742

Физика

Физика Физика, Аристотель, Галилео, Ньютон, Квантовая физика, Теория относительности, Учебник, Альберт Эйнштейн

Аристотель сказал кучу неправильных вещей. Галилей и Ньютон все починили. Потом Эйнштейн снова все сломал. Теперь мы почти все поняли, кроме маленьких вещей, больших вещей, горячих вещей, холодных вещей, быстрых вещей, тяжелых вещей, темных вещей, турбулентности, и понятия времени.

Дубликаты не найдены

+18

Ипать, зачем ты мне напомнил. Задумал я интеллект подкачать несколько лет назад и решил: "а почитаю-ка я про теорию относительности". Споткнулся о кучу формул, но добило меня не это. В этой концепции гравитация описывается, как искривление пространства. Вот тут-то мой межушный ганглий и задымил, я аккуратно поставил книгу на полку и больше к ней не возвращался.

раскрыть ветку 19
+20

Это там как раз самое простое. Положи на диван пару гирь разного веса, они промнут диван, вот тебе и иллюстрация, как это работает — мелкая фигня будет "притягиваться" к ним, и они друг к другу тоже. А вот когда дело дойдёт до относительности одновременности — там да, там ад.

раскрыть ветку 14
+3
Одновременность - да, вот где тихо охреневаешь
0
Я вот тоже не понял причем тут промятый диван и гравитация?
раскрыть ветку 12
+2

Масса продавливает пространство. Что сложного?

+1

Просто оставлю это здесь https://www.youtube.com/watch?v=8ss9HYEIDvY

раскрыть ветку 1
0

Отличный контент! Легко и доступно объясняет.

Благодарю!

-4

Да ты сам регулярно искривлением пространства-времени пользуешься. 0.5 и ты уже в завтра. Такси - конвертирует деньги в расстояние. Много денег может распухнуть до нескольких комнат. И вот это вот всё не вызывает удивления.

+24
Иллюстрация к комментарию
+6

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон.



Но сатана недолго ждал реванша.

Пришел Эйнштейн - и стало все, как раньше.

+23

stuff тут лучше не переводить как вещи, а лучше как маленькое, большое, горячее и т.д. IMHO

раскрыть ветку 4
+22

Вообще, "штуки", "херни". Все поняли, кроме больших херовин, маленьких херовин...


ТС, я не понял. А юмор то где? Все правильно написано же.

раскрыть ветку 2
+15

В неформальности, которую мы не привыкли видеть в публикациях научной направленности.

раскрыть ветку 1
+3

Природы строй, её закон

В извечной тьме хранился.

Но вот пришел Исаак Ньютон,

И всюду свет пролился.

Но сатана не долго ждал реванша,

Пришел Эйнштейн и стало все как раньше.

+5

Мой перевод: Аристотель нагородил кучу херни. Галилей и Ньютон поправили. Потом пришел Эйнштейн и снова весь порядок похерил. Сейчас вродь как по большей части разобрались, окромя того, что связано с малым, большим, горячим, холодным, быстрым, тяжелым, темным, турбулентностью, ну и концепцией времени.

+1
Не "починили", а "исправили"
0

...а теперь к новостям спорта...

0
Они не опровергали, а дополняли
0
И с электричеством не всё понятно
0

Кто знает автора? Интересно было бы почитать.

раскрыть ветку 2
0

Похоже на "Science: Abridged Beyond the Point of Usefulness" от Zach Weinersmith. Но бесплатно найти не могу :(

раскрыть ветку 1
0

https://www.kickstarter.com/projects/weiner/kickstarter-gold-science-abridged

-9
Вот и получается, что наука, что религия - никто ничего не понимает, но неофиты, которые понимают ещё меньше кидаются какашками друг в друга.
раскрыть ветку 1
0

Бинго! Особенно это заметно на постсовковом пространстве: вместо понятия "исследователь" используется строго понятие "учёный", а из "определения науки" из той же википедии разом выброшен принцип проверяемости и важность эксперимента вообще. В более серьёзных источниках зачастую та же фигня.


"Опыт -- ничто! Книга, -- всё!"(с)

ещё комментарии
Похожие посты
164

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

В ньютоновской теории тяготения орбиты вращения вокруг отдельных крупных масс являются идеальными эллипсами. Но в общей теории относительности существует дополнительная прецессия за счёт кривизны пространства-времени, из-за чего орбиты со временем сдвигаются, иногда даже измеряемо. Орбита Меркурия прецессирует со скоростью 43″ в сто лет (1″ – это угловая секунда, 1/3600 градуса); меньшая из чёрных дыр OJ 287 прецессирует со скоростью 39° за 12 лет орбиты.


Сложно оценить всю революционность перехода от ньютоновской точки зрения на Вселенную к эйнштейновской. Согласно ньютоновским механике и тяготению, Вселенная полностью детерминирована. Если бы вы дали учёному массы, местоположение и импульсы всех и каждой частиц Вселенной, он смог бы определить, где будет находиться и что будет делать каждая частица в любой момент в будущем.


В теории уравнения Эйнштейна тоже детерминистские, и можно представить нечто похожее: если бы только вы знали массы, позиции и импульс каждой частицы Вселенной, вы могли бы вычислить что угодно, заглядывая сколь угодно далеко в будущее. Но если в ньютоновской вселенной мы можем записать уравнения, управляющие поведением частиц, во вселенной под управлением общей теории относительности (ОТО) мы даже и на это не способны. И вот, почему.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Закон всемирного тяготения Ньютона заменила ОТО Эйнштейна. Он полагался на концепцию мгновенного действия на расстоянии, и был весьма простым. Гравитационная константа G в уравнении, а также величины двух масс и расстояние между ними – вот все факторы, определяющие гравитационное взаимодействие. G есть и в теории Эйнштейна.


В ньютоновской вселенной каждый массивный объект действует с хорошо определяемой силой тяготения на каждый другой объект вселенной. Можно определить гравитационное взаимодействие между каждой парой существующих масс, а потом просто подсчитать ньютоновское тяготение. Эта сила также расскажет, как именно будет двигаться масса (поскольку F = ma), и так вы сможете определить эволюцию вселенной.


Но в ОТО эта задача куда как сложнее. Даже если бы вы обладали той же самой информацией – местоположением, массами и импульсами всех частиц – а также конкретной релятивистской системой отсчёта, в которой они определены, этого не хватило бы для описания эволюции вселенной. Структура величайшей теории Эйнштейна слишком сложна даже для этого.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Вместо пустой трёхмерной решётки размещение масс заставляет “прямые” линии изгибаться определённым образом. В ОТО пространство и время считаются непрерывными, но все формы энергии, в т.ч. масса, вносят свой вклад в кривизну пространства-времени. Если мы заменим Землю её более плотной версией, вплоть до появления сингулярности, деформация пространства-времени останется точно такой же; и только внутри самой Земли будут заметны отличия.


В ОТО движение и ускорение объекта определяет не суммарная сила, действующая на объект, а кривизна пространства (и пространства-времени). И это сразу становится проблемой, поскольку кривизну пространства определяет вся материя и энергия, имеющаяся во Вселенной, и в эту информацию входит куда как больше, чем просто позиции и импульсы массивных частиц.


В ОТО, в отличие от ньютоновской гравитации, взаимодействие всех масс также имеет значение: поскольку у него также есть энергия, оно также деформирует ткань пространства-времени. Если взять два массивных объекта, движущихся и ускоряющихся друг относительно друга, этот процесс также будет излучать гравитационные волны. Это излучение идёт не мгновенно, а распространяется наружу во все стороны со скоростью света. И этот фактор невероятно трудно учесть.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Гравитационные волны – это волны пространства-времени, и они распространяются в пространстве со скоростью света во всех направлениях. И хотя электромагнитные константы не появляются в уравнениях ОТО, скорость гравитации без сомнения равняется скорости света.


Если в ньютоновской вселенной вы с лёгкостью можете записать уравнения, управляющие любой системой, какую вы только можете представить, то даже этот шаг будет невероятно трудным во вселенной, управляемой ОТО. Поскольку так много всего влияет на искривление и эволюцию пространства во времени, мы часто даже не можем записать уравнения, описывающие форму простейшей, игрушечной модели вселенной.


Возможно, наиболее ярким примером будет простейшая, игрушечная модель вселенной: пустая, без материи и энергии, не меняющаяся во времени. Это вполне возможно, и этот особый случай даёт нам старую добрую и простую особую теорию относительности и плоское евклидово пространство. Это простейший и наименее интересный случай из возможных.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Плоское пустое пространство без материи, энергии и кривизны. За исключением небольших квантовых флуктуаций, пространство в инфляционной Вселенной становится таким, невероятно плоским, только не на двумерной плоскости, а в трёхмерном пространстве. Пространство растягивается, уплощаясь, и частицы быстро разбегаются.


Сделаем шаг в сторону усложнения: возьмём точечную массу и поместим её куда-нибудь во вселенной. И внезапно пространство-время становится чрезвычайно сложным.


Вместо плоского евклидового пространства мы получим искривлённое пространство, вне зависимости от того, насколько далеко мы отойдём от массы. А чем ближе мы будем подходить, тем быстрее пространство будет “стекать” по направлению к местоположению этой точечной массы. Мы обнаружим определённое расстояние, на котором мы найдём горизонт событий: точку невозврата, откуда нельзя сбежать, даже двигаясь со скоростью, сколь угодно близкой к скорости света.


Пространство-время гораздо сложнее пустого пространства, а мы всего лишь добавили одну массу. И это было первое точное нетривиальное решение, открытое для ОТО: формула Шварцшильда, соответствующая невращающейся чёрной дыре.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Как внутри, так и снаружи горизонта событий шварцшильдовской чёрной дыры пространство течёт как травалатор или водопад. На горизонте событий, даже если вы будете бежать (или плыть) со скоростью света, поток пространства-времени преодолеть не получится, и он затянет вас в сингулярность в центре. Снаружи горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут справиться с гравитационным притяжением, и заставить даже падающую внутрь материю убежать.


За последнее столетие было найдено множество других точных решений, но они оказались незначительно сложнее. Среди них:

Решения для идеальной жидкости, где энергия, импульс, давление и напряжение жидкости определяют пространство-время.

Электровакуумные решения, где могут существовать гравитационное, электрическое и магнитное поля (но не массы, электрические заряды или токи).

Решения со скалярными полями, включающими космологическую константу, тёмную энергию, инфляционные варианты пространства-времени, и модели космологической квинтэссенции.

Решения с одной вращающейся точечной массой (Керр), заряженной (Рейснер-Нордстром) или вращающейся и заряженной (Керр-Ньюман).

• Жидкостные решения с точечной массой (пространство Шварцшильда-де Ситтера).


Вы могли заметить, что эти решения чрезвычайно просты, и среди них нет простейшей гравитационной системы, которую мы постоянно рассматриваем: Вселенную, в которой две массы гравитационно связаны друг с другом.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

ОТО подвергали научным испытаниям бессчётное множество раз и накладывали на неё самые строгие ограничения из всех, использованных человеком. Первым решением Эйнштейна было вычисление ограничения слабого гравитационного поля вокруг единственной массы, такой, как Солнце; он применил эти результаты к нашей Солнечной системе с потрясающим успехом. Эту орбиту можно рассматривать так, будто Земля (или любая другая планета) в свободном падении движется вокруг Солнца по прямой линии в своей системе отсчёта. Все массы и источники энергии вносят вклад в кривизну пространства-времени, однако мы можем вычислить орбиту Земли и Солнца лишь приблизительно.


Эту задачу – задачу двух тел в ОТО – нельзя решить точно. Не существует точного аналитического решения для пространства-времени, содержащего более одной массы, и считается, что такое решение нельзя найти (хотя это пока, насколько мне известно, не доказано).


Мы лишь можем делать предположения, и либо делать определённые приближения к точному результату (постньютоновский формализм) или изучать определённую форму задачи и пытаться решить её численно. Развитие науки численной относительности, особенно начиная с 1990-х, позволило астрофизикам подсчитать и определить образцы различных типов гравитационных волн Вселенной, включая приблизительные решения задачи для слияния двух чёрных дыр. И любая фиксация волн на LIGO или Virgo возможна благодаря наличию этих теоретических работ.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Волновой гравитационный сигнал первой пары обнаруженных коллаборацией LIGO сливающихся чёрных дыр. Невероятно, насколько хорошо совпадают сырые данные и теоретические шаблоны, демонстрирующие нам волновую последовательность. Для получения теоретических шаблонов потребовалось невероятное развитие численной относительности.


Учитывая всё это, существует огромное количество задач, которые мы можем хотя бы приблизительно решить, пользуясь тем поведением или теми решениями, которые мы можем понять. Мы можем описать происходящее в негомогенной части Вселенной, остальная часть которой является гладкой и заполненной жидкостью, чтобы узнать, каким образом растут регионы с повышенной плотностью и сжимаются регионы с пониженной плотностью.


Мы можем понять, как поведение решаемой системы отличается от ньютоновской гравитации, а потом применить эти уточнения к более сложной системе, которую, возможно, нельзя решить в лоб.


Или мы можем разработать новые численные методы для решения проблем, неприступных с теоретической точки зрения; такой подход имеет право на жизнь, пока гравитационные поля относительно слабы (пока мы не приближаемся слишком близко к слишком большой массе).

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

В ньютоновском представлении о гравитации пространство и время – абсолютные и фиксированные величины. В представлении эйнштейновского пространства-времени – это единая объединённая структура, в которой неразрывно переплетаются три пространственных и одно временное измерение.


И всё же ОТО бросает нам несколько уникальных вызовов, отсутствующих в ньютоновской вселенной. Факты таковы:

• Кривизна пространства постоянно меняется.

• У каждой массы есть своя энергия, также меняющая кривизну пространства-времени.

• Движущиеся через искривлённое пространство объекты взаимодействуют с ним и испускают гравитационное излучение.

• Все появляющиеся гравитационные сигналы всегда движутся со скоростью света.

• Скорость объекта относительно любого другого объекта приводит к релятивистской трансформации (сжатие длины, растяжение времени), которую необходимо учитывать.


Учтя всё это, в большей части вариантов пространства-времени, которые вы сможете придумать, даже в относительно простых, описывающие их уравнения получатся настолько сложными, что мы не сможем найти их решений.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Анимация реакции пространства-времени на движение массы показывает, что пространство-время – это не просто некий лист ткани; всё пространство целиком искривляется в присутствии материи и энергии. При этом пространство-время можно описать полностью, учитывая не только положение массивного объекта, но и его движение во времени. Силы, действующие на объект, движущийся сквозь Вселенную, определяются как его текущим местоположением, так и историей его перемещения.


Один из наиболее ценных жизненных уроков я получил в первый день первого математического курса в колледже, где мы изучали дифференциальные уравнения. Профессор сказал нам: “Большую часть существующих дифференциальных уравнений решить нельзя. Большую часть дифференциальных уравнений, которые можно решить, вы решить не сможете”. Такова и ОТО – набор спаренных дифференциальных уравнений, и сложности, с которыми сталкиваются все, её изучающие.


Мы даже не можем записать уравнения поля Эйнштейна. Описывающие большую часть вариантов пространства-времени или большую часть вселенных, которые мы можем себе представить. А большинство из тех, что мы можем записать, мы не можем решить. А большинство из тех, что мы можем решить, не можем решить ни я, ни вы, и ни кто-либо ещё. Однако мы можем работать с приближениями, позволяющие нам получать осмысленные предсказания и описания. И в целом это наибольшее приближение к истине, достигнутое кем-либо – хотя путь до цели ещё очень долгий. И пусть мы не будем сдаваться, пока не дойдём до неё.


Источник / Поддержать переводчика: мой сайт, Patreon, Sponsr

Показать полностью 9
56

Ученые обнаружили квантовые флуктуации в вакууме"Виртуальные частицы"

Ученые из университета Констанц (Германия) под руководством профессора Альфреда Ляйтенсторфера впервые непосредственно зарегистрировали явление квантовой флуктуации (колебаний электромагнитного поля) в вакууме. С помощью новейшей оптической установки с использованием особых световых импульсов в заданном диапазоне физики смогли пронаблюдать это явление. Полученные выводы позволяют вплотную подойти к пониманию свойств «абсолютного ничто» и, безусловно, являются важным шагом в развитии квантовой физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

О существовании вакуумных флуктуаций теоретически было известно достаточно давно, однако никому еще не удавалось увидеть это явление непосредственно. Говоря простым языком, существование вакуумных флуктуаций означает, что даже в абсолютной темноте и тишине все же происходят некоторые колебания электромагнитного поля. До сих пор считалось, что это явление проявляется себя лишь косвенно: например, в спонтанном свечении, издаваемом атомами газа в люминесцентной лампе.

Международная группа физиков, в которую входили и российские исследователи Денис Селетский и Андрей Москаленко, сконструировала экспериментальную установку, которая может проводить измерение электрических полей со сверхвысоким временным разрешением и чувствительностью. Ученые использовали опыт передовых достижений в области оптических технологий. Установка включает новейшую лазерную установку, способную производить сверхкороткие лучи очень высокой стабильности.

Благодаря своему изобретению исследователям удалось измерить колебания поля в абсолютной пустоте, происходящие за миллионные доли одной миллиардной секунды (фемтосекунду). Важно, что время наблюдения было короче периода колебаний световых волн. Естественным ограничением в ходе эксперимента выступала лишь квантовая природа поля. Ученые составили теоретическое описание своего эксперимента на основе квантовой теории.

Профессор Ляйтенсторфер рассказал, что проведение эксперимента и проверка полученных выводов стоили команде пары лет бессонных ночей — ученым нужно было исключить все возможные факторы проникновения паразитных сигналов.

Значимо, что этот эксперимент открывает доступ к основному состоянию квантовой системы в его естественном состоянии, без использования специальных усилений и других видоизменений. Теперь у исследователей появился ключ к миру сверхкоротких событий, происходящих в квантовом мире.

Чтоб понять что такое виртуальные частицы, и причём здесь квантовый вакуум. Советую посмотреть мой видеоролик, где я всё в простой форме объяснил, что же такое пустое пространство
P. S : Удачного просмотра

716

Часы на крыше японского небоскреба подтвердили гипотезу Эйнштейна

ТОКИО, 8 апреля. /ТАСС/. Японские ученые экспериментально доказали, что на удалении от поверхности земли течение времени ускоряется. Это подтвеждает гипотезу Альберта Эйнштейна о том, что гравитация влияет на течение времени, пишет газета "Майнити".

Часы на крыше японского небоскреба подтвердили гипотезу Эйнштейна Наука, Альберт Эйнштейн, Теория относительности, Япония, Эксперимент

В ходе эксперимента физики под руководством профессора Токийского университета Хидэтоси Катори использовали оптические атомные часы, которые используют для калибровки колебания квантовых частиц. Этот прибор очень точен: чтобы такие часы отстали хотя бы на секунду, должно пройти не менее 30 млрд лет.

Ученые разместили синхронизированные друг с другом часы на первом этаже самого высокого в Японии небоскреба Tokyo Sky Tree и на его смотровой площадке, на высоте 450 метров от поверхности земли.

Сверка показаний выявила, что часы на смотровой площадке, шли примерно на 5 сто триллионных долей секунды быстрее, чем часы на первом этаже. За сутки отставание "нижних часов" составило примерно 4,3 наносекунды (наносекунда – одна миллиардная часть секунды).

Согласно расчетам исследователей, за один год разница между часами составила бы примерно 1,6 микросекунды (микросекунда – одна миллионная часть секунды). Авторы эксперимента не нашли этому иного объяснение кроме того, что ход "нижних часов" замедляла сила гравитации. 

https://nauka.tass.ru/nauka/8193861
1275

Почему замедляется время вблизи массивных планет?

Всем привет, это шестая часть обзора книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени».

И сегодня мы будем пытаться понять, что же такое общая теория относительности и почему вблизи планет стрелки часов замедляются. Если тыкнуть на хокинга повыше, ещё и мультик покажут.

Общая теория относительности основана на революционном предположении что гравитация – это не обычная сила, а лишь следствие того что пространство-время не является плоским. В этой теории пространство-время искривляется любым помещённым в него предметом имеющим массу или энергию. И тела помещённые в такое пространство следуют не по круговым орбитам. Они следуют по особым линиям, которые называются геодезические. Это аналог прямых в искривлённых пространствах. Не пытайтесь сейчас это представить. Ибо мы вообразить такое не можем, наш разум ограничен тремя измерениями.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Мы можем лишь провести аналогию с двумерным искривлённым пространством. Обычная плоскость – это пример двумерного пространства. А поверхность земли – это двумерное искривлённое пространство. Примером геодезической линии на поверхности земли – является, например, экватор. Вообще в искривлённых пространствах, геодезическая линия – это такая линия, которая определяется как кратчайшее (или наоборот самое длинное) расстояние между двумя точками. Допустим, вы решили отправиться из Москвы в Магадан. Вы можете двинуться по компасу почти строго на восток и пройти расстояние примерно 6088 км, либо двинуться по искривлённому пути и пройти всего 5921 км. На плоской карте, как вы можете видеть, геодезическая линия практически соответствует полуокружности. Т.е. если представлять поверхность земли как плоскость, то нужно двигаться по сектору, но если посмотреть на этот же путь со сторону третьего измерения, то полуокружность превращается в линию.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

В общей теории относительности тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве.


Нечто подобное можно представить, если вообразить траекторию движения спутника пролетающего мимо планеты по прямой. Несмотря на то, что спутник двигается прямо, его проекция на поверхности планеты, будет двигаться по искривлённой траектории, напоминающей окружность.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Расхождения общей теории относительности с законами Ньютона хоть и очень малы, но всё же есть. Особенно они заметны для планет ближе всего расположенных к солнцу. В частности для меркурия. Практическое подтверждение этих расхождений, было одним из первых доказательств общей теории относительности, для Меркурия расхождения были замечены ещё в 1915 году.


Второе волшебное свойство, вытекающее из общей теории относительности – это отклонение траектории света от прямой линии, под действием гравитации. Лучи света, тоже вынуждены двигаться по геодезическим линиям.


Ну и самое невероятное предположение – замедление течения времени около массивных тел, например нашей планеты. Вспомним что Эйнштейн в 1905 году выдвинул постулат что все законы физики протекают одинаково, для всех свободно-движущихся наблюдателей. Грубо говоря, принцип эквивалентности, общей теории распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля. В рамках нашего ролика, отбросив сложности, можно сказать так: в достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.


Что это означает простыми словами. Представьте, что вы находитесь в лифте посреди пустоты. Лифт неподвижный, нет ни верха ни низа. Он просто висит в пустоте. И вот он начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы ощущаете вес, одна из стенок лифта превращается в пол. И если вы уроните яблоко – оно упадёт на пол ровно так же, как если бы вы находились на земле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания и стал принцип эквивалентности.


Теперь мы готовы перейти к другому мысленному опыту. Представьте что мы находимся на борту огромной, летящей в космосе, ракеты. Для простоты вообразим, что ракета настолько большая, что свету требуется целая секунда, чтобы пересечь её сверху донизу. Ну и в ракете у нас будут два наблюдателя. Один в носу ракеты, другой в самом низу, у двигателей. У обоих наблюдателей есть совершенно одинаковые часы, ведущие отсчёт секунд.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Верхний наблюдатель, дождавшись тиканья часов часов, даёт сигнал нижнему наблюдателю, а спустя ровно секунду, ещё один. Нижний наблюдатель зарегистрирует эти сигналы с таким же интервалов времени, какой был у верхнего – одна секунда.


А теперь предположим, что наша ракета ускоряется. Поскольку корпус ракеты двигается вверх, то свету требуется пройти меньшее расстояние до низа ракеты, и второй наблюдатель получит сигнал раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше. Так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент отправки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.


Именно этот принцип и лежит в основе изменения хода часов у разных наблюдателей при ускоренном движении.


В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, даже если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовой площадке на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!


Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга (об этом можешь почитать в предыдущем посте/посту), общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения в пространстве. Теория относительности, как мы видим, поставила крест на абсолютном времени.


Кстати для нас - людей тоже верен данный принцип. Он известен как парадокс близнецов. Если один из близнецов живёт на вершине горы, а второй у подножия, то первый будет стареть немного быстрее второго. Потому что для второго близнеца, гравитационное поле немного сильнее, а следовательно время течёт медленнее. На нашей планете, это расхождение ничтожно мало, но оно существенно увеличится, если один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

До 1915 года, люди воспринимали время как нечто абсолютное и не изменяемое, но Эйнштейн перевернул всё с ног на голову. Время стало вдруг динамической переменной, которое может меняться в зависимости от наших действий. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят. За сто лет прошедших со времени открытия общей теории относительности человечество радикальным образом пересмотрело свои взгляды на картину мироздания. Как именно ты узнаешь в следующих роликах.

Показать полностью 4
74

Теория относительности "на пальцах"

Всем привет. Это обзор пятой главы книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени», в которой мы попытаемся разобраться с такой, казалось бы, сложной вещью как теория относительности, и понять что это такое. Если ткнуть на Альберта вверху, то покажут мультик.

Для начала, поговорим о скорости света. Ещё до трудов Ньютона датский астроном Оли Рёмер, наблюдал за спутниками Юпитера. Он заметил, что периоды их исчезновения и появления за планетой происходят с разными интервалами времени. Такое явление Рёмер объяснил конечностью скорости света и вот почему. Если скорость света бесконечна, то появление спутников происходило бы через строго определённые промежутки времени, ровно в тот момент когда они происходят на юпитере, мы бы видели их и на земле. Но предположим, что свет движется с некой скоростью, тогда мы увидим затмение спутника спустя некоторый промежуток времени, ровно такой, сколько свету потребуется для преодоления расстояние от Юпитера до земли. Становится понятно что это время будет тем меньше чем меньше расстояние от Земли до Юпитера и наоборот. Расстояние между планетами не постоянно, а изменяется во время вращения планет по орбитам. Теперь пазл сложился. Если во время измерений периодов между затенениями спутников Юпитера, расстояние между Юпитером и Землёй уменьшаются, то затмения будут длится меньше времени, а если Земля и Юпитер будут удаляться друг от друга, то затмения будут длится дольше. Рёмер даже смог измерить скорость света на основании изменений длительности затмений и их фаз. У него получилось значение 225 тысяч километров в секунду. Это отличается от современного значения 300 тыс километров в секунду меньше чем на треть. Если учесть что свои работы Рёмер проводил за 11 лет до публикаций Ньютона, то поражаешься насколько он был крут.

Теория относительности "на пальцах" Теория относительности, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Видео, Длиннопост

Ещё долгих 200 лет не было толком ни какой теории распространения света, до явления гения Максвелла, который смог объединить две обособленных до того теории электрических и магнитных сил (есть байка что сделал он это на экзамене, когда препод осознано добавил нерешаемую задачу на экзамене, чтобы выяснить кто из студентов не ходил на пары. Это не Хокинг сказал, это уже моё собственное дополнение). Уравнения Максвелла предсказывали наличие некого волнообразного возмущения сущности, которое сам он назвал электромагнитным полем. Эти возмущения должны были иметь постоянную скорость и, вычислив её Максвелл обнаружил что она в точности совпадает со скоростью света!

Теория относительности "на пальцах" Теория относительности, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Видео, Длиннопост

Сегодня мы знаем, что возмущения Максвелла – это обычный свет. А значит, из теории Максвелла следует, что свет распространяется с конечной скоростью. Но это никак не идёт в лад с физикой Ньютона и с тем что нет никакого абсолютного пространства от которого можно мерить скорость. Давайте представим что вы играете в настольный теннис в вагоне движущегося поезда. Вагон двигается со скоростью 90 км в час, а мячик вы подаёте со скоростью 10 км в час. Для вас скорость мячика 10 км, для наблюдателя на земле 100 км. Так как же определить скорость мяча? Относительно земли? Относительно поезда? Нельзя на этот вопрос ответить без абсолютного стандарта покоя. А его вроде нет, как показал Ньютон. То же самое можно и нужно говорить про скорость света. Какой смысл несёт в себе утверждение теории Максвелла о том что свет распространяется с конечной скоростью?

Изначально научный мир хотел всю вселенную наполнить неким неподвижным эфиром. Такой штукой которая расползлась по всему бытию и именно в ней распространяется свет. Нам сейчас это кажется ересью, но эфир долго, хоть и безуспешно искали многие великие умы прошлого и позапрошлого века. Например Альберт Майкельсон (в последствии первый нобелевский лауреат Америки по физики), пытался измерить скорость света вдоль и поперёк вращения Земли вокруг солнца. Если положить что солнце неподвижно относительно эфира, и зная что земля крутиться вокруг него со скорость примерно 30 км в секунду. То получается, что свет должен иметь разные относительные скорости по направлению движения планеты, и по направлению к солнцу. Но сколько ни меряли физики, всё равно получалась одинаковая скорость света. Примерно 300 тыс. км в секунду.

Всё изменилось с появлением в научном мире сотрудника патентного бюро, совершено не известного ранее. И вы конечно догадались что речь об Эйнштейне. Именно он первым предложил отказать от идеи абсолютного времени, и из его выкладок эфир отпадал сам собой.

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Это было верно для законов движения Ньютона, но теперь Эйнштейн распространил эту идею также и на теорию Максвелла. Другими словами, раз теория Максвелла объявляет скорость света постоянной, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение скорости света независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него. Конечно, эта простая идея объяснила — без привлечения эфира или иной привилегированной системы отсчета — смысл появления скорости света в уравнениях Максвелла, однако из нее также вытекал ряд удивительных следствий, которые зачастую противоречили интуиции.

Самое удивительное, это то что два наблюдателя должны по разному оценивать время одного и того же события. На этом поподробней, ибо это и есть относительность.

Представим что вы опять внутри этого абстрактного вагона. Вагон двигается со скоростью 100 км в час. Ровно посередине вагона имеется источник света. Наблюдатель внутри вагона измеряет расстояние которое проходит свет, от источника до стенки вагона А. Тут и мерить нечего, оно будет равно ровно половине вагона. А теперь давайте измерим расстояние пройденное светом для наблюдателя на перроне. Так как вагон двигался, то стенка А передвинулась и свету нужно пройти немного большее расстояние. Величина смещения стенки будет равна скорости вагона умноженной на время, за которое свет доберётся от источника до неё. Положим что длина вагона равна L, а за время пока свет блуждает по вагону, последний успел проехать dX метров. Выходит что для первого наблюдателя свет преодолел расстояние в S1= L/2 метров (половину от длинны вагона), а для наблюдателя на перроне S2 = L/2+dX метров. Всё приехали. Скорость определяется очень простой формулой V=S/t. Где S – расстояние, а t – время. Скорость в этом случае 300 тыс. км в секунду, она всегда постоянна. Получаем что S1/t = S2/t. И если S1≠S2, то t должны быть неравны друг другу.

Теория относительности "на пальцах" Теория относительности, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Видео, Длиннопост

Последний абзац и есть объяснение теории относительности на пальцах. Каждый из нас живёт в своём мире со своим собственным блэк-джеком и временем. Понять это нелегко, даже сообществу физиков понадобились годы чтобы принять теорию относительности.


Другое интересное следствие теории относительности всем известная формула E=mc2 (не знаю как запихать текст наверх, там двоечка должна быть не просто сбоку, а в квадрате). Где Е – энергия, m-масса, ну а с - скорость света. Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять. (Моё мнение отличается от мнения Хокинга, я даже обязательно расскажу почему. Но кто я такой, чтобы с ним спорить).


По мере приближения любого тела к скорости света, его масса увеличивается и для того чтобы придать ему хоть какое то ускорение, требуется всё большая энергия. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Прощай Андромеда, ведь даже если мы научимся разгонять корабли бороздящие просторы большого театра да скорости света, то лететь туда чуть более 2,5 миллиона лет! 2,5 миллиона лет на предельной во вселенной скорости.


Теория выдвинутая Эйнштейном в 1905 году, называется специальной, или частной. Однако в некоторых местах она шла в разрез с теорией Ньютона. Ну например гравитация должна распространяться с бесконечной скоростью. Начиная с 1908 года, Эйнштейн пытается перепрыгнуть через голову, и придумать ещё более крутую теорию. За семь с лишним лет он делает множество неудачных попыток, пока в 1915 не выдвигает ещё более невероятную и непонятную теорию – венец современной науки – общую теорию относительности.


О ней и многом другом в следующих постах.


З.Ы. Довольно интересный момент о увеличении массы при приближение тела к скорости света. С линейными размерами всё довольно просто. Скорость увеличивается - размеры вдоль направления движения уменьшаются. Но с массой всё сложнее. Дело в том что массу, в отличии от направления, нельзя померить вдоль или поперёк движения. Не может мешок картошки вдоль весить 30 кг, а поперёк 500. В научном мере, есть немалое количество физиков, которые считают увеличение массы при приближении тела к скорости света неверной штукой, и не обязательной. Есть и другие способы объяснить недостижимость скорости света. Её кстати не отменяет ни одна из трактовок. Ну кроме экзотических кротовых нор и прочего.

Показать полностью 3
971

В Google в ответ на критику подтвердили, что компания достигла квантового превосходства

Google опубликовала заявление, согласно которому квантовый компьютер компании смог выполнить задачу, которую не может выполнить ни один классический компьютер. Таким образом в корпорации подтвердили факт достижения квантового превосходства.

В Google в ответ на критику подтвердили, что компания достигла квантового превосходства Физика, Квантовая физика, Новости, Квантовый компьютер, Копипаста, Видео, Длиннопост

В Google сообщили, что Sycamore действительно удалось выполнить вычисление за 200 секунд. Аналогичная процедура заняла бы у самого быстрого суперкомпьютера в мире 10 тысяч лет.


«Это достижение является результатом многолетних исследований и самоотверженности многих людей. Это также начало нового путешествия: выяснение того, как заставить эту технологию работать. Мы работаем с исследовательским сообществом и имеем инструменты с открытым исходным кодом, позволяющие другим работать вместе с нами», — отметили в компании.


Там сослались в качестве подтверждения на публикацию в научном журнале Nature, который разместил отчет о результатах работы Google по созданию квантового компьютера. «Насколько нам известно, этот эксперимент знаменует собой первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре. Квантовые процессоры, таким образом, достигли режима квантового превосходства. Мы ожидаем, что их вычислительная мощность будет продолжать расти с двойной экспоненциальной скоростью», — говорится в материале.


Информацию подтвердило и НАСА. Ранее на сайте агентства появились первые выкладки о достижении квантового превосходства, однако затем материал удалили. «Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но это преобразующее достижение продвигает нас вперед. Наши миссии в ближайшие десятилетия на Луну, Марс и другие подпитываются такими инновациями, как эта», — отметил Юджин Ту, директор исследовательского центра NASA Ames Research Center.


Чтобы убедиться, что квантовое превосходство действительно было достигнуто, НАСА и Google обратились в Национальную лабораторию в Ок–Ридже, штат Теннесси, где находится Summit —самый мощный суперкомпьютер в мире. Там проверили, совпадают ли результаты квантового компьютера с результатами суперкомпьютера вплоть до предела квантового превосходства — выяснилось, что оно было достигнуто.

В Google в ответ на критику подтвердили, что компания достигла квантового превосходства Физика, Квантовая физика, Новости, Квантовый компьютер, Копипаста, Видео, Длиннопост

Глава Google Сундар Пичаи заявил, что для более широкой демонстрации квантового превосходства нужно построить отказоустойчивый квантовый компьютер с большим количеством кубитов, а это может занять несколько лет. Однако, по его словам, уже совершен прорыв: «Если брать аналогию — братья Райт. Первый самолет летел только 12 секунд, и в этом тоже не было практической пользы. Но это доказало возможность того, что самолет может летать».


Пичаи ответил на претензии со стороны IBM. По его словам, в данном случае достижение квантового превосходства — это веха, и не стоит придираться к терминам.


В сентябре на сайте НАСА появился доклад специалистов Google, которые заявили, что при помощи квантового компьютера «Sycamore» (Платан) с 53-кубитовым процессором удалось выполнить очень сложный программный расчет всего за 200 секунд. При этом самый современный мощный суперкомпьютер Summit смог бы произвести подобный результат лишь за 10 тысяч лет. Также, по оценкам специалистов компании, выполнение того же эксперимента на сервере Google Cloud заняло бы 50 трлн часов (5,7 млрд лет). Тогда же специалисты подчеркнули, что их новая система может выполнять только один расчет, а использование квантовых компьютеров для решения практических задач предстоит в далеком будущем. В эксперименте были использованы случайные числа, сгенерированные по специальному сценарию, связанному с квантовыми явлениями.


Позднее сотрудники отдела квантовых вычислений компании IBM заявили, что Google ложно сообщила о достижении квантового превосходства. В компании утверждают, что обычный вычислитель справится с этой задачей в худшем случае за 2,5 дня, и при этом полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Такой вывод был сделан по итогам проведенного теоретического анализа нескольких способов оптимизации. Однако авторы статьи отметили, что выкладки Google представляют определенный интерес. Они также обратили внимание на то, что применение термина «квантовое превосходство» может запутать любого человека, не специализирующегося на исследованиях в данной области.

В Google в ответ на критику подтвердили, что компания достигла квантового превосходства Физика, Квантовая физика, Новости, Квантовый компьютер, Копипаста, Видео, Длиннопост

Источник

Показать полностью 2 1
7902

Учебник физики. Начало.

Добрый учебный год, мои дорогие школьники и их родители. Прошло пару учебных дней, и моя старшая дочь, коей 14 лет отроду, сетует на домашнее задание по уроку физике.
Параграф 1.

Учебник физики. Начало. Школа, Физика, Учебник, Удивление, Длиннопост

Я, конечно, понимаю, что владимирская часовая зона особенная, но чтобы всего на час отличаться от магаданской... Да и написания с заглавной буквы часовых зон доставляет.

Параграф 2.

Учебник физики. Начало. Школа, Физика, Учебник, Удивление, Длиннопост

Я, как водитель со стажем, могу утверждать, что спидометр указывает скорость автомобиля "speed" - скорость, о чем мне и поведала дочь. Пройденный путь указывает одометр, который до сих пор на некоторых авто часто размещается на панели прибора "спидометр". Об этом дочь была не в курсе.
Вопросы.
Должна ли 14-летняя девочка разбираться в автомобильных терминах, чтобы понять, что авторы учебника ошиблись? Разве не должен учебник быть аксиомой в школе? И ведь это только первые два параграфа...

Учебник физики. Начало. Школа, Физика, Учебник, Удивление, Длиннопост

P.s. Уважаемые Пёрышкин и Гутник, а также ваши проверяющие, вам не стыдно?

Показать полностью 2
432

Разгадан величайший парадокс квантовой механики

Разгадан величайший парадокс квантовой механики Физика, Квантовая физика, Парадокс, Наука, Ученые, Китай, Квантовая механика, Открытие

Китайские ученые успешно проверили гипотезу, называемую квантовым дарвинизмом, которая объясняет трудноразрешимые противоречия между квантовой механикой и классической физикой, в том числе парадокс кота Шредингера. Исследователи протестировали одно из основных положений концепции, согласно которому одно из состояний квантовой системы многократно «отпечатывается» в окружающей среде, с которой эта система взаимодействует. Об этом сообщает издание Science Alert.


Для объяснения, как возникает классическая физика, исследователи предположили существование особенно устойчивых к декогеренции состояний, называемых состоянием указателя (pointer states). Конкретное местоположение частицы или ее скорость, значение ее спина или поляризация могут быть зафиксированы как устойчивое положение стрелки на измерительном устройстве. Иными словами, взаимодействие с окружением разрушает одни состояния, а другие оставляет, например, положение частицы. Это называется суперселекцией, индуцированной средой.

Согласно второму условию квантового дарвинизма, способность человека наблюдать какое-либо свойство зависит от того, насколько хорошо оно «отпечатано» в окружающей среде. Ученые подсчитали, что частица пыли в один микрометр за одну микросекунду «отпечатается» в фотонах около ста миллионов раз, что и обуславливает ее классические свойства. Разные наблюдатели видят пылинку в одном и том же месте благодаря «копированию» информации о наиболее устойчивом состоянии (в данном случае местоположении).


Ученые создали квантовую систему (фотон) в искусственной среде, состоящей всего из нескольких частиц (других фотонов). Согласно предсказанию квантового дарвинизма, наблюдая только за средой, можно получить всю информацию о классическом поведении частицы. Результаты проверки этого положения показали совместимость наблюдаемых свойств с теорией. Однако для доказательства последней необходимы дальнейшие исследования.


Декогеренцией называют процесс, когда квантовая система, которая находится в состоянии суперпозиции (ее альтернативные состояния наложены друг на друга), начинает проявлять классические свойства. Именно поэтому кот Шредингера, который, согласно мысленному эксперименту, является одновременно живым и мертвым, при открытии коробки оказывается лишь в одном из двух альтернативных состояний. Квантовая система запутывается с окружающей средой, взаимодействуя с огромным числом атомов, в результате чего ее состояния прекращают быть наложенными друг на друга. Если окружающая среда состоит из миллиарда атомов, то декогеренция происходит почти мгновенно, а кот не может быть одновременно живым и мертвым на отрезке времени, который поддается измерению.

Так себе источник: https://m.lenta.ru/news/2019/07/25/quantum/amp/

Показать полностью
2565

Теория струн. Зачем она?

Давным-давно, когда я нарисовала предыдущий пост на тему теоретической физики, большинство комментаторов выразило желание прочитать нечто похожее и про теорию струн (М-теорию). Что ж, данный пост будет как раз про это: что такое теория струн, с чем её едят, зачем она вообще нужна, кто придумал и к чему привела. Здесь не будут рассматриваться все достоинства и недостатки, обоснования и глубокая математика (хотя, скорее, геометрия), только самое основное.
Итак, поехали.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Для начала парочка замечаний:

1) «Теория струн» в первоначальном виде сама по себе уже устарела и сейчас это название закрепилось не за первоначальной теорией, а за целым семейством – собственно теория струн, теория суперструн и М-теория. Так что да, правильнее называть «семейство струнных теорий». Но всем пофиг.

2) Теория струн хоть и имеет отношение к физике, но в основном пока что это больше абстрактная математическая теория, серьёзно продвинувшая математический и геометрический (топологический) анализ. Не ждите значительных результатов в именно физике. По крайней мере, пока.

Прежде всего, надо сказать немного о том, как наши (и не только наши) шибкомозговитые физики вообще додумались до «подобного бреда» и почему всё пришло именно к нему. Дело в так называемой Стандартной модели элементарных частиц. В физике сие есть давно и всеми принятая классификация элементарных частиц, их видов и правил взаимодействий. Если у кого-то возникает вопрос о том, как в атомном ядре нейтрон «превращается» в протон и обратно, или, например, как распадается омега-гиперон, то этот кто-то смотрит в Стандартную модель и получает ответ. Если кто-то решает посмотреть кварковый состав К-мезона, он опять идёт туда же в Википедию к Стандартной модели и высматривает необходимые сведения.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Проблема Стандартной модели в основном состоит в двух связанных аспектах:

1) В ней слишком дохрена (20) так называемых «свободных параметров», то есть чисел, которые физики обосновать могут только фразами а-ля «так решил Ктулху». Никто не может сказать, например, почему у постоянной Планка именно такое значение.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

2) Далеко не все частицы, описанные в модели, не являются «элементарными» (то есть не состоящими из чего-то ещё) вплоть до кварков/глюонов и не ведут себя как «элементарные». То есть, например, протон/нейтрон/прочие барионы состоят из кварков+глюонов, а сами кварки/глюоны внутри более сложных частиц ведут себя так, как будто либо имеют сложную внутреннюю структуру, либо являются «состояниями»/разновидностями чего-то ещё (например, превращаются друг в друга).
Таким образом, Стандартная модель элементарных частиц хоть и работает, но в качестве теории, объясняющей внутреннюю природу частиц, не подходит. А количество видов самих частиц и правил их взаимодействий столько, что требовалась хоть какая-то теория, объясняющая кто виноват и что делать.


Второй предпосылкой появления новой теории являлась функция, описывающая взаимодействия частиц при столкновениях. Вот такая:

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

А график её для действительных чисел в качестве аргументов:

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Функция сама по себе довольно примечательная, описана была в своё время математиком Эйлером и названа в его честь бета-функцией Эйлера. Или просто бета-функцией.

Цимес в том, что функция сия была изначально применена для описания колебания гитарных струн и ни о каких взаимодействиях элементарных частиц на тот момент Эйлер не задумывался. По факту получалось, что частицы взаимодействую так, как будто они и не частицы вовсе, а лишь «пакеты» колебаний, волны, распространяющиеся по неким одномерным объектам «струнам», которые «на самом деле» и являются той элементарной, основной формой материи, столь долго искомой физиками.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Физики ухватились за новую идею как изголодавшаяся собака за сахарную косточку. Ведь это сулило прорыв покруче того, что в своё время устроила теория относительности вместе со своим автором: если «струны» являются основой, а частицы – лишь «колебания», то разнообразные свойства частиц можно было бы объяснить просто разными характеристиками колебаний одного и того же объекта – струны. Ведь колебания могут выглядеть очень-очень по-разному («создавать» разные виды частиц) и иметь очень много характерных свойств (осуществлять разные виды взаимодействий). Естественно, это всё предстояло проверить…

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Понятное дело, что для проверки у физиков есть столетиями отработанный механизм: создаём мат. модель в рамках теории, чтобы описывала наблюдаемое и предполагаемое. Потом пытаемся найти что-то новое, что эта модель предсказывает.

Вот тут вылезла проблемка: математическое моделирование струнных теорий упёрлось в неразвитость математики как науки. Да, представьте себе, аналитических методов математики оказалось недостаточно. Пришлось подключать соответствующих головастых мужиков. Не только чисто математиков, но и геометров. Последних – в большей гораздо части. А уж они-то такого напридумывали…


Что имеем на сегодняшний день: струнные теории отлично способны описать происхождение всех элементарных частиц, полей и взаимодействий. Причём делают они это геометрическим способом: введение дополнительных измерений (ещё 6) позволило «свести» все виды взаимодействий (электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное) в один вид. Мало того, теории могли «снять» проблему сингулярности и «потери информации» в чёрных дырах, с которой не справилась теория относительности, они до кучи объяснили все виды наблюдающихся симметрий в элементарных частицах и нарушения этих симметрий.

Самое главное достижение – струнные теории действительно способны объяснить константы микромира (например, значение элементарного заряда) с точки зрения геометрии, то есть без «свободных параметров». Но тут косяк.

Огроменный такой косячище.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Нет, не такой. Ещё больше. Всё та же математика. Дело в том, что струнные теории (М-теория, если точнее) могут всё вышеперечисленное. Могут, но пока не делают. А вот для того, чтобы сделали, надо... ни много ни мало, а найти вид конкретной свёртки дополнительных 6 измерений, соответствующий нашей вселенной.

«Мы ведь почему не наблюдаем эти дополнительные 6 измерений? – спрашивают сами себя физики. - Потому что они свёрнуты на очень-очень малом масштабе!»

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Ещё меньше!

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Не, ну серьёзно. 10^(-35) метров!

Что значит свёрнуты? Это несложно. Представьте себе бесконечный лист бумаги. Простой плоский, скучный. Вы можете по нему ходить вправо-влево, взад-вперёд сколько угодно.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

А теперь тот же лист обрежем, свернём бубликом и склеим края, вот так:

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Допустим, Вы всё ещё можете ходить по его поверхности. Хоть весь день, хоть всю жизнь, хоть дольше. В любом случае, как бы долго вы не ходили, с одной стороны Вы останетесь в пределах довольно ограниченной области пространства, а с другой – намотаете ровно столько километров, сколько решили намотать. В данном случае бублик – свёрнутое измерение.

Другой пример – сфера, поверхность нашей матушки-Земли. Ходите/плавайте сколь угодно долго, но Вы всё равно останетесь на её поверхности. Правда, устанете.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Фигня в том, что свёртка измерений, предсказываемая в рамках М-теории, далеко не так проста и выглядит не как сфера или бублик, а как один из вариантов так называемых конфигураций Калаби-Яу. Так:

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Или так:

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Или…

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

Вариантов – 10^500. И каждый соответствует своей возможной вселенной. Какой именно наш – пока что хрен знает.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост

А может и не знает. Но для дальнейшего использования всего семейства теорий струн конкретный вариант всё-таки надо найти.

Над этим и трудятся наши мозговитые геометры с математиками уже которое десятилетие. Не сказать, чтобы они стали близки к итогу, но продвинулись весьма значительно, попутно изобретя и накопав столько всего, что хватило аж на несколько отдельных отраслей науки: собственно геометрия высших пространств, топологический анализ, теория алгоритмов и кое-чего ещё, покруче. Основная проблема, правда, всё ещё остаётся: заумность выбранной области науки такова, что даже исследование подходов для её исследования далеко не простое. А уж придуманные даже на данный момент инструменты порой бьют по мозгам не хуже хорошего паровоза. Одно пространственное расслоение чего стоит.


Подводя итог:

Семейство струнных теорий замахнулось на примерно то же, что в своё время сделала теория относительности с гравитацией и релятивизмом – геометрическое обоснование природы элементарных частиц. Без свободных параметров (или с очень малым их количеством).

Струнные теории способны объяснить все виды наблюдаемых частиц и взаимодействий. Фактически может получиться теория вообще всего.

Так же они (возможно) способны объяснить природу и структуру пространства-времени как такового (что, собственно, проистекает из геометрического подхода).

Сама по себе разработка этих теорий очень сильно подтолкнула сопряжённые науки. Как ни странно, огромная сложность так же способствовала развитию альтернативных теорий, как не опирающихся на геометрию вообще, так и использующих совершенно иные подходы, но в рамках той же геометрии.

Благодаря этому пресловутому семейству появились даже такие теории, которые рассматривают вселенную как фрактальную структуру бесконечной вложенности (можно найти сколь угодно малые «частицы», которые тоже делятся на что-то).


Это главные достижения всего семейства. Естественно, у каждой теории есть недочёты и недостатки, а большую часть из них я тут вообще не упомянула. Но в данном посте такая задача и не ставилась.На этом всё.

В связи с некоторыми обстоятельствами, это последний мой пост по теоретической физике на данном ресурсе. Спасибо, что прочитали.

Теория струн. Зачем она? Теория струн, Физика, Квантовая физика, Длиннопост
Показать полностью 17
992

Лженаука в СПб!

18-19 мая, в культурной столице России - Санкт-Петербурге, состоится "выступление" лжефизика Катющика В.Г. Он "опроверг" Ньютона, Хокинга, Эйнштейна, Ландау и многих других! Уровень идиотизма на квадратный метр будет зашкаливать. Приходите, не пожалеете!

https://www.sci-tribunal.org/  И все это мракобесие будет проводится от имени Хакасского Технического Института.


А если серьезно, вопрос: нельзя ли этому как то законно воспрепятствовать?

112

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост

Сегодня астрономы Европейской Южной Обсерватории собираются представить миру первую в истории фотографию горизонта событий (проще говоря границы) черной дыры Стрелец А. Этот объект хоть и находится в самом центре нашей галактики Млечный путь, но от Земли до него целых 25 000 световых лет.

Событие достаточно громкое — вероятно, теория относительности на массивных объектах будет подтверждена или опровергнута.

В каком-то смысле чёрные дыры всё ещё объекты гипотетические. Но астрономы практически не сомневаются в их реальности — получено огромное количество косвенных доказательств их существования. Сфотографировать чёрную дыру (да и вообще увидеть) невозможно — эти объекты поглощают всё электромагнитное излучение. А это значит, что ни радиотелескоп, ни оптический не могут её увидеть.

Но чёрные дыры “выдаёт” их окружение. Их гравитация притягивает пыль и газ, поэтому на границе черной дыры материя образует аккреционный диск. Атомы там двигаются с невероятной скоростью. На таких скоростях материя настолько раскаляется, что начинает излучать рентгеновское и другие мощные излучения.

Учёные из Европейской южной обсерватории обещают нам показать тень чёрной дыры. По форме тени чёрной дыры, можно будет определить расходится ли теория гравитации с реальным положением дел.

Если тень будет иметь заранее смоделированную форму, то это будет означать, что общая теория относительности вблизи чёрной дыры сохраняется. А вот самые небольшие отклонения покажут, что теория гравитации Эйнштейна имеет определённые оговорки.
Это создаёт огромный простор для физиков теоретиков для создания новых теорий, в которые впишется поведение чёрных дыр.

Можно сказать происходит самый сумасшедший краш-тест во Вселенной. На кон поставлено будущее современной физики.

Официальный доклад учёных начнётся сегодня в 17:00 по московскому времени.
Ссылка на трансляцию:
https://www.youtube.com/watch?v=Dr20f19czeE&feature=youtu.be

Как думаешь, мы на пороге новых открытий?

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост
Показать полностью 1
608

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики.

Этот пост мотивирован к написанию большей частью благодаря твёрдой уверенности отдельных продвинутых физик-кунов из числа пикабушников в … теории относительности. Если точнее не в самой теории, а её роли в современной физике. Итак, о священных коровах.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Большинство из нас в общих чертах представляет теорию относительности как достаточно заумную фигню, в которой лучше не разбираться, дабы не сломать мозг. При этом основные положения теории про скорость света, релятивистские эффекты и прочие плюшки принимаются как данное, то есть то, с чем лучше не спорить или до чего лучше не докапываться. Ибо понабегут, докопаются и засмеют, если не зачмырят. Тем не менее, суть самой теории, её центральная идея остаётся непонятой в той же степени, в какой непонятым остаётся оператор дивергенции из высшей математики. А ведь по сути и то и другое – не нечто сверхсложное. Я бы сказала даже наоборот – весьма и весьма простые вещи заложены в основу «великих» теорий.


Итак, кратенько, суть теорий относительности.


Хотя в одном из пердыдущих постов уже писала, повторюсь. Откуда ноги растут: электромагнитные волны. Все. Радио, микроволновки, радары, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Всё, что имеет электромагнитную природу и поддаётся описанию волновой природы. Мы знаем, что волна – это колебание. Колебание чего-то, колебание какой-либо среды. Звук – колебание молекул воздуха, морские волны – колебания воды, а электромагнитные… А кстати, что колеблется в электромагнитной волне? Какая среда получает изменяющиеся мгновенные значения электрического и магнитного поля, чтобы получилась волна? «А вот хрен знает, но это очень интересный вопрос!», подумали в своё время учёные и стали искать ответ.


Сначала придумали эфир. Некую субстанцию, пронизывающую всё, и способную передавать электромагнитные волны. Придумать-то придумали, а ведь его ещё найти надо. Искали. Не нашли. Ну нет эфира. Мало того, что его нет, так у электромагнитных волн ещё одну фишку нашли: они распространяются с одной и той же скоростью. Всегда. Независимо от того, двигается ли источник или нет. Как бы мы не мерили скорость. Как бы не двигались при этом сами и как бы быстро не двигался источник, скорость света всегда будет одна и та же. Нет сложения скоростей! Ньютоновская механика идёт в жопу, заставляя физиков не по детски охреневать плакать от бессилия.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Вот тут то на сцену выходит знаменитый еврей и рассказывает всем правду со своими догадками. Оказывается, на самом деле всё выглядит так, будто время в разных системах отсчёта идёт по-разному. Если система отсчёта движется, то время в ней замедляет течение. И как бы мы в этой системе не пытались измерить скорость света, замедление времени даст нам результат, равный той же константе с, которую мы получили бы, не двигаясь никуда. (Маленькое уточнение: с – максимальная скорость любых взаимодействий, в том числе электромагнитных)


Первая главная идея – идея специальной теории относительности: нет никакой общей системы отсчёта. У каждого – своя. Системы отсчёта не равны. Именно в этом суть идеи: всё относительно. События, движение, процессы, взаимодействия - всё что угодно происходит и измеряется относительно чего-то. Относительно того, кто измеряет, например. Да, системы отсчёта равнозначны, в них действуют одни и те же законы, действуют одинаково, но сами системы не равны друг другу.


Вторая главная идея – идея общей теории относительности: нет никакой гравитации, это всё искривление пространства. Все гравитационные взаимодействия – следствия влияния инерционной массы на пространство рядом с ней. Нет воздействия одного тела на другое посредством гравитации, это пространство искривляется так, что одно тело "притягивает" другое (и наоборот). Наличие массы даёт геометрическое искажение пространства. Прямая линия нихрена не прямая, нам только кажется.


Это самая суть, если в двух абзацах. Теперь к ошибкам.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Первая, самая распространённая ошибка. Теория относительности (и общая и специальная) – это не теория, объясняющая причины наблюдаемых явлений. По сути – это математическая модель, набор уравнений, позволяющих просчитать то или иное наблюдаемое явление. Например, релятивистское изменение массы или времени. Уравнения основаны на наблюдениях за явлениями и лишь описывают их. Сама по себе механика явлений для ТО не доступна. Когда я спрашиваю, почему время в движущейся системе отсчета замедляется, мне в ответ приводят формулу релятивистского замедления времени. Но разве время смотрит на эту формулу, говорит «О! Чуть помедленнее, кони!» и затем изменяет свой бег? Что именно заставляет процессы замедляться? Почему это происходит?

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Теория относительности на этот вопрос ответа не даст.


Вторая по распространённости, но первая по важности ошибка. Теория описывает наблюдаемые процессы. Все эффекты, которые ей предсказываются/наблюдаются в действительности можно описать фразой «выглядит так, как будто…» и дальше соответствующее математическое выражение. Однако «выглядит как будто» и «на самом деле так» - это две большие разницы. В случае с теорией относительности данный момент вообще принципиален. Например, из уравнения релятивистского замедления времени следует, что на скорости света время просто останавливается. Для света времени нет. Фотон не знает о времени, которое затратил на свой полёт. Так утверждает теория. Но так ли это на самом деле? Если бы для фотона время не существовало само по себе, мы бы его не наблюдали. Действительно, остановка времени означает запрет на все процессы взаимодействия, ибо они происходят во времени. Фотон не поглощался бы веществом и не замедлял свою скорость в среде – ведь для него не существует времени, он «не знает» где распространяется.


Повторюсь на всякий: теория относительности отлично описывает эффекты, но не стоит распространять её дальше положенного.


Третья ошибка, связанная со второй: постулаты теории относительности справедливы для неё.

Любой постулат нужен для того, чтобы на него можно было опираться при построении теории. Как правила в игре: используя их, мы можем посмотреть, до какого итога доиграемся. В любой теории постулаты используются для того же – на основе их посмотреть, что получится в итоге. Какие математические модели, какие уравнения.

Однако как только мы меняем саму игру, глупо следовать в ней правилам старой игры. Кое-что можно, конечно, заимствовать, но тогда это будет не новая игра, а обновлённая старая. Если мы хотим новую теорию, тогда постулаты старой надо рассматривать не как незыблемые правила для новой.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В качестве ярчайшего примера могу привести непреодолимость скорости света как следствие постулата одинаковости её в разных системах отсчёта. Мы знаем, что двигаться со скоростью выше скорости света нельзя. «Нельзя и всё тут». А иначе энергия+масса движущегося тела становится мнимой (из уравнения коэффициента Лоренца), время вообще ведёт себя хрен знает как и вся математика разваливается. Цимес кроется как раз в двух последних словах: математика разваливается. Но математика – это следствие наблюдения, закон, имитирующий явления. Это не причина для физического процесса. С другой стороны, природа даёт нам прозрачнейшие подсказки существования движения на сверхсветовых скоростях, пусть и в слегка необычном варианте.


Смотрите на звёзды. На самые дальние структуры типа квазаров, протогалактик и так далее. Всё, что мы наблюдаем, находится в радиусе примерно 13,2 млрд. св. лет от нас. Дальше мы не видим, просто не можем. Но то, что мы видим – история развития вселенной – показывает нам далёкое прошлое. То, что происходило как раз те самые 13,2 млрд. лет назад. Возникает вопрос: свет шёл к нам 13,2 млрд. лет, значит уже тогда, давным-давно, где-то там, далеко-далеко уже что-то было. Но как же большой взрыв? Он ведь произошёл в достаточно ограниченной области. Как вещество успело преодолеть за очень-очень короткое время колоссальное расстояние в 13,2 млрд. св. лет, чтобы потом начать нам светить? Значит, скорость движения этого вещества была выше скорости света?

Была. Во много-много раз больше. И для некоторого вещества она по сей день остаётся гораздо большей, чем скорость света. Мы ни за что не увидим это вещество, если не научимся перемещаться быстрее света сами. В чём секрет? Вещество перемещается вместе с расширением пространства.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

На скорость расширения пространства нет ограничения в виде максимальной скорости взаимодействий. Оценочные размеры вселенной не 13,2 млрд. св. лет, а все 49,5 (нет, уважаемые пикабушники, с вашими 49,5 см. это не связано).

Можно сказать, что сверхсветовое перемещение как вариант классического варпа был реализован нашей вселенной на самом раннем этапе развития и продолжает существовать до сих пор. Причём, чем дальше (и во времени и в пространстве) – тем быстрее будет этот варп.


Четвёртая ошибка: теория относительности небезгрешна.


Здесь имеется в виду внутренняя непротиворечивость, которая просто таки положена любой хорошей физической теории. В ТО внутренних противоречий достаточно, чтобы не воспринимать её как абсолютно верную даже в собственных рамках.

Один из примеров я уже приводила в предыдущем посте: так называемая гравитационная сингулярность. По сути, это такое явление, которое должно наблюдаться при очень-очень больших массах (но в действительности не наблюдается, хотя массы есть). Если мы берём ну очень большую массу, она искажает пространство настолько, что кривизна его по расчётам становится бесконечной. А что такое бесконечная кривизна в ТО? Бесконечное ускорение. Это значит, что любое тело за любой сколь угодно малый промежуток времени приобретает скорость выше скорости света.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В целом обе теории относительности оказались весьма важны для развития физики и построения уже более глубоких теорий всего, так что заслуги их я ни в коей мере не умаляю. Просто будьте аккуратнее в суждениях.


Ну а напоследок предлагаю выбрать тему для следующего поста:


Почему скорость света такая, какая есть.


В чём суть теории струн (М-теории) и каково её место в физике.


Непустое «пустое» пространство – вакуум.


Применение ландшафта теории струн при проектировке гиперсветовых двигателей.


Спасибо, мы не нуждаемся в ваших услугах.


зы: баянометр поворчал на картинки, но не сильно.

Показать полностью 6
74

Волче-заячий дуализм

Привет! В прошлом посте завязалась дискуссия, много кто интересовался светом. Анахорет решил сделать пару комиксов на эту тему, вдруг понятнее станет что-нибудь)) https://pikabu.ru/story/pyatno_aragopuassona_6406475

Волче-заячий дуализм Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовая физика, Анахорет, Длиннопост
Волче-заячий дуализм Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовая физика, Анахорет, Длиннопост
Показать полностью 1
189

Что значит m в формуле E = mc^2

Продолжение.
Часть 1
Часть 2
Часть 3

Атом водорода имеет меньшую массу, чем сумма масс отдельно взятых протона и электрона. Мы знаем это точно, иначе бы в нашей Вселенной не было бы звёзд, потому что именно благодаря этому «дефекту массы» и возможны ядерные и термоядерные реакции, однако, как может что-то иметь массу меньшую, чем сумма масс его составных частей?

Разумеется, из за этого:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Давайте посмотрим, что же на самом деле означает самое знаменитое уравнение в истории физики.

Это уравнение было опубликовано А. Эйнштейном 27 апреля 1905 года в работе под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», где заключается: « … если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c² ». Иными словами, в оригинале, уравнение имело вид:

m = L/c²

(в оригинальной работе Эйнштейи использовал для энергии обозначение L)
Русский перевод здесь, всего 3 странички, можно осилить.

Эйнштейн использовал такую запись, потому что краеугольным камнем современной физики является понимание того, что такое масса.

Мы часто слышим утверждения вроде масса – одна из форм энергии, или масса – «замороженная» энергия, или (в наихудшем виде) масса может быть преобразована в энергию. На самом деле ни одно из данных утверждений не верно на 100%.

Чтобы понять, что же именно значит E = mc², давайте рассмотрим явления, которые не укладываются в наше повседневное и обыденное представление о массе.

Вот, к примеру, одно из них: если два объекта состоят из абсолютно идентичных составных частей, данные объекты не обладают идентичной массой.

(a + b + c) ≠ (b + c + a)

Масса чего-либо созданного из более мелких составных частей не является суммой масс этих частей:

m1 ≠ ma + mb + mc
m2 ≠ ma + mb + mc

Общая масса составного объекта зависит во-первых, от того, как составные части расположены по отношению друг к другу, во-вторых – от того, как они двигаются внутри данного объекта.

Вот конкретный пример: представьте себе пару заводных механических часов, чьё строение идентично до атомной структуры. Единственная разница между ними – то, что пружина в одних часах взведена, и часы идут, а пружина вторых часов расслаблена, и часы стоят. Согласно Эйнштейну, масса тикающих часов больше, потому что шестерёнки и стрелки находятся в движении и их кинетическая энергия больше. Кроме того, пружина в этих часах заведена и имеет большую потенциальную энергию. Между движущимися деталями этих часов возникает трение, которое их слегка нагревает, и атомы, из которых состоят эти часы, двигаются более интенсивно. Тепловая энергия – это та же кинетическая энергия атомов, из которых состоят наши часы.

Так что же говорит нам уравнение E = mc²? То, что вся тепловая, кинетическая и потенциальная энергия часов добавляется к их массе. Мы просто складываем всю эту энергию, делим на скорость света в квадрате и получаем ту «лишнюю» массу, которая добавилась к идущим часам.

Так как величина скорости света в квадрате – астрономически огромное число, полученное нами значение даст прибавку порядка атто-грамм или 1×10⁻¹⁸ доли процента (0,000000000000000001%), однако эта разница в массах присутствует и может быть объективно-измерена в лабораториях.

Этот пример показывает нам, что масса – это не характеристика количества материи в объекте. В повседневной жизни мы просто не замечаем разницы.

Для того, чтобы среди физиков не возникало недопониманий, современная наука оперирует понятием «масса покоя» или «инвариантная масса», то есть – масса недвижимого объекта. Само слово «покоя» часто не произносят, но когда говорят о массе, всегда подразумевают «массу покоя», так как только о данной величине все независимые наблюдатели из любой системы отсчёта смогут договориться (по аналогии с тем, как пространственно-временные интервалы между событиями являются единственной объективной характеристикой, о которой могут договориться независимые наблюдатели).

Из классической ньютоновской механики мы знаем, что полная энергия движущегося объекта растёт, что выражается формулой кинетической энергии E = mv²/2, путём нехитрых преобразований мы можем получить понятие релятивистской массы – массы движущегося тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Таким образом, релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Поскольку импульс тела так же вносит свой вклад в полную энергию (и релятивистскую массу), полная версия уравнения Эйнштейна выглядит следующим образом:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Определённая таким образом масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же в любой системе отсчёта. Если мы согласимся считать скорость в единицах скорости света, то данную формулу в специальной теории относительности можно упросить до:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Как видно из приведённых формул, релятивистская масса тела растёт с увеличением скорости. Как следствие — по мере приближения к скорости света потребуется всё большая и большая сила для дальнейшего увеличения скорости. Релятивистская масса стала бы бесконечно большой при достижении этого порога, что так же означает, что до придания телу такой скорости, потребуется бесконечно большое усилие.

В общей теории относительности всё ещё больше усложняется, но для нас сегодня m в формуле E = mc² означает массу покоя. Полную же массу можно считать индикатором того, насколько сложно будет придать объекту ускорение, либо какое гравитационное воздействие будет испытывать данный объект.

Вернёмся к примерам, вот ещё один: как только вы включите фонарь, его масса немедленно начнёт уменьшаться. Свет, который исходит от фонаря, уносит энергию, которая ранее была запасена электрохимическим образом в батарее и добавлялась к полной массе фонаря. Наше солнце – в принципе, тот же фонарь, только огромных размеров. Оно теряет около 4 миллионов тонн массы каждую секунду и только его огромные размеры спасают нас от гибели в холоде и тьме, потому что эта масса – лишь 1×10⁻²¹ доля полной массы Солнца (за почти десять миллиардов лет своего существования, Солнце истратило лишь 0,07% своей массы).

Так что же означают слова, что солнце преобразует массу в энергию? Речь не идёт ни о какой алхимии. Вся энергия солнечного света – результат преобразования иной формы энергии – кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит наше Солнце. Те 4 миллиона тонн, которые теряет наше Солнце – лишь результат уменьшения потениальной и кинетической энергии частиц, из которых оно состоит.

Всё, что мы взвешиваем на весах – лишь энергия частиц, мы просто никогда этого не замечали.

Ещё пример: представьте, что вы стоите с фонариком в руке внутри закрытого ящика с зеркальными стенками, который, в свою очередь, стоит на больших весах. Уменьшится ли показание весов, если включить фонарик? Ответ – нет, не уменьшится. Хотя масса фонаря и уменьшится, масса всего ящика останется неизменной, так как энергия фотонов, которые покинули фонарик, не покинет пределы ящика, и хотя у фотонов масса покоя отсутствует, их энергия включается в массу покоя ящика.

В каждом из рассмотренных примеров целый объект имел большую массу, чем масса его составных частей, но в начале этого поста было сказано, что масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона, из которых он состоит. Почему так?

Потому что потенциальная энергия может быть и отрицательной. Давайте обозначим потенциальную энергию протона и электрона, находящихся бесконечно далеко друг от друга за нулевую. В силу того, что они притягиваются друг к другу, чем меньше между ними расстояние, тем меньше будет их потенциальная энергия (точно так же, как потенциальная гравитационная энергия уменьшается по мере приближения к поверхности земли). Если они сблизятся до размеров атома водорода, их потенциальная энергия меньше нуля. Хотя электрон в атоме водорода и обладает ещё кинетической энергией, так как он движется вокруг протона, суммарная энергия системы протон-электрон всё равно будет отрицательной, а следовательно, согласно нашей формуле m = E/c² будет так же меньше нуля.

Именно поэтому масса атома водорода меньше, чем сумма масс его составных частей. На самом деле, масса любого атома в периодической таблице будет меньше, чем сумма масс протонов, нейтронов и электронов, из которых они состоят.

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

То же самое касается и молекул. Молекула кислорода O₂ весит меньше, чем два отдельных его атома, так как суммарная потенциальная и кинетическая энергия этих атомов становится меньше нуля, когда они образуют химическую связь друг с другом.

А что насчёт самих протонов? Они состоят из частиц, называемых кварки, и их суммарные массы примерно в 100 раз меньше массы протона. Так откуда же у протона масса? Она «добирается» из глюонов (или, если упрощённо – потенциальной энергии кварков).

Откуда же берётся масса элементарных частиц (электронов или кварков)? По крайней мере в стандартной модели физики частиц, у них нет составных частей (поэтому они и называются элементарными). С определёной точки зрения (и точки зрения до-Эйнштейновской физики), их массы элементарны, однако, и об их массе можно судить, как о некоей форме потенциальной энергии. Например, можно рассматривать их массу, как потенциальную энергию взаимодействия электронов и кварков с полем Хиггса, а так же с электрическими полями, которые они сами же и порождают, либо, в случае с кварками – потенциальная энергия взаимодейтсвия с их глюонными полями.

Даже классический пример так называемого «преобразования массы в энергию» – аннигиляцию материи и антиматерии концептуально сводится к тому же преобразованию одного вида энергии к другому, и вам не требуется алхимия по преобразованию массы в энергию для его объяснения.

Основная идея данного поста в том, что масса – понятие виртуальное. Это всего лишь свойство, свойство, которое проявляет энергия, поэтому некорректно думать, что масса может являться мерой количества материала в том или ином объекте, на самом деле, это характеристика количества энергии, которой данный объект обладает. Значение именно этой характеристики мы получаем, когда взвешиваем тот или иной объект.

Показать полностью 5
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: