Данная подборка составлена из постов, которые я публиковал в своем телеграм-канале с физикой. Подборка состоит из классических опытов и демонстраций с кратким описанием.
Стягивание двух стержней силами натяжения Существует в физике такое дивное понятие, как поверхностное натяжение жидкостей. Суть его довольно проста - поверхность жидкости представляет собой тончайшую пленку, как будто бы сделанную из резины или чего-то такого же упругого.
Причина натяжения пленки заключается в том, что между атомами и молекулами действуют силы притяжения - именно они ответственны за то, что у нас молекулы газа собираются в жидкость, а молекулы жидкости формируются в кристаллическую решетку твердого тела.
Если рассмотреть атом в середине жидкости, то другие атомы тянут его к себе со всех сторон, то есть, суммарная сила будет равна нулю. Однако атомы на границе жидкости притягиваются только нижними атомами, создавая ненулевую силу. Именно эта сила и ответственна за натяжение жидкостей.
В видео показана классическая демонстрация поверхностного натяжения жидкостей. С помощью мыльного раствора создается пленка между двумя металлическими стержнями. Эта пленка стягивает два стержня, будто пружинка.
2. Вода удерживается над стаканом силами поверхностного натяжения Еще один классический эксперимент, который каждый может повторить дома, на работе, в детском саду, ...
В стакан наливают воду до краев и начинают дозированно увеличивать объем содержимого. Можно использовать пипетку или докидывать в стакан небольшие тела. Вода из стакана не начнет выливаться, а образует небольшую водяную 'шапочку'.
Аналогичный опыт проводят с монеткой.
3. Огромные капли ртути и золота Мыльный раствор имеет коэффициент поверхностного натяжения 40 мН/м. Мы с вами видели, как мыльная пленка стягивала два металлических стержня.
Вода имеет коэффициент 73 мН/м. Мы с вами видели, как сила натяжения в воде способна удерживать 'шапочку' на стакане.
А вот ртуть имеет коэффициент ажно 470 мН/м! Это приводит к довольно интересной вещи - капельки ртути силами поверхностного натяжения стягиваются так, что представляют собой практически идеальные шарики, если они небольшого размера. С увеличением размера капли сил натяжения больше не хватает, и капля "расползается".
И если ртуть имеет коэффициент поверхностного натяжения 470 мН/м, то расплавленное золото - аж 1102 мН/м!
Поэтому при плавке золото собирается в большой красивый шарик, который даже при больших размерах имеет почти идеальную сферическую форму.
4. Капиллярный эффект
Поверхностное натяжение жидкости является причиной появления капиллярного эффекта.
Если окунуть кончик тонкой трубочки (капилляра) в жидкость, то жидкость начнет подниматься по трубочке на достаточно большую высоту. Затягивает жидкость туда как раз сила натяжения, которую постепенно уравновешивает сила тяжести.
Высота подъема зависит от двух факторов - она увеличивается при увеличении коэффициента поверхностного натяжения данной жидкости и при уменьшении диаметра трубочки.
Предлагаю вашему вниманию три опыта на эту тему.
5. Окрашивание растений за счет капиллярного эффекта Считается, что благодаря капиллярному эффекту происходит очень важный процесс - питание живых растений водой. Вода поднимается по тонким капиллярам внутри стебля именно благодаря поверхностному натяжению жидкости.
Существует очень простой, понятный и красивый опыт, демонстрирующий капиллярный эффект в растениях. Если поместить белый цветок в подкрашенную воду, то через некоторое время (порядка нескольких часов) он окрасится в соответствующий цвет, поскольку краска вместе с водой будет подниматься по капиллярам.
В видео показан таймлапс этого замечательного опыта.
Крайне рекомендую к повторению! Цветку лучше оставить короткую ножку, поскольку так эффект проявляется быстрее.
6. Смачивание и не смачивание Есть в физике поверхностного натяжения жидкостей такие понятия как смачивание и не смачивание. Если говорить простыми словами, то степень смачивания определяет то, как жидкость взаимодействует с той или иной поверхностью. В случае полного не смачивания жидкость останется практически идеальной сферой (как мы ранее видели с ртутью и золотом). В случае полного смачивания жидкость полностью растечется по поверхности. Поясняющую картинку прилагаю.
A - полное не смачивание | S - полное смачивание
Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости больше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем не смачивание. Так ведет себя ртуть на стекле. Если силы межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между жидкостью и поверхностью, то мы наблюдаем смачивание. Так ведет себя вода на стекле. Посмотрим же на смачивание и не смачивание в эксперименте. Капля воды на парафине (не смачивание).
Капля воды на стекле (смачивание).
Капля ртути (не смачивание).
И есть еще один волшебный опыт от Павла Андреевича. Если закоптить некоторую поверхность, а после капнуть на нее аккуратно водичкой, то капля воды будет вести себя как при полном не смачивании (практически). Очень симпатишно!
7. Смачивание и капиллярный эффект
Давайте посмотрим, как влияет смачивание на капиллярный эффект. Напомню, что чем меньше диаметр капилляра, тем эффект заметнее.
Если в сообщающиеся сосуды разного диаметра вливать воду, то наибольшая высота жидкости будет соответствовать трубке с наименьшим диаметром. Так происходит потому, что вода смачивает поверхность стекла, и капиллярный эффект направлен на подъем жидкости.
А вот если наливать ртуть, которая не смачивает поверхность стекла, то получим ровно обратную картину - высота жидкостного столбика будет наибольшей в трубке с наибольшим диаметром.
Причина такого поведения довольно проста. Молекулы воды сильнее притягиваются к стеклу, чем к друг другу, поэтому капиллярный эффект в них направлен на подъем жидкости. Чем уже капилляр, тем подъем выше. Молекулы же ртути притягиваются сильнее друг к другу, поэтому они сопротивляются подъему и тем сильнее, чем уже капилляр. Обратите внимание, что во всех случаях из-за капиллярного эффекта нарушается закон сообщающихся сосудов, согласно которому вне зависимости от формы сосуда жидкость должна находиться на одинаковой высоте.
8. Жидкости с разным поверхностным натяжением Очень простой и симпатишный опыт.
Если поверхность воды засыпать пыльцой и поднести к пыльце на небольшое расстояние ватку с эфиром, то мы увидим, что пыльца отталкивается от ватки, как будто маленькие магнитики от большого магнита.
Объяснение предлагаю такое. При поднесении ватки эфир образует на поверхности воды тонкую пленку, которая ослабляет натяжение (коэффициент поверхностного натяжения эфира в несколько раз меньше по сравнению с водой). После отклонения палочки с ваткой пленка испаряется, и пыльца возвращается на место.
Поскольку эфир уменьшает коэффициент поверхностного натяжения, то на границе вода-эфир натяжение меньше, чем на границе вода-воздух, и большие силы стягивают пыльцу к краям.
Если капнуть в такую же жидкость с пыльцой мыльной каплей, то капля растечется в некоторую 'лужицу' на поверхности воды, и частицы вынесет за границы этой 'лужицы'. Так происходит из-за того, что вода натянута сильнее, чем мыльный раствор.
И еще одна очень интересная демонстрация - 'лодочка' из проволоки удерживается на поверхности воды силами натяжения. При добавлении пары капель мыльного раствора сила уменьшается, и 'лодочка' тонет.
9. Перетягивание жидкостной пленки на другой контур
Натянутую на контур жидкость довольно легко разорвать, поскольку она ведет себя как тонкая пленка. Ткнул пальцем и всего делов.
Однако если внести внутрь пленки еще один контур (в видео для этого используется нитка), то можно 'перенатянуть' жидкость на него. Выглядит это довольно эффектно.
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.
Практика показала, что простое замачивание работает не так эффективно, как хотелось бы, особенно если речь идет о чем-то серьезнее вчерашней гречки. К счастью, человечество придумало ученых и инженеров, которые придумали использовать ультразвук. Строго говоря, ультразвук это все что выше 20 кГц. Хотя лично я перестаю слышать примерно 17 кГц и выше, и со временем этот порог снижается. Но мы отвлеклись…
Так вот, ультразвук - это не только ультра, но и звук, то есть колебания среды. Умные люди (Рэлей) открыли акустические течения, а уже другие умные люди поняли как это использовать. Идея в том, что при падении ультразвуковой волны на препятствие начинаются микротечения из-за сложения отражений волны от препятствия (по умному, дифракция). Эти микротечения очень быстро заменяют раствор, контактирующий с препятствием, а если туда добавить моющих средств, то получаем улучшение мойки в несколько раз. И при этом не надо перемещать огромные массы воды или ставить насосы и фильтры (колесные пары поездов кстати тоже полоскают иногда).
К тому же, получается гонять раствор в таких местах, где иначе не подлезть (ювелирная мойка например). Это не единственный эффект, улучшающий помоечные способности, но мне он нравится больше остальных.
Но не стоит заигрываться с УЗ-техникой: если повысить мощность, можно разрушить все что вы положите в свою УЗ-ванну, или даже разрушить саму ванну. Но об этом мы поговорим в другой раз.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
На данный момент считается, что свинец в любых количествах, которые только можно обнаружить в крови людей, негативно влияет на их здоровье. Дети от самых малых количеств свинца неиронично тупеют - это самый опасный из загрязнителей с такой точки зрения.
Самым опасным применением свинца с точки зрения его попадания в организм человека были антидетонационные металлорганические присадки типа тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4
Формула тетраэтилсвинца
. Их использовали, например, в Великобритании уже с 1930-х годов. Они повышали октановое число бензина и увеличивали эффективность бензиновых моторов.
При сгорании этилированного бензина свинец выбрасывается в атмосферу в виде мельчайших частиц различных неорганических солей свинца. А содержание свинца в крови горожан коррелирует с его количеством в городской пыли. Происхождение атмосферного свинца из этилированного бензина было показано путем исследования соотношения различных изотопов свинца в этой самой пыли. Этилированный бензин отличается от всех прочих возможных источников свинца специфическим соотношением изотопов, отличающимся от природного радиогенного. Свинец является конечным продуктом распада значительной части природных радиоактивных элементов, это приводит к связи изотопного состава природного свинца с содержанием различных элементов в земной коре.
Для определения небольших количеств свинца и его изотопов по отдельности используется масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и различные варианты на тему. Идея метода в ионизации образца с получением атомарных ионов.
Устройство масс-спектрометра: образец испаряется и ионизируется, поток ионов отклоняется магнитным полем в зависимости от их отношения массы к заряду и детектируется.
Поток ионов помещается в магнитное поле, где под действием силы Лоренца их траектории разделяются в зависимости от отношения массы к заряду. Такие методы позволяют определять триллионные доли в крошечных образцах, причем точность определения позволяет определять различные изотопы разных элементов по отдельности.
Примерно из этих соображений в конце XX века было запрещено использование этилированного бензина в автомобилях. Бан привел к изменению происхождения свинца в атмосфере вместе со снижением его содержания: от выхлопов машин к промышленным источникам и подъему дорожной пыли в атмосферу.
Для понимания масштабов трындеца: на пике потребления этилированного бензина в начале 80-х в год в атмосферу Великобритании улетало порядка 7 тысяч тонн свинца. В Лондоне в атмосфере было 500-600 нанограмм свинца на кубометр воздуха.К началу 2010-х концентрации упали до порядка 10 нанограмм на куб и остаются стабильными до сих пор.
С баном этилированного свинца соотношение его изотопов в городской пыли начало сдвигаться в сторону природного. Однако на данный момент изотопный состав свинца в Лондоне остановился на промежуточном значении между характерным для свинца из этилированного бензина и из около природных источников. Это можно считать признаком удержания старого свинца из бензина в городской пыли.
Таким образом, даже после запрета этилированного бензина для машин свинец продолжает висеть в городском воздухе. Что с этим делать - непонятно, ну если только захоранивать всю старую городскую почву (по типу того, что вокруг Чернобыля делали).
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
В машиностроении для обработки ответственных изделий, например, газотурбинных двигателей, применяется метод электроэрозионной обработки. Под воздействием тока происходит изменение формы, размеров, шероховатости и свойств изделия. Эффективность такой технологии во многом зависит от качества электрода-инструмента. Один из способов его производства – метод послойного лазерного сплавления, когда деталь выращивают из металлического порошка под воздействием лазера. Однако этот метод недостаточно изучен, из-за чего страдает качество получаемого инструмента. Ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха доработали технологию изготовления электродов послойной наплавкой. Разработанные условия обеспечивают необходимую точность и прочность инструмента.
Статья с результатами опубликована в журнале Russian Engineering Research. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда. Практические исследования в области электроэрозионной обработки начались именно в нашей стране в 1930-ые годы и как результат первый в мире вырезной станок – отечественного производства. Если раньше электроэрозионная обработка не пользовалась особой популярностью, то сейчас – это распространенная во всем мире технология.
Она позволяет получать изделия требуемой формы и размера с помощью электрических импульсов. Ее применяют, когда обработка на традиционных станках затруднена или нерентабельна из-за отходов в виде стружки и угара. Технология более экономичная, производительная и удобная для созданий объемных деталей сложной формы, фасонных полостей для труб, профильных канавок и пазов в деталях авиа- и ракетостроения.
Электрод – это главный инструмент в этом процессе. Его производству важно уделять особое внимание. Он должен обладать высокой стойкостью к электрической эрозии, легко обрабатываться и прикрепляться к станку, а главное его точность должна быть достаточной для эффективной электроэрозионной обработки. Использование электрода, имеющего отклонения по геометрии сечения, приведет к браку при обработке изделия. Оно будет отличаться от необходимого размерами или формой профиля.
Существуют традиционные лезвийные способы изготовления электрода-инструмента, например, фрезерование и точение. Однако при изготовлении сложнопрофильных электродов, особенно при отработке опытных деталей, изготовление такими способами является экономически неэффективно. У метода послойного лазерного сплавления есть преимущество – электроды изготавливаются просто из металлического порошка без дополнительного оборудования.
«Мы изучили то, как условия послойного лазерного сплавления при производстве электродов-инструментов влияют на их точность. Проследили, как будет меняться геометрическая точность от параметров, которые обеспечивают стабильное производство электродов – мощности лазера, расстояния между точками на траектории лазера, времени его воздействия», – рассказывает кандидат технических наук, доцент, директор Высшей школы авиационного двигателестроения Тимур Абляз.
Для эксперимента ученые вырастили электроды из порошка титанового сплава и рассчитали внутреннее напряжение в деталях. На основе результатов выбирали необходимые производственные условия.
Моделирование показало, что максимальное отклонение геометрических размеров полученного электрода составляет около 0,12 миллиметра, при этом наблюдается наихудшая шероховатость и точность, но хорошая производительность. Минимальное отклонение от заданных параметров (0,07 миллиметра) наблюдается при расстоянии между точками в 15 микрометров (микрометр – одна миллионная доля метра) и мощностью лазера 38 Вт. Максимальная прочность (1060 МПа) проявляется при расстоянии между точками в 10 мкм и мощностью лазера 44 Вт.
Все полученные расчеты позволяют оптимизировать процесс плавления для послойного изготовления электродов. Производственные условия, установленные учеными ПНИПУ, создают допустимое внутреннее напряжение в деталях, что приводит к стабильному росту качественных инструментов.
Результаты исследования обеспечивают необходимую точность и прочность электродов-инструментов, полученных методом послойного лазерного сплавления. Благодаря этому Россия вновь задает тренд и повышает качество электроэрозионной обработки ответственных изделий в авиа и машиностроении для создания объемных деталей сложной формы, например, лопастей турбин, валов или пресс-форм.
Про сокращение длины при увеличении скорости сегодня широко известно. Во всех статьях упоминается это интересное явление и при построении описания той же теории относительности это явление чуть ли не самое главное.
Вот только нет ответа на главный вопрос - а что такое это сокращение длины с физической точки зрения и чем оно является? Ну и есть ещё более интересный вопрос про возможность измерить такое сокращение.
Само по себе явление, которое мы привыкли видеть в объяснениях, "растёт" из преобразований Лоренца. Не все знают, но преобразования эти существовали ещё до того, как Эйнштейн начал работу над теорией относительности. Он просто использовал эту логику в работе и ссылался на такие явления.
Пару слов про преобразования Лоренца
Преобразования Лоренца описывают те изменения, которые происходят в системе при увеличении её скорости. Там вам и длина сокращается, и время идёт иначе. Но вот что там про длину? Что происходит физически? Удивительно, но этот вопрос довольно широко обсуждается и не имеет однозначного ответа.
Обычно с таких картинок начинается путаница. Да не сжималась машина - это её проекция.
Что такое сокращение длины для простого обывателя? Взять гидравлический пресс, положить под него банку из Пепси и сжать её. Физически её длина уменьшается в несколько раз. Но будет ли такое "физическое сжатие" происходить с ракетой в космосе? Даже сам Лоренц говорил, что нет. Более того, в теориях отмечено, что все инерционные системы отсчёта равноправны, а значит и материальное сокращение длины есть неправильное понимание процесса.
Явление сокращения длины описывается преимущественно как специфика пространства-времени. Такие изменения связаны с относительностью.
Если мы стоим неподвижно на станции, а мимо пролетает поезд, то нам кажется, что поезд короче. Относительно нас поезд и правда короче. Но физически он не деформируется. Было бы забавно, если бы электричка уменьшалась пропорционально скорости.
Никто не сжимается?
Речь тут про изменения пространства и остальное относится скорее к мистификации процесса и явлений.
Наверное будет уместно привести пример. Представьте себе, что у вас есть клетчатый листок бумаги. Вы нарисовали на нем две клетки. При этом клетка имеет размер 1 см х 1 см. Вы сжали этот листок бумаги и клетка уменьшилась. Сам объект не претерпел материального сжатия. Просто изменились параметры координатного пространства. Это хорошо описывается в примере Эйнштейна про грозу и поезд.
Впрочем, тут можно сказать, что сжалось пространство вместе со всеми объектами. Подобно тому, как расширяется Вселенная, объем мог пропорционально и уменьшаться. Лоренц рассуждал об этом явлении в таком ключе.
Или всё-таки сжимается?
В одной из его заметок упоминается мысль, что в материальных объектах уменьшается расстояние между частичками без их непосредственного изменения. Но тогда это означает и материальное уменьшение в размерах?
Не совсем так. Всё-таки, даже если длина тут бы и реально уменьшилась, причиной было бы не сжатие объекта прессом, а изменение параметров пространства.
И тут мы, как практики, хотим измерить такое явление. Измерял ли кто-нибудь Лоренцово сокращение или нет? Тут нас ждёт отличный сюрприз.
Измерение Лоренцова сжатия
Измерить его невозможно. Если взять линейку и пойти измерять ракету, которая мчится по Вселенной, то сразу окажешься в системе отсчёта этой ракеты. В единой системе отсчёта пространство одинаково и никакого измерения сделать не получится. Значения будут такими же, как и при простом замере.
Измерить Лоренцово сжатие можно только из внешней системы отсчёта, а там мы сталкиваемся с проблемой изменения самого пространства из-за относительности. Как измерить длину поезда, который пролетел мимо пассажира на станции? Практически никак! Только разными косвенными способами.
Это приводит к одной единственной мысли. Сжатие материи при увеличении скорости есть скорее фигура мысли, чем реальный физический процесс. Прикладную ценность имеет не измерение сжатия материи, а умение описать специфику поведения пространства-времени. В процессе дальнейшего изучения вопроса вполне может оказаться, что Лоренцово сжатие есть просто удобный математический приём, который позволяет связать всё хоть в какую-то единую логику. Ведь даже сам Эйнштейна писал, что никакого реального физического сжатия нет, а пространство-время есть простая математическая модель.
Мораль простая - из-за излишней мистификации вопроса мы все неверно понимаем Лоренцовы преобразования и их истинную суть.
«Чат на чат» — новое развлекательное шоу RUTUBE. В нем два известных гостя соревнуются, у кого смешнее друзья. Звезды создают групповые чаты с близкими людьми и в каждом раунде присылают им забавные челленджи и задания. Команда, которая окажется креативнее, побеждает.
Грел в микроволновке еду. Контейнером пользовался не в первый раз, температуру он держит. В этот раз отстегнул замки, но крышку не снял, т.е. контейнер был закрыт герметично. Но произошло нечто непонятное. В конце процесса вместо повышения давления при разогреве, контейнер смяло атмосферным давлением, а крышка плотно присосалась к контейнеру. Может ли кто-нибудь объяснить, как такое возможно?
Дано: курица + гречка 400 г в полиэтиленовом контейнере. Мощность: 80% Время: ~1,5 мин. Температура до/после 15°/80° Нет, это не температурная деформация.
UPD: Еда разогрелась, незапертая крышка позволила воздуху (пару) выйти, давление выровнялось. Процесс нагрева закончился, контейнер стал остывать, крышка присосалась и контейнер сжало атмосферным давлением. Про 1,5-2 мин от выключения печки до выемки контейнера я забыл. Всем спасибо, включая тех, кто упомянул про физику и чудеса, не утруждая себя объяснениями. Надеюсь, что вы разбираетесь не только в мемах)