Специална теория на относителността

Специалната теория на относителността (СТО) е една от фундаменталните теории във физиката. Създадена е от Алберт Айнщайн през 1905 г. като опит да се разрешат противоречията, изникващи при прилагане законите на Нютон при скорости близки до тази на светлината. СТО се основава на принципа на относителността:

Принцип на относителността

Нека си представим космонавт в открития космос, далеч от всякакви звезди и планети – сам в нищото. Той счита себе си за неподвижен, защото не усеща никакво движение. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се движи равномерно праволинейно към него. След няколко минути вторият космонавт задминава първия и изчезва в необятния космос.

А сега да разгледаме същата случка, но от гледната точка на втория космонавт: Той също е в открития космос, не усеща движение (или ускорение), и му се струва, че е неподвижен. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се доближава равномерно праволинейно към него, след няколко минути двамата се разминават и другият космонавт изчезва в необятния космос.

Това събитие изглежда по един и същи начин, независимо от гледната точка: всеки космонавт смята себе си за неподвижен, защото не усеща никакво ускорение, а приема другия за движещ се. И двамата са прави, защото във Вселената важи принципът на относителността: Всяка координатна система, която не се ускорява (т.е. не променя големината и посоката на скоростта си) може да се приеме за неподвижна. При това всички физични закони важат по един и същи начин във всяка такава координатна система. 

Специална теория на относителността

Според СТО скоростта на светлината (c) е еднаква независимо от движението на наблюдателя спрямо източника на светлина. Този удивителен факт е доказван многократно с експериментални измервания, като с годините точността на уредите се е увеличавала, но скоростта на светлината винаги е била 299 792 458 m/s. Всъщност, дефиницията за метър е неразривно свързана със скоростта на светлината: 1 m е разстоянието, което светлина във вакуум изминава за 1/299 792 458 s. Скоростта на светлината е абсолютна константа на Вселената.

В ежедневието ни работим със скорости многократно по-ниски от тази на светлината, затова е трудно да разберем какво се случва при високи скорости. При ниските скорости важат законите на Нютон, но при високите се получават големи отклонения и не можем да ги прилагаме. Съществуват редица следствия от СТО. 

Следствие І

Мисловен експеримент: Човек стои в средата на движещ се вагон. Точно когато влакът минава покрай друг човек на перона, той включва лампа. Човекът във вагона вижда как светлината от лампата достига едновременно вратите в двата края на вагона, понеже лампата е точно в средата. Човекът на перона обаче вижда друго – от момента на пускане на лампата до момента на достигане на светлината до задната врата влакът е изминал някакво разстояние, съответно светлината изминава по-къс път, отколкото до предната врата, която се е отдалечила. Обаче понеже скоростта на светлината е еднаква независимо от гледните точки, то излиза, че лъчът, движещ се назад, трябва да измине по-късо разстояние, т.е. достига задната врата по-рано от другия лъч. Следствие І гласи, че не винаги двама движещи се един спрямо друг наблюдатели регистрират дадено събитие по един и същи начин. Още повече, че и двамата наблюдатели са прави. 

В това видео може да видите подобен на описания експеримент.

Следствие ІІ

Дефинирането на времето е трудна задача. Ще направим мисловен експеримент, при който приемаме, че времето е това, което измерва най-простият часовник – светлинния часовник. Той представлява две идеални и абсолютно успоредни огледала, закрепени на фиксирано разстояние L едно от друго, и един единствен фотон, който се отразява от огледалата със скорост c и извършва „цикли”. В нашия експеримент ще ни трябват два такива часовника – единият стои неподвижно на масата, а другият се движи равномерно праволинейно по нея. В неподвижния часовник фотонът ще се движи вертикално и за един цикъл ще изминава разстояние 2L. В подвижния часовник фотонът ще се движи диагонално и за един цикъл ще изминава по-голямо разстояние 2D (по хипотенузата; виж диаграмите). След като и в двата случая скоростта му е еднаква, то при подвижния часовник продължителността на един цикъл ще е по-голяма, т.е. времето ще тече по-бавно. 

Поради принципа на относителността обаче същото ще важи и от гледна точка на подвижния часовник. За него той е неподвижен, а другия се движи и измереното време по другия часовник е забавено. Става ясно, че измерването на интервал от време зависи от относителното движение на часовника спрямо наблюдателя. Така, ако гледаме човек, движещ се спрямо нас, ще видим как времето при него тече по-бавно, как той се движи по-бавно, говори по-бавно, диша по-бавно, сърцето му бие по-бавно, но това не значи, че живее по-дълго от нас. И при нас, и при него сърцето му ще бие (средно) 2.5 милиарда пъти през целия живот.

В това видео може да видите подобен на описания експеримент.

Други следствия 

Лоренцовото скъсяване – при движение на тяло спрямо неподвижен наблюдател се вижда как физическите размери на тялото намалят, т.е. тялото се скъсява. Това става само в посока на движението. Причината е неразривно свързана с горните следствия.

E = mc² – масата и енергията са свързани чрез константната скорост на светлината поради симетриите на времето и пространството. 

Движение през времепространството – всички частици се движат през времепространството с постоянна скорост – скоростта на светлината. 

Live webcast from LHC

На 10 септември от 9:30 наше време започва живото предаване от ЦЕРН. Може да се гледа на този адрес.

Повече информация за първия лъч, който ще бъде пуснат в Големия адронов колайдер, видео и аудио интервюта, както и новини: LHC First Beam.

EDIT: Живото предаване от сутринта не работи поради големия трафик, но се появиха някои допълнителни източници на жива картина. Ето един от тях.

Плутоиди

На среща на Международния астрономически съюз в Осло е решено планетите-джуджета като Плутон да се наричат плутоиди (news release link [en]).

Дефиницията е:

Плутоидите са небесни тела в орбита около Слънцето, които обикалят на разстояние по-голямо от това между Слънцето и Нептун, имат достатъчно маса, за да може гравитацията им да преодолее вътрешните сили на твърдото тяло и да приемат хидростатично равновесна форма (приблизително сфера), и не са разчистили пространството около орбитата си.

В момента са известни два плутоида: Плутон и Ерида. Очаква се да бъдат открити още.

Международният астрономически съюз (International Astronomical Union - IAU) е организация, в която членуват почти 10000 астрономи от цял свят. Създадена е през 1919 г. с цел да насърчава и пази науката астрономия във всичките й проявления чрез международно сътрудничество. Освен това IAU има правомощия да дава имена на небесните тела и на образуванията по повърхностите им.

България е приета за членство в съюза през 1957 г. и в момента има 48 представители там.

________
Image credit: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Защо няма да настъпи краят на света с ускорителя LHC

Често получавам коментари и имейли с въпроси дали предстоящите експерименти в Големия адронов колайдер (LHC) са опасни и могат да направят голяма беля. Дори попаднах на цяла тема по този въпрос в един форум. Искам ми се да систематизирам причините защо това няма да се случи.

Какво ще се случва в LHC?

По време на експериментите физиците ще ускоряват елементарни частици (адрони) в кръгов тунел с помощта на свръхпроводими магнити, които за целта са охладени почти до абсолютната нула. Ще се ускоряват два лъча в противоположни посоки, които ще се сблъскват в огромни детектори. При сблъсъците се създават плеяда от частици, като целта е да се установят характеристиките, траекториите и скоростите им преди да се разпаднат.

Опасни ли са тези сблъсъци?

LHC е най-мощният ускорител на частици, правен някога от човека. Имаме нужда от него, за да можем да надзърнем по-дълбоко в тайните на Вселената. Някои хора се притесняват, но учените ни уверяват, че опасност няма. Основните притеснения са следните:

Много мощни сблъсъци на частици?

Сблъсъците в ускорителя действително ще са най-енергичните, правени някога в лаборатория, но са далеч от мощността на колизиите, ставащи постоянно в природата. При избухване на свръхнови или при раждане на черни дупки се образуват т. нар. космически лъчи. Тези лъчи са с огромни енергии и пътуват от краищата на Вселената почти със скоростта на светлината, прекосяват милиарди светлинни години и се случва да навлезнат в земната атмосфера, при което неминуемо някои от тях се сблъскват с частици от атмосферата. LHC не прави нищо друго, освен да пресъздава подобни естествени събития в лаборатория, но в много по-малък мащаб. Такива сблъсъци са ставали в продължение на 4.5 милиарда години тук на Земята, както и на Луната, Марс, Слънцето и другите планети, и досега не е установено да са им навредили.

Създаване на черни дупки?

Черни дупки се образуват при колапс на масивни звезди, при което огромна маса се концентрира в една точка. Колкото по-малка е масата на звездата (или енергията), толкова по-слабо е привличането. Според някои физици в LHC могат да се създадат микроскопични черни дупки (с големината на протон), но това е възможно само ако съществуват допълнителни измерения. Дори и да е така, енергията на мини черните дупки не може да е по-голяма от енергията на създалите ги адрони. Това значи, че те няма да имат необходимата сила, за да погълнат каквато и да е материя (дори и да са се образували във вътрешността на най-плътните познати ни обекти — неутронните звезди). Нито необходимото време, защото черните дупки губят маса в процес, наречен изпарение. Колкото по-малки са те, толкова по-интензивно се изпаряват. Тези мини черни дупки ще съществуват само за частица от секундата преди да изчезнат. Освен това, ако при сблъсъци в ускорителя могат да се създадат мини черни дупки, то такива са създавани в продължение на милиарди години от космическите лъчи. И все пак досега Земята не е погълната.

Пресъздаване на Големия взрив?

Енергията в ускорените частици е силно концентрирана, но по абсолютна стойност е много по-малка от енергиите в ежедневието ни. Когато физиците казват, че ще пресъздадат Големия взрив те нямат предвид, че ще стане гигантска експлозия, от която ще се роди нова вселена, а че за много кратко време в силно концентрираната зона на сблъсъка (с размер на един протон) плътността на енергията ще бъде като тази моменти след Големия взрив.

Strangelets?

Стрейнджлетите са хипотетични частици, неоткрити досега, които са съставени изцяло от странни (strange) кварки. Те са по-тежки от нормалните кварки, съставляващи нормалната материя, поради което са силно нестабилни. Дори и да съществуват, електромагнитните им свойства ще ги отблъскват от нормалната материя и те просто ще се разпадат за части от секундата.

Радиация?

При ускорителите не може да се елиминира радиоактивното излъчване, понеже то е неизбежна част от изследваните процеси. В ЦЕРН са взети всички възможни мерки, за да се намали до минимум облъчването на персонала и изтичането на радиация в околната среда. Спазени са швейцарските, френските и общите европейски директиви по отношение на допустимата радиация. LHC е разположен в тунел на 100 метра под земята, което значи, че радиацията при работа на ускорителя, както и остатъчната радиация, няма да могат да изтичат. Само изпомпваният въздух ще бъде слабо радиоактивен: с интензитет около 240 пъти по-нисък от този на естествения радиоактивен фон, породен от същите онези космически лъчи и други природни източници.

Всички тези причини да не се притесняваме за безопасността ни не са просто измислени от група хора, а са резултат от десетилетия научни изследвания в държави от цял свят. Разбира се, има много малка вероятност всичките физици по света да са сбъркали, както и има вероятност "LHC да създаде дракони, които да ни изядат" ¹ :)

Без навлизане в неизвестното няма научно-технически прогрес. Все някой трябва да може да прецени дали даден експеримент е рисков и дали може да се извърши, а аз лично съм по-склонен да се доверя на физиците, отколкото на 99% от останалите хора по земята, които и идея си нямат за какво става въпрос.

За допълнителна информация (in English):
Cern.ch: Safety at the LHC
Специализиран доклад, публикуван в САЩ [pdf - 265 KB]
Специализиран доклад, публикуван в Европа [pdf - 172 KB]
Backreaction: Black holes at LHC - again

________
¹ Думи на д-р Аркани-Хамед в статия на NYTimes.

Gamma-Ray Large Area Space Telescope

На 11 юни се очаква NASA да изведе в орбита новия космически телескоп GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope). С негова помощ учените ще могат да наблюдават едно небе, коренно различно от това, което сме свикнали да виждаме нощем. Със своите високотехнологични инструменти GLAST ще отвори нов прозорец към едни от най-мощните източници на енергия във Вселената.

Гама-лъчите са най-високо енергичните лъчения в природата, генерирани от свръхмасивни черни дупки, сблъскващи се неутронни звезди, колапсиращи гигантски звезди, джетове от газ, движещ се със скорости близки до тази на светлината и др. Все още не е напълно ясно какво ги предизвиква, понеже източниците най-често са много отдалечени от нас.

Астрофизиците се надяват да получат отговори на много интересни въпроси и да изследват субатомни частици, притежаващи многократно по-високи енергии от тези в най-мощните ускорители на Земята. А космолозите ще имат шанс да се докоснат до нова информация относно раждането и ранната еволюция на Вселената.

Всичко това е благодарение на проект, разработван от NASA в сътрудничество с US Department of Energy, както и с други държави: Франция, Германия, Япония, Италия и Швеция. Телескопът ще бъде изстрелян на борда на ракетата Делта ІІ от Кейп Канаверал, Флорида. Ако няма проблеми, стартът ще е в сряда.

Цели на мисията:

• Да изследва най-екстремните места във Вселената, където се освобождава енергия, несравнима с нищо тук на Земята;
• Да търси признаци за нови закони на физиката, неизвестни за нас;
• Да търси отговор на въпроса от какво е съставена тъмната материя;
• Да обясни как черните дупки ускоряват големи количества газ под формата на джетове до скорости близки до тази на светлината;
• Да помогне да се разбули мистерията относно какво предизвиква тайнствените избухвания на гама-лъчи;
• Да отговори на трудни въпроси, свързани с много сфери на астрофизиката, включително слънчевите изригвания, пулсарите и произходът на космическите лъчи.

Всички ние пожелаваме успех на мисията!

________
За повече информация:
официална уеб страница на мисията,
wikipedia (english - български),
GLAST@Stanford,
GLAST@Sonoma State University,
страница на мисията @ nasa.gov.

Използвани изображения:
1. Симулирано изображение на това, което се очаква да се види с GLAST. Image credit: NASA;
2. Анимирано изображение на GLAST в орбита. Image credit: NASA;

3. Снимки от подготовката на космическия телескоп преди изстрелването. За по-големи изображения (до 1600х1200): тук. Image credit: NASA.

Отново за Големия адронов колайдер

С наближаването на дългоочаквания момент, когато Големият адронов колайдер (LHC) ще заработи, очаквам да започне да се пише и говори все по-често за него. Това безспорно ще е голямо събитие в научните среди и ще предизвика интерес и сред нас — обикновените хора.

Ето вероятният график, който трябва да очакваме при условие, че всичко върви гладко:

• До края на юни магнитите на LHC ще бъдат охладен изцяло. В момента само част от осемте сектора са охладени до необходимата температура от 1,9К.
• През юни ще бъде ограничен достъпът до детекторите и тунелите и ще се провеждат тестове.
• Към края на юли се очаква да бъде пуснат първият лъч от адрони (протони).
• Смята се, че ще са необходими два месеца до достигане на предвидените енергии от 10 TeV.
• Към края на септември ще бъдат проведени първите сблъсъци на частици с енергия 10 TeV. Ръководството на проекта е решило тази година да не се достига проектния максимум от 14 TeV.
• Към края на ноември съоръжението ще бъде изключено за зимния период.
• През 2009 г. ще бъдат осъществени първите сблъсъци с енергия от 14 TeV.

От този предварителен график разбираме, че тази година експерименти ще се извършват в период от два месеца. По-вероятно — 6-7 седмици.

Разбира се, медиен шум ще има само при пускането на първия лъч. След това научните експерименти ще текат скрити от погледите ни, до момента, в който физиците направят важно откритие. Ние ще следим с интерес.

И докато очакваме началото на експериментите, ето десет впечатляващи факти за LHC:

1. Когато 27-километровият кръгъл тунел е бил прокопаван между Женевското езеро и планината Юра, двата му края са се срещнали с разминаване по-малко от 1 cm.
2. Всяка от 6400-те свръхпроводими нишки от ниобиево-титаниева сплав в LHC е около 0.007 mm дебела — 10 пъти по-тънка от обикновен човешки косъм. Ако навържите всички нишки една за друга, получената дължина ще е достатъчна да стигне до Слънцето и обратно 5 пъти, и ще остане и за няколко дължини до Луната.
3. Всички протони, които ще се ускоряват в CERN са получени от обикновен водород. Въпреки че протонните лъчи в LHC са много интензивни, само 2 нанограма водород ще бъде ускоряван на ден. За да ускори 1 грам водород на колайдера ще са му нужни 1 милион години.
4. Централната част на тръбата ще бъде най-големият хладилник в света. При температура по-ниска от тази в дълбокия космос, в нея ще бъдат всички важни свръхпроводими намотки.
5. Налягането в тръбите ще е десет пъти по-ниско от това на лунната повърхност. Това е много дълбок вакуум.
6. Протоните с максимална енергия ще се движат с 0.999999991 пъти скоростта на светлината. Всеки протон ще изминава цялата 27-километрова тръба повече от 11000 пъти в секунда.
7. С максималната енергия всеки от двата лъча протони ще бъде енергийно еквивалентен на 400-тонен влак, движещ се със 150 km/h. Тази енергия е достатъчна за разтопяването на 500 kg мед.
8. Слънцето никога не залязва за екипа, участващ в проекта ATLAS. По експеримента работят учени от всеки континент, без Антарктида.
9. В магнитите на детектора CMS има около 10000 тона желязо. Това е повече от желязото в Айфеловата кула.
10. Данните, записвани при всеки от големите експерименти в LHC ще са достатъчни да запълват по около 100 000 DVD-та всяка година.

________
Информацията, използвана в тази публикация, е взета от различни източници, включително блогът на Tommaso Dorigo, статия във PhysicsWorld.com, и официалният сайт на CERN. Снимката е от галерията на CERN. За повече информация относно ускорителите на частици вижте статиите ми в блога за наука на в. Капитал: част І, част ІІ, част ІІІ.

Написах тази публикация отчасти и като отговор на въпрос, поставен в коментар от Надя Иванова. Искам да се извиня, че чак сега отговарям, и да изразя надеждите си, че в бъдеще ще ми остава повече време за този блог.

Що е то "бяла дупка"?

В предишната публикация споменах накратко за т.нар. "бяла дупка" и сега, в отговор на коментар на Станислав Янков, пускам малко повече информация за това какво е бяла дупка.

Бялата дупка всъщност не е точна противоположност на черната. Това е така, защото бялата се получава от черната като обърнем времето (time reversal). При тази трансформация ускорението не променя знака си (инвариантно е), т.е. и двете дупки привличат материя. Разликата идва при хоризонта на събитията.

Хоризонтът на черната дупка поглъща материя, докато хоризонтът на бялата дупка "излъчва" материя, привличайки я! С други думи, хоризонтът на бялата дупка се отдръпва от падащата към нея материя (което прилича на излъчване). Стига се момент, в който хоризонтът на бялата дупка се свива до сингулярността, при което дупката изчезва. Извод: Там, където има материя, не може да съществуват бели дупки.

Бялата дупка се среща само в абстрактния математически свят, при решение на уравнения, описващи т.нар. червейна дупка на Schwarzschild (или мост на Айнщайн-Розен) във вакуум. Това представлява черна дупка, свързана с бяла дупка чрез тунел през пространство-времето. Това решение на уравненията обаче няма смисъл в реалната Вселена, защото черната дупка никога не е във вакуум: тя се образува при колапс на звезда, т.е. при присъствие на материя. Когато включим материята в уравненията, белите дупки изчезват от уравненията.

Дали съществуват самостоятелни бели дупки? Това не е много вероятно, понеже се нарушава втория закон на термодинамиката.

Съществува обаче теория, според която щом се роди черна дупка някъде във Вселената, вътре в нея става "голям взрив", при което се образува нова вселена. Тази вселена се разширява в други измерения, отвъд нашите и невидими за нас. Материята, която е погълната от черната дупка в нашата вселена става материя, която изгражда новата вселена. Разширението на новата вселена може да се разглежда като "бяла дупка". Тази бяла дупка обаче няма конкретни координати, а хоризонтът на събитията й съвпада с космологичния хоризонт на новата вселена. Интересна теория, която обаче не може да бъде доказана в момента.

Допълнителна информация (на английски):
New Theory: Universe Was Born in a Black Hole (Space.com)
Schwarzschild wormhole (Andrew Hamilton's Homepage)

Бяла дупка

Кое е обратното на черната дупка? Бялата дупка, разбира се!

Бялата дупка е такъв обект, който не позволява на светлината да влиза в него. И досущ като черната, и тя си има хоризонт на събитията. Разликата е, че симулирането му е много лесно (за разлика от хоризонта на събитията на черната дупка).

Както се вижда на снимката, при водната струя се образува гладка кръгла зона, в която водата се движи със скорост по-голяма от тази на вълните, поради което никакви вълни не могат да навлязат там. Вълни се образуват в момента, в който скоростта на водата стане по-малка от тази на вълните. Хоризонтът на събитията е на границата между гладката зона и вълните.

________
От Scientific American