Физика

В этом блоге я неоднократно рассматривал необычные формы вещества, в том числе, мюоний, кварк‑глюонную плазму и даже страпельки. Но моей излюбленной экзотической субстанцией, которую мы научились синтезировать, но пока не можем найти ей применения, является антивещество. Антивещество — это элементарные частицы (позитрон, антинейтрино) и небольшие атомы (антиводород, антигелий), аналогичные обычному веществу по химическим свойствам, но при этом инвертированные по кварковому составу. Первой известной античастицей был позитрон, открытый в 1932 году, и по сей день это самая распространённая из известных античастиц, встречающаяся в природе — позитроны обычны в составе космических лучей. Ранее я рассказывал на Хабре о естественных источниках антивещества, в частности, о пульсарах. А в этой статье попробуем обсудить, насколько реалистично выглядит промышленное производство антивещества, о каких объёмах может идти речь, и для чего можно использовать этот ресурс.

Сопромат и теоретическая механика против МКТ

Ешё со школьных уроков «физики» мы знаем, что согласно «молекулярно-кинетической теории» (МКТ) молекулы газа похожи на абсолютно упругие бильярдные шары, которые с высокой скорость стукаются об стенки сосудов и отскакивают от них с той же скоростью.

По МКТ получается, что именно этими  постоянными многочисленными ударами с отскоками создается эффект «равномерного давление» на стенки сосуда под давлением (см.рис.1-2.)

В физике сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, мы имеем блестящие математические теории (Стандартная модель, квантовая электродинамика), которые с невероятной точностью описывают результаты экспериментов (правда, часто используя подгоночные и калибровочные параметры, установленные в предыдущих экспериментах без логического понимания их происхождения). С другой стороны, мы не можем ответить на фундаментальные вопросы: «Что такое электрический заряд?», «Что такое масса?», «Почему скорость света именно такая?».

Математика даёт нам инструменты для вычислений, но не даёт понимания. Иногда она позволяет предсказывать, но не объясняет, а лишь намекает. И это не случайно — это следствие фундаментального ограничения, которое редко обсуждается.

Это ограничение заключается в том, что #математика, будучи языком, на котором можно описать что угодно, сама по себе не гарантирует, что описываемое ею существует в реальности. Мы можем придумать бесконечное число математических конструкций, которые будут с высокой точностью воспроизводить уже полученные экспериментальные данные, но лишь некоторые из них смогут предсказать новые, ещё не измеренные явления. Остальные — всего лишь красивая, но бесполезная подгонка.

Дисклеймер: Все сведения в этой статье не являются засекреченными, взяты из открытых источников [14] и не представляют собой государственной и военной тайны. Автор не имеет доступа к каким-либо секретным документам или разработкам. Любой желающий может самостоятельно сделать аналогичную симуляцию. Математическая модель намеренно упрощена и не учитывает некоторые факторы (перенос излучения, ионизацию, неоднородность атмосферы и т.п.). Автор не является профессиональным физиком-ядерщиком. Ничего опасного для жизни или здоровья человека, либо запрещённого российским законодательством в данной статье нет. Подобные симуляции можно найти в интернете в открытом доступе. Все исторические и политические факты, приведённые в данной статье, общеизвестны и открыты. Мы не добавляем интерпретаций и не делаем политических выводов.

Автор придерживается нейтральной позиции, ни на что не намекает и ни к чему не призывает!

Моделировать ядерный взрыв на компьютере звучит как задача из фантастического фильма, но на деле это классический пример автомодельного решения в газовой динамике. Модель Седова-Тейлора даёт простую формулу для радиуса ударной волны, а дальше всё упирается в правильную сетку и численную устойчивость. Это классическая задача из области атомной физики и механики сплошной среды.

Очень мало популярных статей, которые описывают, что происходит выше энергии 159Gev, уровень «электрослабого» взаимодействия. Читатель может слышать что «Хиггс дает массу», и что «слабое взаимодействие становится с ростом энергии сильнее, а электромагнитное — слабее, и потом они объединяются в единое, электрослабое». Второе, надо сказать, полная чушь — все происходит ровно наоборот.

Статья ламповая, все буквы напечатаны на клавиатуре автором. А картинки ИИ — уже извините, рисовать не умею.

Вода, растворённые в ней соли и кислород  — классический набор для запуска коррозии. Именно от него металл прячут под грунтом, краской, лаком, полимерными и оксидными плёнками. Логика у такой защиты предельно простая: пока покрытие цело, вода не доберётся до основания и ржаветь там будет нечему. Разумеется, со временем краска царапается, разрушается под ультрафиолетом и постепенно теряет сцепление с металлом. Но теперь выяснилось, что обычная капля воды способна не только воспользоваться уже готовым дефектом, но и самостоятельно пробить изолирующий слой.

Исследователи из Института исследования полимеров Общества Макса Планка показали, что вода накапливает электрический заряд, когда стекает по листьям, стеклу, пластику и другим поверхностям. Потенциал отдельной капли может достигать нескольких тысяч вольт. При приближении к покрытому металлу она создаёт настолько сильное поле, что в защитной плёнке происходит электрический пробой. Дальше в дело вступает обычная химия: вода достигает металла и запускает коррозию. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Современные геометрические формулировки релятивистской физики обычно начинают с уже готовой структуры пространства-времени. В специальной теории относительности исходно задаётся четырёхмерное пространство с лоренцевой метрикой; в общей теории относительности метрика становится динамической, но само различие времеподобных, пространственноподобных и светоподобных направлений по-прежнему входит в фундаментальное описание через локальную сигнатуру пространства-времени. Электромагнитное поле затем определяется на этом геометрическом фоне как дополнительный объект – 2-форма, антисимметричный тензор или бивектор.

Такая последовательность математически чрезвычайно эффективна, однако оставляет открытым более ранний вопрос: почему физическая геометрия вообще должна начинаться именно с лоренцева пространства-времени?

Задавать вопросы и искать на них ответы — это квинтэссенция науки. Однако в попытках понять что и как работает порой можно прийти к неверным выводам. Как правило, это связано с недостатком знаний или ограниченностью инструментов на момент проведения научных изысканий. Результатом может быть либо отсутствие ответа и продолжение поисков, либо неверная теория, которая в дальнейшем нуждается в опровержении, что также является неотъемлемой частью науки. К примеру, ранее считалось, что алмазы не являются пьезоэлектриками, то есть они не будут генерировать электрическое напряжение при механической деформации. Однако ученые из Гонконгского университета установили, что тонкий и гибкие пластины из алмазов все же способны быть весьма эффективными пьезоэлектриками. Как ученым удалось сделать это открытие, какими еще свойствами обладают алмазные пластины, и каково их практическое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Когда учёные говорят, что возраст Вселенной составляет 13,77 миллиарда лет, эта цифра звучит одновременно впечатляюще и убедительно. Не просто 14 миллиардов или даже 13,8 миллиарда, а именно 13,77. По-видимому, мы знаем дату рождения Вселенной настолько точно, что уже начинаем беспокоиться о десятичных знаках.

Но откуда мы знаем это на самом деле? Что вообще означает «возраст Вселенной»? И может ли наш ответ оказаться неверным?

Есть несколько моментов, в которых расчёты вполне могут оказаться неверными: возможно, теория относительности окончательно запретит универсальные часы; возможно, расширение Вселенной было неверно интерпретировано; возможно, наша стандартная космологическая модель чрезмерно упрощает реальность; или, возможно, мы неверно понимаем составные элементы Вселенной.

Итак, давайте посмотрим, насколько достоверна эта цифра — 13,77 миллиарда лет.

Итан Сигел (американский астрофизик‑теоретик и научный журналист, автор рубрики «Спросите Итана», один из пропагандистов современных научных знаний), опубликовал статью о том, как быстро распространяется сила тяготения, или гравитационное искривление пространства.

@avshkol перевёл эту статью, полагая, что тот факт, что гравитация распространяется не мгновенно, а со скоростью равной скорости света, и что буквально недавно это было подтверждено, недостаточно осмыслен большинством людей, интересующихся физикой или изучающих её. Ведь это пока один из немногих мостиков между квантовым электромагнитным излучением и классическим (вроде бы гладким и бесконечно делимым, но вроде бы квантовым, но это пока не точно) пространством-временем... И это делает довольно сомнительными предположения о возможности существования частиц или сигналов, движущихся быстрее скорости света...

В предыдущей статье 'Энтропия в классической термодинамике' был рассмотрен формализм термодинамики. Для изолированных систем неравенство Клаузиуса приводит к простому заключению, что энтропия изолированной системы является критерием самопроизвольного процесса. В этом случае энтропия при протекании любого возможного процесса возрастает и поэтому с легкой руки Артура Эддингтона стали говорить о втором законе как о стреле времени.

Определенная проблема с этим утверждения в том, что время не входит в явном виде, и со стрелой времени отождествляется знак неравенства — неравенство запрещает протекание процессов в обратном направлении. К этому добавляются утверждения некоторых физиков, что классическая термодинамика (ниже просто термодинамика) не позволяет рассматривать неравновесные состояния. Это приводит к путанице, которая в особенности проявилась в статье Йоса Уффинка. Он хорошо известен работами в области статистической механики, но ему показалось, что можно упростить обоснование статистической механики, если убрать связь неравенства Клаузиуса со стрелой времени. Такая точка зрения изложена в статье в 2001 году с вызывающим названием ‘Блефуйте по-своему во втором законе термодинамики‘. Это статья пользуется популярностью среди философов физики и в настоящее время можно увидеть радикальные заявления об отсутствии стрелы времени в классической термодинамике.

Две исследовательские группы утверждают, что им удалось значительно сократить количество кубитов и время, необходимое для взлома распространённых технологий шифрования. 

В марте 2026 года две независимые группы объявили о результатах, которые заметно сокращают разрыв между теорией и реальными машинами. Звёздная команда квантовых физиков из Калифорнийского технологического института (Калтеха) представила проект квантового компьютера, способного взламывать шифрование RSA и ECC всего лишь с помощью десятков тысяч кубитов, и заявила о создании компании для его разработки. А исследователи из Google объявили о разработке реализации алгоритма Шора, которая в десять раз эффективнее лучшего из предыдущих методов.

Но почему именно алгоритм Шора так интересует большинство специалистов по квантовым вычислениям? Примерно 30 лет назад математик Питер Шор взял за основу узкоспециализированный физический проект — компьютер, который работал бы по контринтуитивным законам квантовой механики, — и потряс мир.

Шор разработал способ быстрого решения квантовыми компьютерами пары математических задач, которые классические компьютеры могли решить только спустя миллиарды лет. Так вышло, что именно на этих задачах держалась безопасность зарождавшегося цифрового мира. Почти каждый сайт, электронный почтовый ящик и банковский счёт защищает допущение: решить эти задачи за разумное время невозможно. Алгоритм Шора доказал ошибочность этого предположения.

Вселенная постоянно меня удивляет тем, что здесь на Земле нет ничего постоянного — облака в небе в следующую секунду уже другой формы, а птенцы, едва вылупившись, уже через несколько недель становятся взрослыми птицами и навсегда покидают гнездо. Все меняется настолько стремительно, что кажется, и в космосе так же. Но нет, всякий раз, когда я получаю спектр звезды и вижу ее линии водорода неизменно на одних и тех же позициях, я удивляюсь: неужели свет не встречает на своем пути ничего, что может его изменить, там действительно так пусто?

Например, от Бетельгейзе свет идет около 600 лет, но в любой день сними ее спектр — линии на своих местах. А если взять объект за миллиарды световых лет от Земли, что покажут фотоны? Ученые говорят, на таком расстоянии длина волны света сильно растянута из‑за расширения пространства и линии смещены в красную зону спектра.

Мне захотелось проверить это самой. Что из этого вышло, я расскажу ниже, и забегая вперед, скажу, что спектр меня удивил. А начну с любопытной предыстории.

В столовой — бывшей монастырской трапезной, мрачном сводчатом зале, народу было много, и я подсел к двум пенсионерам, не спеша вкушавшим капустные котлеты, которые они запивали кефиром. Один из них сердито говорил другому:

— Мудрят все!.. Вон вчера в газете написали, что умники какие‑то воду варили до тех пор, пока не получилась вода, да совсем на воду не похожая — клейкая, тягучая, на морозе не замерзает, и вкус кислый. Вот ты мне и скажи — на кой она нужна мне, вода такая, чтоб ни напиться, ни умыться! Глупости одни да деньгам народным сплошной перевод…

Аркадий и Георгий Вайнеры, «Визит к Минотавру» (1971–1972)

Любой, кто читал Вайнеров, наверняка натыкался на этот юмористический эпизод, в котором следователь Тихонов выслушивает в столовой брюзжание пенсионера над капустными котлетами. Я счел эту сценку мимоходной зарисовкой того, во что превращается передовая наука в изложении журналиста и восприятии обывателя. Эпизод там ещё забавно перекликался с сюжетом и дал название всей главе — «Кислая вода лжи». Каково же было мое удивление, когда позже я узнал, что за столовой байкой о «варёной кислой воде» прячется не сочиненная, а реальная сенсация тех лет, в которой сплелись научная драма, паника мирового уровня, чуть было не геополитическая гонка на серьезных щах.

Привет всем любителям физики и физического эксперимента! Сегодня мы поговорим о механике и физике прекрасного устройства -- планетарного резонатора. Устройство придумал американский изобретатель Уильям Скиннер. Он хотел обойти закон сохранения энергии и с помощью этого устройства получить на каждую вложенную единицу энергии двенадцать единиц на выходе. Сделать это ему конечно не удалось, зато получился эффективный накопитель энергии, использующий резонансную раскачку и закон сохранения момента импульса.

На протяжении всей своей истории человечество любило играть: создавать искусственный маленький мир со своими правилами и исследовать его. Самые древние в мире игрушки датируются 4–5-м тысячелетием до нашей эры. Не меньше мы любим и познавать, разбираться уже в мире вокруг себя, выявлять его законы и тем самым делать мир удобнее, приятнее и проще для собственной жизни. Столетиями два этих замечательных стремления — развлекаться и познавать — существовали несколько порознь: несерьёзное это дело для научного мужа — увлекаться игрушками. Но кое о чём учёные не догадывались: их открытия и осознание мира реального вели к созданию одного из самых впечатляющих развлечений — видеоигр. Давайте разбираться, какие именно открытия в мире реальном дали нам возможность погружаться в миры виртуальные — и кому за это сказать спасибо.

Пройдет еще десятилетие, и дети, которые пошли в сентябре 2026 в школу, будут выбирать профессии вроде "удаленный оператор лунного/марсианского робота", ведь в ближайшие десятилетия в лунно-марсианский проект (точнее, гонку, поскольку это будет несколько конкурирующих проектов пилотируемых миссий и строительства баз) будут вовлечены все страны мира, которые смогут себе это позволить...

@avshkol взялся за перевод и выкладывает в этом посте главы и комментарии к "Human Exploration of Mars: Design Reference Architecture 5.0" - последнего (от 2009 года) из доступных в сети комплексного доклада NASA о способах и технологиях реализации обитаемой базы на Марсе. Этот документ описывает результаты изучения большими группами ученых и инженеров всех технических моментов освоения и изучения землянами Марса. Подобные документы скоро станут даже не учебниками, а базовыми текстами для введения в специальность для многих землян, выбирающих работу в начинающей рокит-расширение и стремительную экспансию во все сферы нашей жизни "дальнекосмической" отрасли.

UPD 05.09. Переведены главы включая: 4.2. Тяжелая ракета-носитель

В термодинамике большую роль играет отличие между обратимыми и необратимыми процессами. Идеальный цикл Карно включает в себя обратимый изотермический процесс превращения теплоты в работу. Его возможность обеспечивается тем, что предполагается бесконечно малая разность температур между источником теплоты и рабочим телом. С другой стороны, теплообмен между двумя телами с разными температурами является необратимым процессом, что подчеркивается во всех учебниках термодинамики. В этом случае переход к медленному процессу при стремлении времени к бесконечности не помогает, процесс остается необратимым. Энтропия системы, состоящей из двух тел с разными температурами, по мере передачи теплоты возрастает.

В. А. Зорич в книге ‘Математические аспекты классической термодинамики‘ предложил задачу, которая показывает, как при сохранении формулировки Клаузиуса 'Теплота не может переходить само собой (без компенсации) от более холодного тела к более тёплому' можно провести обратимый теплообмен между двумя брусками с разными температурами. Никогда не предполагал, что такое возможно. Конечно, предложенный процесс невозможен практически, но предлагаемая концептуальная модель дает новый взгляд на теплообмен.

Эта работа Рудольфа Клаузиуса опубликована в 1865 году, в ней впервые введено понятие энтропии (изменившее физику, наше понимание Вселенной и до сих пор вызывающее много споров и непонимания). Но она так и не была издана в русском переводе.

К 31 августа, который @avshkol предлагает считать неофициальным Днём Энтропии (последний день лета, предшкольные хлопоты, начинается увядание природы, ещё и Фролов день, лошадиный праздник: в этот день лошадей кормили досыта и на них не работали!), @avshkol начал выкладывать в этом посте перевод этой фундаментальной работы, «О различных удобных для применения формах основных уравнений механической теории теплоты».

Числа, генерируемые обычными программными ГСЧ, абсолютно детерминированы. Физические же ГСЧ (даже квантовые) не детерминированы, но из-за несовершенства компонентов они выдают «грязную» случайность — с микро-закономерностями и смещениями. Это можно использовать для взлома шифра.

Вот почему истинная непредсказуемость крайне важна.

Учёные из Швейцарского федерального технологического института Цюриха (ETH Zurich) опубликовали научную работу, в которой случайность достигает настолько высокого уровня (см. диаграмму в конце статьи со значением CHSH S = 2,271), который вообще невозможен в любой локально-реалистической теории. Только квантовые эффекты позволяют повысить теоретически возможный лимит S с 2 до 2√2.