String Theory Summarized

xkcd

Торсионни полета

През 1980-те години в Съветския съюз работи Център за нетрадиционни технологии, в който няколко руски физици разработват теорията на торсионните полета. Тази теория се базира върху допълнение на теорията на относителността, направено от френския математик Ели Картан през 1922 г.

Общата теория на относителността твърди, че всяко тяло деформира тъканта на пространство-времето като я разтяга и огъва. Според допълнението на Картан всяко въртящо се тяло създава торсионни вълни — вълни на усукване — в пространство-времето. А както е известно всяка елементарна частица има характеристика, наречена спин, което се свързва с въртене и съответно с торсионни вълни.

Защитниците на торсионните полета твърдят, че чрез тях се пренася не маса или енергия, а само информация, при това със скорост поне 10^9 пъти тази на светлината! Твърди се, че частицата, пренасяща информация, е неутриното (въпреки, че според най-нови изследвания то има маса) и че чрез торсионните полета може да се влияе на биологични процеси, на електронни уреди и др. Чрез тази теория се обясняват дори хомеопатията, телепатията и други паранормални явления.

Научната общност не приема теорията на торсионните полета поради липса на неопровержими доказателства. Съществуват експерименти, но те и получените резултати са съмнителни.

________
Източник: Wikipedia [en]

Инфлация на Вселената ІІ

В предишния пост за инфлацията споменах, че има още два неразрешими проблема, с които тя се справя успешно. Всеки един такъв проблем я прави все по-необходима и обоснована.

Според стандартния модел на елементарните частици (който е една от най-добре тестваните теории въобще), във Вселената трябва да съществува частица, наречена монопол. Такава обаче все още не е засечена в нито един ускорител и учените дълго време се питат защо. Едно от възможните обяснения е следното: след Големия взрив са се образували определен брой частици-монополи, но шеметното разширение на пространството в период от няколко секунди (инфлация) е довело до увеличаване размера на Вселената с милиарди пъти и така концентрацията на тези частици е спаднала значително. Ето защо не можем да ги засечем.

Другият проблем се счита за най-силното доказателство в подкрепа на инфлацията. Това е самата геометрия на Вселената. Стандартното схващане (което се учи в училище) е, че пространството е плоско (Евклидова геометрия). В такова пространство сумата от ъглите във всеки триъгълник е 180°. Върху повърхността на сфера обаче тази сума е по-голяма от 180°.

Каква е нашата Вселена? Наблюденията на микровълновото фоново лъчение показват, че тя се доближава подозрително до плоската Вселена. Това е удивително, защото би значило, че началните параметри са били "програмирани" с изключително висока точност (от порядъка на няколко атома). Инфлацията дава по-правдоподобно обяснение.

Ако една силно закривена повърхнина (например топче за тенис на маса) бъде увеличена до размера на Земята, кривината би станала доста малка, но забележима (и древните са знаели, че Земята е сфера). Ако обаче Земята бъде "раздута" милиарди милиарди пъти, то кривината би станала толкова малка, че нито един наш експеримент не може да я установи. Инфлацията е направила точно това — направила е една изкривена вселена да прилича на плоска.


Така тези проблеми са решени по един отличен начин, но всичко това е за сметка на въвеждането на абсолютно мистериозното разширение, което трябва да е причинено от тайнствена сила. Това е една от основните загадки в съвремената космология.

Най-странните неща във Вселената: микровълново фоново лъчение

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на микровълновото фоново лъчение. То стои в основата на съвременната космология, защото е най-древното нещо, което можем да видим. Според теорията, в началото е бил Големия взрив, след което ранната Вселена започнала да се охлажда. Тогава все още нямало разлика между материя и взаимодействия и Вселената била напълно непрозрачна. Фотоните се лутали между хаотично движещи се електрони и едва 300 хиляди години след Големия взрив температурата паднала достатъчно, че електроните били заловени в атоми и това дало свобода на фотоните да се разпръснат навсякъде. Микровълновото фоново лъчение е фотография на първата светлина във Вселената.

От възникването му до наши дни това лъчение е пътувало към нас, но пространството не е спирало да се разширява. Заедно с това разширение се е увеличавала и дължината на вълната (т.нар. червено отместване) и сега ако погледнем към границата на видимата Вселена ще установим, че лъчението има температура само 2.7 градуса над абсолютната нула!

Микровълновото фоново лъчение е фундаментално откритие, което промени представите ни за Вселената. На снимката горе се вижда цялото небе в микровълновия диапазон. То изглежда еднородно, но се виждат различни концентрации и се смята, че точно тези флуктуации са заченките на струпванията от материя в най-големите структури на Вселената. И все пак тези разлики в температурата са от порядъка на хилядна от градуса. Микровълновото фоново лъчение е едно от най-изучаваните неща във Вселената и се смята, че то може да ни даде още много отговори.

• Това е последната статия от поредицата "Най-странните неща във Вселената" на Space.com. Всичките десет неща можете да откриете тук, а после да гласувате за онези от тях, които изглеждат най-странни и важни за науката. Анкетата е горе в дясно.

________
Изображение: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) @ NASA

Инфлация на Вселената І

В космологията има теория, известна като "инфлация". Най-общо казано това е главоломно разширение на пространството мигове след Големия взрив. Защо е било необходимо да се въведе подобно странно явление?

Вселената, погледната във възможно най-едър мащаб, е сравнително еднородна. Далечните галактики са разпръснати из пространството равномерно. Дори температурата във всяка една посока е почти еднаква. И все пак тя е толкова голяма, че светлината от най-далечния й край все още не е имала достатъчно време да достигне до другия край (ако разстоянието от Земята до две диаметрално противоположни в небето отдалечени галактики е 10 млрд. св. г., то общото разстояние между двете галактики е 10+10 = 20 млрд. св. г., но Вселената е на 13.7 млрд. години!). Това означава, че не е възможно в ранната Вселена да е станало някакво изравняване на температурите по познатите ни закони за топлообмен. Интересно е, че според традиционната теория на Големия взрив в нито един момент от миналото на Вселената тя не е била достатъчно малка, за да се извърши изравняване на температурите.

Едно от най-добрите обяснения е това за инфлацията. Космолозите предполагат, че в интервала между 10^-35 и 10^-32 секунди след Големия взрив Вселената е претърпяла внезапно шеметно разширение на самото пространство. Това разширение е станало със скорост по-висока от тази на светлината. Теорията на относителността на Айнщайн забранява движение на материя със скорост по-висока от светлинната, но не забранява разширение на самото пространство с такава скорост.

Ако приемем теорията на инфлацията за вярна, то ранната Вселена е била много по-малка и топлообмен е бил възможен. След като температурата се е изравнила, настъпило е главоломното разширение, което отдалечило най-крайните региони на Вселената на толкова големи разстояния, че светлината не е успяла да стигне от единия до другия край.

Тъй както двете галактики от примера по-горе са толкова далеч една от друга, че светлината от едната не е стигнала другата, така има и галактики, чиято светлина не е достигнала нашата. Т.е. наблюдаемата вселена е само част от цялата Вселена.

Инфлацията решава още два проблема, но за тях следващия път.

________
Изображения: NASA

Най-странните неща във Вселената: мини черни дупки

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на мини черните дупки. Те са известни още като квантови черни дупки, защото са с много малки размери — от порядъка на елементарна частица. При такива мащаби квантовата механика играе огромна роля. Ето защо тези далечни братовчеди на обикновените и свръхмасивните черни дупки може да се окажат едни от най-странните неща във Вселената.

Според теорията, колкото по-малка е една черна дупка, толкова по-плътна трябва да бъде тя, за да съществува. Най-малката възможна черна дупка е от порядъка на Планковата маса (10^-8 kg), а известните ни закони на физиката позволяват съществуването на черни дупки с максимална плътност от 10^97 kg/m³. Такава е била плътността на ранната Вселена мигове след Големия взрив и учените предполагат, че тогава е възможно да са се образували т.нар. първични черни дупки.

Идеята за микроскопичните черни дупки вдъхновила физикът Стивън Хокинг да изследва как биха им влияли квантовите ефекти и през 1974 г. той доказал, че теоретично те би трябвало да излъчват топлинна енергия, обратно пропорционална на масите им. И докато при гигантските черни дупки тази топлина практически не може да се измери (защото е прекалено малка), то при мини черните дупки това е възможно. Този процес е известен като "изпарение".

Днес е невъзможно да създадем черна дупка в лаборатория, защото и за най-леката ще е необходима много повече енергия, отколкото можем да придадем на елементарна частица в ускорител. Дори в бъдещия LHC на CERN няма да могат да се достигнат такива високи енергии. И все пак има надежда. Според теорията, считана за най-близка до квантовата гравитация — теорията на струните (въведение) — Вселената има 11 измерения, а гравитацията е особена с това, че носителите й — гравитоните — не са обвързани с големите измерения и могат да се разпространяват и в скритите (малките) такива. Това значи, че тя (гравитацията) е много по-силна на близки разстояния от колкото се смята, което пък води до заключението, че мини черни дупки може да се образуват при доста по-ниски енергии, достижими в новия ускорител на CERN.

За сега обаче всичко това е само на теория и тепърва ще стане ясно дали Вселената наистина е устроена така. Откриването на мини черни дупки би било и силно доказателство на теорията на струните. LHC трябва да заработи през лятото на 2008 г.

________
Изображения: The case for mini black holes @ CERN
1. Симулация на черна дупка
2. Рисунка на изпарение на черна дупка

The X-Ray Evolving Universe Spectrometer (XEUS)

Това е името на бъдеща космическа рентгенова обсерватория, разработка на ESA. Целта на мисията ще бъде:

• Да изучава най-големите структури на Вселената — купове и групи галактики. Образуването и еволюцията на тези структури зависят от гравитацията (тъмната материя), а разпределението и плътността им — от геометрията на Вселената (тъмната енергия). Близки галактически купове са били изследвани многократно, но все още нищо не се знае за далечните — онези, които са от времето на ранната Вселена.
• Да изучава съвместната еволюция на галактиките и тяхните свръхмасивни черни дупки. Известно е, че има зависимост между големините на масивните черни дупки и скоростта на въртене на звездите, което е възможно единствено ако те имат общо еволюционно минало. XEUS би била идеалната обсерватория за изследване на тези свръхмасивни черни дупки от зората на Космоса.
• Да изучава гравитацията в близост до много масивни тела. Рентгенови лъчи от натрупващата се около черни дупки материя носят информация за поведението на материята в изключително силно гравитационно поле, където общата теория на относителността оказва съществено влияние. Така може да бъдат потвърдени теоретични предвиждания като наличието на хоризонт на събитията например.
• Да изучава материята в близост до много масивни тела (като черни дупки и неутронни звезди). Чрез рентгеновите лъчи от неутронна звезда например може да се разбере размерът и масата на компактния обект, от където пък да научим ядреното уравнение на състоянието и структурата й — дали звездата е изградена от неутрони и протони, или пък от хиперони (частици, съдържащи странни кварки), или дори от свободни кварки.
  

С множество иновативни технологии XEUS ще задмине всички подобни съвременни обсерватории, с което ще стане безспорен шампион в своята категория. Той ще е съставен от две части и ще бъде изведен в орбита с една ракета Ариана V. Едната част ще съдържа огледала, а другата — детектор. Те ще летят на 35 m една от друга (толкова е фокусното разстояние на огледалата). XEUS може би ще бъде изстрелян чак през 2018 г.

________
Източник (текст и изображения): XEUS official page @ ESA
Изображения:
1. Симулация на галактическа група, както ще изглежда от XEUS
2. Рисунка на двата модула на XEUS

Система SI

SI — международната система единици е най-широко разпространената в света. Тя е известна още като метрична система и се използва официално в науката по цял свят. Мерките в SI не са статични; те подлежат на промяна с усъвършенстването на методите за измерване. Промените се приемат с международни споразумения на Генерални конференции по мерките и теглилките, провеждани през 4 години в Париж. Следващата ще бъде проведена от 12 до 16 ноември 2007 г.

Единици

Системата SI се състои от няколко основни единици, множество производни единици и различни приставки. Основните единици и дефинициите им са:

• за дължина: метър (m) — разстоянието, изминато от светлината във вакуум за 1/299 792 458 от секундата;
  
• за маса: килограм (kg) — масата на специален цилиндър-еталон от сплав на платина и иридий, който се съхранява в Международното бюро по мерки и теглилки (BIMP) в Париж;
  
• за време: секунда (s) — продължителността на 9 192 631 770 периода на лъчението, съответстващо на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома на цезий-133;
  
• за електрически ток: ампер (А) — постоянният ел. ток, при протичането на който през два безкрайно дълги успоредни проводници с пренебрежимо малко напречно сечение, разположени на разстояние 1 метър във вакуум, ще предизвика сила между тях с големина 2×10- нютона на линеен метър;
  
• за термодинамична температура: келвин (К) — 1/273.16 части от термодинамичната температура на тройната точка на водата;
  
• за количество вещество: мол (mol) — количеството вещество на система, съдържаща толкова структурни единици, колкото са атомите в 0.012 kg въглерод-12;
  
• за яркост: кандела (cd) — това е яркостта в дадена посока на източник на монохроматично лъчение с честота 540×10¹² херца и интензитет в същата посока 1/683 вата на стерадиан (стерадиан е допълнителна единица в SI за пространствен ъгъл).
  

Проблеми

От основните единици единствено тази за маса се дефинира чрез материален артефакт. Цилиндърът-прототип и шестте му копия се пазят под стъклени похлупаци в сейф в BIMP. Той е произведен през 1880-те и се състои от 90% платина и 10% иридий. В допълнение са произведени и национални прототипи, които се пазят от други държави. При нужда отделните прототипи се калибрират с основния прототип. Понеже с времето прототипите се замърсяват, то те периодично биват почиствани по специален метод. На Генералната конференция през 1999 г. официално е поставена задача да се работи в посока предефиниране на килограма.

Някои учени предлагат цялата система SI да бъде предефинирана чрез фундаменталните константи в природата: скоростта на светлината, константата на Планк, елементарният електричен заряд, константата на Болцман, константата на Авогадро, и др. С повишаване точността на експериментите ще е нужно повишаване точността и на дефинициите на основните единици.

[Update] Случайно намерих една статия [en] относно дефиницията на килограма в SpaceDaily.com.
________
Източник: Международно бюро по мерки и теглилки (BIMP)

Най-странните неща във Вселената: антиматерия

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на антиматерията. Тя е била обект на публикации тук, в които малко или много става ясно какво представлява: "Антиматерията" и "Частици - античастици".

История

Историята на антиматерията започва през 1928 г. Тогава младият физик Пол Дирак извежда едно математическо уравнение, с което обединява наскоро откритите квантова теория със специалната теория на относителността (и печели Нобеловата награда през 1933 г). Новото уравнение обаче имало две решения — едното с отрицателен електрон, другото с положителен електрон — и Дирак обяснил това със съществуването на изцяло нова Вселена, изградена от антиматерия. В началото на 1930-те положителният електрон (позитрон) бил и експериментално открит, а повече от 20 години по-късно открили и антипротона и антинеутрона. Оказало се, че античастиците могат да образуват антиатоми (антиматерия; всъщност това откритие е от неотдавна). Днес има научен консенсус за това, че Вселената ни е една и е изградена почти изцяло от материя (няма "атнивселена"). Смята се, че в началото са се образували равни количества материя-антиматерия, но поради неясна причина материята е надделяла и днес светът ни е изграден предимно от нея.

Приложения

Все пак има и антиматерия, при това тя се използва например при т.нар. Positron Emission Tomography (PET scan), където от радиоактивен разпад на инжектирана в пациент специална течност се образуват позитрони, които анихилират с близки електрони, отделят се гама-фотони и така може да се проследи как работи мозъкът.

При анихилация на материя и антиматерия се отделя голямо количество енергия. Смята се, че този процес би бил най-ефективният източник на енергия, поради което в американската стратегическа програма от 80-те "Звездни войни" има няколко проекти, в които се предвижда употребата на антиматерия като гориво за ракети и въоръжени космически платформи. На сегашното ниво на технологично развитие обаче това е невъзможно, защото методите за добиване на антиматерия са крайно неефективни и скъпи.

Още една идея за употреба е използването на анихилацията като оръжие. Това е най-страховитото приложение и дано не станем свидетели на подобно нещо.

________
Източник: Antimatter:Mirror of the Universe, Live from CERN
Изображения: CERN, Wikipedia, NASA

Най-странните неща във Вселената

За съжаление изникна проблем с анкетата за най-странните неща във Вселената (на PollDaddy) и се наложи да я махна :( Пуснах нова анкета в дясно, така че който е гласувал и си спомня за какво е гласувал, или пък иска да промени вота си, може да го направи сега. Който не е гласувал също може сега. Съжалявам за неудобството!

Ето още веднъж претендентите с линкове към подробни статии:

1. Тъмна материя
2. Екзопланети
3. Гравитационни вълни
4. Галактически канибализъм
5. Неутрино
6. Квазари
7. Енергия на вакуума
8. Антиматерия
9. Мини черни дупки
10. Микровълново фоново лъчение

Тук има и тяхно кратко резюме.