Електромагнитен спектър

Всички телескопи са конструирани така, че да улавят част от електромагнитния (ЕМ) спектър на изследваните обекти. Този спектър обхваща всички видове ЕМ излъчвания с дължини на вълните от най-малките (части от атома) до най-големите (хиляди километри). Теоретично най-малката дължина на вълната във Вселената е от порядъка на планковата дължина, а най-голямата — от порядъка на самата Вселена.

ЕМ спектърът може да се представи в зависимост от няколко параметъра:

• честота на вълната,
• дължина на вълната и
• температура на излъчващото тяло.

Уравненията, които свързват тези параметри са две:

• c = λ.f
• E = h.f

(с е скоростта на светлината, h — константата на Планк)

ЕМ вълни с висока честота имат малка дължина и висока енергия. Вълни с ниска честота имат голяма дължина и ниска енергия.

Телата във Вселената имат собствени спектри (от излъчена или отразена светлина). Предполага се, че само тъмната материя нито излъчва, нито отразява светлина и съответно няма спектър. От спектъра учените могат да определят състава на телата, дори те да са на много светлинни години от нас.

(клик за по-голям размер)

________
Изображения: Wikipedia, НАСА

Пътуване във времето

Често идва ден, когато научната фантастика престава да бъде такава и влиза в учебниците като реалност. Дали това ще се случи и с невероятната идея за пътуване във времето обаче?

Учените дълго време са отписвали този въпрос поради очевидната му абсурдност, но забележителният напредък в областта на квантовата гравитация (теория, обединяваща квантовата механика и теорията на относителността) променя гледната точка на научната общност.

Пътуването във времето е свързано с редица парадоксални ситуации, най-известната от които без съмнение е историята за човека без родители. Ако един човек се върне назад във времето — тогава, когато бъдещите му родители не са се познавали — и направи така, че те никога да не се срещнат, в такъв случай той никога няма да бъде роден, следователно няма как да се върне назад във времето и да промени миналото си. Този парадокс е доста силен, нали?

Пътешествия в миналото и бъдещето винаги са били смятани за невъзможни. Според сър Исак Нютон времето е като стрела: Веднъж изстреляна, тя лети винаги направо и една минута на Земята е равна на една минута на Марс. По-късно обаче Айнщайн коренно променя схващането ни за света около нас. Според него времето е като река, която тече покрай звезди и галактики, забързва се и се забавя като минава покрай масивни тела. Една минута на Земята не е равна на една минута на Марс и часовници, разпръснати из вселената, отмерват свое собствено време.

Преди Айнщайн да умре, той бил изправен пред неприятен проблем. Курт Гьодел — брилянтен математик и негов колега в Принстън — намерил друго решение на уравненията на Айнщайн, според които пътуването във времето е възможно. Решението на Гьодел представлявало вселена, в която времето се върти в кръг и ако човек тръгне по посоката на въртене, то рано или късно ще се върне в миналото си. Сякаш в "реката на времето" имало водовъртежи! Айнщайн отхвърлил това решение.

През 1963 година новозеландският математик Рой Кер открил странно решение на уравненията на Айнщайн за въртяща се черна дупка: За разлика от считаното дотогава, тя не би се свила до една точка, а би станала въртящ се пръстен от неутрони. Частиците биха се въртяли толкова бързо, че центробежната сила няма да им позволи да "паднат" в дупката. Човек би могъл дори да мине през получения пръстен, като това може да го отведе в паралелна вселена. От тогава до сега са открити стотици решения, водещи до теоретичните червейни дупки. Тези червейни дупки могат да свързват не само далечни области от пространството, но и от времето!

Опитите на физиците да обединят квантовата механика с гравитацията и да стигнат до "теория на всичко" са довели до интересна гледна точка относно парадоксите на пътуването във времето. Според квантовата теория всеки обект може да е в множество състояния. Например електрон може да се намира едновременно на различни места в орбиталния си облак, а известната котка на Шрьодингер може да е едновременно в две състояния: жива и мъртва.

Като се връщаме назад във времето и променяме миналото, ние променяме миналото на една паралелна вселена, но нашето минало остава непроменимо.

Това значи ли, че все пак ще можем да се качим в машина, да натиснем няколко копчета и да се пренесем стотици хиляди години напред във времето? Отговорът е: Не и в обозримото бъдеще. Съществуват редица пречки, които засега са непреодолими. За една машина на времето ще са необходими колосални количества енергия, които могат да се добият или директно от някоя звезда, или чрез т.нар. екзотична материя, или ако открием източник на отрицателна енергия*. За реализирането на някой от тези методи ще ни трябват може би столетия!

Друга пречка е стабилността: Една червейна дупка може да загуби стабилност и да се разруши при преминаването на нещо през нея; възможно е дори самите квантови ефекти да унищожат дупката преди през нея да мине каквото и да е. За жалост математиката ни не е достатъчно силна да реши въпросите относно стабилността, защото е необходима "теория на всичко", която да обедини квантовия свят с гравитацията. В момента теорията на суперструните е единственият кандидат за "теория на всичко", но никой не е достатъчно умен, за да я реши напълно.


________
* Подобно на пътуването във времето, отрицателната енергия също е била научна фантастика и физиците са смятали за невъзможно съществуването й. И все пак през 1948 година е открит т.нар. ефект на Казимир, при който мистериозна сила действа на две успоредни метални пластини на много малко разстояние една от друга. По-късно тази сила била измерена.

(постът е написан въз основа статията на Michio Kaku: Is Time Travel Possible)

Ентропия

Терминът ентропия има много дефиниции и може да бъде срещнат в много области на физиката. Една от дефинициите е "мярка за неспособността на енергията в една система да върши работа", но аз сякаш предпочитам по-интуитивната "мярка за безпорядък". Колкото по-голяма ентропия има една затворена система, в толкова по-голям безпорядък (хаос) е тя.

Типичен пример за ентропия е чаша с вода и лед в затворена стая. С течение на времето ледът се топи поради изравняването на температурата на водата и стаята, при което ентропията на въздуха в стаята намалява (той изстива, молекулите се движат по-малко хаотично), а ентропията в чашата се увеличава (ледените кристали са по-подредени от молекулите в течната вода). Сумарно ентропията на цялата затворена система обаче се увеличава.

Вторият закон на термодинамиката гласи: Общата ентропия на една изолирана термодинамична система (за каквато можем да приемем цялата вселена) се увеличава с течение на времето и клони към една максимална стойност.

Според Джейкъб Бекенстайн черните дупки също трябва да имат ентропия, защото като поглъщат материя те намаляват ентропията на пространството около тях и ако ентропията в тях не се увеличава (като в чашата с вода), това ще наруши втория закон на термодинамиката. На базата на работата на Стивън Хокинг той доказва, че ентропията на черната дупка е пропорционална на площта на хоризонта на събитията й.

Самият Хокинг пък успява да докаже, че черните дупки не са абсолютно черни и излъчват лъчение, което все още не е засечено. И докато температурата на една черна дупка може да е страшно малко число, то ентропията й е огромна. Учените все още не знаят каква е същността на ентропията на черните дупки (т.е. на какво се дължи безпорядъкът в черните дупки).

През 1995 физиците Стромингър и Вафа правят изчисления на базата на теорията на струните, изследват теоретичен клас черни дупки и получават числена стойност на ентропията им. След това те сравняват получената стойност с площта на хоризонта на събитията и установяват, че Бекенстайн и Хокинг са прави, което в действителност е голям успех за теорията на струните.

________
За повече относно ентропията: Entropy (wiki)
Изображения: интернет, НАСА

От газ до слънчева система

Образуването на звездите и планетите все още не е известно до най-малките детайли, но учените имат някаква представа как би трябвало да става това. Според тях всичко започва с облаци от газ, които съществуват в галактиките. С течение на времето в облака се очертава някаква структура, породена от "турбуленция" и влиянието на съседни млади звезди.

Всичко това води до струпване на газ в определени области от пространството, който газ под действие на гравитацията се срутва върху себе си и от въртеливото движение на газовия облак се наблюдава образуване на диск с "протозвезда" в средата. Постепенно върху протозвездата се натрупва още и още материал и когато той стане достатъчно, започва термоядрен синтез и тя става истинска млада звезда.

Това, което остава около звездата е остатъчен материал, наречен "протопланетарен диск". От него с течение на времето започват да се очертават зони, в които има натрупване на материя — протопланети. Дискът изтънява и скоро бива изцяло погълнат от звездата и новите планети и изчезва.

В краищата на младата слънчева система все още има остатъчен диск от материал, където процесите на планетообразуване продължават. В нашата Слънчева система този диск е известен като зодиакален прахов диск.

________
Източник: текст, видео

Експериментът АТЛАС

Докато все още съм на вълна ускорители, нека кача едно видео [20 мин, in English], направено по поръчка на Atlas Outreach Committee. В разделения на две (заради ограниченията на YouTube) филм по интересен и визуален начин е обяснено какво сме научили досега, какво се очаква да разберем, и как ще го направим — с какъв уред ще постигнем целите си. Тук става дума за детектора "Атлас", който ще работи като част от LHC на ЦЕРН.

Приятно гледане!

І част

ІІ част


Update: Видеото вече може да бъде гледано само от сайта YouTube (embedding disabled by request).

Големият адронов колайдер

Многократно завършвам постовете си със споменаването на Големия адронов колайдер — или по-известен със съкращението си LHC (от Large Hadron Collider). Сега ми се иска да посветя един пост специално на него, защото този колайдер е нещо наистина специално.

Големият адронов колайдер е ускорител на частици, който се строи в момента в ЦЕРН (Европейска организация за ядрени изследвания) до Женева, Швейцария. Той заема мястото на стария LEP (Large Electron-Positron Collider) в огромен тунел с диаметър 3 м, обиколка 27 км и заровен на 50 до 175 м под земята.

Колайдерът е съставен от две успоредни тръби между свръхпроводими магнити, охлаждани от течен хелий. В тях ще се пускат два лъча от протони, които ще обикалят в противоположни посоки и ще пресичат траекториите си в четири точки по 27-километровото трасе. Всеки протонен лъч ще има енергия от 7 TeV, като общата енергия на сблъсъка ще е 14 TeV.

TeV (тераелектронволт) е единица за енергия, използвана във физиката на елементарните частици. 1 TeV е приблизително равен на кинетичната енергия на летящ комар. Това, което прави Големия адронов колайдер специален е способността му да концентрира енергия в зона, милиони милиони пъти по-малка от комар.

Преди да бъдат пуснати в главния ускорител протоните ще бъдат ускорявани на етапи в линейни и по-малки кръгови ускорители. Освен протони, в LHC ще се изследват и тежки йони. Предвидени са шест подземни детектори: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM и LHCf, като първите два са най-големите и са с общо предназначение. Докато работи ускорителят, общата енергия в магнитите ще достига 10 GJ (еквивалентни на 2.5 тона тротил).


Част от въпросите, на които 7000 учени от цял свят се надяват да получат отговори след експериментите в Големия адронов колайдер са:

• Дали Стандартният модел нарушава механизма на Хигс за образуване на масите на елементарните частици? Ако не, колко са Хигс бозоните и каква е масата им?
• Ще бъде ли по-точното измерване на масите на барионите напълно съвместимо със Стандартния модел?
• Имат ли елементарните частици суперсиметрични партньори?
• Защо има очевидно нарушаване на симетрията между материя и антиматерия?
• Съществуват ли допълнителни измерения (както предсказва теорията на струните) и можем ли да ги "видим"?
• Какво всъщност са тъмната материя и тъмната енергия?
• Защо гравитацията е с много порядъци по-слабо взаимодействие от останалите три?

Въпреки че отговорите на тези въпроси биха били безценни, новият ускорител на ЦЕРН си има цена, която не е никак малка. Първоначално приетата през 1995 г. стойност на проекта е била 1700 млн. евро плюс 140 млн. евро за експериментите, но през 2001 г. е направено преизчисляване и цената се е вдигнала с 300 млн. евро за ускорителя и 30 млн. евро за експериментите, което общо прави колосалните 2.17 млрд. евро. По време на строителството са изниквали множество проблеми пред инженерите и всичко това доведе до преместване на крайния срок от 2005 към април 2007, а на 22 юни ЦЕРН обяви нов срок: май 2008 г.

Съществуват известни притеснения относно безопасността на Големия адронов колайдер. Според някои хора експериментите в него могат да предизвикат няколко теоретични катастрофи, способни да унищожат Земята или дори Вселената! Например:

• Създаване на стабилна черна дупка;
• Създаване на странна материя, по-стабилна от обикновената материя;
• Създаване на магнитни монополи, които да катализират протонния разпад;
• Иницииране на преминаване към различен квантово-механичен вакуум.

Според проучвания на ЦЕРН няма опасност от подобни инциденти. Учените очакват получените мини черни дупки да се изпаряват почти мигновенно заради лъчението на Хокинг, въпреки че то не е доказано.


Когато човечеството е на прага на нови открития и навлиза в неизвестни територии няма кой да гарантира, че всичко ще мине безпроблемно. Риск винаги е имало и винаги ще има.

_________
Изображения: CERN, ATLAS

Отмина ли времето на теорията на струните?

Често съм участвал в дискусии, в които става дума за теорията на струните. Не за научната и почти винаги неразбираема (включително и за мен) математическа страна на нещата, а за по-елементарната — нещата, за които всеки е „чувал”. Попадал съм на най-разнообразни доводи против тази „изтъркана” и „изчерпана” теория, но едва наскоро прочетох статия на Шон Карол (Sean Carroll*), публикувана в Ню Сайънтист, която обяснява защо теорията на струните все още е тук.

Първо нека изясним какво е теорията на струните. Това е теория, според която всяка частица представлява дребна трептяща струна, подобна на ластиче. В зависимост от това как трепти струната, тя има определени свойства — маса, електрически заряд и т. н. Физиците се опитват с помощта на математически модели и изчисления да докажат, че тези струни не само съществуват, но и изграждат всичко наоколо, включително четирите взаимодействия — едно от които е гравитацията.

„Въпреки че е уловила въображението на публиката”, пише Шон, „напоследък теорията на струните преживява тежки времена, поне в полето на популярната наука”. Освен в някои статии, излезли в авторитетни издания като USAToday, Time и Nature, освен в книгите на някои автори, такива скептични нотки започват да се чуват и от физици, и от хора извън академичните среди. Но така ли е наистина? Провали ли се теорията на струните да постигне бленуваното Голямо обединение на силите на природата? Според Шон — съвсем не.

Университетие по света все още наемат значителен брой хора, занимаващи се с нея; завършили студенти се тълпят да правят докторантури върху същата тази теория; но може би най-важното от всичко е, че тя продължава да е най-доброто, което имаме — „най-обещаващата идея за премостването на пропастта между квантовата механика и гравитацията”.

Според Шон, теорията на струните е уникална. Досега никога не е имало друга такава теория във физиката, по която да се работи много усилено, въпреки че няма преки експериментални доказателства за нея. Една от причините за това, посочва той, е удивителният успех на Стандартния модел. Той се е представил блестящо при всички тестове досега, предсказва с огромна точност поведението на познатите ни частици и в продължение на тридесет години е издържал на всякакви предизвикателства. Освен едно — не обяснява гравитацията. Тогава дошла теорията на струните.

През 70-те години на миналия век учените осъзнали, че това е теория на квантовата гравитация (т. е. теория, която свързва квантовата механика и гравитацията), защото според нея трябва да има вибрираща струна, на която да отговаря неуловимият гравитон — теоретичен носител на гравитацията. Това автоматично отличило теорията на струните от другите теории. Скоро било установено, че ако тя е вярна, във Вселената трябва да има още измерения — общо десет (а може би повече).

През 90-те години се наблюдава бум в развитието на струнната теория и много физици по цял свят неуморно работят по нея. Когато с нейна помощ успяват точно да решат прочут проблем, открит от Стивън Хокинг (Stephen Hawking) през 70-те години — относно ентропията на черните дупки — все повече учени разбират, че трябва да има нещо вярно тук. От 2000-та година насам, обаче, напредъкът намалява.

„Истината остава — чудесата на теорията на струните, въодушевили хората, са все още тук. Най-голямото препятствие е, че не я разбираме напълно: Тя е обещаващ сбор от парченца, които все още не могат да изградят цялостна картина. Но това е теория на квантовата гравитация, съвместима е с всичко, което знаем за частиците, и продължава да ни разкрива удивителни нови начини за възприемане на времето и пространството.”

Отделни части от пъзела продължават да пасват на местата си:

• Теорията дава множество дълбоки прозрения в областта на чистата математика;
• Космолозите, занимаващи се с въпроси от далечното минало на Вселената, все по-често се обръщат към нея;
• Обещаващ нов подход е свързал теорията на струните с динамиката на кварко-глуонната плазма, наблюдавана в ускорителите.

Разбира се, тази теория трябва все някога да получи задоволително експериментално доказателство, за да остане разумна и вярна. Но такова доказателство не може да се поръча — то може да дойде утре, след година или след сто години. Никой не знае. Научана общност с нетърпение очаква пускането на новия ускорител на ЦЕРН — Large Hadron Collider — на който се възлагат надежди да ни отведе отвъд Стандартния модел и може би да даде началото на нова ера във физиката на високите енергии. Стартовата му дата, обаче, беше изместена от тази година към май 2008, заради проблеми.

„Струнната теория няма да изчезне”, казва Шон Карол. „Гравитацията съществува, квантовата механика съществува, и тези двете трябва да бъдат обединени. Амбициозните теоретични физици ще продължат да преследват теорията на струните поне докато не изникне нещо още по-добро — и дори тогава шансовете да има нещо „струнно” в окончателната теория са големи.”

_________________

* Шон Карол е главен асистент в катедра Физика на Калифорнийския технологичен институт. Работи в сферата на теоретичната космология, теория на полето и гравитацията. Пише в блога Cosmic Variance.
** Всички цитати са от статията на Шон Карол, публикувана и в блога му Cosmic Variance. All quotations are from Sean Carroll’s article, posted on his blog Cosmic Variance.

Изображение: източник

Вечно ли живеят черните дупки?

Това е един чудесен въпрос, на когото ми беше много интересно да потърся отговор.

Според общоприетото схващане, черната дупка е обект с толкова силна гравитация, че дори светлината не може да „избяга”. Дълго време се е считало, че тези невидими чудовища са бездънни ями, които поглъщат всякаква материя, доближила се прекалено много до тях и следователно живеят вечно. През 1974 г. обаче един учен променил тази картина. Използвайки законите на квантовата механика, британският физик Стивън Хокинг доказал, че черните дупки не са съвсем „черни”. Според неговите уравнения, в зоната близо до хоризонта на събитията на черните дупки се случва нещо странно.

От квантовата механика знаем, че пространството никога не е абсолютно празно. Ако започнем да увеличаваме с помощта на невъобразимо мощен микроскоп част от пространството, то ще стигнем до дължини, съизмерими с Планковата дължина — там започват чудесата на микросвета. Това, което ще видим е един бушуващ океан от частици, които сякаш изникват от нищото, след което изчезват в нищото. Това е т. нар. „квантова пяна” — от чистата енергия в малкото пространство спонтанно възникват двойки частици и античастици, „живеят” кратък миг и анихилират една с друга, за да се превърнат отново в чиста енергия. И така до безкрай.

Нека сега се запознаем с черната дупка. Една от характерните особености на този мистериозен обект е хоризонтът на събитията. Това е линията, която ако бъде премината от нещо, то то неминуемо ще бъде погълнато от черната дупка. С други думи, това е линията, след която няма връщане назад.

Стивън Хокинг решил да помисли какво бихме видяли, ако насочим невъобразимо мощния ни микроскоп към хоризонта на събитията. Вероятно ще видим „квантовата пяна” и как спонтанно се появяват една частица и нейната античастица. Когато те се появят, те тръгват в различни посоки — едната към черната дупка, другата в обратна посока. Ако античастицата поеме към черната дупка и премине хоризонта на събитията, то тя ще бъде погълната завинаги в черната бездна. Нейната частица обаче ще се отдалечи от хоризонта на събитията и ще остане да съществува в пространството. Това, което би видял един страничен наблюдател е как от нищото се появява частица. Наблюдателят няма да види античастицата, защото тя е погълната от черната дупка. С други думи, ще станем свидетели на „излизане” на материя от онзи обект, от който „дори светлината не може да избяга”. Този процес се нарича „изпарение” и теоретично значи, че черните дупки губят част от масата си и следователно не живеят вечно.

С поглъщането на антиматерия черната дупка губи материя, защото погълнатата антиматерия ще анихилира с материята, която вече е вътре и ще се преобразуват в чиста енергия според уравнението на Айнщайн E = mc².

Откритието на Хокинг ни показва, че черните дупки все още таят в себе си тайни, които трябва да разгадаем. От познатите ни черни дупки няма такава, при която изпарението да е значително. Напротив, то дори е почти нулево. Учените са установили, че колкото по-масивна е черната дупка, толкова по-слабо е изпарението. Ето защо те с нетърпение чакат пускането в експлоатация на ускорителя LHC в ЦЕРН. С негова помощ те смятат, че ще могат да наблюдават образуването на микроскопични черни дупки, при които изпарението е значително и така ще узнаем вярна ли е тази теория.

Изображение: НАСА