На самом деле все упирается в то что современная физика вообще не очень понимает, что за сущности - пространство и время.
Речь не даже не о стреле времени - это еще не самая главная проблема, а о пространстве и времени как таковых.
Это речь не только о сингулярностях в ОТО - хотя вопрос, какой может иметь смысл "отсутствие времени", как выглядит материя "без времени" тоже не бессмысленный. В конце-концов время можно родить чем-то вроде нарушения симметрии.
Гораздо важнее, как мне кажется, "парадокс стрелы" Зенон: мы до сих пор не слишком понимаем состояние движения (изменения состояния) как такового. Мы не умеет говорить об изменении состояния вне времени, и не умеем говорить о времени вне изменения состояния. В той же квантовой механике система находится либо в одном состоянии, либо в другом либо... В смешанном, которое мы "не видим", так как это игра вероятностей, выпадающая в определенность только в ходе воздействия на систему, что уже само по себе предполагает время - ибо есть состояние до воздействия и состояние после.
Так что, настоящая физика, еще можно сказать, и "не начиналась". У меня есть ощущение, что должен произойти какой-то качественный скачек не только в понимании, но и даже в используемом языке описания. Типа, как при смене парадигмы от "естественно места" и абсолютных верха и низа произошел переход к современным образам пространства, "полям" и т.д.
Собственно, сегодня даже точно и выразить нельзя, что хочется. К примеру, мы можем утверждать, возможно, что поскольку время связано с изменениями вообще и если изменений нет, то говорить о времени невозможно, так как измерять его нечем, то отсутствии времени означает отсутствие изменений. Но отсутствие наблюдаемых изменений - это нечто вроде "нулевой температуры" или очень большой энергетической щели, практически запрещающей рождение "чего-то реального" из вакуумного состояния. Щели, настолько большой, что рождение виртуальных пар массивных частиц в результате вакуумных флюктуаций оказывается крайне маловероятным (или невозможным вообще). Тогда "тик", отвечающий за изменение состояния оказывается невозможным и говорить о времени, как кажется не приходится. Но что такое мир в таком странном состоянии? Можно ли вообще говорить о виртуальных флюктуациях без времени, или надо вводить виртуальное пространство время, которого нет, но оно есть? -Это не просто флюктуации метрики. Это нечто, связанное со словом "есть", то есть - существует. Но если ничего нет, то нет и наблюдателя флюктуаций. А нет наблюдателя - прощай квантовая механика, если не вся физика. Тут прав Смолин: у нас нет физики не для подсистем. В том числе, физики без наблюдателя.
Но это все, я имею в виду - подобные рассуждения, = в реальности практически бессмысленны, так как, повторяю, понимание и даже слова для адекватного выраджения этого понимания, как мне кажется, сегодня просто отсутствуют. Нужен какой-то качественный скачек. Теория струн в этом отношении мало что дает, такак как изменение числа размерностей описывает пространство, но не дает ничего в части понимания его сущности и сущности времени. Да же и понимание теории относительности в духе "гидродинамики" более мелких "квантовых объектов" не приближает такого качественносого скачка. Тем более это относится к идея типа мультиверса.
Что-то мы пока глубоко не понимаем... Но понять-то хочется.
Видна последовательность и примерные размеры, которые обычно описывают цифрами. Но это далеко не так. Вопрос с расстояниями и реальными размерами. Как их осознать и с чем сравнить?
Такая картина уже ближе:
Но с расстояниями пока не очень.
Для поиска решения, мы применим астрофизику, географию, калькулятор и пытливость ума.
Уменьшаем нашу солнечную систему в 10 000 000 раз и получаем расстояние и размеры, которые можно осознать, перенеся их на плоскость в один ряд. И конечно, с учетом масштаба, плоскостью будет поверхность земли, а ряд из планет мы выстроим от Москвы до Санкт-Петербурга по бесплатной трассе.
По бесплатной, потому что нам нужны ориентиры в виде населенных пунктов, автозаправочных станций, поворотов, съездов, магазинов и прочих объектов, к которым можно привязаться.
Первым объектом у нас конечно же будет солнце, уменьшенное в масштабе в 10 000 000 раз. С учетом привязки к Ленинградскому шоссе, отправной точкой у нас будет пересечение с МКАД и развязкой на нём.
Нанимаем 150 самых мощных автокранов, всем участникам раздаем солнечные очки, крем для загара, огнеупорные перчатки и размещаем солнце в центре этой самой развязки. Оставляем несколько метров для проезда автомобилей и получаем такую картину:
Солнце на месте, всем проезжающим о-очень тепло и светло. Обнуляем данные суточного пробега на своём авто и едем в сторону города Санкт-Петербурга. Далее, в момент когда данные суточного пробега покажут 5,8 километра, останавливаемся в начале деревни Новодмитровка, рядом со вторым столбом, на котором висит знак «Осторожно, дети!». Снова надеваем перчатки и солнечные очки, потому что Меркурий с солнечной стороны +480 градусов, с теневой -180 градусов, и то и другое без тренировки неприятно))). Достаём из багажника Меркурий, который в данный момент всего 48 сантиметров в диаметре и крепим его на тот самый столб, нагретой стороной к солнцу:
Столб начинает покрываться инеем, визуализация на высоте и мы едем дальше. Отъезжаем ещё на 5 километров и достигнув данных суточного пробега равного 10,8 км, останавливаемся у супермаркета «Пятерочка», в квартале Кирилловка, микрорайона Подрезково. Надеваем термоперчатки, потому что средняя температура на Венере +480, достаем шар диаметром 1,2 метра и кладем его рядом с отбойником, чтобы не укатился:
Мы увеличили посещаемость супермаркету и едем дальше, до момента показаний суточного пробега равного 15-и км. Останавливаемся в деревне Елино, городского округа Химки, перед АЗС Татнефть, на треугольнике безопасности. Открываем багажник и достаем мини-версию планеты Земля, которая в диаметре 1,27 метра. Устанавливаем её на треугольнике безопасности, держим её минуту без движения пока она не примёрзнет южным полюсом к асфальту, отпускаем и привет))):
После этого, дабы не злить вселенную, достаем из багажника Луну диаметром 34 сантиметра и кладём её на расстоянии 38,5 метра от Земли, около стеллы АЗС и выглядеть это будет примерно так:
Вытираем руки от серого песка, солёной воды и трогаемся дальше, пока не достигнем показаний 22,8 км и останавливаемся около наземного пешеходного перехода через Ленинградское шоссе, в районе деревни Чашниково, городского округа Солнечногорск. Открываем багажник, надеваем перчатки, потому что на марсе от -163 до +20 градусов и к нему легко примёрзнуть. Достаем шар диаметром 66 см и кладем на обочину, так как с местом размещения марса там не очень разгуляешься:
Нам пора и мы наматываем километры до новых показаний на датчике суточного пробега в 77,9 км. И уже из дали, с правой стороны от дороги, замечаем шар диаметром 14,4 метра (примерно как высота пятиэтажного дома). Мы заказали спец-доставку космических объектов, так как Юпитер тяжеловат, да и руками его лучше не трогать. На две трети он состоит из водорода, гелия, аммиака и кучи всяких неизученных особенностей, позволяющих ему называться газовым гигантом. Это значит, что твёрдое у него только ядро. Температура на его поверхности -145 и перчатки тут не помогут. С учётом его размера и нашего турне, чтобы дотронуться до ядра - придётся нырять на глубину примерно 5 метров и едва ли это отличная идея))). Его разместили над болотистым местом и немного прижали к деревьям для сравнения:
Впереди очередное расстояние, задача докрутить наш счетчик до 150 км и остановиться у поворота на деревню Кривцово, Калининского муниципального округа, Тверской области. На треугольнике безопасности, расположился Сатурн и его кольца. Высота нашего макета 12 метров и для сравнения - это высота четырехэтажного дома. Ветер на поверхности планеты достигает 1800 км/ч (с такой скоростью, мы преодолеем расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга за 20 минут). У него есть метановые моря и озёра, как и Юпитер - он является газовым гигантом. В реальную величину, его кольца состоят из кусков водяного льда, размером от сантиметра до десятков метров и примесей пыли:
Проезжаем мимо, чтобы не на рушить систему колец и докручиваем наш счётчик за пару часов до 309-го километра. Въезжаем в Бологовский район, село Хотилово, Тверской области, проезжаем 300 метров и останавливаемся у небольшого водоёма, справа от дороги. Дополнительный ориентир - АЗС «Радуга» через 100 метров с левой стороны. Перед нами, голубой шар высотой 5,13 метра. Это уран:
Температура на этой планете - 224, на поверхности встречаются облака из аммиака, водорода и льда. Недра состоят в основном из того же льда и горных пород. Благодаря составу и размеру, он считается ледяным гигантом. Водоем скоро начнет замерзать и мы хлопаем дверями автомобиля.
Нам нужно добраться до Бронницкого сельского поселения Новгородского района и остановиться у места пересечения с рекой Крупица. Для этого нам нужно ещё пару часов мчать в сторону Питера и на 478-м километре нашего счётчика учета суточного пробега, мы останавливаемся. Перед нами Нептун:
Высота макета 4,95 метра. Скорость ветра на его поверхности достигает 600 м/с, с такой скоростью от Москвы до Питера мы могли бы добраться за 19 минут. Нептун и Уран очень похожи, Нептун тоже является ледяным гигантом. Но у него есть отличительная особенность, температура его ядра достигает температуры + 5000-7000, то есть, как на поверхности Солнца.
Пока земля делала 165 оборотов вокруг Солнца, Нептун справился с этой задачей немного скромнее и сделал вокруг солнца всего один оборот. Это значит, что год на Нептуне длится 165 Земных лет.
24 августа 2006 года, международный астрономический союз лишил Плутон статуса планеты. Причиной стал его размер, сравнимый с рядом астероидов и необычная орбита, отличающаяся от остальных планет. Но мы не можем его исключить из нашей миссии, потому что нам никто этого не простит.
Заводим автомобиль, давим на газ и крутим наш счетчик до 651 километра. Мы в посёлке Шушары, Пушкинского района, г. Санкт-Петербург. Останавливаем автомобиль у закрытого блоками поворота на коттеджный поселок «Новая Ижора» и достаем из рюкзака Плутон. Его размер всего 23 сантиметра (меньше футбольного мяча). Внутри его каменное ядро, покрытое толстым слоем льда с разными примесями и всё это при температуре -230 градусов. С 1776 года, он сделал всего один оборот вокруг солнца, пока на Земле шли 248 лет. Если вы смотрите на него в телескоп - знайте, вы видите его таким, каким он был 5 часов, 20 минут и 33 секунды назад. Чтобы он не потерялся, мы положим его на блок:
На этом малыше мы заканчиваем своё путешествие и уточняем:
В нашей затее, правильное расстояние от МКАД до Плутона - 592 км по прямой, но...., дорога виляет и расстояние всего пути по бесплатной дороге, увеличивается до 651 километра, сохраняя при этом правильное положение объектов относительно друг друга.
Описание физических данных планет, относятся к характеристикам при условии их реальной величины. Так же, макеты планет на изображениях в этой статье, не передают реальный вид описываемых нами объектов, а имеют лишь цель визуализации размера.
Привет, «Лучик»! Недавно я ходила в планетарий, и там мне рассказали о планете полностью покрытой льдом. После этого я не могу понять почему нельзя привезти на эту планету сильный обогреватель? Ведь лёд превратится в воду, а в ней образуется жизнь... Полина П.
Привет, Полина! Спасибо за интересный вопрос! И для начала – встречный вопрос: а нравятся ли тебе в школе уроки математики? Потому что ответить на твой вопрос без математики не получится!
Европа, покрытый льдом спутник Юпитера
Многие дети математику не любят, даже боятся. И как только видят где-нибудь формулы, тут же пугаются и «читать дальше» совершенно не хотят. Потому что «скучно», «непонятно» и даже «страшно». Что намного хуже – откроем секрет, точно также себя ведут многие взрослые! Математики они не любят, формул и чисел боятся, как огня! Это грустно – и очень плохо.
Плохо вовсе не потому, что за неправильно решённую задачу или пример поставят двойку! Дело в том, что математика – единственный верный способ «предсказывать» события, «предвидеть результат». Именно поэтому в древние времена математику считали разделом магии, то есть волшебством. Скажем, читаем в новостях: в каком-то городе решили построить для детей стадион. Хорошее дело, правда? Началось строительство. А потом... как-то само собой закончилось «где-то посредине». И остался стадион стоять «недостройкой», «заброшкой». И ребята остались без нового стадиона. Почему? А потому что те самые не любящие формулы и цифры взрослые посчитали – на стадион надо (допустим) десять миллионов рублей. А когда строительство уже началось, вдруг выяснилось – посчитали неправильно, и нужно не десять миллионов, а сто! И где их взять? Скандалы в газетах, разбирательства в суде...
Вот почему так важно «подружиться» с математикой ещё в школе. Любое большое и сложное дело – это прежде всего точный и подробный план. А такой план без формул, цифр и расчётов невозможен!
Итак, «почему бы на покрытую льдом планету не привезти сильный обогреватель»? Помните, как в мультфильме «Ну, погоди!» Волк с помощью кипятильника согревает воду в пруду, и там становится так жарко, что на берегу начинают расти ананасы, а в самом пруду заводятся крокодилы, ага?
Так вот, сперва нам нужно оценить – а насколько «мощным» должен быть этот кипятильник, или (переводя на язык науки) сколько нам потребуется энергии?
Для примера возьмём Энцелад – полностью покрытый льдом спутник планеты Сатурн. Этот спутник учёными достаточно неплохо изучен, мы многое знаем о нём благодаря автоматическим космическим аппаратам «Вояджер» и «Кассини». Внимание! Вдохнули! Начинаются цифры и формулы! Диаметр Энцелада – 500 километров, а толщина ледяной корки на поверхности – около 2 километров. Используем формулу объёма шара из школьного учебника математики (два раза), вычитаем, и получаем ответ: нам предстоит растопить примерно 1 миллион 500 тысяч кубических километров льда.
Энцелад (спутник планеты Сатурн)
Причём совсем не простого льда! Энцелад находится на огромном расстоянии от Солнца – почти полтора миллиарда километров. Поэтому солнечного тепла там очень мало – температура на поверхности минус 200 градусов! А при такой температуре лёд становится очень плотным и твёрдым, из такого льда можно запросто сделать ножницы, нож или даже топор – причём острые, как бритва! Плотность привычного нам «земного» льда при температуре ноль градусов – 916 килограмм на кубический метр. «Инопланетный» лёд на Энцеладе намного тяжелее – примерно 934 килограмма на кубический метр. Теплоёмкость у него примерно в два раза меньше, а теплопроводность – наоборот, примерно в два раза больше. А в одном кубическом километре (таблицу на последней странице школьной тетради помните?) – ровнёшенько 1 миллиард кубических метров льда. Значит, нам предстоит растопить (умножаем):
1 500 000 кубических километров Х 1 миллиард кубических метров Х 934 килограмма
Масса льда на Энцеладе РАВНЯЕТСЯ = 1 494 400 000 000 000 000 килограмм. Буквами: один секстиллион четыреста девяносто четыре квинтиллиона четыреста квадриллионов килограмм.
Теперь можно рассчитать требуемую энергию. Для этого воспользуемся термином «количество энергии» из школьного учебника. Давным-давно учёные считали, что тепловая энергия – это невидимая и невесомая жидкость, этакая «волшебная вода», которая называется «теплород». Забавно – представляете себе, чтобы теплоту можно было, скажем, наливать в бутылки или стаканы, как газировку или сок? В общем, в конце концов учёные поняли, что ошибались и никакой «волшебной воды-теплорода» нет – но вот сам термин «количество теплоты» и даже формулы с тех времён сохранились! Потому что в науке бывает и так – теория была неправильная, но вот формулы в этой теории были правильные, дающие точный результат!
Чтобы растопить наше количество льда, нужно массу умножить на другое число из школьного учебника физики – удельную теплоту плавления, для льда это 333 (килоджоулей, то есть тысяч джоулей, на килограмм). Получаем
497 635 200 000 000 000 000 000 джоулей, или 497 635 200 000 000 гигаджоулей. Снова прописью: четыреста девяносто семь триллионов шестьсот тридцать пять миллиардов двести миллионов гигаджоулей...
Считать в таких огромных числах неудобно – да и не очень понятно, «на что же это похоже». Переведём наши джоули в «тротиловый эквивалент», то есть разделим на 4,184:
497 635 200 000 000 : 4,184 = 118 937 667 304 015 тонн, то есть примерно 120 000 000 мегатонн (120 тератонн) тротила. Самая мощная водородная бомба, когда-либо созданная людьми («Царь-бомба») обладала мощностью примерно в 60 мегатонн. А тут у нас таких бомб – целых два миллиона... мамочки!
«А если в более мирных единицах?» – спросите вы. Ну что ж, можно и в мирных:
497 635 200 000 000 гигаджоулей = 138 232 000 тераватт-часов. Чтобы вы поняли: общая мощность ВСЕХ-ВСЕХ-ВСЕХ электростанций на Земле составляет примерно 2 тераватта. То есть чтобы только растопить «нуль-градусный» лёд и превратить его в воду, нам понадобится в семьдесят миллионов раз больше энергии, чем производят все электростанции Земли. Другими словами: такое количество энергии все современные земные электростанции произведут примерно за восемь тысяч лет.
Но погодите! Прежде чем растопить лёд, нам его же ещё и нагреть нужно! С минус двухсот градусов до нуля! Снова возьмём формулу из школьного учебника и умножаем:
1 494 400 000 000 000 000 килограмм Х 200 градусов Х 1400 (джоуль-килограмм-градус) =
В тротиловом эквиваленте: 100 007 648 183 556 тонн, или примерно 100 тератонн тротила. Повторимся: бомб такой мощности люди не создавали (и надеемся, что не будут создавать) – взрыв такой силы произойдёт, если в Землю врежется метеорит диаметром 10 километров. Последствия взрыва такой силы чудовищны: человечество, скорее всего, будет уничтожено полностью. Именно такой силы был взрыв, погубивший динозавров 65 миллионов лет назад.
Если в мирных единицах, то получим
418 432 000 000 000 гигаджоулей = 116 231 111 тераватт-часов, то есть примерно в 60 миллионов раз мощнее всех электростанций Земли! Это ещё 7 тысяч лет работы – а всего получается 15 тысяч лет. Вся наша цивилизация столько времени не существует, увы...
Вот вам и ответ на вопрос Полины! Возможно, расчёты и были длинными и скучными – но зато теперь мы можем себе чётко представить, НАСКОЛЬКО «сильный обогреватель» потребуется для того, чтобы растопить лёд на Энцеладе! Таких «турбо-кипятильников» у человечества нет даже в планах на будущее, даже на далёкое будущее...
И тут, кстати, появляется ещё один, очень важный, вопрос: ну, растопим мы лёд, а что будет дальше? Ведь температура на Энцеладе как была минус 200 градусов, так и останется! Если наша атмосфера на Земле сравнима с толстым одеялом, сохраняющим тепло, то атмосфера Энцелада – тонюсенькая простыночка. То есть как только мы растопим лёд и получим воду, вода тут же замёрзнет обратно! И – «мочала начинай сначала».
И ещё один вопрос, наверное, самый важный: Полина пишет «лёд превратится в воду, а в ней образуется жизнь». Но что скрывается под двухкилометровой ледяной коркой на Энцеладе? Как раз та самая вода! Жидкая вода! Целый подлёдный океан! Железо-каменное ядро Энцелада активное, горячее, оно греет воду там, в непроглядной глубине, там возможны даже подводные вулканы! И очень может быть, что на Энцеладе уже есть жизнь – там, внизу, в том самом тёплом океане! Загадочная, неземная, инопланетная... И существовать она может в том числе именно потому, что этот океан надёжно укрыт от безжалостного космоса толстым ледяным одеялом, ледяной корой! Для нас с вами «ледяное одеяло» звучит немножко смешно – но в космосе это вполне реальная вещь! И растопив эту кору, это «одеяло» нашим «супер-мега-кипятильником», мы, земляне, подвергнем эту загадочную жизнь страшнейшей опасности! И намного мудрее будет не изобретать «сверхмощный нагреватель», а бурить с поверхности глубокие скважины – и отправлять на исследования подлёдного океана Энцелада автоматические аппараты! Что они увидят, что они сумеют отыскать – там, на двухкилометровой глубине, в полутора миллиардах километров от Солнца? Жизнь – а на что похожую? Будут ли это микроскопически малые существа вроде наших бактерий – или же существа крупного размера? Будут ли они похожи на рыб? Или на креветок и крабов? На моллюсков или медуз? Будет ли это похоже на то, что пишут писатели-фантасты – или будет интереснее самой интересной фантастики? Кто знает...
Читая Божественную Комедию Данте, я сделал одно очень любопытное открытие, касающееся миропорядка. Для Данте порядок не только отличается красотой, не только представляет собой знак Божественного благодаря своей упорядоченности и гармонии, но и проявляет заботу о человеке: если использовать современный язык, то Вселенная и законы природы созданы таким образом, чтобы этот мир был пригодным для жизни, то есть для нас, чтобы он мог стать домом для человека. В песни десятой «Рая» Данте говорит:
Взгляни, как там отходит круг наклонный,
Где движутся планеты и струят
Свой дар земле на зов ее исконный.
Здесь Данте говорит о наклоне земной оси, вокруг которой Земля вращается по эклиптике. Вы знаете, что наша планета, к счастью, вращается вокруг Солнца, что, обратите внимание, было неизвестно Данте, — объективно говоря, астрономические познания в Средние века были довольно отсталыми. Он был убежден, что Солнце вращается вокруг Земли. Но это совершенно ничего не меняет: решающим моментом здесь является то, что Земля, оборачиваясь вокруг Солнца, вращается и вокруг своей оси, и эта ось расположена под определенным углом по отношению к орбите. Этот угол наклона имеет основополагающее значение, потому что именно он отвечает за смену времен года: времена года соответствуют различному наклону земной оси по отношению к Солнцу. Данте говорит, что этот наклон земной оси к плоскости вращения Земли — Солнца — это «дар земле на зов ее исконный»: порядок, установленный их отношением, является даром Земле, эти явления порождающей.
Когда бы не был этот путь покат,
Погибло бы небесных сил немало
И чуть не все, чем дольный мир богат.
Если бы не этот угол наклона — и это научно доказуемо, — температура на Земле распределялась бы так, что планета была бы непригодной для жизни: на ней были бы либо очень холодные, либо слишком жаркие участки. Как об этом догадался Данте, остаётся загадкой, хотя дело обстоит именно так. И далее:
А если б их стезя положе стала
Иль круче, то премногого опять
Внизу бы и вверху недоставало.
Если бы этот угол, равный примерно 22,5 градуса, не просто не существовал, но был бы большим или меньшим, многого в нашем мироустройстве недоставало бы. Иными словами, этот угол — как раз правильный угол.
основной мыслью которого было то, что данные физики подталкивают меня к допущению о, цитирую, "возможности существовании некой упорядочивающей силы" во вселенной.
С большим удовольствием и интересом читала комментарии, и отдельным кластером шли те, в которых эту мысль отнесли к разряду дремуче-религиозных и комментировали в ключе, дословно, "да ты просто физику в школе не учила, кто знает физику для того в мире чудес нет") Меня конечно удивляют люди, которые на знании школьной физики 10-30 летней давности считают, что им доступна полная картина мира, но конечно они имеют право на собственную точку зрения. Однако попалось видео Сурдина, приведу маленький кусочек. Не то что бы я этим хотела сослаться на авторитеты, или оставить последнее слово за собой, в плане "я жи говорилааа", отнюдь. Это скорее философская мысль о том, что нужно выкарабкивается из рамок собственных представлений, быть готовыми допустить то, что в картину мира не укладывается. Я и себе в первую очередь это стараюсь напоминать периодически, если что. Не только что касается науки, а вообще, по жизни. Мир может оказаться вовсе не таким, каким он кажется глядя на него из узкого просвета собственной норки.
Я лично придерживаюсь немного другой т.з., нежели описанное в видео, и считаю, что вселенная не "создана" саерхразумом, упорядоченность от простого к сложному, от неживого к живому, от живого к разуму - есть некое фундаментальное свойство вселенной, которое нам ещё предстоит понять, и в этом смысле сама Вселенная и есть Бог, ну или Создатель. Но так или иначе, сам факт того, что физик не гнушается рассуждать на эти темы уже говорит о том, что тема не такая уж маргинальная, как показалось апологетам школьной физики)
В 2019 году ученые обнародовали своё первое в истории человечества изображение черной дыры, на котором изображено темное ядро, окруженное огненной аурой падающего на него материала, и также они полагали, что из первичных данных можно извлечь еще более детальную модель. Компьютерное моделирование предсказывало, что за бликами рассеянного оранжевого свечения должно скрываться тонкое яркое кольцо света, созданное фотонами, отброшенными вокруг задней части черной дыры ее сильной гравитацией. Группа исследователей во главе с астрофизиком Эйвери Бродериком использовала сложные алгоритмы визуализации, чтобы по существу «переделать» исходные изображения сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 полученные в 2017 м.
«Мы выключили прожектор, чтобы увидеть светлячков», — сказал Бродерик, младший преподаватель Института периметра и Университета Ватерлоо. «Мы смогли сделать кое-что серьезное — определить фундаментальную сигнатуру гравитации вокруг черной дыры». Для этого команда использовала новый алгоритм визуализации в рамках аналитической структуры THEMIS телескопа Event Horizon Telescope (EHT), чтобы изолировать и извлечь отчетливое кольцо из первоначальных наблюдений черной дыры M87, а также обнаружить контрольный след мощного реактивного излучения (джета) наружу из черной дыры.
Коллаборация EHT впервые представила изображения сверхмассивной черной дыры M87 в 2019 году, а затем в 2022 году — сравнительно небольшой, но шумной черной дыры в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, называемой Стрельцом A* (или Sgr A*). Представленное учеными изображение M87 в 2019 году стало важной вехой, но исследователи чувствовали, что могут сделать изображение более четким и получить новые идеи, работая умнее, а не усерднее. Они применили новые программные методы для восстановления исходных данных 2017 года в поисках явлений, которые, как предсказывали теории и модели, скрывались под поверхностью. На новом полученном изображении изображено фотонное кольцо, состоящее из ряда все более четких подколец, которые команда затем наложила друг на друга, чтобы получить полное изображение.
«Подход, который мы использовали, заключался в использовании нашего теоретического понимания того, как выглядят эти черные дыры , для создания индивидуальной модели для данных EHT», — сказал Доминик Пеше, член команды из Центра астрофизики Гарварда. «Эта модель разбивает реконструированное изображение на две наиболее важные для нас части, поэтому мы можем изучать обе части по отдельности, а не смешивать их вместе».
Результат стал возможным, потому что EHT является «вычислительным инструментом по своей сути», сказал Бродерик, который возглавляет институт Джона Арчибальда Уиллера. «Это также зависит от алгоритмов, как и от “железа”. Передовые алгоритмические разработки позволили нам исследовать ключевые особенности изображения, визуализируя остальную часть в исходном разрешении EHT».
Исследователи обратились к алгоритмам машинного обучения для повышения разрешения и качества изображений EHT. Сверхразрешение изображений - это метод, целью которого является получение изображения высокого разрешения на основе входных данных с низким разрешением. Обучая глубокие нейронные сети на большом наборе данных изображений с высоким и низким разрешением, эти алгоритмы могут научиться заполнять недостающие детали и создавать более четкие и детализированные изображения.
Процесс применения методов генерации изображения с высоким разрешением к изображениям EHT включает в себя несколько этапов. Сначала изображение EHT с низким разрешением передается в обученную нейронную сеть, которая затем генерирует версию изображения с высоким разрешением. Затем это изображение с высоким разрешением подвергается постобработке для дальнейшего уточнения деталей и повышения общего качества. В результате получается значительно улучшенное изображение, которое выявляет более мелкие особенности и структуры, которые ранее были невидимы или нечетки.
Телескоп горизонта событий (англ.Event Horizon Telescope, EHT) — проект по созданию большого массива радиотелескопов - интерферометров с очень длинной базовой линией (РСДБ, англ.very-long-baseline interferometry, VLBI) по всей Земле. Метод РСДБ позволяет имитировать телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами. Угловое разрешение РСДБ в десятки тысяч раз превышает разрешающую силу лучших оптических инструментов. Цель конкретно EHT состоит в том, чтобы наблюдать непосредственное окружение сверхмассивной чёрной дырыСтрельца A* в центре Млечного Пути, а также ещё большую чёрную дыру в сверхгигантской эллиптической галактике Мессье 87 с угловым разрешением, сопоставимым с горизонтом событий чёрной дыры. Разрешение, или угловое разрешение, — это минимальный угол, при котором предмет все еще различим.
EHT (Event Horizon Telescope) — радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, объединяющий несколько телескопов в разных точках Земли и ведущий наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра. Благодаря рекордно высокому угловому разрешению ученые сначала впервые увидели тень сверхмассивной черной дыры в центре активной эллиптической галактики M87, а затем измерили магнитное поле вблизи нее и заметили колебания яркости тени.
Если простым языком: это несколько маленьких радиотелескопов (принимающих радиосигнал, а не наблюдающих в видимом спектре), находящихся в противоположных точках диаметра планеты Земля и наблюдающих один и тот же объект (на самом деле размещенных в разных точках Земли и шаблон их расположения загружен в расчёты интерпретирующие полученные данные). Данные наблюдения записываются с точными метками времени наблюдения, а затем по этим меткам сравниваются и интерпретируются нейросетью.
Интерферометрия — это семейство методов, в которых складываютсяэлектромагнитные волны, вызывая явление интерференции, которое используется для извлечения информации. Когда две волны с одинаковой частотой комбинируются, результирующий характер интенсивности определяется разностью фаз между двумя исходными волнами. Радиоинтерферометрия даёт возможность проводить измерения положений радиоисточников с точностью, позволяющей достигать отождествления с объектами, обнаруженными в оптическом диапазоне, а также измерять и сравнивать такие параметры, как яркость, поляризация и частотныйспектр деталей объекта исследования.
Наблюдения EHT велись на длине волны 1,3 мм. Это практически минимальная длина волны, на которой можно на Земле наблюдать космические объекты в радиодиапазоне. Дело в том, что атмосфера Земли прозрачна не для всех длин волн электромагнитного излучения. Радиоастрономия работает в окне прозрачности атмосферы от 1 мм до примерно 30 м. Меньшие длины волн практически полностью поглощаются молекулами газов атмосферы, в первую очередь водяного пара, а большие — отражаются обратно в космос ионосферой. Малая длина волны нужна для получения высокого разрешения наблюдения.
Каждый телескоп EHT в ходе сеанса измерения, длившегося 4 дня, получил громадное количество данных: 350 терабайт в день. Их записывали на высокопроизводительные жёсткие диски, которые отсылали для обработки на специализированных суперкомпьютерах — корреляторах, установленных в Институте радиоастрономии Общества Макса Планка (Германия) и обсерватории Хэйстек (MIT, США). Первичная обработка данных заняла 2 года.
Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница области, которую не может покинуть свет, называется горизонтом событий, а её радиус — гравитационным радиусом. Гравитационный радиус считают размером чёрной дыры. Изобретатель термина “Чёрная Дыра” достоверно неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ.Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря1967 года.
ОТО. Вопрос о реальном существовании чёрных дыр до сих пор не закрыт и тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр (но их существование возможно и в рамках других моделей). Поэтому наблюдаемые данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, эта теория пока не является интенсивно экспериментально протестированной для условий, соответствующих области пространства-времени в непосредственной близости от горизонта чёрных дыр звёздных масс (однако хорошо подтверждена в условиях, соответствующих сверхмассивным чёрным дырам, и с точностью до 94 % согласуется с первым гравитационно-волновым сигналом). Поэтому утверждения о непосредственных доказательствах существования чёрных дыр, строго говоря, следует понимать в смысле подтверждения существования астрономических объектов, таких плотных и массивных, а также обладающих некоторыми другими наблюдаемыми свойствами, что их можно интерпретировать как чёрные дыры общей теории относительности.
Простым языком: мы наблюдаем астрономические объекты, природу которых мы не знаем, но для удобства пока интерпретируем их как искривление пространства-времени - математический термин ОТО. Далее чтобы не отвлекаться на теорию - мы называем их условно “чёрные дыры”. Вопрос причины нахождения так называемых “Чёрных Дыр” в центрах галактик тоже пока не рассматривается. Сущность этого вопроса таково: как ЧД оказалась в центре галактики - если до образования галактики - то галактика не смогла бы образоваться, ведь ничто не может покинуть Горизонт Событий. Если после - то каким образом масса, искривляющая пространство-время, была притянута в пустое пространство Центра Галактики.
Обнаруживаем мы ЧД по мощному излучению из их окрестностей. Благодаря своей чудовищной гравитации они стягивают к себе вещество из окружающего пространства. Падающее на чёрную дыру вещество разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Аккрецио́нный диск (от лат.accrētiō «приращение, увеличение») — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело (аккреция). Сжатие вещества, а также выделение тепла в результате трения дифференциально вращающихся слоёв, приводит к разогреву аккреционного диска. Аккреционные диски протозвёзд, молодых звёзд излучают в инфракрасном диапазоне; тепловое излучение дисков, образовавшихся вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр, приходится на рентгеновский диапазон. Движение же искривлённого магнитного поля порождает так называемое синхротронное излучение. Часто у таких чёрных дыр возникают выбрасываемые струи плазмы — джеты, тоже движущиеся с огромной скоростью. Диск и джеты — сильнейшие источники излучения во всех диапазонах электромагнитных волн. Включая радиодиапазон, в котором их и наблюдает EHT. Строго говоря, речь здесь о, так называемых, “сверхмассивных чёрных дырах”. Это не единственный вид чёрных дыр, предсказанных ОТО. Все другие типы черных дыр куда более спекулятивны и основаны исключительно на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования пока не имеется. Во-первых, это черные мини-дыры с массой миллионы тонн и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен Хокинг (см. Скрытый принцип необратимости времени). Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около 10–33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.
Саму чёрную дыру увидеть нельзя. Но если её окружает светящееся вещество, то должна наблюдаться картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Название неудачное, поскольку тёмная область — не тень. Скорее, надо говорить о силуэте чёрной дыры. Размер этого силуэта примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий.
Разросшиеся очень большие чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики — Стрелец A*, являющаяся ближайшей к Солнцу сверхмассивной чёрной дырой (26 тыс. св. лет). Астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87 (о которой и идёт речь и которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд солнечных масс. Чёрная дыра — область, ограниченная так называемым горизонтом событий, которую не может покинуть ни материя, ни информация. Предполагается, что такие области могут образовываться, в частности, как результат коллапса массивных звёзд. Поскольку материя может попадать в чёрную дыру (например, из межзвёздной среды), но не может её покидать, масса чёрной дыры со временем может только возрастать. Стивен Хокинг, тем не менее, показал, что чёрные дыры могут терять массу за счёт излучения, названного излучением Хокинга. Излучение Хокинга представляет собой квантовый эффект, который не нарушает классическую ОТО.
Поляризация (фр.polarisation; от лат.polus ← др.-греч. πόλος, букв. «ось») — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов в пространстве. Термин “поляризация” применительно к наблюдению Чёрной Дыры означает обнаружение структуры излучения вокруг горизонта событий. EHT опубликовала результаты, которые впервые описывают, как свет от края сверхмассивной черной дыры M87 * закручивается по спирали, избегая интенсивного притяжения черной дыры, - признак, известный как круговая поляризация. То, как электрическое поле света вращаться по часовой стрелке или против нее при движении, несет информацию о магнитном поле и типах волн высокой энергии вокруг черной дыры. Данные EHT говорят о том, что магнитное поле вблизи черной дыры M87 * достаточно сильное, чтобы останавливать черную дыру от поглощения близлежащей материи.
В 2019 году EHT опубликовал первое изображение кольца горячей плазмы вблизи горизонта событий M87 *. В 2021 году ученые EHT опубликовали изображение, показывающее направления колеблющихся электрических полей по всему изображению. Этот результат, известный как линейная поляризация, стал первым признаком того, что магнитные поля вблизи черной дыры были упорядоченными и сильными.
Отчётливо видно, что полученное ЕНТ изображение несимметрично — снизу оно значительно ярче. Это результат так называемого доплеровского усиления, из-за которого излучение вещества, движущегося на нас, будет ярче, чем удаляющегося от нас.
“Event Horizon Telescope (EHT) наблюдал за окологоризонтной областью вокруг сверхмассивной черной дыры в ядре галактики M87. Эти наблюдения с длиной волны 1,3 мм выявили компактную асимметричную кольцевидную морфологию источника. Эта структура возникает в результате синхротронного излучения, создаваемого релятивистской плазмой, расположенной в непосредственной близости от черной дыры. Здесь мы представляем соответствующие линейно-поляриметрические EHT-изображения центра M87. Мы обнаруживаем, что только часть кольца значительно поляризована. Разрешенная дробная линейная поляризация имеет максимум, расположенный в юго-западной части кольца, где она повышается до уровня ≈ 15%. Углы положения поляризации расположены почти по азимутальной схеме. Мы выполняем количественные измерения соответствующих поляриметрических свойств компактного излучения и находим доказательства временной эволюции структуры поляризованного источника за одну неделю наблюдений EHT. Приведены подробности о сокращении поляриметрических данных и методологии калибровки. Мы проводим анализ данных с использованием нескольких независимых методов визуализации и моделирования, каждый из которых проверяется на основе набора синтетических наборов данных. Общая поляриметрическая структура и ее видимая эволюция со временем нечувствительны к методу, использованному для восстановления изображения. Эти поляриметрические изображения несут информацию о структуре магнитных полей, ответственных за синхротронное излучение.” https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021ApJ...910L..12E/abstract
“Круговая поляризация - это последний сигнал, который мы искали в первых наблюдениях EHT черной дыры M87, и его было, безусловно, труднее всего проанализировать”, - говорит Эндрю Чейл, младший научный сотрудник Gravity Initiative Принстонского университета, который координировал проект. “Эти новые результаты дают нам уверенность в том, что наша картина сильного магнитного поля, пронизывающего горячий газ, окружающий черную дыру, верна. Беспрецедентные наблюдения EHT позволяют нам ответить на давние вопросы о том, как черные дыры поглощают материю и запускают струи за пределами своих галактик ".
“Сигнал с круговой поляризацией в 100 раз слабее, чем неполяризованные данные, которые мы использовали для получения первого изображения черной дыры”, - говорит Иоаннис Майзерлис, штатный астроном Института миллиметровки радиоастрономии (IRAM). “Обнаружить этот слабый сигнал в данных было все равно что пытаться подслушать разговор под стук отбойного молотка. Нам пришлось тщательно протестировать наши методы, чтобы определить, чему мы действительно можем доверять ”. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70#artAbst
В радиодиапазоне, где длина волны достаточно велика, невозможно получить фотографию объекта в привычном смысле. Информация об отдельных фрагментах изображения сложным образом зашифрована в данных интерферометра. С помощью сложных вычислений эту информацию извлекают и из фрагментов получают изображение.
EHT собирал информацию от чёрной дыры M87 с помощью небольшого количества телескопов, работавших достаточно короткое время. При каждом измерении была получена информация лишь о небольшом участке исследуемой области. К тому же при интерферометрии изображение с высоким разрешением получается только в направлении прямой, соединяющей два используемых телескопа. Поскольку измерений было недостаточно, чтобы исследовать всю область, между полученными фрагментами осталось много неисследованных мест. Так что затем исследователи должны были восстановить полное изображение, заполнив пробелы. Это похоже на частично осыпавшуюся мозаичную картину на стене, от которой осталось лишь некоторое количество отдельных фрагментов, и теперь реставраторам по ним надо восстановить исходное изображение. Разработанные алгоритмы визуализации заполняют эти пробелы, формируя изображение чёрной дыры. Разумеется, невозможно получить реальные детали изображения, попавшие в заполняемую область, ведь, по сути, она просто определённым образом закрашивается. Это стало возможно благодаря изобретательности более 300 исследователей из 80 институтов по всему миру, которые вместе составляют EHT Collaboration. Помимо разработки сложных инструментов для решения проблем, связанных с получением данных интерферометров, команда тщательно работала в течение пяти лет, используя суперкомпьютеры для объединения и анализа своих данных, и все это при составлении беспрецедентной библиотеки моделируемых черных дыр для сравнения с наблюдениями.
Основное изображение было получено путем усреднения тысяч изображений, созданных с использованием различных вычислительных методов, — все они точно соответствуют данным EHT. В глубокой вероятностной визуализации (DPI) используется неподготовленная глубокая генеративная модель для оценки апостериорного распределения ненаблюдаемого изображения. Этот подход не требует никаких обучающих данных; вместо этого он оптимизирует данные нейронной сети для генерации выборок изображений, соответствующих определенному набору данных измерений. После определения вероятностных коэффициентов сети можно эффективно выполнить выборку апостериорного распределения. Этот подход и был применен для интерпретации интерферометрической радиоизображения, визуализации черных дыр с помощью телескопа Event Horizon Telescope, и магнитно-резонансной томографии со сжатым зондированием (MRI) в 2019.
Из-за атмосферных искажений изображения, полученные EHT, часто получаются размытыми и им не хватает желаемого уровня четкости. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи обратились к новым методам машинного обучения для разработки моделей, которые могут исправить эти искажения и повысить качество EHT-изображений. Обучая эти модели на большом наборе данных как искаженных, так и неискаженных изображений, они могут научиться распознавать атмосферные эффекты и корректировать их, что приводит к значительному улучшению четкости изображения. Алгоритмы машинного обучения превосходно распознают закономерности и извлекают значимую информацию из больших наборов данных. В случае изображений EHT эти алгоритмы могут анализировать различия между искаженными и неискаженными изображениями и учиться определять конкретные особенности, на которые влияют атмосферные искажения. Обучив модели машинного обучения исправлению атмосферных искажений, исследователи значительно улучшили качество и четкость EHT-изображений, что позволило провести более детальный анализ и получить представление о природе черных дыр.
Процесс обучения моделей машинного обучения, используемых для улучшения изображений EHT, включает два основных этапа:
Сбор данных: Исследователи собирают большой набор данных EHT-изображений, которые являются как искаженными, так и неискаженными. Эти изображения получены из разных мест и при различных атмосферных условиях, чтобы обеспечить разнообразие в обучающем наборе данных.
Обучение модели: Используя этот набор данных, исследователи обучают модели машинного обучения распознавать закономерности и характеристики атмосферных искажений. Модели учатся различать искаженные и неискаженные изображения и понимать специфические особенности, на которые влияют атмосферные условия.
В процессе обучения модели непрерывно корректируют свои внутренние параметры, чтобы свести к минимуму разницу между прогнозируемыми неискаженными изображениями и фактическими неискаженными изображениями в наборе данных. Этот итеративный процесс обучения позволяет моделям повышать свою точность с течением времени. В этих моделях используются архитектуры глубокого обучения, такие как сверточные нейронные сети (CNN), для извлечения объектов из входных изображений и изучения того, как их оптимально комбинировать. Обучая эти модели на наборе данных наземных изображений, где известен истинный вид наблюдаемого объекта, алгоритмы машинного обучения могут научиться предсказывать наилучшую стратегию объединения для данного набора входных изображений.
После обучения моделей машинного обучения их можно применять для исправления новых изображений EHT. Обученные модели анализируют входные изображения, определяют присутствующие атмосферные искажения и применяют необходимые исправления для повышения четкости изображения. Используя знания, полученные на этапе обучения, модели могут точно оценивать атмосферные искажения и получать изображения со значительно улучшенной четкостью. Эти скорректированные изображения дают ученым более четкое представление о черных дырах и помогают разгадать тайны, окружающие эти космические явления.
Что мы видим на визуализации 2. Принцип движения по геодезическим линиям.
Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого́ пространства в этой точке.
Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Эйнштейн предположил, что тела движутся по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.
Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет «расстояние» между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории.
Решения уравнений Эйнштейна в некоторых случаях допускают замкнутые времениподобные линии. Замкнутая времениподобная линия возвращается в ту же точку, откуда было начато движение и описывает приход в то же самое «время», которое уже «было», несмотря на то, что прошедшее для наблюдателя на ней время не равно нулю.
На рисунке: Модель Джорджа Вонга.
Компьютерное моделирование плазменного диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Новый анализ циркулярно поляризованного, или спиралевидного, света в наблюдениях EHT показывает, что магнитные поля вблизи черной дыры очень сильные.