necromorph

В общей теории относительности пространство и время имеют запутанную связь, и формируют четырёхмерную ткань пространства-времени. Если вы уберёте все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберёте факт расширения пространства из уравнений, если вы также устраните все виды излучений, и присущую космосу кривизну – вы сможете заявить, что создали плоское пустое пространство.

Но когда вы начинаете принимать во внимание, что живёте во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придётся признать, что даже в отсутствие физических частиц, физические поля, управляющие их взаимодействиями, никуда не денутся. Одним из последствий этого будет то, что сущность, которую мы представляем себе, как «плоское пустое пространство», не избавлено от энергии. Вместо этого нужно представлять себе плоское пустое пространство как квантовый вакуум, где повсюду есть квантовые поля.

Вам может быть знакомой идея, что на квантовых масштабах во Вселенной существуют присущие пространству неопределённости конкретных параметров. Мы не можем одновременно знать расположение и импульс частицы, и чем лучше измеряем один из них, тем больше неопределённость у второго. Такое же взаимоотношение неопределённостей свойственно энергии и времени, что для нас сейчас важно.

Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.

Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.

Если вы наблюдаете за тем, что представляете себе, как пустое пространство, но при этом наблюдаете за этим в определённый момент времени, вам нужно учесть, что момент – это бесконечно малый промежуток времени. Из-за этого взаимоотношения неопределённостей существует огромная неопределённость в общем количестве энергии, содержащемся даже в пустом пространстве в это время. Это значит, что там может, в принципе, быть несколько пар из частиц и античастиц, существующих на очень кратких промежутках времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.

Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.

Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.

Пойдём дальше. Представим, что пространство, вместо того, чтобы быть плоским и пустым, всё ещё пустое, но уже искривлено – то есть, в гравитационном поле космоса существуют отклонения.

Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству искривляться из-за присутствия чёрной дыры, как они будут выглядеть снаружи и внутри горизонта событий?

Вопросы хорошие, и чаще всего в поисках ответа вы увидите следующую (неправильную) картинку, которая являет собою суть вопроса Павла:

Если представлять себе пары частица/античастица как реальные, и если одна убежит от чёрной дыры, а другая упадёт за горизонт событий – то получится, что во Вселенной прибавилось энергии: половина вне чёрной дыры и половина к массе чёрной дыры. Но эти пары частиц и античастиц не являются реальными, а представляют собою лишь способ визуализации и подсчёта энергии, присущей пространству.

Дело в том, что при искривлённом пространстве, как вы помните, существуют отклонения гравитационного поля. Мы используем флуктуации для помощи в визуализации энергии, присущей пустому пространство, но могут возникать флуктуации, начинающиеся снаружи горизонта событий, которые попадут внутрь горизонта, не успев ре-аннигилировать. Но нельзя украсть энергию у пустого пространства – что-то должно случиться, чтобы её сохранить. Поэтому каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает внутрь, настоящий фотон (или их набор) должен появиться для компенсации. И этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и уносит энергию от чёрной дыры.

Тот способ, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая – убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку уменьшению чёрных дыр способствуют не частицы или античастицы, а фотоны, соответствующие спектру чёрного тела.

Я предпочитаю картинку получше, хотя она всё равно ещё довольно наивна. Представьте квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас появляется пара частица-античастица, из которых одна падает внутрь, появляется ещё одна пара частица-античастица, у которой внутрь падает другая. Оставшаяся снаружи пара из частицы и античастицы аннигилирует, испуская реальные фотоны, а те, что падают внутрь, забирают соответствующее количество массы (Е = мс²) у чёрной дыры.

Это всё ещё не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере горизонт событий в ней покидают фотоны, что соответствует предсказаниям излучения Хокинга. Фактически – хотя вам придётся провести подсчёты квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, чтобы это выяснить – излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать абсолютно чёрному телу с температурой, заданной:

что даст температуру меньше одного микроКельвина для чёрной дыры массой равной массе Солнца, меньше одного пикоКельвина для чёрной дыры в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых от аттоКельвина для самой крупной из известных чёрных дыр. Скорость уменьшения, которому соответствует это излучение, настолько мало, что чёрные дыры будут расти, даже если они будут поглощать один протон за промежуток времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной – это будет продолжаться ещё примерно 10²⁰ лет.

После этого чёрные дыры массой с Солнце, наконец, начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся через 10⁶⁷ лет, а самые крупные из них – через 10¹⁰⁰ лет. Это может сильно превышать возраст Вселенной, но это и не вечность. А уменьшаться они будут благодаря излучению Хокинга, испуская фотоны.

В итоге: у пустого пространства есть энергия нулевого уровня, которая не равна нулю, а в искривлённом пространстве на горизонте событий чёрной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения абсолютно чёрного тела. Это излучение отнимает массу у чёрной дыры и слегка сжимает горизонт событий со временем. Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частица/античастица, хотя бы представляйте по две пары за раз. Тогда частица от одной пары и античастица от другой аннигилируют, создавая реальные фотоны, покидающие чёрную дыру, а другая виртуальная пара частиц падает в дыру и забирает её энергию (или массу).

Вот так чёрные дыры и умрут! Спасибо за отличный вопрос, Павел, и если у вас есть вопросы или предложения, отправляйте их мне.

Оригинальная статья

GeekTimes

Эпопея с так называемым «невозможным» двигателем EmDrive на электромагнитных волнах продолжается. На данный момент ряд известных ученых и научных организаций подтвердили работоспособность EmDrive. Двигатель представляет собой систему, состоящую из резонатора (металлический усеченный конус) и магнетрона. Двигатель работает, это факт. Каким образом? Такая система каким-то образом создает тягу под влиянием электромагнитного излучения. Существует несколько гипотез, объясняющих появление тяги. Пока что ни одна гипотеза не была доказана. Собственное объяснение принципа работы EmDrive в этом месяце предложили финские ученые.

По их мнению, образование тяги в этой системе объясняется определенным типом интерференции волн, а именно — деструктивной интерференцией. Под конструктивной интерференцией понимается такой тип комбинирования отраженных волн при резонансе, когда происходит усиление волнами друг друга. В случае деструктивной интерференции максимумы одних волн приходятся на минимумы других, при этом резонанс отсутствует. Если речь идет о волнах на воде, то при деструктивной интерференции они накладываются друг на друга, и поверхность воды выглядит спокойной.

Можно привести и другой пример, с электронами. Так, интерференция рамановских переходов электрона различной степени нелинейности является деструктивной.

А причем здесь фотоны?

По мнению физиков из Финляндии, в резонаторе этого двигателя из большого количества всех частиц выделяются пары фотонов, которые находятся в противофазе друг с другом. Такие пары, считают ученые, уносят импульс в сторону, противоположную движению двигателя. Взаимодействие этих фотонов приводит в возникновению электромагнитной волны с нулевой поляризацией. Но импульс эта волна все же переносит.

«Принцип работы EmDrive можно сравнить с принципом работы реактивного двигателя самолета, когда газы, двигающиеся в одном направлении, толкают самолет в противоположном направлении», — говорит Арто Аннила (Arto Annila), представитель команды ученых из Финляндии. «Микроволновое излучение — это топливо, которое уходит в резонатор… а тягу в EmDrive создают пары фотонов. Когда два фотона движутся вместе, но имеют противоположные фазы, тогда у этой пары нет электромагнитного поля, следовательно, она не будет отражаться от металлических стенок, а уйдет».

По мнению исследователей, тяга в двигателе возникает под влиянием волн, длина которых не кратна расстоянию между стенками резонатора. Это возможно только в том случае, если резонатор несимметричен. Если бы он был полностью симметричным, то тяга бы не возникала. В случае EmDrive тяга будет проявляться при любой асимметричной конфигурации. Вероятно, что эффективность работы двигателя зависит как от мощности микроволнового источника, так и от материала резонатора EmDrive, а также от его формы. И зависимость эта нелинейна.

Финны подчеркивают, что их идея — это всего лишь предположение, как и гипотезы их коллег, пытавшихся объяснить принцип действия EmDrive раньше. Физики из Финляндии надеются, что инженеры смогут создать тестовые системы для проверки их теории парных фотонов. Для этого нужно также устройство, которое называется интерферометром. Интерферометр — измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.

Еще фотоны

Отмечу также, что в апреле работу EmDrive пытался связать с взаимодействием фотонов физик Майк Макалох (Mike McCulloch) из Плимутского университета. Макалох предлагает объяснить принцип работы двигателя при помощи эффекта Унру. Этот эффект был назван в честь физика Билла Унру, который открыл его в 1976 году. Он показал, что понимание вакуума зависит от типа движения наблюдателя через пространство-время. К примеру, если неподвижный наблюдатель находится в вакууме, то в случае ускорения этот наблюдатель увидит вокруг себя множество частиц, которые находятся в термодинамическом равновесии. Другими словами, о вакууме можно говорить только относительно определенного объекта. При этом инерция, по словам Махалоха — это давление теплового излучения на ускоряющееся тело. При малых ускорениях волны излучения Унру превышают размеры всей Вселенной, что позволяет говорить о квантовании инерции.

Теория несколько необычная, но она кроме принципа работы EmDrive объясняет еще один эффект — пролетные аномалии. Пролётная аномалия — это неожиданное увеличение энергии во время гравитационных манёвров космических аппаратов около Земли. Эта аномалия наблюдалась как доплеровский уход частоты в S-диапазоне и X-диапазоне и дальней телеметрии.

Так вот, Макалох предположил, что у фотонов есть инертная масса. Фотоны отражаются внутри корпуса EmDrive, следовательно, они испытывают инерцию. Длины волн излучения Унру в этом случае очень малы, их размер сравним с размером корпуса двигателя. Если в широкой части конуса могут поместиться волны Унру, которые не помещаются в узкой части резонатора, то инерция фотонов, которые отражаются, должны меняться. А для сохранения импульса система создает тягу. По мнению автора этой теории, она согласуется с теми величинами тяги, которые были получены в экспериментах.

Проверить как теорию финнов, так и теорию англичанина можно экспериментально, проведя серию тестов с EmDrive. И если окажется, что тягу в «невозможном» двигателе создают именно фотоны, это позволит технологам создать EmDrive с иной формой резонатора, что приведет к созданию большей тяги у двигателя.

Что это может означать для космонавтики?

Значительное сокращение времени полета космических аппаратов. Например, New Horizons с EmDrive мог бы добраться до Плутона всего за 18 месяцев вместо 9 лет. Если EmDrive получится масштабировать, то и полет к ближайшим звездам вместо сотен и тысяч лет мог бы занять всего несколько десятков лет. Это, конечно, тоже много, но уже более реально.

Источник