или её компонентом.

Размеры этих гипотетических объектов остаются предметом споров, но, по некоторым оценкам, ПЧД находятся в диапазоне масс, сравнимых с астероидами, — они достаточно малы, чтобы их могли поглотить звёзды. Как это могло бы происходить и что произошло бы в результате со звёздами? Как это можно было бы обнаружить?

Новое исследование посвящено изучению этого вопроса. Оно озаглавлено «Жизнь и смерть звёзд, поглощающих первичные чёрные дыры» и доступно на сайте arxiv.org. Ведущим автором является Оре Готтлиб из факультета физики и Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при Массачусетском технологическом институте (MIT).

      В этой статье мы решим задачи по расчётам основных параметров цепей, содержащих конденсатор C, индуктивность L, сопротивление R с учётом температурной зависимости R(T) и без неё. Во всех задачах примем, что сопротивление меняется по линейному закону R(T)=R0(1+αT) (это верно в ограниченном диапазоне температур от -50ºС до 200ºС). Температура измеряется в градусах Цельсия ºС.R0- сопротивление при 0ºС.Рассеянием тепла в окружающую среду и зависимостью теплоёмкости от температуры мы пренебрежём.

Честный ответ: писать sin(x) руками в работе приходится далеко не всем. Подавляющему большинству — вообще никогда. И даже там, где синус трудится явно — в DSP, графике, геодезии — он давно спрятан за библиотеками: вы вызываете fft(), rotate(), routeTo(), а тригонометрию за вас написали тридцать лет назад.

Так что если вопрос — «набирал ли ты когда-нибудь s-i-n на клавиатуре за деньги», у тригонометрии всё плохо.

Ранее мы установили возможность использования алгебры для описания вектора интервала времени-пространства и характеристик состояния, описываемых алгеброй матриц Паули, например, таких как спин и поляризация.
В этот раз я хотел бы показать механизм спектрального разложения мультивекторов в алгебрах Клиффорда и его физическую калибровку.
До сих пор мы обходили стороной слона в комнате – интерпретацию времени, да и вообще какую-либо физическую интерпретацию математических результатов. В этой статье мы попробуем связать два известных механизма – математический и физический – спектральное разложение мультивектора и дуальность комптоновского и гравитационного масштабов массы. Получится интересно.

Размышления о физике слепого человечества.

Давайте попробуем представить как бы выглядел окружающий мир в воображении человечества, лишенного зрения, самого важного органа чувств с помощью которого мы получаем порядка 90% информации о происходящим вокруг.

Чайник на плите горячий, но не светит. Солнце тоже горячее — и светит. Казалось бы, оба просто нагретые тела, а ведут себя по-разному.

В этой статье я отвечу на один из самых простых на первый взгляд вопросов: почему светит Солнце? Спойлер: «потому что оно горячее» — это не ответ, а место, где начинается самое интересное!

История эта началась достаточно давно, ещё в XIX веке, начавшись с одного из переломных моментов, изменивших мнение учёных о природе света, и, много позже, уже в наше время, приведя к поразительным результатам, полностью подтверждающим сказанное в заголовке статьи… ;-) 

Мир науки и технологий полниться необычными изобретениями и открытиями, основанными на самых непримечательных объектах и их использовании в самых нестандартных направлениях. Картофельная батарейка тому пример. Но картофель не единственных сельскохозяйственный продукт, который оказался не на полке супермаркета, а в лаборатории материаловедов. Ученые из Бирмингемского университета (Великобритания) проводили исследование сыпучих и рыхлых материалов, в ходе которого обнаружили, что рис обладает весьма любопытными свойствами при определенных условиях. Какие эксперименты над рисом проводились, что они показали, и какое практическое значение имеют полученные данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.