Юпитер в космосе

15-летний мальчик нашёл затерянный город майя по звёздной схеме

Уильям Гадури представит результаты своей работы на научной конференции в Бразилии в 2017 году.

Генератор Пенроуза на пальцах

Все когда–то слышали фамилию Шварцшильд в разговоре о черных дырах, наряду с такими, как Шредингер, у которого кот или Гейзенберг, который никак не определится.

Карл Шварцшильд первым дал четкое математическое определение невращающихся черных дыр, то есть взял уравнения Общей Теории Относительности Эйнштейна и решил их. Вот представьте себе, что будет, если мы возьмем какую–нибудь, совершенно неважно какую, материю и сожмем до невероятной плотности?

Получится черная дыра Шварцшильда, с горизонтом событий, который находится на радиусе Шварцшильда. Короче, чувак вписал себя и свою фамилию в историю "просто решив уравнения Эйнштейна для одного конкретного случая". Ну, он не только этим всю жизнь занимался, конечно же, но вот никогда не угадаешь, каким образом попадешь в историю или как вляпаешься в нее.

Уравнения Эйнштейна — довольно серьезный матан (на самом деле просто длинный и жутко нудный, потому что его очень много, хотя ничего особо сложного там нет, 2–3 курс физики/математики профильного института), Шварцшильд решал их в течение месяца. Точнее сказать, через месяц после того, как Шварцшильд посетил лекцию Эйнштейна о Теории Относительности, он прислал Альберту письмо, в котором сообщил о том, что нашел одно из решений данных уравнений при помощи хитрого трюка/преобразования. Шварцшильд вычислял уравнения не в обычных–привычных, а в так называемых полярных координатах, это у которых в центре точка, и от нее отмеряются углы и расстояния. При соответствующем подборе коэффициентов данная точка оказывается точкой сингулярности, центром черной дыры, а радиусом черной дыры, который еще называют радиусом Шварцшильда, оказывается расстояние, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Все просто и гениально. Ну, не так, чтобы прям совсем просто, если хотите посмотреть вывод решений Шварцшильда, обратитесь к соответствующей статье в википедии. Статья на английском, русского перевода нет, но и так видно, что формул там предостаточно, хотя это действительно самое простое, что есть в Теории Относительности, реально детский лепет по сравнению с тем, какие заковырки можно в ней откопать. 

Кстати говоря, через 5 месяцев после этого Шварцшильд умер. Не потому, что так перетрудился с решением. Шла Первая мировая война, Карл воевал с Россией на стороне Германии. Точнее говоря, как раз в это время он не воевал, а лежал в госпитале, но не по ранению, а по какой–то гадкой неизлечимой тогда болезни, и вот, пока лежал, развлекался решением уравнений Эйнштейна. Судьба ученых вообще очень часто загадочная и неисповедимая штука. Тебе скучно, нет возможности убивать русских солдат и реально нечем заняться? Порешай уравнения Теории Относительности, развейся немного, фашист проклятый... Короче говоря, Шварцшильд развлекался как мог, через три месяца его комиссовали, и еще через два месяца он благополучно умер дома в своей постели.

Все это я к тому, что Шварцшильд выдал решение (нашел соответствующую метрику) для простейшего случая невращающейся черной дыры. За месяц. И тогда уже сразу ученые поняли, что в случае вращающейся черной дыры решение окажется гораздо–гораздо сложней, ибо появляется масса факторов, повышающих градус матана до предела. Но насколько все окажется сложней/горячей тогда еще не догадывались. Не буду тянуть интригу, решение для вращающейся черной дыры удалось найти только через 47 лет, это сделал в 1963 году новозеландский математик Рой Керр, потому топологию вращающейся черной дыры называют метрикой Керра.

То есть почти 50 лет все мировые ученые, элита человечества, элементарно не могли решить набор готовых уравнений. Представляете, какие они тупые, эти ученые? Ну, или, что тоже может быть, какие уравнения выходят сложные?

Не будем лезть в формулы, попробуем на пальцах™ описать, чем вращающаяся черная дыра отличается от невращающейся, хотя бы визуально, хотя бы по проявляющимся эффектам.

Основная (или одна из самых трудных для восприятия) заковырка получается в том, что черная дыра "вращается не сама по себе". Пространство–время вокруг вращается вместе с ней, черная дыра увлекает пространство–время за собой. Вокруг вращающейся черной дыры появляется водоворот пространства–времени, а это вообще практически невозможно визуализировать. 

Вот представьте себе, висите вы в скафандре перед черной дырой. Простой черной дырой, невращающейся. Какие есть пути? Есть путь падать в черную дыру, потому что она притягивает, есть путь попытаться избежать этого. Если в скафандре есть двигатель, можно включить его и постараться улететь от судьбы. И тут все уже знают — если ты еще не пересек горизонт событий, у тебя все еще есть такой шанс, если же провалился под него — никакого шанса, кроме как быть поглощенным черной дырой, больше не существует.

А когда ты висишь перед вращающейся черной дырой, ты не можешь просто так "висеть". У черной дыры образуется что–то вроде вихря пространства–времени, который наматывает все сущее вокруг нее. Не потому, что ты "совершил маневр и вышел на орбиту" или что–то в этом роде. Тебя просто начинает тащить по кругу (точнее по сужающейся спирали) вне твоей воли. Этому можно противиться, пока ты находишься над горизонтом событий, но выбираться придется не только вдаль от черной дыры, а еще и бороться с движением вращения.

ссылка на гифку

Если хочется совсем себе мозг поломать, можно вспомнить, что в Теории Относительности у нас везде не пространство, а пространство–время, и водоворот вокруг черной дыры заворачивает не только три координаты пространства, но и координату времени. Представить себе и рассчитать закрученное в спираль время — тот еще mindfuck, у решения Керра именно потому такие формулы сложные, эффекты там совершенно непредсказуемые. Но это действительно тема для сильных духом (и мозгом) людей, не будем глубоко в нее нырять, можно не выгрести, продолжим путь по нисходящей спирали к центру вращающейся черной дыры без учета эффектов искажения времени.

Как и любой вращающийся вокруг своей оси предмет, черная дыра тоже начинает раздаваться вширь и приплющиваться со стороны полюсов. В смысле горизонт событий начинает вытягиваться, поверхности–то у черной дыры нет. Мало того, горизонт событий разделяется на два независимых горизонта, внутренний и внешний.

Любое залетевшее под внешний горизонт событий тело уже никогда не выберется наружу само по себе. Даже фотон со своей скоростью света не сможет. Но тут есть и существенное отличие с обычной черной дырой. Внутренний горизонт событий — это точка (в смысле поверхность) полного невозвращения, оттуда убежать невозможно. А вот из–под внешнего горизонта событий вращающейся черной дыры нельзя выбраться лишь "самому по себе", но может получиться "с чьей–то помощью". Например с помощью ракетного двигателя. 

Вообще расхожий пример, что черная дыра похожа на воронку водоворота, уже заезжен до дыр, но он действительно очень хорошо описывает ситуацию. Вероятно вы слышали советы опытных пловцов: если начало засасывать в водоворот — бороться с потоком бесполезно. Начнешь грести против течения, только устанешь и все равно засосет. Наоборот, нужно устремиться вместе с потоком воды, набрать скорость и, чуть отвернув, по касательный буквально вынестись наружу. 

И у вращающейся черной дыры похожая штука. Иногда даже говорят, что пространство–время как бы втекает в черную дыру. Такая аналогия помогает в визуализации, но нужно быть осторожным. То есть не нужно думать, что черная дыра натуральным образом пожирает пространство–время, иначе могут начаться вопросы — а если оставить Вселенную на долгое время, что, черные дыры все наше пространство–время пожрут, раз оно в них постоянно втекает? 

Естественно, ничего никуда не втекает. Пространство–время настолько искривлено и закручено в непосредственной близости к вращающейся черной дыре, что у падающего тела просто нет другого пути, кроме как следовать изгибам водоворота. В какую сторону ни лети, все равно вынесет к горизонту событий, как будто натуральный поток воды мешает двигаться в каком–то ином направлении. Хотя еще раз четко укажу, не стоит понимать данную аналогию, как натуральный водопад пространства–времени, само по себе оно никуда не течет.

ссылка на гифку

Так вот, если находясь в правильной точке дать хороший реактивный импульс в правильном направлении (например включить ракетные двигатели на полную мощность под нужным углом к завихрению), из–под внешнего горизонта событий вращающейся черной дыры вполне можно выбраться. Мало того даже двигатель как таковой, не нужен. Достаточно разделить падающий в черную дыру предмет на две части. Одна часть продолжит падать в черную дыру, а вторая по закону сохранения импульса будет вытолкнута наружу. 

А теперь самое интересное. Если провести расчеты и найти оптимальный угол, массу и прочие параметры, окажется, что импульс (масса умноженная на скорость) вылетающего из–под внешнего горизонта событий обломка получается выше импульса влетевшего в него первоначального предмета. То есть, не смотря на то, что объект разделился на две части и каждая часть меньше целого, скорость вылетающего куска становится настолько высокой, что импульс оказывается больше первоначального. 

Что несколько подозрительно. Абзацем выше я упоминал закон сохранения импульса, а тут договорился до того, что впрямую нарушаю его. Естественно, на однородность пространства покушаться никто не собирался, Нётер не велит, и общее количество движения системы не изменяется. Своим хитрым маневром мы крадем энергию вращения черной дыры, и после подобного трюка она начинает вращаться чуточку медленней. Но где масса нашей ракеты и где масса черной дыры, нужно же сопоставлять! Для черной дыры это все блошиные укусы, а нам — существенная польза. Например, этот эффект использовали в фильме Интерстеллар, когда главный герой решил ценой своей жизни спасти любимую, они полетели в черную дыру, а потом часть корабля с Мэттью МакКонахи провалилась под горизонт событий, а другую часть с Энн Хэтэуэй выбросило наружу. Кто же знал, что в итоге МакКонахи попадет в книжный шкаф своей дочери, а "сила любви окажется выше сил гравитации"?

Но не будем о грустном. Гравитация вещь бессердечная, любовью не победить, раз у нее сердца нет. Вы лучше задумайтесь. Ведь только что я привел вам идею вечного дармового двигателя! Находим вращающуюся черную дыру (а по нашим представлениям они все подряд вращающиеся, во Вселенной вообще все вращается вокруг себя и друг друга, почему так — отдельный вопрос, придется поверить мне на слово), кидаем в нее "разделяющуюся болванку", одна ее часть падает в черную дыру, вторая вылетает назад с гораздо большим импульсом (и энергией), чем первоначальные. Теперь осталось поймать этот кусок и извлечь из него дополнительную энергию. Заставим его толкать какие–нибудь "лопасти турбины" или нагревать воду, как в атомных электростанциях, или неважно что. Главное — бесплатная энергия нахаляву.

Причем, вы бы знали, какая это энергия! Наверняка слышали, что хотя атомный взрыв это очень–очень–очень много тепла и света, в реальности энергетический выброс составляет лишь около 0.1% от вступающей в ядерную реакцию массы. У термоядерного взрыва КПД повыше, где–то около 1% изначальной массы водорода переходит в лучистую энергию. За счет этого процента светит Солнце и существует вся жизнь на планете Земля. А максимум, что можно выжать из формулы E=mc2, это полная аннигиляция вещества с антивеществом, тут можно получить выход 100% массы в виде энергии. 

Максимальный теоретический КПД процесса бросания болванки во вращающуюся черную дыру около 21%. То есть если мы скинули в черную дыру тонну железа (или чего угодно, хоть мусора, хоть токсичных отходов), назад мы получим чуть меньший кусок того же железа, плюс энергию, эквивалентную аннигиляции 210 килограммов вещества. Вот это я понимаю — завод по переработке вторсырья!

Первым расчеты по извлечению энергии из вращающейся черной дыры провел Роджер Пенроуз в работе 1971 года, потому данная статья и озаглавлена "Генератор Пенроуза на пальцах™".

Теперь дело за малым. Научиться создавать миниатюрные черные дыры и паковать их в некое подобие аккумуляторов, и вот вам — движок получше термоядерного реактора на борту DeLorean–а из "Назад в будущее II"!

Вообще, вращающиеся черные дыры Керра гораздо более интересные объекты, чем невращающиеся Шварцшильда. Хоть и ужасно более сложные в расчетах. Зато и дополнительных, взламывающих воображение эффектов, они порождают неизмеримо большее количество. Например, существует т.н. принцип космической цензуры того же самого Пенроуза.

Что происходит в сингулярности? Мы не знаем, есть лишь подозрение, что это место, в котором природа научилась делить на ноль, иными словами, "в матрице происходит сбой", и все перестает работать, но природа благоразумно научилась прятать свои ошибки от чересчур пытливых исследователей. Вокруг любой сингулярности всегда находится непроницаемый горизонт событий, и мы никогда не узнаем, что происходит в сингулярности, потому что природа закрылась от нас этим самым горизонтом, умело заметая свои косяки под ковер реальности.

Однако, как я написал выше, если черная дыра вращается, данный горизонт событий начинает растягивать в стороны и сплющивать сверху и снизу. Земля точно так же приплюснута с полюсов. И Солнце, и вообще любой вращающейся во Вселенной предмет. И чем выше скорость вращения, тем больше вращающийся предмет раскатывается в блин (см. например спиральные галактики). Теоретически можно рассчитать такую скорость вращения, при которой горизонт событий расплющит в тончайший диск, и если подлететь к такой черной дыре "сверху" (со стороны ее северного полюса), то появляется шанс взглянуть сингулярности прямо в лицо. Такое явление называют голая сингулярность, и пока непонятно, возможно ли подобное в принципе, или нет.

С одной стороны, в природе подобные голые сингулярности встречаться не должны, уж больно высокие скорости вращения требуются. Но ведь мы не природа, мы разумные гуманоиды! Если предположить "обратный генератор Пенроуза", и вместо того, чтобы черпать энергию из черной дыры, начать ее методично подкармливать, попутно раскручивая все быстрее, возможно мы сможем получить голую сингулярность? Или такую черную дыру разорвет от собственного вращения? С другой стороны, как ее может разорвать, там же сингулярность, там же скорость света! Непонятно...

Не говоря уже о том, что сама сингулярность во вращающейся черной дыре тоже перестает быть математической точкой, и вытягивается в структуру, чем–то похожую на кольцо или тор. И это только начало странностей. Закрученное в спираль пространство–время — это не шутки, а открытый простор для заморочек и парадоксов всех мастей.

Короче говоря — хватит морозиться в метрике Шварцшильда, любите и изучайте вращающиеся черные дыры, они гораздо интересней!

Парадокс Ферми

Парадокс Ферми — отсутствие видимых следов деятельности инопланетных цивилизаций, которые должны были бы расселиться по всей Вселенной за миллиарды лет своего развития. Парадокс был предложен физиком Энрико Ферми, который подверг сомнению возможность обнаружения внеземных цивилизаций, и связан с попыткой ответить на один из важнейших вопросов современности: "Является ли человечество единственной технологически развитой цивилизацией во Вселенной?".

А вот и сам Ферми (http://novopetrivske-osoba.edukit.mk.ua/vidatni_fiziki/enriko_fermi):

Этот парадокс не имеет решения. Самое лучшее, что мы можем сейчас предложить, — это возможные объяснения. И если вы спросите у десяти различных учёных, какое из них они считают наиболее близким к истине, то получите десять различных ответов. Сейчас нам забавно читать, как мыслители прошлого всерьёз обсуждали форму Земли, вращается ли Солнце вокруг Земли, метает ли Зевс молнии. Эти измышления кажутся нам такими примитивными и невежественными. Так вот, сейчас мы примерно на том же уровне обсуждаем и нашу тему.

Есть такое понятие, как шкала Кардашева (http://tobetop.ru/node/434), которая делит разумные цивилизации на 3 обширные категории, основываясь на количестве энергии, используемой ими:

– цивилизация типа 1 имеет возможность использовать всю энергию своей планеты. Мы с вами не вполне тип 1, но близко (Карл Саган вывел формулу на основе этой шкалы, согласно которой мы — цивилизация типа 0.7);

– цивилизация типа 2 способна использовать всю энергию своей звезды. Наши ничтожные мозги первого типа не способны представить, как это можно осуществить, но мы стараемся изо всех сил, воображая вещи наподобие сферы Дайдсона (www.astronet.ru/db/msg/1180322);

Рассматривая подробнее наиболее известные объяснения для парадокса Ферми, можно разделить их на две большие группы:

1) объяснения, исходя из которых, отсутствие признаков существования цивилизаций второго и третьего типов указывает на отсутствие таких цивилизаций;

2) объяснения, которые подразумевают, что такие цивилизации существуют, но мы не видим и не слышим ничего по каким-то другим причинам.

Объяснения первой группы: отсутствие признаков существования цивилизаций 2-го и 3-го типов указывает на отсутствие таких цивилизаций.

Те мыслители, которые разделяют объяснения первой группы, указывают на так называемую "проблему не-исключительности", которая отвергает любые теории наподобие "Высокоразвитые цивилизации существуют, но ни одна из них не сделала попытки контакта с нами, потому что бла-бла-бла...". Сторонники первой группы, исходя из рассчитанного значительного количества (многих тысяч или даже миллионов) высокоразвитых цивилизаций, полагают, что хотя бы одна из них должна стать исключением из такого правила. Даже если теория верна для 99,99% цивилизаций, то даже 0,01% так или иначе проявили бы себя, и мы были бы осведомлены об их существовании.

Из этого следует, утверждают сторонники первой группы, что ни одной высокоразвитой цивилизации просто не существует. А поскольку расчёты предполагают, что тысячи подобных цивилизаций должны присутствовать только в нашей галактике, то, возможно, существует что-то ещё.

Это "что-то ещё" называется тотальный пиздец всему живому Большой фильтр.

Теория Большого фильтра утверждает, что в какой-то точке процесса эволюции от примитивных бактерий до цивилизации типа 3 существует барьер, в который упираются все или почти все формы жизни. Этакий скачок в неторопливом эволюционном развитии, совершить который для формы жизни крайне маловероятно или вообще невозможно. Этот скачок и является Большим фильтром.

Если эта теория верна, то возникает вопрос: в каком именно месте временной шкалы находится Большой фильтр?

Как-то так получается, что когда речь заходит о судьбе человечества, этот вопрос вдруг становится самым важным. В зависимости от возможного расположения Большого фильтра мы сталкиваемся с тремя различными сценариями: 

1) мы необычные, 

2) мы первые, 

3) мы обречены.

1) Итак, допустим, что мы необычные (Большой фильтр позади нас)

Есть надежда, что Большой фильтр уже позади, мы умудрились преодолеть его, а это может означать, что, в общем, для форм жизни крайне необычно достигать нашего уровня развития. Шкала снизу показывает только два вида жизни, преодолевших Фильтр, и мы — один из них.

Этот сценарий объясняет, почему нет признаков цивилизаций типа 3; но также это означает, что мы можем быть одним из редчайших исключений, продвинувшихся настолько далеко.

Это даёт нам некоторую надежду. На первый взгляд вышесказанное звучит примерно как утверждения пятисотлетней давности о том, что Земля — центр Вселенной, и намекает на то, что мы какие-то особенные, необычные. Тем не менее, так называемый эффект "систематической ошибки отбора" как раз объясняет любые утверждения о собственной уникальности: это неотъемлемая часть "истории успеха" любой разумной жизни и, — вне зависимости от того, является ли разумная жизнь действительно необычной либо напротив, вполне распространённой, — умозаключения и выводы, к которым она придёт, будут идентичными. Всё это вынуждает нас признать, что быть особенными — действительно одна из возможных вероятностей.

И если мы уникальные, то когда именно мы стали такими, то есть какой именно этап, остановивший почти всех, мы всё же преодолели?

Одна из возможностей: Большой фильтр был в самом начале (возможно, для жизни чрезвычайно необычно вообще зародиться). Эта возможность — вполне реальная, поскольку на Земле процесс зарождения жизни занял примерно миллиард лет, а также по той причине, что, несмотря на то, что мы очень давно стараемся повторить этот процесс в лабораториях, успеха так и не достигли. Если тут действительно был Большой фильтр, то вполне вероятно не только отсутствие другой разумной жизни, но и отсутствие любой другой жизни в целом.

Другая возможность: Большим фильтром был переход от простых доядерных клеток-прокариотов к сложным ядерным клеткам-эукариотам. После возникновения, прокариоты оставались в неизменном виде на протяжении почти двух миллиардов лет, пока не произошёл эволюционный скачок к усложнению и появлению клеточного ядра. Если именно здесь был Большой фильтр, то это означает, что Вселенная кишит простыми клетками-прокариотами, а более сложные формы жизни практически отсутствуют.

Существует ещё несколько возможностей. Некоторые даже полагают, что наш недавний скачок к homo sapiens и есть тот самый Большой фильтр. И хотя скачок от полу-разумной (шимпанзе) к разумной жизни (люди) на первый взгляд не кажется таким поразительным, то вот некоторые отвегают идею неотвратимой эволюции по принципу "вскарабкаться наверх": "Так как эволюция не стремится к какой-либо определённой цели, а просто происходит. Она использует адаптацию, наиболее подходящую для данной экологической ниши. И тот факт, что на Земле такая адаптация привела к технологическому развитию лишь однажды, позволяет предположить, что подобный исход необычен и, без сомнения, ни в коем случае не является конечной точкой в эволюции общего древа жизни".

Большинство скачков не квалифицируются как кандидаты на Большой фильтр. Любой возможный Большой фильтр должен быть каким-то событием с вероятностью выпадения нужной комбинации "один-к-миллиарду". По этой причине, например, скачок от одноклеточных организмов к многоклеточным исключается, поскольку это произошло, как минимум 46 раз (http://www-eve.ucdavis.edu/grosberg/Grosberg%20pdf%20papers/2007%20Grosberg%20%26%20Strathmann.AREES.pdf), в изолированных друг от друга точках, только на нашей планете. По той же причине, если мы когда-нибудь найдём окаменевшую клетку-эукариот на Марсе, это событие исключит вышеупомянутый скачок "от простой клетки к сложной" (как и любой последующий во всей эволюционной цепочке), потому что если такое произошло сразу и на Земле и на Марсе, то, очевидно, это не та штука с вероятностью "один-к-миллиарду", которую мы ищем (хотя Терри Пратчетт утверждал, что вероятность исхода события в 1 к 100000000 равна 1 (привет "Плоскому Миру"!)).

Если мы и в самом деле необычны, то это могло произойти и по счастливому стечению биологических обстоятельств, но также нашу необычность можно объяснить так называемой гипотезой уникальной Земли, которая предполагает, что, несмотря на обилие землеподобных планет, именно конкретные особенности Земли — будь то специфика нашей Солнечной системы, взаимоотношения между Землёй и Луной (такой большой спутник необычен для маленькой планеты и сильно влияет на погодные условия и поведение океанов), или нечто иное, связанное непосредственно с самой планетой — чрезвычайно способствуют возникновению и развитию жизни.

2) Теперь допустим, что мы первые

Если же мы ни необычные, ни первые, то мыслители первой группы сходятся на том, что Большой фильтр ждёт нас в будущем. Такой сценарий предполагает, что жизнь регулярно развивается до уровня, подобного нашему, но что-то препятствует в последующем развитии и достижении уровня сверхразума почти во всех случаях, и не похоже, что мы станем исключением.

Возможно, будущим Большим фильтром станет регулярно повторяющееся естественное катастрофическое явление, как, например, вышеупомянутый гамма-всплеск, ведь, к сожалению, они не прекратились, и это только вопрос времени, когда вся жизнь на Земле будет уничтожена одним из таких выбросов энергии. Другой кандидат на роль фильтра — возможная неотвратимость самоуничтожения цивилизации по достижению определённого уровня технологического развития.

Большая энциклопедия Южакова, том 15, 1904 год

Невероятные открытия: путешествие к центру Земли в надувной лодке

В поисках нейтрино...

Поиски нейтрино

Подземные субатомные сущности.

Камеры обнаружения нейтрино.

Супер Камиоканде

Нейтринный детектор Супер Камиоканде.

13.000 ФЭУ.

Физик Нил Деграсс Тайсон.

Когда нейтрино сталкивается с атомом в воде, создавая электрон, физики могут проследить его путь, идентифицировав местоположение источника (будь то умирающая звезда, катастрофическое космическое событие или наше собственное Солнце).

Техобслуживание обсерватории.

Идентификация местоположения источниов.

SNO (Sudbury Neutrino Observatory)

Исследования электронных, мюонных и тау нейтринов.

Акриловый сосуд с тяжелой водой.

Лаборатория SNO находится в 2 км под землей.

Борексино

Лаборатории Гран-Сассо.

Мифы о Большом взрыве: как из «ничего» получилось «всё»? Олег Верходанов. Ученые против мифов 12-7

Юрий Гагарин, фотограф Юрий Абрамочкин. Сочи, 1961 год.