|
основные научные понятия, законы для пользования
Что такое энтропия и как она связана с материей и энергией?
Термодинамика, основы которой должны быть известны каждому ученику, наука занятная. Самым занятным для многих был вопрос - почему у термодинамики есть целых 2 начала и ни одного конца? Если с первыми 2 началами термодинамики особых непонятностей нет, то 3 вызывает немало споров даже в кругу ученых. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...cec5/scale_600 Источник изображения: coco02.net Для 3 начала термодинамики имеется множество формулировок - автору статьи известно 9, и он полагает наиболее доступной формулировку в виде тепловой теоремы Нернста. Она гласит - "Абсолютный нуль недостижим". Однако в большинство учебников общей физики вошла иная формулировка - "Энтропия замкнутой системы нарастает". Здесь сразу начинаются проблемы - понять, что есть энтропия реально сложно. Впервые понятие энтропии ввел германский физик Рудольф Клаузиус. С помощью этой функции он описывал возможность тепла преобразовываться в иные виды энергии. Длительное время термин «энтропия» применялся исключительно в физике, позднее он перешел и в прочие науки. Энтропия в физике Согласно термодинамике, всякая замкнутая система стремится достичь равновесного состояния - это значит перейти в положение, когда нет никакого излучения энергии или ее перехода из одного состояния в другое. Выйти из такого состояния невозможно и она характеризуется максимальным уровнем беспорядка. Таким образом - энтропия мера беспорядка. Чем он выше, тем больше и значение энтропии. Чем сложнее организована структура вещества, тем меньше уровень энтропии и выше вероятность ее распада. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...0fe8/scale_600 Источник изображения: gutuka.co.ke Например, Останкинская телевышка весьма сложная структура, она стремится к упрощению. Если за ней не смотреть и не ремонтировать, то через определенный промежуток времени конструкция телевышки развалится на составляющие части. Беспорядок сооружения, а следовательно и энтропия, увеличатся. Еще одним способом подачи энтропии в физике является ее определение, как разность между идеальным процессом, описываемым формулами, и процессом реальным. Чтобы не усложнять статью рассмотрим это явление на простом примере. Человек ставит свой мобильный телефон на зарядку. Идеальным будет вариант, когда вся полученная электрическая энергия перейдет в химическую энергию аккумулятора, который затем снова будет преобразовывать ее в электроэнергию необходимую для питания сотового. На самом деле, все далеко не так - часть энергии полученной из электросети необратимо тратится на нагрев блока питания, проводов и самого аккумулятора. В этом несложно убедиться, прикоснувшись к блоку питания или телефону в процессе подзарядки - они будут теплые. Энергия, преобразовавшаяся в тепло, и есть в данной ситуации энтропия. Самые распространенные формулировки энтропии в физике Многие известные физики пытались доступным для простых людей объяснить понятие энтропии. Выделим 3 наиболее известные формулировки объяснения. Утверждение Клаузиуса Нагрев тела с более высокой температурой невозможен посредством тела с более низкой температурой. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...fcdb/scale_600 Источник изображения:pixabay.com На примере это выглядит так - поставить чайник с водой на кусок льда можно (априори температура воды выше температуры льда), но дождаться, что вода закипит не получится. Хотя первые 2 начала термодинамики не отрицают подобной возможности. Формулировка Томсона В замкнутой системе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы работа, совершаемая за счет тепловой энергии полученной от какого-либо тела. Подобный вариант формулировки означает, что вечный двигатель построить в принципе невозможно. Утверждение Больцмана Уменьшение энтропии в замкнутой системе невозможно. Эта формулировка вызывает множество споров, хотя интуитивно все понятно. В заброшенном жилище будет нарастать хаос - осядет пыль, некоторые вещи развалятся. Навести порядок можно, но только приложив внешнюю энергию, то есть работу уборщика. Проблема в том, что Вселенная в современных представлениях является замкнутой системой. Образовалась она где-то 14-15 миллиардов лет назад. За это время ее энтропия привела бы к тому, что галактики распались, звезды погасли и никаких новых звезд не появилось бы в принципе. А ведь нашему Солнцу не больше 5 миллиардов лет, да и Вселенная в целом не пришла в состояние хаоса. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...ae1f/scale_600 Источник изображения: pikby.com Следовательно, Вселенная получает подпитку энергией извне. Вот только откуда? Энтропия в химии https://avatars.mds.yandex.net/get-z...4642/scale_600 Источник изображения: freepng.com Многие химические процессы являются необратимыми и происходят с выбросом энергии. Например взрыв при сотрясении нитроглицерина никого не удивляет - это и есть химическая реакция сопровождаемая резким увеличением энтропии. Экономика и энтропия Специалистам в экономике известно понятие коэффициент энтропии. Этот коэффициент показывает изменение уровня концентрации рынка и возможность появления монополий. С ростом этого показателя вероятность захвата рынка монополистами снижается. Этот коэффициент помогает определить выгоды монопольной деятельности в том или ином сегменте рынка. Энтропия и социология Под энтропией в социологии полагают информационную неопределенность, которая характеризуется отклонением системы (социума), или ее частей (звеньев), от идеального (эталонного) состояния. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...2238/scale_600 Источник изображения: istockphoto.com Пример можно взять следующий - некая организация занимается проверкой деятельности других организаций. За проверкой следует составление отчета. Если руководство требует очень подробные отчеты, то наступает момент, когда почти все время сотрудников уходит на составление этих самых отчетов. Время расходуемое на основную деятельность сотрудников (собственно проверки) становится недопустимо малым. Это положение характеризуется высоким состоянием информационной неопределенности (энтропии). Руководство в такой ситуации обязано принять меры по упрощению отчетности. |
Что такое Больцмановский мозг
Гипотеза симуляции, голографический принцип и другие гипотезы о нереальности происходящего вокруг нас, пожалуй, берут начало от предположения, выдвинутого гениальным австрийским ученым XIX века — Людвигом Больцманом. Какими бы занимательными и удивительными ни были эксперименты, проводимые в лаборатории, наибольший интерес вызывают мысленные эксперименты ученых. Больцмановский мозг — как раз один из таких мысленных экспериментов, связанный с сознанием, интеллектом, энтропией и вероятностью. Парадокс энтропии Мы живем в мире, который, по идее, не должен существовать. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия со временем должна повышаться. То есть все рано или поздно становится менее упорядоченным. Однако в некоторых областях Вселенной она может становиться более организованной в результате случайных флуктуаций, если одновременно другие ее области будут становиться все менее упорядоченными. Мы живем в невероятно упорядоченной части Вселенной. Например, даже короткий отрезок молекулы ДНК устроен настолько аккуратно, что вероятность ее появления в результате «случайных флуктуаций» физического материала невообразимо мала. Но как вышло, что в одной клетке есть миллиарды базовых соединений, в сложных организмах — триллионы клеток, а на Земле — миллионы видов живых существ? https://naked-science.ru/sites/defau...boltzmann2.jpg Людвиг Больцман / © Wikipedia/Uni Frankfurt Антропный принцип Все дело в так называемом антропном принципе, который многие считают крайней формой критерия отбора. Он гласит, что причина, по которой мы можем наблюдать нечто столь сложное, как человеческий мозг, состоит в том, что только нечто столь сложное, как человеческий мозг, и способно провести наблюдение. Этот принцип используется и для объяснения того, почему универсальные физические постоянные, такие как сила гравитации, кажутся тонко настроенными для существования жизни на Земле. И звучит это объяснение примерно так: если бы эти постоянные были немного другими, жизнь не смогла бы существовать и мы не могли бы находиться здесь и сейчас, размышляя о том, почему физические постоянные кажутся тонко настроенными для существования жизни на Земле. Выходит, во Вселенной есть чуть более упорядоченные области, но рядом нет никого, кто мог бы их заметить. Затем происходит флуктуация — и появляется настолько упорядоченная область Вселенной, что там рождается разумная жизнь, которая, в свою очередь, оглядывается и замечает, что живет в практически невозможно упорядоченном мире. Можно вспомнить стандартную аналогию. Представьте себе, что сеть из миллиарда обезьян бесконечно колотит по печатным машинкам. Теперь вообразите, что какая-то из этих печатных машинок напечатала произведение Шекспира, которое обрело сознание. Что в итоге? После невероятно долгого времени появится «Гамлет», посмотрит вокруг и задумается, почему есть она — гениальная пьеса, — а все вокруг нее — непонятная абракадабра. https://naked-science.ru/sites/defau...typewriter.jpg Согласно теореме о бесконечных обезьянах, абстрактная обезьяна, бьющая по клавишам печатной машинки неограниченное время, в итоге когда-то наберет заданный текст / © Wikipedia/New York Zoological Society Больцмановский мозг Однако не все так просто. Людвиг Больцман, австрийский физик-теоретик XIX века, которого нередко называют гением энтропии, предположил, что мозг и другие сложные упорядоченные объекты на Земле образовались в результате случайных флуктуаций вроде «Гамлета», о котором мы говорили выше. Но тогда почему мы видим миллиарды других сложных и упорядоченных объектов вокруг нас? Почему мы не сродни одинокому «Гамлету» в море бессмыслицы? Больцман предполагал, что если случайные флуктуации могут создать мозг, подобный нашему, то в космосе должны летать мозги или одиноко сидеть на одном месте на необитаемых планетах во многих световых годах от нас. Это и есть Больцмановский мозг. Более того, эти мозги должны быть более заурядным явлением, чем все те толпища сложных упорядоченных объектов, которые мы можем видеть на Земле. Так у нас появляется еще один парадокс. Если единственное условие для сознания — мозг, подобный тому, что у вас в голове, то как вы можете быть уверены, что вы сами не являетесь таким Больцмановским мозгом? Если бы вы испытывали случайное сознание, то скорее оказались бы один в глубинах космоса, нежели окруженный подобными сознаниями. Почему «Гамлет» должен оглянуться и обнаружить «Сон в летнюю ночь» слева от себя, «Бурю» — справа от себя, «Двенадцатую ночь» — перед собой, а «Ромео и Джульетту» — позади? Простые ответы, похоже, требуют какого-то волшебства. Возможно, сознание не возникает естественным образом в мозге — вроде головного, — а требует метафизического вмешательства. Или же, возможно, мы не случайные флуктуации в термодинамическом бульоне и были помещены сюда разумным существом? Программа «Ласка» Конечно, ни один из вышеприведенных ответов нельзя назвать исчерпывающим. Основная идея состоит в том, что процесс естественного отбора способствует развитию сложных упорядоченных объектов, а не просто позволяет им случайно появляться. Как только на Земле возникла самореплицирующаяся молекула около 3,5 миллиарда лет назад, начался безостановочный процесс, который в итоге привел к крайней концентрации порядка, который мы видим вокруг себя. Ричард Докинз проиллюстрировал это в своей книге «Слепой часовщик» при помощи программы «Ласка» (или «Хорек»). Программа начинается со строки случайно сгенерированной бессмыслицы. Затем она создает 100 копий строки с одинаковой вероятностью «мутации» каждой буквы в другую букву. Потом из 101 строки выживает только одна, наиболее похожая на фразу из «Гамлета» — «По-моему, оно смахивает на хорька» (Methinks it is like a weasel), — а другие 100 погибают. Следующее поколение создается из оставшейся строки таким же способом. По прошествии множества поколений выжившая строка будет все больше походить на цитату. https://naked-science.ru/sites/defau...typewriter.jpg В книге «Слепой часовщик» на примере гипотетической программы «Ласка» показано, что для развития сложных систем нет необходимости вмешательства извне: эволюция, имея ограниченный набор данных, в итоге может произвести что-то упорядоченное и сложное / © GitHub В реальной жизни происходит похожая ситуация. Объекты, более способные к саморепликации и менее подверженные разрушению, имеют возможность самовоспроизводиться, тогда как другие уничтожаются. По прошествии многих, многих, многих поколений объекты становились все более устойчивыми и реже уничтожались, прежде чем у них появлялась возможность к воспроизведению. Оказывается, интеллект — очень полезное свойство для объекта, который может выжить и самореплицироваться. Итог Если говорить кратко, то решение больцмановского парадокса заключается в том, что соорудить один мозг гораздо сложнее, чем создать Землю, наполненную этими мозгами. Случайные флуктуации, необходимые для запуска процесса естественного отбора, намного проще и менее точны, чем те, что потребуются для создания Больцмановского мозга в глубинах космоса. Так что в следующий раз, когда вы почувствуете себя маленьким и ничтожным, вспомните, что вы намного сложнее, чем 4,5 миллиарда лет истории, которые привели к вашему рождению (и это если брать в расчет не возраст всей Вселенной, а одну лишь Землю). |
10 измерений наглядно: поберегите мозг
Мы живем в трехмерном мире. Вообразить большую мерность для нас – задача не из простых. Однако, теория струн говорит о 10 измерениях. Попробуем себе их представить. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...d309/scale_600 1. Теория струн Одна из наиболее распространенных теорий мира – теория струн. Чтобы объединить все физические взаимодействия (слабое и сильное, гравитационное и электромагнитное) в единую ипостась понадобилось изобретение подобной гипотезы. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...e94b/scale_600 Леонард Сасскинд - один из пионеров теории струн Задачу эту она еще не решила, но основана на 10-мерном представлении о Вселенной. При других мерностях ничего не получается. Углубляться в теорию не будем. Скажу лишь, что над ней работали и работают: Саскинд, Грин, Шварц, Намбу, Нильсен, Шерк. 2. Привычный мир Окружающая действительность для нас более-менее понятна. Что представляют из себя 3 и менее измерений мы можем представить. Начнем с нулевого измерения. В геометрии оно представлено точкой. Что такое точка – каждый понимает. Это просто указание на объект. Она не имеет каких-то параметров длины или ширины. У нее нет размера. Когда мы соединим две точки пространства – получим одномерную систему. Это линия. По ней можно передвигаться, но объекты здесь могут иметь только ширину. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...7811/scale_600 Трехмерный мир понятен каждому Построив стандартную систему координат – получим двумерный мир. Здесь уже есть ширина и высота. С такими объектами мы сталкиваемся постоянно: изображение на мониторе, рисунки, игры являются двумерными. Ну а добавив глубину, т.е. третью ось, получим наш мир. Все что мы видим вокруг – трехмерное (за редкими исключениями). 3. Временные ситуации Эйнштейн сделал великое открытие: показал, что пространство и время взаимосвязаны. Поэтому, не так сложно представить 4-ое измерение. Вообразите свою жизнь. Каждое ее мгновение можно зафиксировать в виде отдельного слепка. Если соединить все эти события – получим данное измерение. Четвертое измерение для вас – это кадры всей вашей жизни. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...c406/scale_600 В 5-ом или 6-ом измерении с вами и такое возможно Согласно теории Мультивселенной, каждое мгновение мы создаем иную реальность в другом измерении. Вы вышли из дома и повернули налево, а в другом ответвлении вашего бытия – вы повернули направо. Это – пятое измерение. С шестым немного сложнее. Предположим, вам сейчас 41 год. Где-то в параллельном мире есть другой вы, который стал олимпийским чемпионом. Как туда попасть? Вернувшись в прошлое через 5-ое измерение вы не попадете в то другое настоящее. Вы лишь сумеете как-то поменять события своего детства, чтобы прийти к этому результату. Есть вариант проще – нужно изогнуть 5-ую мерность через шестую. Это позволит попасть не только в событие прошлого, но и любую возможную бытность в параллельном мире настоящего. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...f109/scale_600 Высокие мерности трудны для пониманияВ общем, здесь вы можете побывать в любом вашем возможном будущем и прошлом. 4. Рвем мозг В более низких мерностях у нас была точка отсчета. В седьмом измерении их бесчисленное множество. Появляется возможность сделать начало любого события любым. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...55a7/scale_600 Девятое измерение позволяет создавать новые Вселенные Восьмое измерение дает еще больше возможностей: бесконечное число начал и развитий событий. Прошлое и будущее имеет бесчисленное количество ответвлений. По сути, вы получаете шанс поменять во Вселенной всё: от начала до конца. Девятая мерность позволяет создать бесконечное число Вселенных. Не только наш мир получает мультивариантность, но и любой другой: новые законы физики вам в помощь. 5. Точка Если ваш мозг начал кипеть, то сейчас мы его добьём. Для этого понадобится десятое измерение. Так вот, вообразите все то, что мы выше перечисляли. Многочисленное число возможностей в бесчисленном ряде Вселенных. Получилось? https://avatars.mds.yandex.net/get-z...e7a6/scale_600 Десятое измерение... А теперь осознайте всё это простой точкой. Одной. Точкой. Добро пожаловать в 10-ое измерение. --Трехмерным сущностям представить более высокие измерения не просто. Для этого нам понадобилась аналогия и толика воображения. |
Мультивселенная: мозг не способен в это поверить
Масштабы Вселенной поразят неподготовленного человека. Не хватит времени существования нашего мира чтобы облететь ее в видимом диапазоне. А тут, как назло, ученые подкинули еще одно помутнение в нашу голову: Мультивселенную. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...d54b/scale_600 11 декабря 2018 88 тыс. просмотров 63 тыс. дочитываний 5 мин 30 секунд 88 тыс. просмотров. Уникальные посетители страницы. 63 тыс. дочитываний, 72%. Пользователи, дочитавшие до конца. 5 мин 30 секунд. Среднее время дочитывания публикации. Мультивселенная: мозг не способен в это поверить Масштабы Вселенной поразят неподготовленного человека. Не хватит времени существования нашего мира чтобы облететь ее в видимом диапазоне. А тут, как назло, ученые подкинули еще одно помутнение в нашу голову: Мультивселенную. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...d54b/scale_600 Немного успокоившись, у адекватного человека возникают вопросы: зачем придумали эту диковинную штуку, что она нам дает, есть ли шансы ее познать? Ответы, видимо, придут не скоро. Все же, хочется немного поглубже понять эту идею. Попробуем. Для начала, чтобы не посчитать написанное ниже чистым вымыслом, упомянем ученых, которые внесли вклад в эту теорию: А. Линде, А. Виленкин, С. Хокинг, Б. Грин, А. Гут, Л. Сасскинд, Ш. Кэррол. Даже за пределами физических и космических научных кулуаров эти персоны известны всему миру. Приходится согласиться, что раз они додумались до такого, на то были свои причины. 1. Бесконечность До сих пор не доказана конечность Вселенной. Это порождает одно из объяснений множественной Вселенной. Представьте, что мир не имеет границ. Результат такого мысленного эксперимента вас удивит: мы не уникальные, все уже есть, вплоть до точных копий. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...0458/scale_600 Стивен Хокинг - один из сторонников Мультиверса как теории. Т.е. если нет конца мирам, то где-то, в невероятной отдаленности от нас, существует точный аналог Земли. На этой копии живет такой же человек как вы. Сейчас, возможно, он читает эту же статью, написанную тем же автором. В каком-то клоне нашего мира могут быть отличия: вы читаете там это изложение не на экране телефона, а на мониторе компьютера. В каком-то другом пространстве Вселенной вы стали писателем, а где-то – наемным убийцей, где-то вы разбогатели, где-то – скитаетесь по улице в поисках пищи. Несмотря на то, что мозгу сложно принять такое развитие событий, если Космос бесконечен, такое вполне реально, даже с точки зрения вероятности. Это немного печалит, так как полностью стирает нашу уникальность. 2. Инфляция Второй вариант возможного существования Мультиверса – теория инфляции. Она сейчас доминирует в космологии, следовательно, выводы из нее опираются на современные научные идеи. Напомню, инфляция подразумевает начальный этап жизни нашей Вселенной. После Большого Взрыва с невероятной скоростью она увеличилась до колоссальных размеров. Это «вздутие» назвали инфляцией. Если вы глянете на тепловую карту Вселенной, то увидите, насколько малы отличия в температуре и структуре нашего мира. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...93fd/scale_600 Андрей Линде - один из авторов теории инфляции. Если бы мир расширялся со скоростью света, противоположные его концы не сумели бы обменяться информацией. Они бы отличались. Но такого отличия нет. Значит, некий «пузырь» нашего пространства надулся и породил мир с невообразимой скоростью, из-за которой мы в нем существенных отличий не наблюдаем. Так как такие процессы возможны в вакууме постоянно, высока возможность образования множества других Вселенных. Где-то будет сходство с нашей, где-то будет полная непохожесть. Углубляться в данную теорию сейчас не будем, она заслуживает отдельной статьи. Главное – она дает предпосылку для возникновения других миров. 3. Параллельные вселенные Мы привыкли к трехмерному пространству и времени, которые формируют континуум. Представить более высокие мерности – сложно. Зато, популярные в физике теория струн и М-теория работают с большим числом измерений. Без их введения – сам наш мир не смог бы существовать. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...ddd9/scale_600 Возможно, в микрометре от нас расположены миллиарды других миров. Попробуем пояснить просто: наш мир покоится на «бране», которую можно представить в виде бесконечного трехмерного листа (плюс время, естественно). Эти браны существуют параллельно друг другу в некоем метапространстве. Следовательно, буквально рядом с нами, в том же самом месте (меньше толщины кварка) могут существовать другие миры, но в своем «измерении». Некоторые полагают, что «червоточины», формируемые черными дырами, могут вести в эти другие миры. 4. Веточные Вселенные Любая возможность – это альтернатива. Мы выбираем одну из них, другие варианты не исчезают, а образуют другой мир. Предположим, вы сегодня встали с правой ноги, следовательно, в этот же момент возникла Вселенная, где вы стали с левой ноги. С учетом многообразия возможностей этих ответвлений будет бесчисленное множество миров. И как сказал Брайан Грин: «с учетом такого ваша реальность становится не единственной, а только одной из возможных». Любая мысль, событие, поступок – произошли в своих вселенных. Отметим, что это одна из самых необычных теорий Мультиверса. 5. Математическая Вселенная Математика работает с числами. Когда эти числа совпадают странным образом, либо когда вероятность их осуществления достаточно мала, возникает подозрение, что всё дело в количестве. Если вы узнаете, что сегодня где-то в Канаде какой-то студент выиграл 100 млн. долларов в лотерею, то не удивляетесь. С учетом количества игроков, попыток маловероятное происшествие становится реальным. Разбиться на самолете – практически невозможно. Это самый безопасный вид транспорта. Если же вы будете летать на нем 300 лет ежедневно, то почти со 100 % попадете в катастрофу. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...12f8/scale_600 Не важно, о чем вы подумали - это в любом случае породит Вселенную с этим событием. Так же и с нашим миром. Он настолько уникален, в нем сошлись настолько маловероятные величины, что приходится предполагать множество других пространств, где это всё не совпало или выстроилось по-другому. Так что, даже математика приходит к реальности Мультивселенной. --Понимаю, это всё выглядит очень спорно и недоказуемо. Суть в другом: это и опровергнуть пока что никак нельзя. Многие бредовые идеи в будущем становились пророческими. Пугает другое: если теория будет доказана, как мы доберемся до других миров, если даже наша Вселенная нам не по силам? |
Эффект бабочки: что это такое?
http://img.georgiatimes.info/image/a...7/9/31379.jpeg
Наверное, вы уже не раз слышали об эффекте колибри. Его ещё называют эффектом бабочки, но в чём он заключается? Главный смысл в том, что если какое-то незначительное изменение произошло в системе, то можно ждать каких-то больших последствий в другом месте и в другое время. Начнем с того, что возникать такой феномен способен далеко не в любой системе, а именно в хаотичной. Дело в том, что это часть знаменитой теории хаоса, которая рассказывает нам о том, что все сложные системы абсолютно непредсказуемы, детали таких систем иногда пересекаются, а потом получается что-то очень неожиданное. Название эффекта было дано американским математиком, он же является метеорологом, имя этого ученого Эдвард Лоренц. Специалист был первым, кто в метафоричной форме рассказал, что, если в штате Айова бабочка делает взмах крыльями, это может привести к лавине где-нибудь очень далеко, например, в Индонезии. Вообще это была метафора, связанная с рассказом Рэя Брэдбери под названием "И грянул гром". Именно поэтому название закрепилось, как эффект бабочки. Психология — это, конечно, интересно, но каждому человеку хочется понять, как эффект бабочки проявляется в обычной жизни. Например, человек, который жил в XX веке, когда-то вывел сорт овощей и фруктов, которые неприхотливы, Норман Болоуг, так его зовут. Так вот, огромное число людей в период ужасного голода выжили в засуху и неурожай, это его заслуга. Понимаете зависимость? Между событиями может пройти очень много лет, они не привязаны к месту, но одно внезапно воздействует на другое. Интересно то, что эффект бабочки закрепился в кинематографе, его полюбили голливудские режиссеры. Наверное, вы смотрели фильм с Эштоном Катчером, где он постоянно применяет свою память, чтобы совершить путешествие в прошлое. Что он там делает? Меняет определенные события, которые влекут негативные последствия в будущем. Получается, что весь этот фильм рассказывает нам об эффекте бабочки. И, что ещё более символично, даже прокат фильма доказывал эффект бабочки, премьеру постоянно переносили, иногда фильм уступал более кассовым картина, а иногда это случалось по болезни кого-то из актёров. Так что, вы можете вспомнить, когда в жизни встречались с эффектом бабочки, наверняка, это случалось не один раз. А ещё эффект бабочки помогает людям поступать в каких-то ситуациях лучше, ведь очень часто стоит задуматься о том, что ваш поступок сегодня принесет необратимые последствия в будущем. Может и не принесет, но предугадать это невозможно, может быть вы просто не узнаете, какие последствия принес ваш поступок на другом конце Земли. Об этом и говорит эффект бабочки. |
Парадокс демона Максвелла
В 1867 году английский физик, механик и математик Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент, который стал известен, как "демон Максвелла". Посредством этого мысленного эксперимента Максвелл хотел продемонстрировать парадокс Второго закона термодинамики. Центральная роль в эксперименте отводится воображаемому крохотному существу или механизму, для которого позднее придумали название в честь ученого "демон Максвелла" Суть эксперимента Допустим, что перегородка из абсолютно непроницаемого материала делит емкость с газом на две одинаковые части. В перегородке есть микроотверстие, через которое какое-то гипотетическое устройство (демон Максвелла), позволяет проходить быстрым "горячим" молекулам только в правую часть емкости из левой части, а "холодные" частицы газа пропускает только в левую часть из правой. https://zen.yandex.ru/24SOS3l37/eff3...F_Tvv1IIb8#DSD Изображение демона Максвелла. Источник: face-paging.com Теоретически, по прошествии большого отрезка времени все холодные частицы скопятся на левой стороне, а горячие - в правой части. Горячий газ после разделения можно было бы использовать для совершения какой-либо полезной работы. В итоге, у нас получилось, что без дополнительных затрат внешней энергии демон Максвелла способен охлаждать одну часть емкости с газом и нагревать другую. Таким образом энтропия системы из двух равных частей в конце эксперимента оказывается меньше, чем при его начале. Такое положение дел не согласуется с принципами термодинамики, так как из второго закона следует, что тепло от тела с низкой температурой без совершения работы нельзя передать телу с более высокой температурой. Этот мысленный эксперимент вызвал бурные дискуссии и создал толчок к изучению связи между термодинамикой и теорией информации. Разрешение парадокса демона Максвелла Этот парадокс решается, если рассматривать систему в эксперименте целиком, включая демона Максвелла и емкость с газом. Для работы устройства, "фильтрующему" теплые и холодные молекулы газа, нужно было бы передавать энергию извне,а разделение частиц газа происходило бы при помощи этой энергии. Если этот "демон" мог бы существовать на самом деле, то стало бы возможным создание теплового механизма, работающего без потребления энергии. Однако, на определенном этапе развития теории информации стало известно о том, что измерение (в случае, если этот процесс обратим термодинамически) может не увеличивать энтропию. Но тогда демон Максвелла должен сохранять все результаты измерения скорости частиц, так как в противном случае процесс измерения будет необратимым. Вследствие того, что объемы запоминаемой демоном информации не могут быть бесконечными, то в какой-то момент ему будет нужно удалить старые результаты и это в конце-концов приведет к увеличению энтропии системы. https://zen.yandex.ru/24SOS3l37/eff3...xxTcvCFIfh#DSD Источник изображения: BrinkHelsinki / youtube.com В июле 2018 года команда физиков в журнале Physical Review Letters опубликовала результаты проведенных исследований, согласно которым существование демона Максвелла возможно на квантовом уровне. Но, не смотря на это, ряд ученых утверждают, что даже теоретические разработки исключают возможность практического создания любого устройства, нарушающего второе начало термодинамики. |
Телепортация реальна Милош Восковец Милош Восковец 16.02.2019, 09:26 10536 1 6 «Квантовая телепортация — это не телепортация. Это касается общения и будущего интернета» — Мэтт Дж. Вебер, сценарист, продюсер, музыкант. Квантовая телепортация Квантовая телепортация Исследователи из Китая просто телепортировали объект в космос. Это был не человек, не собака и даже не молекула. Это был фотон. Или, по крайней мере, это была информация, описывающая определенный фотон. Так как это можно назвать телепортацией? В том-то и дело, что квантовая телепортация на самом деле вовсе не телепортация, а создание незащищенного интернета. Но сначала поговорим о парадоксе. Альберт Эйнштейн не любил квантовую механику Он думал, что это ошибочная теория, и в 1935 году он написал статью, описывающую парадокс, который, казалось, поставил под вопрос все о квантовой механике. Квантовая механика — это изучение самых маленьких аспектов нашей вселенной. Атомы, электроны, кварки, фотоны. И это раскрывает некоторые неинтуитивные — даже противоречивые — аспекты нашей вселенной. Например, измерение частицы меняет частицу. Это называется эффектом наблюдателя. Акт измерения явления непоправимо изменяет или влияет на это явление. Чтобы наблюдать атом, нам часто приходится проливать свет на него. Фотоны в этом свете взаимодействуют с частицей таким образом, что это влияет на ее положение, импульс, вращение или любое количество характеристик. В квантовой сфере использование фотонов для наблюдения за атомом сродни использованию шаров для боулинга для подсчета штифтов в конце поля для боулинга. Как следствие, вы никогда не можете знать все свойства частицы с какой-либо уверенностью, потому что акт знания повлияет на результат. Эффект наблюдателя часто путают с идеей, что сознание может как-то влиять или даже создавать реальность. Но это не так уж и сверхъестественно. Потому что эффект наблюдателя совсем не требует сознания. Фотоны, попадающие в атом, будут производить тот же эффект наблюдателя, независимо от того, управляют ли эти фотоны сознательными людьми. Наблюдать в этом случае просто значит взаимодействовать. Другими словами, мы не можем быть сторонними наблюдателями В квантовых системах мы всегда являемся активными участниками, влияя на результаты. Это то, что Альберту Эйнштейну не понравилось. По его мнению, эта присущая ему неопределенность является недостатком квантовой механики, который необходимо исправить. Реальность не может быть такой ненадежной. Или, как он выразился, «Бог не играет в кости со Вселенной». И ничто не иллюстрировало слабость квантовой механики больше, чем парадокс квантовой запутанности. Квантовая запутанность В квантовых масштабах иногда частицы могут стать связанными таким образом, что измерение свойств одной частицы влияет на другую — мгновенно — независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это квантовая запутанность. В теории относительности Эйнштейна ничто не может двигаться быстрее скорости света. Квантовая запутанность, казалось, нарушала это. Потому что, если одна частица запутывается с другой, и любое изменение на ней произойдет с двумя ее близнецами, между ними должна происходить какая-то связь. Иначе как они могут влиять друг на друга? Но если это происходит мгновенно, независимо от расстояния, то такое общение должно проходить быстрее скорости света, что невозможно. Итак, парадокс. Эйнштейн, как известно, высмеял это как «жуткое действие на расстоянии». Эйнштейну все поле квантовой механики казалось столь же отрывочным, как и это предполагаемое квантовое запутывание. И Эйнштейн провел остаток своей жизни, пытаясь исправить обнаруженные недостатки квантовой механики, но безуспешно. Потому что нечего было исправлять. Даже квантовый парадокс Эйнштейна оказался реальным явлением. Это не парадокс вообще. Хотя запутывание происходит мгновенно, никакая информация не может передаваться между частицами быстрее скорости света. Но информация может быть передана И это именно то, что команда исследователей из Университета науки и технологии в Шанхае сделала в июне 2017 года. Хотя это широко описано как телепортация, исследователи фактически достигли передачи информации между двумя запутанными частицами. При стрельбе лазером через специализированный кристалл испускаемые фотоны запутываются. Таким образом, как только один фотон измеряется в запутанной паре, состояние другого мгновенно становится известным. Используя их квантовые состояния в качестве несущего сигнала, информация может передаваться между этими фотонами. Это было сделано раньше в лабораториях по всему миру — но никогда на таком расстоянии. Исследователи из Китая отправили спутанные фотонные частицы на спутник на орбите в 1400 километрах над Землей. Затем они спутали наземный фотон с третьим фотоном, что позволило им отправить свое квантовое состояние на спутниковый фотон, эффективно копируя третий фотон на орбите. Но третий фотон не был физически перемещен на спутник. Только информация о его квантовом состоянии была передана и реконструирована. Так что это не было телепортировано, как в Star Trek. Но настоящий прорыв здесь не в телепортации, а в общении. Квантовый интернет, основанный на запутанных частицах, было бы почти невозможно взломать. Мы можем поблагодарить наблюдателя за это. Если бы кто-то попытался подслушать одну из этих квантовых передач, он, по сути, попытался бы наблюдать частицу, и, как мы знаем, это меняет частицу. Скомпрометированная передача будет мгновенно распознаваемая, потому что частицы станут не запутанными, или передача будет полностью разрушена. Квантовый интернет будет почти на 100% безопасной сетью связи. Никто без доступа к запутанным частицам не сможет взломать его. И если кто-то получит доступ к одной из запутанных частиц, это будет сразу очевидно, потому что ваша частица будет отсутствовать, и, следовательно, ваш интернет будет недоступен. Таким образом, это может иметь значение как нечто большее, чем устройство фотонной телепортации. Исследователям потребовалось более миллиона попыток успешно запутать чуть более 900 частиц. Поскольку фотоны должны проходить через нашу атмосферу, есть большая вероятность, что они будут взаимодействовать с другой частицей и, таким образом, будут «наблюдаться», разрушая запутанность и заканчивая передачу. Телепортации реальных объектов Но возможно ли, когда-нибудь в далеком будущем — использовать эту же технику для телепортации реальных объектов, даже людей? Теоретически да. Но это включает в себя запутывание каждой частицы в вашем теле равным количеством частиц в другом месте. Каждое состояние и положение всех ваших частиц должно быть отсканировано и передано в другое место. Ожидающие запутанные частицы будут наполнены передаваемой информацией, мгновенно приняв состояние, идентичное исходным частицам. По сути, это то, что произошло с фотонами. Но сейчас мы говорим о каждой частице в вашем теле. Телепортация также зависит от эффекта наблюдателя. Процесс сканирования, который измеряет все ваши частицы, будет одновременно изменять все ваши частицы. По сути, превращая ваш оригинал в кучу неузнаваемой квантовой личности или объекта. Вы бы перестали существовать в одном месте и появились бы в другом — точно так же — просто с совершенно новым набором частиц.
Источник Bad Android: https://bad-android.com/blogs/45195-...zen.yandex.com |
Четыре фундаментальные силы в природе
1 октября 593 дочитывания 4 мин. 817 просмотров. Уникальные посетители страницы. 593 дочитывания, 73%. Пользователи, дочитавшие до конца. 4 мин. Среднее время дочитывания публикации. Привет любителям науки! Ставьте лайки и подписывайтесь! Приятного прочтения. Что бы ни происходило вокруг нас, за все отвечают четырые фундаментальные силы природы: 1. Сила тяжести 2. Слабое ядерное взаимодействие 3. Электромагнетизм 4. Сильное ядерное взаимодействие Давайте вкратце рассмотрим все четыре. Что они из себя представляют и за что отвечают. 1. Сила тяжести или гравитация https://avatars.mds.yandex.net/get-z...bbc/scale_1200 Одно из самых популярных изображений по теме "Гравитация"Гравитация - притяжение между двумя объектами, обладающие массой или энергией. Это - вероятно самая интуитивно понятная из фундаментальных сил, но она же и самая сложная для объяснения. Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия, Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Вместо этого, он предположил, что она является следствием искривления пространства-времени вокруг объекта. Хотя гравитация удерживает планеты, звезды, системы и даже галактики вместе, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно в молекулярном и атомном масштабах. Подумайте сами, тяжело ли Вам отрывать ноги от земли или пнуть мяч? Все эти действия противодействуют гравитации целой планеты. А на молекулярном уровне, гравитация и вовсе практически не влияет на фундаментальные силы. 2. Слабое ядерное взаимодействие или слабая сила https://avatars.mds.yandex.net/get-z...98a/scale_1200 Слабая сила имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в движение Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни на Земле. Вот крупный план солнечной вспышки класса M7.6, которая вспыхнула на Солнца 23 июля 2016 годаСлабая сила или слабое ядерное взаимодействие ответственно за распад частиц. Это прямое изменение одного типа субатомной частицы в другое. Физики описывают это взаимодействие посредством обмена несущими силу частицами, называемыми бозонами. Конкретные виды бозонов ответственны за слабую силу, электромагнитную и сильную. В слабой силе бозоны - это заряженные частицы, называемые W и Z - бозонами. Протоны, нейтроны и электроны, находясь в пределах 0,1% диаметра протона друг от друга, могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые. Слабая сила имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которая приводит в движение реакции на Солнце и производит необходимую для большинства форм жизни энергию. Она также помогает археологам определять возраст находок по скорости распада. 3. Электромагнетизм https://avatars.mds.yandex.net/get-z...a57/scale_1200 В интернете нашелЭлектромагнитная сила или Сила Лоренца, действует между заряженными частицами. Противоположные заряды притягивают друг друга, а подобные отталкивают. Чем больше заряд, тем больше сила. И так же как с гравитацией, ее можно почувствовать с очень большого расстояния, хотя она и будет очень слаба. Как видно из названия, электромагнитная сила состоит из электрической силы и магнитной. Сначала, физики описывали их отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами единого целого. Как только заряженные частицы приводятся в движение, они создают магнитное поле. Поэтому, когда электроны бегут по проводу, чтобы зарядить Ваш смартфон или включить компьютер, провод становится магнитным. Электромагнитная сила ответственна за некоторые физические явления: трение, упругость, сила, удерживающая твердые тела в заданной форме. 4. Сильная ядерная сила или сильное ядерное взаимодействие https://avatars.mds.yandex.net/get-z...84a/scale_1200 Она является самой сильной из фундаментальных сил природы. Сильнее силы тяжести в 6х10^39 раз ( 6 и 39 нулей после). И это потому что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, для формирования более крупных частиц. Она удерживает вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, и часть этой силы удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома. Сильная сила действует только когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу, примерно на расстоянии диаметра протона. Сильная сила очень странная. Она тем сильнее, чем дальше друг от друга субатомные частицы. В пределах досягаемости само собой. Оказавшись на достаточном расстоянии, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильную силу между кварками и удерживают их склеенными вместе. Небольшая часть сильной силы, называемая остаточной, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть это отталкивание, из-за чего частицы остаются связанными в ядре атома. |
Элементарные частицы
Как устроена материя и чем различаются сильное и слабое взаимодействие 5727 https://postnauka.ru/files/images/2/...xHf6YT4OpS.pngКсения Рыкова для ПостНауки Элементарные частицы — неделимые части материального мира. Все частицы объединены в два класса: составляющие материи и переносчики взаимодействий. К составляющим материи относятся кварки и лептоны. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях и образуют адроны. К адронам относятся протоны и нейтроны, из них строятся ядра атомов. Существует три поколения кварков, разные по массе. Самый легкий кварк первого поколения (u-кварк) стабилен, остальные быстро распадаются. Лептоны участвуют в слабых взаимодействиях. Они, как и кварки, образуют три поколения. В каждом поколении присутствует один заряженный и один нейтральный лептон (нейтрино). Самые изученные лептоны — электроны — окружают ядра атомов, участвуют в химических реакциях и во многом определяют свойства вещества. Бозоны — переносчики взаимодействия. Глюоны переносят сильное взаимодействие между кварками. Это взаимодействие настолько прочное, что в естественных условиях глюоны и кварки не находятся в свободном состоянии, а образуют связанные состояния — адроны. W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие. Оно ответственно за распад элементарных частиц и бета-распад атомных ядер. Например, нейтрон, испуская W-бозон, переходит в протон, а сам W-бозон распадается на пару лептонов. Фотоны переносят электромагнитное взаимодействие. В этом взаимодействии участвуют все кварки и заряженные лептоны. Солнечный свет, люминесценция и лазерная указка существуют благодаря испусканию фотонов. Гравитон — гипотетическая элементарная частица, квант гравитационного поля, ответственный за гравитационные взаимодействия, в которых участвуют и элементарные частицы, и целые планеты. Бозон Хиггса играет двоякую роль: с одной стороны, он переносит взаимодействия между кварками и лептонами, а с другой — обеспечивает массу кварков, лептонов, W- и Z-бозонов. Чем сильнее частица взаимодействует с конденсатом поля Хиггса, тем больше масса. |
Гравитация - новое объяснение физического смысла
В этой статье мы впервые увидим гравитацию и массу в новой необычной концепции релятивистской или скоростной теории мультивселенной. Простое и логичное описание гравитации и массы покажет нам, как можно объединить квантовую механику с гравитационным взаимодействие и одновременно, объяснить проблему темной материи, и темной энергии, не нарушая при этом главные принципы теории относительности. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...ce6/scale_1200 В чем сложность с обьяснением действия гравитации ? В современной физике существует два вида проблем: - Первый вид это проблемы теоретического характера, когда общепринятая и доминирующая модель не может объяснить наблюдаемое в реальной жизни явление или результат эксперимента. - Второй вид это экспериментальные проблемы, когда есть теория, но нет возможности по созданию эксперимента который подтвердит или опровергнет предполагаемое явление. Так уж случилось, что описание массы и гравитации столкнулось сразу с двумя видами проблем. Во первых, несмотря на титанические и многолетние усилия нет полной теории квантовой гравитации, способной сформулировать описание гравитационного взаимодействия на квантовом уровне. Без такой теории нет никакой возможности объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Во вторых, альтернативные теории, такие как теория струн или теория петлевой квантовой гравитации, не смотря на некоторые успехи в теоретическом объединении всех четырех фундаментальных взаимодействий, сталкиваются с невозможностью подтвердить предполагаемые явления в ходе эксперимента. Добавте к этому отсутствие долгожданного открытия гравитона (предполагаемого переносчика гравитации) и глубина проблемы станет совершенно очевидной. Но там где стандартная модель и квантовая физика упираются в проблему и видят сложности, новая скоростная теория (релятивистская теория мультивселенной) находит простое обьяснение. Давайте опишем новую концепцию массы и гравитации в виде нескольких коротких тезисов. Релятивистский мир мультивселенной Что-бы объяснить что такое масса, нужно еще раз напомнить себе, что в концепции скоростной (или релятивистской) теории мультивселенной мы живем в трехмерном пространстве, которое ограничено не геометрией а скорость (количеством движения). Это значить, что скорость света в вакууме (300.000 км сек) это не предельная скорость взаимодействия в физической реальности, а максимально возможная скорость в нашем конкретном трехмерном пространстве - скоростная граница нашего маленького трехмерного мира. Если мы превысим эту скорость, мы выйдем за границу нашей вселенной и трехмерная геометрия, и время перестанут на нас действовать, мы окажемся в другой вселенной, другом скоростном диапазоне, или другом фрагменте огромной физической реальности. Мультиверсум наполнен пространствами-мирами обьединенными скоростью, как общей для всех вселенных физической величиной. Для понимания скоростной теории очень важно отойти от стереотипа геометрического мышления. Мир мультивселенной не наполнен пузырями обособленных миров - пространств (как рисуют на иллюстрациях). Это конструкция где для переходя из одной вселенной в другую нужно изменить скорость материи (количество движения) а не лететь ку-да-то конкретно. Линейные размеры, время и даже сама гравитация в новой релятивистской теории мультивселенной зависят только от скорости (количества движения). Давайте вернемся к элементарной частице в рамках скоростной теории и ответим на главный вопрос - Что такое масса? В рамках озвученной выше, релятивистской (скоростной) модели пространства у каждой элементарной частицы есть осевое вращение которое определяет ее скорость (как количество движения). Чем скорость этого вращения ниже скорости света в вакууме, тем масса этой частицы больше. Так как границей пространства является скорость света в вакууме, для вхождения в зону нашего пространства частице необходимо торможение (инерция), которая требует энергетических затрат конвертирующихся в изменение скорости вращения. Масса частицы это инерция торможения скорости вращения. Фактически мы говорим что показатель массы это как раз и есть значение скорости вращения частицы. Иными словами, мы постулируем не просто равенство инертной и гравитационной массы, мы говорим о том что есть только инерция, а принцип эквивалентности Эйнштейна это по сути описание одного и тогоже явления - инерции котороя представлена в двух векторах количества движения. Первый вектор линейный, частица движется вперед (или по орбите) и это общепринятое определение инерции, а второй вектор это движение частицы вокруг своей оси и именно это движение дает инерцию в формулировке тяжелой массы. Для критиков напомню, что в скоростной теории нет строго запрета на преодоление скорости света (вместо этого есть понятие скоростной границы пространства), а значить нет ограничения связанного с предполагаемой сверхсветовой поперечной скоростью движения оболочки частицы при осевом вращении. В новой скоростной теории спин можна обьяснить в рамках релятивистской механики именно как угловой момент связанный с движением. Что обьясняет почему спин порождает магнитный момент и в чем физический смысл гиромагнитного отношения. Инерция и масса это одно и тоже явление. Упомянутый принцип эквивалентности это по сути объяснение одного и того-же явления инерции движения которое фиксируется в двух вариантах: движение вперед и движение вокруг своей оси. Другими словами мы имеем два вектора - линейный о котором мы давно знаем и внутренний который является моментом вращения, и известен нам как спин частицы. Про спин в стандартной модели мы не могли говорить как о количестве движения, из-за ограничения скорости света, но в скоростной теории это ограничение превращается в локальную черту, а не в тупик. В мире есть только одна масса - инертная. В природе есть только одна инертная масса и нет тяжелой по той причине что все наше пространство-вселенная это скоростной диапазон, и чтобы какая-либо частица существовала в этом диапазоне она должна иметь скорость и количество движения. Это обясняет почему сохраняется ненулевой момент количества движения в низшем энергетическом состоянии. Такая модель не просто упрощает принцип эквивалентности, а расширяет его на само понятие гравитации как фундаментального взаимодействия. Что такое гравитация? Инерция или замедляющее действие одной частицы на другую и есть эффект гравитации. Для детализации физики этого процесса давайте еще раз вспомним про спин. Мы помним что спин, это осевое вращение и часть внешней оболочки любой элементарной частицы нашего пространства выходит за его границу (скорость 300.000 км сек), а значить частицы могут непосредственно контактировать друг с другом на скоростной границе пространства. Так-же мы помним, что спин (осевое вращение частицы) имеет флуктуации или колебания скорости. Гравитация - это инерция вращения частицы, порождаемая контактом внешних оболочек и колебаниями (флуктуациями) скорости спина. При этом инерция появляется именно в результате квантовых флуктуаций спина, которые в физическом смысле представляют из себя микроколебания скорости вращения. Более медленная частица тормозит быструю в разных фазах колебаний скорости, при этом нет никаких переносчиков этого взаимодействия. так как торможение как раз и осуществляется при помощи прямого контакта, а постояные несинхронные флуктуации (колебания скорости) приводят к тому что частицы постоянно тормозят друг друга, все время меняясь ролями. Тут вы спросите а как же действие на расстоянии и здесь нужно вспомнить про оболочки которые были проблемой в трактовании спина как вращения, теперь они нам помагают, так как способны фрагментарно находится за скоростью 300000 км в сек и там (за границей нашего пространства взаимодействовать непосредственно контактируя (там ведь нет наших растояний). Это обьясняет почему гравитация сравнительно слабее (чем остальные три взаимодействия). Гравитация единственное взаимодействие которое полность проходит на границе и за пределом нашего скоростного диапазона (за границей нашего пространства), хотя и оказывает действие на материю нашей вселенной. Почему обьекты ощущающие гравитацию притягиваются друг к другу? Опять нужно вспомнить про инерцию которая при торможении порождает центростремительную силу, вектор которой всегда направлен к центру частица. При этом инерция или торможение оболочек частиц сопряженное с гравитационным сжатием, будет приводить к выделению энергии которую теряет система сжимающейся группы частиц материи. То что гравитация это по сути прямой инерционный контакт движущихся обьектов. обясняет физический смысл высвобождения энергии при гравитационном сжатии. Почему гравитация действует постоянно и не приводит к выравниванию скорости вращения частиц со временем? Вспомним про границу нашего пространства - вселенной, коей является скорость 300000 км. сек. Для преодоления этой скорости и вхождения в наше пространство (торможение), нужно затратить энергию, которая будет удерживаться до тех пор, пока частица не вернется к сверсветовой скорости. Это следствие закона (или принципа) сохранения энергии. Значит вся масса и материя нашей трехмерной вселенной, это следствие торможения относительно скорости света в вакууме(скоростной границы нашего пространства). По этой причине чем глубже (в скоростном определении) частица вошла в нашу вселенную (наш скоростной диапазон), тем больше ее масса которая по сути тождественна значению скорости вращения или спину и прямо пропорционална той энергии которая изначально была для этого затрачена. Что такое темная материя? Фактически это та-же гравитация (инерция) но частицы или материя которые ее создают имеют скорость вращения (средний показатель колебаний или флуктуации скорости) немного выше чем средняя скорость наблюдаемой или обычной видимой материи нашей вселенной. Что такое темная энергия? По сути своей, это такая-же материя как описанная выше темная материя, но ее скорость вращения еще выше и благодаря этому она не способна работать в нижней фазе колебаний скорости или к действию замедления (инерции), а может работать только в верхней фазе разгоняя видимую материю что естественно приводит к отталкиванию (по сути антигравитации). По скольку такой вид взаимодействия отсоит еще дальше за скоростной границей нашего пространства чем обычная гравитация, то ее действие порциально намного слабей чем действие гравитации, но со временем будет только наростать, так как во первых это фактически не расходование, а наоборот возврат энергии потраченной в момент большого взрыва, или вхождения материи в зону нашего скоростного уровня (нашей вселенной), а во вторых взаимодействие работающее вне зависимости от расстояния. Вместо заключения Все что вы видите, чувствуете и чем являетесь сами, находится в этой вселеннной только благодаря определенной скорости вращения составляющих эту материю частиц. Наш мир это царство движения, а время, расстояния и даже гравитация только производные... Описанная в этой статье концепция гравитации является частью доктрины Синтропизма. Больше о Синтропизме - https://www.syntropism.com/ |
Энтропи́я (от др.-греч. ἐν «в» + τροπή «обращение; превращение») — широко используемый в естественных и точных науках термин. Впервые введён в рамках термодинамики как функция состояния термодинамической системы. Энтропия определяет меру необратимого рассеивания энергии или бесполезности энергии, потому что не всю энергию системы можно использовать для превращения в какую-нибудь полезную работу. Для понятия энтропии в данном разделе физики используют название термодинамическая энтропия. Термодинамическая энтропия обычно применяется для описания равновесных (обратимых) процессов.
В статистической физике энтропия характеризует вероятность осуществления какого-либо макроскопического состояния. Кроме физики, термин широко употребляется в математике: теории информации и математической статистике. В этих областях знания энтропия определяется статистически и называется статистической или информационной энтропией. Данное определение энтропии известно также как энтропия Шеннона (в математике) и энтропия Больцмана—Гиббса (в физике). Хотя понятия термодинамической и информационной энтропии вводятся в рамках различных формализмов, они имеют общий физический смысл — логарифм числа доступных микросостояний системы. Взаимосвязь этих понятий впервые установил Людвиг Больцман. В неравновесных (необратимых) процессах энтропия также служит мерой близости состояния системы к равновесному: чем больше энтропия, тем ближе система к равновесию (в состоянии термодинамического равновесия энтропия системы максимальна). В широком смысле, в каком слово часто употребляется в быту, энтропия означает меру сложности, хаотичности или неопределённости системы: чем меньше элементы системы подчинены какому-либо порядку, тем выше энтропия. Величина, противоположная энтропии, именуется негэнтропией или, реже, экстропией.
|
Энтропия? Это просто!
Этот пост является вольным переводом ответа, который Mark Eichenlaub дал на вопрос What's an intuitive way to understand entropy?, заданный на сайте Quora Энтропия. Пожалуй, это одно из самых сложных для понимания понятий, с которым вы можете встретиться в курсе физики, по крайней мере если говорить о физике классической. Мало кто из выпускников физических факультетов может объяснить, что это такое. Большинство проблем с пониманием энтропии, однако, можно снять, если понять одну вещь. Энтропия качественно отличается от других термодинамических величин: таких как давление, объём или внутренняя энергия, потому что является свойством не системы, а того, как мы эту систему рассматриваем. К сожалению в курсе термодинамики её обычно рассматривают наравне с другими термодинамическими функциями, что усугубляет непонимание. https://habrastorage.org/r/w1560/get...250c03862d.gif Так что же такое энтропия? Если в двух словах, то Энтропия — это то, как много информации вам не известно о системеНапример, если вы спросите меня, где я живу, и я отвечу: в России, то моя энтропия для вас будет высока, всё-таки Россия большая страна. Если же я назову вам свой почтовый индекс: 603081, то моя энтропия для вас понизится, поскольку вы получите больше информации. https://habrastorage.org/r/w1560/get...427a6ce385.png Почтовый индекс содержит шесть цифр, то есть я дал вам шесть символов информации. Энтропия вашего знания обо мне понизилась приблизительно на 6 символов. (На самом деле, не совсем, потому что некоторые индексы отвечают большему количеству адресов, а некоторые — меньшему, но мы этим пренебрежём). https://habrastorage.org/r/w1560/get...4062dd06e8.jpg Или рассмотрим другой пример. Пусть у меня есть десять игральных костей (шестигранных), и выбросив их, я вам сообщаю, что их сумма равна 30. Зная только это, вы не можете сказать, какие конкретно цифры на каждой из костей — вам не хватает информации. Эти конкретные цифры на костях в статистической физике называют микросостояниями, а общую сумму (30 в нашем случае) — макросостоянием. Существует 2 930 455 микросостояний, которые отвечают сумме равной 30. Так что энтропия этого макросостояния равна приблизительно 6,5 символам (половинка появляется из-за того, что при нумерации микросостояний по порядку в седьмом разряде вам доступны не все цифры, а только 0, 1 и 2). А что если бы я вам сказал, что сумма равна 59? Для этого макросостояния существует всего 10 возможных микросостояний, так что его энтропия равна всего лишь одному символу. Как видите, разные макросостояния имеют разные энтропии. Пусть теперь я вам скажу, что сумма первых пяти костей 13, а сумма остальных пяти — 17, так что общая сумма снова 30. У вас, однако, в этом случае имеется больше информации, поэтому энтропия системы для вас должна упасть. И, действительно, 13 на пяти костях можно получить 420-ю разными способами, а 17 — 780-ю, то есть полное число микросостояний составит всего лишь 420х780 = 327 600. Энтропия такой системы приблизительно на один символ меньше, чем в первом примере. Мы измеряем энтропию как количество символов, необходимых для записи числа микросостояний. Математически это количество определяется как логарифм, поэтому обозначив энтропию символом S, а число микросостояний символом Ω, мы можем записать: S = log Ω Это есть ничто иное как формула Больцмана (с точностью до множителя k, который зависит от выбранных единиц измерения) для энтропии. Если макросостоянию отвечают одно микросостояние, его энтропия по этой формуле равна нулю. Если у вас есть две системы, то полная энтропия равна сумме энтропий каждой из этих систем, потому что log(AB) = log A + log B. https://habrastorage.org/r/w1560/get...9295b195ad.jpg Из приведённого выше описания становится понятно, почему не следует думать об энтропии как о собственном свойстве системы. У системы есть опеделённые внутренняя энергия, импульс, заряд, но у неё нет определённой энтропии: энтропия десяти костей зависит от того, известна вам только их полная сумма, или также и частные суммы пятёрок костей. Другими словами, энтропия — это то, как мы описываем систему. И это делает её сильно отличной от других величин, с которыми принято работать в физике. Физический пример: газ под поршнем Классической системой, которую рассматривают в физике, является газ, находящийся в сосуде под поршнем. Микросостояние газа — это положение и импульс (скорость) каждой его молекулы. Это эквивалентно тому, что вы знаете значение, выпавшее на каждой кости в рассмотренном раньше примере. Макросостояние газа описывается такими величинами как давление, плотность, объём, химический состав. Это как сумма значений, выпавших на костях. https://habrastorage.org/r/w1560/get...6c8f1ea98f.gif Величины, описывающие макросостояние, могут быть связаны друг с другом через так называемое «уравнение состояния». Именно наличие этой связи позволяет, не зная микросостояний, предсказывать, что будет с нашей системой, если начать её нагревать или перемещать поршень. Для идеального газа уравнение состояния имеет простой вид: p = ρT хотя вы, скорее всего, лучше знакомы с уравнением Клапейрона — Менделеева pV = νRT — это то же самое уравнение, только с добавлением пары констант, чтобы вас запутать. Чем больше микросостояний отвечают данному макросостоянию, то есть чем больше частиц входят в состав нашей системы, тем лучше уравнение состояния её описывают. Для газа характерные значения числа частиц равны числу Авогадро, то есть составляют порядка 1023. Величины типа давления, температуры и плотности называются усреднёнными, поскольку являются усреднённым проявлением постоянно сменяющих друг друга микросостояний, отвечающих данному макросостоянию (или, вернее, близким к нему макросостояниям). Чтобы узнать в каком микросостоянии находится система, нам надо очень много информации — мы должны знать положение и скорость каждой частицы. Количество этой информации и называется энтропией. Как меняется энтропия с изменением макросостояния? Это легко понять. Например, если мы немного нагреем газ, то скорость его частиц возрастёт, следовательно, возрастёт и степень нашего незнания об этой скорости, то есть энтропия вырастет. Или, если мы увеличим объём газа, отведя поршень, увеличится степень нашего незнания положения частиц, и энтропия также вырастет. Твёрдые тела и потенциальная энергия Если мы рассмотрим вместо газа какое-нибудь твёрдое тело, особенно с упорядоченной структурой, как в кристаллах, например, кусок металла, то его энтропия будет невелика. Почему? Потому что зная положение одного атома в такой структуре, вы знаете и положение всех остальных (они же выстроены в правильную кристаллическую структуру), скорости же атомов невелики, потому что они не могут улететь далеко от своего положения и лишь немного колеблются вокруг положения равновесия. https://habrastorage.org/r/w1560/get...f9f46ec12b.jpg Если кусок металла находится в поле тяготения (например, поднят над поверхностью Земли), то потенциальная энергия каждого атома в металле приблизительно равна потенциальной энергии других атомов, и связанная с этой энергией энтропия низка. Это отличает потенциальную энергию от кинетической, которая для теплового движения может сильно меняться от атома к атому. Если кусок металла, поднятый на некоторую высоту, отпустить, то его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию, но энтропия возрастать практически не будет, потому что все атомы будут двигаться приблизительно одинаково. Но когда кусок упадёт на землю, во время удара атомы металла получат случайное направление движения, и энтропия резко увеличится. Кинетическая энергия направленного движения перейдёт в кинетическую энергию теплового движения. Перед ударом мы приблизительно знали, как движется каждый атом, теперь мы эту информацию потеряли. Понимаем второй закон термодинамики Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия (замкнутой системы) никогда не уменьшается. Мы теперь можем понять, почему: потому что невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях. Как только вы потеряли некую информацию о микросостоянии (как во время удара куска металла об землю), вы не можете вернуть её назад. https://habrastorage.org/r/w1560/get...81ed39fe24.jpg Давайте вернёмся обратно к игральным костям. Вспомним, что макросостояние с суммой 59 имеет очень низкую энтропию, но и получить его не так-то просто. Если бросать кости раз за разом, то будут выпадать те суммы (макросостояния), которым отвечает большее количество микросостояний, то есть будут реализовываться макросостояния с большой энтропией. Самой большой энтропией обладает сумма 35, и именно она и будет выпадать чаще других. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики. Любое случайное (неконтролируемое) взаимодействие приводит к росту энтропии, по крайней мере до тех пор, пока она не достигнет своего максимума. Перемешивание газов И ещё один пример, чтобы закрепить сказанное. Пусть у нас имеется контейнер, в котором находятся два газа, разделённых расположенной посередине контейнера перегородкой. Назовём молекулы одного газа синими, а другого — красными. Если открыть перегородку, газы начнут перемешиваться, потому что число микросостояний, в которых газы перемешаны, намного больше, чем микросостояний, в которых они разделены, и все микросостояния, естественно, равновероятны. Когда мы открыли перегородку, для каждой молекулы мы потеряли информацию о том, с какой стороны перегородки она теперь находится. Если молекул было N, то утеряно N бит информации (биты и символы, в данном контексте, это, фактически, одно и тоже, и отличаются только неким постоянным множителем). Разбираемся с демоном Максвелла Ну и напоследок рассмотрим решение в рамках нашей парадигмы знаменитого парадокса демона Максвелла. Напомню, что он заключается в следующем. Пусть у нас есть перемешанные газы из синих и красных молекул. Поставим обратно перегородку, проделав в ней небольшое отверстие, в которое посадим воображаемого демона. Его задача — пропускать слева направо только красных, и справа налево только синих. Очевидно, что через некоторое время газы снова будут разделены: все синие молекулы окажутся слева от перегородки, а все красные — справа. https://habrastorage.org/r/w1560/get...4b839370e6.png Получается, что наш демон понизил энтропию системы. С демоном ничего не случилось, то есть его энтропия не изменилась, а система у нас была закрытой. Получается, что мы нашли пример, когда второй закон термодинамики не выполняется! Как такое оказалось возможно? Решается этот парадокс, однако, очень просто. Ведь энтропия — это свойство не системы, а нашего знания об этой системе. Мы с вами знаем о системе мало, поэтому нам и кажется, что её энтропия уменьшается. Но наш демон знает о системе очень много — чтобы разделять молекулы, он должен знать положение и скорость каждой из них (по крайней мере на подлёте к нему). Если он знает о молекулах всё, то с его точки зрения энтропия системы, фактически, равна нулю — у него просто нет недостающей информации о ней. В этом случае энтропия системы как была равна нулю, так и осталась равной нулю, и второй закон термодинамики нигде не нарушился. Но даже если демон не знает всей информации о микросостоянии системы, ему, как минимум, надо знать цвет подлетающей к нему молекулы, чтобы понять, пропускать её или нет. И если общее число молекул равно N, то демон должен обладать N бит информации о системе — но именно столько информации мы и потеряли, когда открыли перегородку. То есть количество потерянной информации в точности равно количеству информации, которую необходимо получить о системе, чтобы вернуть её в исходное состояние — и это звучит вполне логично, и опять же не противоречит второму закону термодинамики. |
Принцип Паули: один из важнейших принципов в понимании природы вещества
17 сентября 14 тыс. дочитываний 4,5 мин. Порой кажется странным, почему атомы и молекулы ведут себя определенным образом. Например, почему мы не можем проходить сквозь стены, но инфракрасное излучение через них проходит. Все может объяснить один принцип — принцип исключения Паули. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...fa9/scale_1200 Принцип исключения Паули утверждает, что два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле. Другими словами, ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые электронные квантовые числа. Этот принцип был предложен австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году для описания поведения электронов. В 1940-м он расширил принцип до всех фермионов в своей теореме о связи спина со статистикой. Бозоны — частицы с целым числом спинов — не следуют принципу исключения. Таким образом, идентичные бозоны могут занимать одно и то же квантовое состояние (как, например, фотоны в лазерах). Принцип исключения Паули применим только к частицам с полуцелым спином. О спине проще всего думать как о вращении частицы вокруг собственной оси. Конечно, это сильное упрощение — и в реальности невозможно сказать наверняка, вращается ли на самом деле нечто столь малого размера вроде электрона. В общем говоря, спин подчиняется тем же математическим законам момента импульса, что и все вращающиеся объекты в классической физике. Здесь есть два важных момента, о которых стоит помнить: скорость вращения и направление оси, вокруг которой частица вращается (верхний или нижний спин). https://avatars.mds.yandex.net/get-z...ca0/scale_1200 Вольфганг Паули во время лекции / © W. Dieckvoss Когда в 1922 году Отто Штерн и Уолтер Герлах открыли спин, их эксперименты показали, что присущий момент импульса, или спин, частицы вроде электрона квантовался, то есть мог принимать только определенные дискретные значения. Спин композитных частиц, таких как протоны, нейтроны и атомные ядра, — просто сумма спинов и орбитального момента импульса частиц, из которых они состоят, а значит, они подчиняются тем же условиям квантования. Таким образом, спин — это абсолютно квантово-механическое свойство частицы и оно не может быть объяснено классической физикой. Позже выяснилось, что есть две подкатегории частиц: частицы с целым спином, известные сегодня как бозоны — среди которых фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны, — а также гипотетические гравитоны и частицы с полуцелым спином: фермионы, включающие в себя электроны, нейтрино, мюоны и кварки, из которых состоят композитные частицы типа протонов и нейтронов. Различие между бозонами и фермионами можно описать тем, что у первых есть симметричные волновые функции, а у фермионов волновые функции асимметричны. Концепция частицы с полуцелым спином — очередной пример парадоксальной природы субатомных частиц: грубо говоря, фермиону нужно обернуться вокруг своей оси дважды, прежде чем он примет прежнее положение. Важность этого различия для квантовой теории состоит в том, что волны вероятности бозонов «переворачиваются» — или инвертируются, — прежде чем успевают интерферировать друг с другом, что, по сути, и ведет к их «стадному» характеру и коллективному поведению в лазерах, сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках. Фермионы, однако, не переворачивают свои волны вероятности, что, помимо прочего, приводит к «асоциальному» характеру. Так и получается, что в квантовой механике складывать спины частиц нужно очень аккуратно и при помощи специальных правил вдобавок к моменту импульса. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...c1d/scale_1200 Атом углерода. На первом энергетическом уровне (оболочке первого уровня) расположено два электрона. На втором — уже четыре / © AWS Все вышеописанное и подводит нас к одному из важнейших принципов в квантовой механике — принципу исключения Паули. Как было сказано выше, он гласит, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно (хотя два электрона, например, могут приобрести противоположные спины, чтобы дифференцировать свои квантовые состояния). Этот принцип можно описать так: никакие два фермиона в квантовой системе не могут обладать одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел в любой момент времени. Принцип исключения Паули эффективно объясняет продолжительное существование очень высокоплотных белых карликов, а также существование разных типов атомов во Вселенной, крупномасштабную стабильность вещества и ее основную массу. Чтобы понять важность этого принципа, необходимо знать, что, согласно боровской модели атома, электроны в атоме (существующие в том же количестве, что и протоны в ядре конкретного атома, чтобы общий заряд равнялся нулю) могут занимать только конкретные дискретные орбитальные позиции вокруг ядра, что также называют оболочкой атома. Чем ближе электроны к ядру, тем сильнее электрическая сила притягивает электрон внутрь и тем больше энергии понадобится, чтобы «вырвать» его из лап ядра. На самых близких к ядру орбиталях могут поместиться всего два электрона — один с верхним спином, а один — с нижним, чтобы иметь разные квантовые состояния. Оболочка энергетическим уровнем выше может вместить уже восемь, на уровень выше — 18, на следующем уровне — 32. Принцип исключения Паули диктует, как электроны могут расположиться внутри атома по его орбиталям. Тот факт, что два электрона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние, не дает им «нагромождаться» друг на друга, тем самым объясняя, почему материя занимает исключительно свое место и не позволяет другим материальным объектам проходить через себя, но в то же время позволяет проходить через себя свету и излучению. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...b46/scale_1200 Два атома формируют ковалентную связь. У каждого из атомов есть всего один электрон на самой дальней орбитали. Для получения более низкого энергетического состояния атомы объединяют свои электроны и образуют общую орбиталь, содержащую два электрона / © The Physics Mill Этот принцип также объясняет существование разных атомов в периодической таблице и разнообразие мира, окружающего нас. Например, когда атом получает новый электрон, он всегда попадает на самый низкий из доступных энергетических уровней (наиболее отдаленную от ядра орбиталь). Два атома с «закрытыми» оболочками не могут осуществить химическую связь друг с другом из-за того, что электроны одного атома не находят доступных квантовых состояний, которые они могли бы занять в другом атоме. Итак, порядок электронов, а именно — электронов на самой отдаленной орбитали, также влияет на химические свойства элемента и способность атомов ко взаимодействию с другими атомами, а значит, и на то, как взаимодействуют молекулы при формировании газов, жидкостей или твердых тел, и на то, как они объединяются в живых организмах. Принцип исключения Паули — один и самых важных принципов в квантовой физике, по большей части из-за того, что все три типа частиц, из которых состоит вся обычная материя (электроны, протоны и нейтроны), подчиняются ему. Однако интересно, что этот принцип не поддерживается никакими физическими силами, известными науке. Когда электрон входит в ион, он каким-то образом уже «знает» квантовые числа электронов, находящихся там, то есть знает, какие атомные орбитали он может занять, а какие — нет. ©Wikipedia |
Что такое квантовая биология
3 дня назад 180 дочитываний 4 мин. Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология. «Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял». © Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать. Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии. Квантовое туннелирование Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую. Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности. Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК — это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так (см. картинку). https://avatars.mds.yandex.net/get-z...41b/scale_1200 Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание. Квантовая когерентность Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...d7a/scale_1200 Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию. Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация — изменение в структуре фотонного рецептора — происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют. Квантовая запутанность Запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии». https://avatars.mds.yandex.net/get-z...330/scale_1200 Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li Что же дальше? Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки. В любом случае квантовая биология — молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области. Источник: Naked Science. |
Математическая формула любви
Сегодня https://avatars.mds.yandex.net/get-z...bb0/scale_1200 Она попросила: - Скажи мне что-нибудь приятное 🥺 Он ответил ей: (∂ + m) ψ = 0 Это уравнение Дирака, и оно самое красивое из всех в физике. Оно описывает феномен квантовой запутанности, в котором говорится, что, если две системы взаимодействуют друг с другом в течение определенного периода времени, а затем отделяются друг от друга, мы можем описать их как две разные системы, но они уже существуют как иная уникальная система. То, что происходит с одним продолжает влиять на другого, даже на расстоянии миль или световых лет. Это квантовая запутанность или квантовая связь. То же самое происходит между двумя людьми, когда их связывает то, что могут испытать только живые существа. Мы называем это ЛЮБОВЬЮ Это работает так! Если есть пара носков. То если их разнести по отдельности в разные концы вселенной и надеть один из них на правую ногу, то второй мгновенно в тот же миг станет левым. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...44c/scale_1200 Это и есть квантовая запутанность... Квантовые взаимодействия работают куда скорости света и для них вообще не важны расстояния. Поэтому, если настоящая любовь вызывает мгновенную ответную реакцию у одного объекта на действия другого, даже на большом расстоянии, даже находящегося в неведении относительно действий первого, то это значит, что нельзя сделать ничего так, чтобы это не отразилось на любимом человеке. |
Что доказывает теорема Пуанкаре о возвращении
Артем Сутягин13 января 2021 https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...l0xI04mXP9V2rQТеорий, гипотез, теорем и просто рассуждений очень много. Все их надо доказывать. Все началось еще в конце XIX века, когда ученый из Франции, Анри Пуанкаре, изучал различные части систем, которые могут быть полностью проанализированы. Как обычно, звучит это не так сложно, но именно его труды легли в основу большой задачи и стали одной из загадок, которую ученые современности называют ”Задачами тысячелетия”. Думаю вы легко согласитесь, что если подождать достаточное количество времени, то планеты в небе выстроятся в нужную вам линию. Так же будет и с частицами газа или жидкости, которые могут сколько угодно менять свое положение, но теоретически в один из моментов времени выстроятся относительно друг друга так, как они располагались в момент начала измерений. На словах все просто — рано или поздно это случится, иначе быть не может. Вот только на деле доказать это довольно сложно. Именно над этим и работал Анри Пуанкаре больше века назад. Позже его теории были доказаны, но от этого не стали менее интересными. Кто такой Анри Пуанкаре Жюль Анри Пуанкаре (фр. Jules Henri Poincaré) родился 29 апреля 1854 в Нанси, Франция, а умер 17 июля 1912 в Париже, Франция. Он был французским ученым, в сферу интересов которого входили самые разные науки. Среди них были: математика, механика, физика, астрономия и философия. Кроме того, что он занимался исследованиями, Анри Пуанкаре в разные годы также был главой Парижской академии наук, членом Французской академии и ещё более 30 академий мира, в том числе иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук. Чуть ли не единогласно историки называют Анри Пуанкаре одним из величайших математиков всех времён. Его ставили в один ряд с Гильбертом, последним математиком-универсалом, учёным, способным охватить все математические результаты своего времени. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...l0xI04mXP9V2rQАнри Пуанкаре сделал для математики настолько много, что некотрые его труды до сих пор приносят нам пользу. Перу Анри Пуанкаре принадлежат более 500 статей и книг. Все это говорит о нем, как о гении, который даже спустя более 100 лет после своей смерти может изменить мир будущего своими теориями, формулами, рассуждениями и прочими научными трудами. Что такое теорема возвращения Пуанкаре Теорема Пуанкаре о возвращении — одна из базовых теорий эргодической теории. Её суть в том, что при сохраняющем меру отображении пространства на себя почти каждая точка вернётся в свою начальную окрестность. На это потребуется огромное, но конечное количество времени. С одной стороны, все логично, но есть у данной теории и немного непонятное следствие. Например, у нас есть сосуд, который разделен перегородкой на два отсека. В одном находится газ, а во втором ничего. Если убрать перегородку, то газ заполнит собой весь сосуд. Если верить теории повторения, то рано или поздно все частицы газа должны выстроиться в изначальной последовательности в половине сосуда. Почему квантовая физика сродни магии Немного развязывает руки то, что время, которое на это потребуется, может быть очень большим. Но такое следствие не совсем корректно, так как изменились условия наблюдения. Зато, если говорить о том, что перегородку мы убирать не будем, объем газа не изменится и ему не придется нарушать законы физики, произвольно меняя свою плотность, и частицы газа рано или поздно действительно займут те места, в которых они были на момент начала наблюдений. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...l0xI04mXP9V2rQЕсть такие загадки науки, которые были понятны гению, но после него никто так и не может этого доказать. Хотя, все понимают, что автор был прав. Теория Пуанкаре в квантовой системе Если мы говорим о том, что в традиционной системе повторения возможны и даже неизбежны, то можно предположить, что в квантовой системе, в которой возможны несколько состояний, все немного иначе. Оказывается, это не так, и труды Пуанкаре могут быть применены и к квантовым системам. Однако правила будут немного иными. Проблема применения заключаются в том, что состояние квантовой системы, которая состоит из большого количества частиц, не может быть измерено с большой точностью, не говоря уже об идеальном измерении. Более того, можно сказать, что частицы в таких системах можно рассматривать в качестве полностью независимых объектов. Учитывая запутанности, не сложно понять, что при анализе таких систем придется столкнуться с большим количеством сложностей. Несмотря на это, ученые не были бы учеными, если бы не попытались продемонстрировать эффект повторения Пуанкаре в том числе и в квантовых системах. Сделать это у них получилось. Вот только пока это возможно только для систем с очень небольшим числом частиц. Их состояние нужно измерить как можно точнее и обязательно учесть его. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...l0xI04mXP9V2rQЗолотые слова! Сказать, что сделать это сложно — ничего не сказать. Главная сложность в том, что время, которое потребуется системе для возвращения в исходное состояние, будет очень сильно возрастать даже при незначительном увеличении количества частиц. Именно поэтому некоторые ученые анализируют не систему в целом, а ее отдельные частицы. Они пытаются понять, возможно ли возвращение к первоначальному значению некоторых участков этой системы. Для этого они изучают и анализируют поведение ультрахолодного газа. Он состоит из тысяч атомов и удерживается на месте при помощи электромагнитных полей. Описать характеристики подобного квантового газа можно несколькими величинами. Они говорят о том, насколько тесно могут быть связаны частицы с помощью эффектов квантовой механики. В обычной жизни это не так важно и может даже показаться чем-то ненужным, но в квантовой механике это имеет решающее значение. Присоединяйтесь к нам в Telegram В итоге, если понять, как такие величины характеризуют систему в целом, можно будет говорить о возможности квантового возвращения. Получив такие знания, можно более смело говорить о том, что мы знаем, что такое газ, какие процессы в нем происходят и даже прогнозировать последствия воздействия на него. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...mcpMV8eX-Zp6ZUКвантовые системы сильно отличаются от всего, что мы можем себе представить. В последнее время ученые смогли доказать, что квантовые состояния могут возвращаться, но некоторые поправки в концепцию повторения внести все же стоит. Не стоит пытаться измерить всю квантовую систему в целом, ведь эта задача близка к невозможности. Куда правильнее будет сосредоточиться на некоторых ее элементах, которые можно измерить и предсказать поведение системы в целом. Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени? Если сказать более смело, то такие исследования и наработки в сфере самых разных наук приближают создание настоящего квантового компьютера, а не тех тестовых систем, которые существуют сейчас. Если дело продвинется, то нас ждет большое будущее. А сначала казалось, что это просто измерение чего-то непонятного. Не так ли? |
Четыре силы Вселенной
22 марта 86 нравится 893 дочитывания 2,5 мин. Вселенная приводится в действие четырьмя фундаментальными силами. Эти четыре силы совершенно непохожи друг на друга. У них разная физика, разные качества, они по-разному взаимодействуют. Первая сила не даёт нам упасть с Земли в открытый космос Это гравитационное взаимодействие. Несмотря на то, что человеку сложно преодолеть эту силу, она самая слабая из всех четырёх. Её может преодолеть даже электромагнитная сила. Например, при помощи статического электричества, расчёска может поднять клочки бумаги. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...78c/scale_1200 Без гравитации не было бы галактик, звёзд, планет и наших любимых чёрных дыр. Если было бы возможно отключить гравитацию во Вселенной, с Земли улетели бы вода и атмосфера. И мы бы улетели со скоростью сотен километров в секунду. Да и сама Земля развалилась бы на части, которые бы улетели в разные стороны. Впрочем, это произошло бы вообще со всей материей. Сила гравитации зависит от массы и расстояния объектов друг от друга. Чем больше масса планеты или звезды, тем больше гравитация, тем больше весит тело. Хотите весить в шесть раз меньше? Летите на Луну. Из-за второй силы у нас есть интернет, электричество, компьютеры Это электромагнитная сила. Эта сила возникает между частицами, обладающими электрическим зарядом. Она притягивает положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы. Из-за неё отрицательные электроны не улетают от своих положительно заряженных протонов. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...3c2/scale_1200 Свет – это электромагнитное явление. Сила трения, упругости, сила поверхностного натяжения и многие другие – это всё электромагнитные силы. Электромагнитная сила лежит в основе химических превращений, а также в основе переходов из одного агрегатного состояния в другое. Из-за третьей силы извергаются вулканы Это слабое ядерное взаимодействие. Слабой эта сила названа потому, что она слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Но она гораздо сильнее гравитационной силы. Позволяет ядру атомов распадаться. Слабое взаимодействие обеспечивает один из видов радиоактивности – бета-распад. В результате бета-распада нейтрон превращается в протон, электрон или электронное антинейтрино. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...8b3/scale_1200 Радиоактивные ядерные приборы в больницах работают из-за слабого ядерного взаимодействия. Из-за него разогревается ядро Земли, что приводит к извержениям вулканов. Из-за слабого взаимодействия в звёздах протекают термоядерные реакции: происходит выгорание водорода, четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона, образуя таким образом ядро гелия. Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядро атома Положительно и отрицательно заряженные частицы притягиваются из-за электромагнитной силы, а одноимённо заряженные частицы наоборот из-за него отталкиваются. Но что делать, если ядро состоит из положительно заряженных частиц, как их собрать вместе? https://avatars.mds.yandex.net/get-z...f0a/scale_1200 На помощь приходит самая сильная сила - сильное ядерное взаимодействие. Эта сила притягивает положительно заряженные протоны друг другу, формируя ядра атомов. Кроме того, сильное ядерное взаимодействие не позволяет протонам и нейтронам, составляющим ядра атомов, развалиться на составляющие. |
Необратимая энтропия – что ты такое?
17 марта 853 дочитывания 6 мин. 70 нравится https://avatars.mds.yandex.net/get-z...d7a/scale_1200 Возможно, каждый из нас задумывался о том, что все процессы на Земле носят необратимый характер. Например, человек, как бы он ни хотел быть молодым, даже несмотря на пластические операции, рано или поздно состарится, и организм его – экая хитрая и замудрённая система приходит в негодность. Цветы, радующие глаз своими яркими красками, тоже со временем увядают. Даже если мы купим новый велосипед и не будем на нём ездить, то он не сохранится на века в своём безупречном состоянии. Иными словами, как бы мы не стремились что-то спасти, всё равно оно приходит в негодность. Почему время всегда идёт вперёд, а не назад? И раз уж все мы смертные, то что же будет со Вселенной, что ждёт её в итоге? Ответить на эти вопросы поможет одно из самых сложных понятий в современной науке – энтропия. Попробуем разобраться! Энтропия – это величайшая сила во Вселенной, которую мы видим каждый день. Примером её может быть что угодно, начиная от разбитой кружки и заканчивая взорвавшейся звездой. Энтропия играет в жизни нашей Вселенной огромную роль. Именно она лежит в основе второго закона термодинамики. Помните его из школьного курса физики? Есть несколько формулировок данного закона, которые объясняют одну правду различными способами. Первый, кто сформулировал его, это Р. Клаузиус, затем последовали формулировки Томсона, Больцмана, Кельвина. Различные интерпретации этого закона позволяют его понять лучше. Они перед вами: 1. Переход тепла от тела с невысокой температурой к другому телу с более высоким уровнем температуры невозможен. (Клаузиус) 2. Любой процесс является невозможным, если для его осуществления должно использоваться тепло взятое от постороннего тела. (Томсон) 3. Состояние энтропии не может стать меньше в полностью закрытых системах, которые не получают никакую внешнюю энергию. (Больцман) 4. Периодические процессы, происходящие исключительно за счет теплоты единого источника, являются невозможными. Создание вечного теплового двигателя, который совершал бы механические процессы за счет потери тепла любого тела, является невозможным. (Кельвин). Какой можно сделать из этого вывод совсем простым языком? Тепло переходит самопроизвольно только от горячего тела к холодному. Обратно такая штука не работает для замкнутых систем, в которых нет энергообмена с окружающей средой. Нет такого процесса, в котором тепло самопроизвольно перейдёт от холодного к горячему. Для существования такого процесса придётся выполнить работу извне, то есть, сделать систему незамкнутой, исключив самопроизвольность. Энтропия – это как раз та самая величина, которая характеризует передачу энергии внутри системы. В случае передачи тепла от горячего к холодному энтропия увеличивается, а в обратном – уменьшается. В изолированной системе энтропия не может уменьшаться (точно так же, как холодное не может нагреть горячее). Попробуйте бросить кубик льда в горячий чай – кубик льда, разумеется, не нагреет напиток. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...5a4/scale_1200 В нашем мире энтропия замкнутой системы всегда увеличивается, причём, она постоянно стремится достичь состояния максимума, как бы вы ей не сопротивлялись: да, её можно замедлить, например, редко кататься на новом велосипеде, но всё же, как бы вы его не берегли, его не сохранишь в первозданном виде. Когда энтропия достигает максимума, состояние становится равновесным, а к равновесному состоянию замкнутая система стремится сама, как та самая остывшая чашка чая, или спущенное колесо нового велосипеда, который вы спрятали. Возвращаясь к примеру с велосипедом, можно сделать вывод, что, чем более динамичная система, тем быстрее она приходит к состоянию хаоса. Поэтому энтропию иногда называют мерой беспорядка, но всё же это не совсем верно. Например, что находится в состоянии бОльшего беспорядка: стакан с колотыми кусочками льда или стакан воды? Многие ответят, что больше беспорядка в стакане со льдом, но на самом деле его энтропия меньше. Лёд тает, колесо спускает, так как энергия распределяется равномернее, чем в своих изначальных состояниях. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...64a/scale_1200 Если мы возьмём ещё один простой пример: представьте резервуар из двух полостей, разделённых перегородкой. В одной полости есть молекулы газа. Если вы уберёте перегородку, часть молекул газа перейдут во вторую полость, и, таким образом, вещество распределится равномерно – так установится равновесие в системе с максимальной энтропией, и произойдёт это самопроизвольно. То же самое происходит и со Вселенной: галактики, подобно молекулам газа, постоянно «разбегаются», то есть равномерно распределяются в пространстве. Но энтропия закрытой системы всегда растёт, а закрытая система – это та система, которая ни с чем не взаимодействует. Получается, что наша Вселенная, исходя из этого, является замкнутой. Изначально всё вещество Вселенной было сжато в сверхплотной точке, как газ в резервуаре. Когда произошёл Большой взрыв, вещество начало распределяться в пространстве. В закрытом резервуаре у молекул газа было меньше свободы, а, значит, меньше возможных состояний, ведь их свобода была ограничена. Так же и в момент рождения Вселенной, когда всё вещество было сжато в сверхплотной точке. Когда молекулы газа «выпустили» (то есть, убрали перегородку), у них появилось больше свободы, а значит, больше возможных состояний, и энтропия, соответственно, выше. Процессы, в которых энтропия увеличивается, называются необратимыми. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...15b/scale_1200 Почему процессы необратимы? Молекулы газа, выпущенные из резервуара, вряд ли столкнутся так, что снова соберутся в своём углу, где их закрыли изначально. Процесс необратим, так как мы перешли от меньшего количество состояний в меньшем объёме к большему количеству возможных состояний. Это же происходит и во Вселенной. Изначально она, как и стакан чая, была горячая (правда, температуру не сравнишь, конечно, температура горячего чая – около 70 С, а горячей Вселенной в сингулярности – миллиарды градусов), но и в том и в другом случае происходит постепенное остывание. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...af8/scale_1200 Причём тут тепло?! – возможно, подумаете вы. Это легко можно представить на простом примере. Возьмём бильярдный шар и оттолкнём его в сторону другого бильярдного шара. Первый шар передаст ему импульс. На первый взгляд этот процесс обратим. Второй шар можно оттолкнуть назад так, чтобы первый вернулся на место. Однако на микроскопическом уровне всё иначе. Удар вызовет нагревание. Часть молекул в шаре в результате столкновения перешла в более высокое энергетическое состояние, а также во время движения возникает трение о воздух и поверхность стола, и все эти молекулы невозможно будет вернуть в первоначальное состояние, поэтому в действительности энтропия в системе возросла. Поэтому, даже если нам кажется, что процесс обратим, то это иллюзия – энтропия хоть на немного, но возросла. Таким образом, беспорядок, а вместе с ним и количество возможных состояний системы растёт с ростом взаимосвязей, а значительная часть взаимосвязей идёт от тепла, то есть каждое ваше действие генерирует тепло, которое рассеивается во Вселенную, и всё это на молекулярном уровне увеличивает энтропию Вселенной. Вам может быть интерес |
На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы
https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...i3Yxv_tKQGEEUQ Фундамент Вселенной Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными. Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса). Сила тяжести — гравитационное взаимодействие Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...i3Yxv_tKQGEEUQИсаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...jPY09zeCzuoJXQ Закон всемирного тяготенияХотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы. Слабая сила и распад частиц Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...i3Yxv_tKQGEEUQФизики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10−18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...jPY09zeCzuoJXQСлабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов. |
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать. Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной. Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...i3Yxv_tKQGEEUQЭлектромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов. Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги. Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...jPY09zeCzuoJXQПодобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10−15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона). Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома. Великое объединение и теория всего Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут. Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную. Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира. Поле Хиггса обеспечивает спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон). W- и Z-бозоны — фундаментальные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое взаимодействие Углерод-14 — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14. Изотопы азота — разновидности атомов химического элемента азота, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴N и ¹⁵N с атомными концентрациями 0,99636 и 0,00364 соответственно. Нейтральная частица — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. К нейтральным частицам, относятся, например, фотон, нейтрон, нейтрино. Нейтральные частицы могут иметь, однако, магнитный момент и электрические моменты высшей мультипольности, например, квадрупольный момент. Сила нормальной реакции — сила, действующая на тело со стороны опоры и направленная перпендикулярно к поверхности соприкосновения. Распределена по площади зоны соприкосновения. Подлежит учёту при анализе динамики движения тела. Фигурирует в законе Амонтона — Кулона. |
Теорема Пенроуза о сингулярности
9 апреля 4,6 тыс. прочитали 3,5 мин. 194 нравится Роджер Пенроуз доказал в 1965 году свою знаменитую теорему о сингулярности. Давайте взглянем на этот результат. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...a15/scale_1200 Роджер Пенроуз. Долгих лет и здоровья!И. Новиков вспоминает, что сам думал на эту тему и был восхищен изящным доказательством, найденным Пенроузом, и жалел, что не придумал его сам. Драматичность ситуации заключалась вот в чем: когда стало ясно, что достаточно большая компактная масса (достаточно крупная звезда, например) неизбежно коллапсирует, то возникала сингулярность, а сингулярности никто не любит. Я немного рассказывал про это. В попытках спасти ситуацию от сингулярности, была выдвинута такая идея: сингулярность есть следствие симметрии. Представим себе сжимающийся шар: пусть с него испаряются, секунда за секундой, слои одной толщины. Шар при этом останется шаром, но убывающего радиуса. В итоге он станет точкой, которая либо не шар (в зависимости от определения), либо шар, но бесконечной кривизны. Сингулярность! То же верно, например, для тора. Тор выродится в окружность, которая либо не тор, либо тор бесконечной кривизны. А вот эллипсоид, симметрия которого ниже, будет меняться (перестав быть, строго говоря, эллипсоидом), пока не возникнет острие (или два острия): там кривизна, конечно, бесконечна, но всего в одной (или двух) точке, что можно как-нибудь обойти.Получается, что сингулярность вытекает из симметрии, а полной симметрии в природе не бывает, а без симметрии, глядишь, и удастся выкрутиться... И вот Пенроуз публикует заметку на трех страничках всего, в которой доказывает неизбежность сингулярностей при коллапсе. Статья доступна, очень понятно написана, так что я лишь кратко перескажу основные положения. Пенроуз прямо пишет, что сингулярности нефизичны, поэтому математическая сингулярность означает одно из следующего: присутствие отрицательной энергии; нарушение уравнений Эйнштейна; многообразие пространства-времени (искривленное пространство-время) не полно, то есть в нем "дыра"; сама концепция пространства-времени теряет смысл при больших кривизнах, например, проявляя квантовую природу. Эти возможности взаимосвязаны, и могут быть переформулированы друг через друга. Далее, делается пять весьма общих предположений:
Обсудим последнее предположение подробнее. Оно означает коллапс. Дело в том, что с захваченной поверхности нельзя уйти наружу: только внутрь. В принципе, интуитивно ясно, что захваченная поверхность будет с ходом времени сжиматься и достигнет сингулярности... но не все так просто. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...f4f/scale_1200 Рис. из цитируемой статьи R. Penrose PhysRevLet 1965;14(3).Не так просто, но рассуждения довольно технические. Сначала Пенроуз показывает, что каждая геодезическая вырождается (встречается с каустикой). Здесь используется положительность энергии и сходимость геодезических, стартующих с захваченной поверхности. В принципе, это довольно очевидно: любые две геодезические, перпендикулярно пущенные в будущее с T², будут сближаться и встретятся. Но разные пары могут встретиться через разное время... И положительность энергии тут играет неочевидным образом. Тогда граница области B³, в которую можно попасть по времениподобным геодезическим (направленным в будущее) с нашей захваченной поверхности T², компактна: замкнута и ограничена. Ее можно сколь угодно точно приблизить гладкой замкнутой пространственноподобной поверхностью B³*. С этой приближающей поверхности можно выпустить геодезические под прямым углом в прошлое до начальной поверхности C³ (по предположению, это можно), и получается, что разным точкам C³ соответствуют разные точки поверхности B³*, чего быть не может из-за некомпактности C³. Поверхность B³* охватывает B³, она как смятая сфера (гомеоморфна сфере), а ее "один к одному" на С³, которая смятая плоскость (гомеоморфна трехмерной плоскости), отобразить нельзя. Как нельзя нарисовать глобус на одной карте, не изобразив хотя бы какие-то точки дважды. Возможно, я слишком упрощаю и где-то грешу против строгости... но хочу сделать чуть понятнее. Результат, таким образом, довольно технический. Так бывает часто: вроде всё понятно, с горизонта нельзя уйти, то есть чем дальше во времени, тем хуже ситуация, и в итоге она станет предельно плоха, что и есть сингулярность. Но в несимметричном случае "всяко может быть", и доказать неизбежность сингулярности не так и просто. А Пенроуз доказал, используя формальные свойства. И это красиво, математики оценили! |
https://www.youtube.com/watch?v=Qm8Fu8nfu4k
ЭРГОДИЧЕСКАЯ ТЕОРЕМА 25.07.2012 Математические термины на Э Обсудить ЭРГОДИЧЕСКАЯ ТЕОРЕМА: 1°. Эргодическая теорема для стационарных вероятностных процессов — теорема, устанавливающая условия, при которых средние по времени от значений процесса х (t) стремятся к его математическому ожиданию (Мx (t) не зависит от t в силу стационарности процесса), т. е. условия, при которых с вероятностью, равной единице, справедливо равенство:https://grandkid.ru/wp-content/uploads/2014/07/1489.jpgЭта эргодическая теорема имеет большое значение в статистической физике. 2°. Эргодическая теорема для цепей Маркова (см.) — теорема, утверждающая, что при определенных условиях вероятность некоторого фиксированного исхода n-го испытания стремится при n→∞ к пределу, зависящему только от этого исхода. Эта теорема впервые установлена русским ученым А. А. Марковым (старшим). https://wikichi.ru/wiki/Ergodic_theory https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD...81%D1%82%D1%8C Эргодичность — специальное свойство некоторых динамических систем, состоящее в том, что в процессе эволюции почти каждое состояние с определённой вероятностью проходит вблизи любого другого состояния системы. Для эргодических систем математическое ожидание по временным рядам должно совпадать с математическим ожиданием по пространственным рядам. То есть для определения параметров системы можно долго наблюдать за поведением одного её элемента, а можно за очень короткое время рассмотреть все её элементы (или достаточно много элементов). Если система обладает свойством эргодичности, то в обоих случаях получатся одинаковые результаты. Преимущество эргодических динамических систем в том, что при достаточном времени наблюдения такие системы можно описывать статистическими методами. Например, температура газа — это мера средней энергии молекулы. Предварительно необходимо доказать эргодичность данной системы. Эргодическая теория — один из разделов общей динамики. https://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php...B5%D0%BF%D1%8C https://stom.tilimen.org/teoriya-tel...v-v-v/img5.jpg https://cf3.ppt-online.org/files3/sl...w/slide-18.jpg http://images.myshared.ru/6/728138/slide_20.jpg |
На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы
Анастасия Никифорова14 апреля 2021 https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...J2zvT0O_qS-OVs Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные. Фундамент Вселенной Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными. Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса). Сила тяжести — гравитационное взаимодействие Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...J2zvT0O_qS-OVsИсаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...LSWnhUD2ou0FVEЗакон всемирного тяготения Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы. Слабая сила и распад частиц Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...J2zvT0O_qS-OVsФизики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10−18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...LSWnhUD2ou0FVE |
Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.
Электромагнитная сила Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать. Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной. Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...J2zvT0O_qS-OVsЭлектромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов. Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги. Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома. https://turbo-yandex-ru.clstorage.ne...LSWnhUD2ou0FVEПодобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10−15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона). Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома. Великое объединение и теория всего Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут. Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную. Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира. |
Что такое поле?
25 мая 211 прочитали 4,5 мин. 18 нравится Поле, русское поле… Не сравнятся с тобой ни леса, ни моря В физике также имеется такое понятие как поле. Правда в отличие от русского поля физическое поле не имеет такой чёткой визуализации, позволяющей однозначно идентифицировать его в окружающем нас пространстве и отделить от других форм проявления материального мира. В школьных учебниках говорится, что физическое поле это одна из форм существования материи. При этом поле излучается, распространяется с конечной скоростью и взаимодействует с веществом. В современной физике поле это одна из базовых парадигм, позволяющая описывать физические сущности, размещаемые в ограниченном пространстве-времени и обладающие собственной энергией и импульсом и не описываемые в других категориях. Так было не всегда. До Фарадея и Максвелла большинство физиков рассматривали поля как некую формальную математическую абстракцию, вводимую для более простого и удобного описания таких физических взаимодействий как гравитационное или электромагнитное. Однако после экспериментального подтверждения волновой природы электромагнитного взаимодействия полевая концепция была окончательно принята научным сообществом как полноценная физическая реальность, способная переносить энергию и импульс. В этой статье, уважаемые читатели, я хочу обсудить с вами материальную природу электромагнитного поля. Известно, что любой электрический заряд обладает электрическим полем. Электрическое поле – это физическое поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает силовое воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их. Электрические поля возникают из-за электрических зарядов или из изменяющихся во времени магнитных полей.При этом электрическое поле определяется как сила, которую испытывают электрические заряды при взаимодействии друг с другом. Закон Кулона гласит, что электрическое поле двух зарядов зависит от величины этих зарядов и изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между этими зарядами. Линии, изображённые на картинке выше, называют силовыми линиями, и они достаточно хорошо визуализируют электрическое поле. Надёжно установлено, что силовые линии электрического поля обладают определённым набором свойств: они никогда не пересекаются друг с другом и не замыкаются между собой, они входят и выходят в/из источника заряда всегда под прямым углом, линии поля всегда соединяют положительный и отрицательный источники зарядов. На сегодняшний день минимальными фиксируемыми источниками электрических зарядов являются электроны и позитроны, обладающие соответственно отрицательным и положительным единичными зарядами величиной в 1е или 1,602176634*10^-19 Кл. Хорошо известно, что электроны и позитроны благодаря разноимённым зарядам притягивают друг друга в полном соответствии с законом Кулона. Не знаю как вам, а мне такая полная тождественность свойств электрического и гравитационного взаимодействия всегда казалась необъяснимой загадкой. Ну не может быть в природе таких случайных совпадений! Как бы там ни было, вернёмся к нашим источникам электрических зарядов. Дальнейшие размышления над способностью электрического поля притягивать разноимённые заряды и отталкивать одноимённые, неизбежно приводят к мысли, что физическая природа электрического поля может проявлять себя так, только в том случае, когда взаимодействие между двумя зарядами осуществляют не абстрактные силовые линии, а совершенно конкретные материальные тела. Судите сами, силовые линии хоть и называются силовыми, но не имеют никакого материального воплощения, поэтому очень трудно себе представить, как нечто нематериальное может оказывать силовое воздействие на материальные объекты – электроны и позитроны. На такое бесконтактное перемещение материальных объектов способен разве что только телекинез, но он, как известно, не получил надёжного экспериментального подтверждения. Оставаясь же в рамках научных представлений о природе взаимодействия материальных тел друг с другом, мы должны признать, что любое взаимодействие физических объектов возможно либо при их прямом контакте, либо посредством механического переноса импульса от одного объекта к другому некой физической средой. Так как непосредственного контакта между двумя электронами при их отталкивании не наблюдается, то единственным переносчиком взаимодействия между электронами и позитронами остаётся некая физическая среда. Что это за среда и из чего она может состоять давайте разбираться вместе. Во многих своих статьях на дзене я уже излагал идею о том, что электроны не элементарные неделимые частицы. Поэтому сейчас просто очень кратко изложу основные тезисы этой гипотезы. Электрон собран из гораздо более мелких действительно неделимых элементарных частиц. Количество этих частиц в электроне составляет порядка 10^29 (десять в двадцать девятой степени) штук. При этом электрон имеет собственный момент вращения и представляет собой тор – классическую объёмную фигуру вращения. Несложные расчёты дают скорость вращения электрона примерно 10 в 26 степени оборотов в секунду. Направление вращения электрона определяет знак его электрического заряда. Т.е. электрон и позитрон это по сути одна и та же частица по-разному ориентированная в пространстве. Если предположить, что представленный на картинке 3-х мерный объект (тор) кроме своей компактной массы, собранной из сотен октиллионов элементарных частиц, вовлекает во вращение ещё какое-то количество этих элементарных частиц, находящихся в его окрестностях, то вырисовывается примерно такая картина: Т.е. каждый электрон окутан неким, достаточно разреженным, облаком элементарных частиц, которые вращаются в одном направлении с электроном. Плотность этих облаков вокруг электрона должна подчиняться закону обратного квадрата расстояния. В этом случае природа электрического поля получает очень простое и чисто механическое толкование. Электрическое поле это то самое облако элементарных частиц вокруг электрона, синхронно вращающееся вместе с электроном. При этом вращающиеся навстречу друг другу облака одноимённо заряженных электронов отталкиваются друг от друга. А вращающиеся в одном направлении разноимённые электрон и позитрон, наоборот «цепляются» друг за друга своими облаками (полями) и притягивают друг друга. Таким образом, уважаемые читатели, мы смогли подтвердить азбучную истину из школьного учебника о том, что физическое поле это особая форма существования материи. В предложенной модели электрическое поле действительно состоит из элементарных материальных частиц. Аналогичные рассуждения о взаимодействии электронов в перпендикулярном плоскости их вращения направлении позволяют выстроить такую же простую модель магнитного поля. Логика здесь очень простая. Если разместить один вращающийся тор над другим, то они начнут притягивать друг друга, если направления их вращений совпадают и отталкивать в противном случае. Ну а сложение этих двух полей даёт окончательную картину электромагнитного поля – механического и материального по своей природе. При этом становится понятным, почему электрические заряды существуют, а магнитные нет. Магнитный и электрический заряд или поле это по сути одно и тоже материальное облако элементарных частиц, взаимодействующее с окружающей средой в разных плоскостях. |
Что такое теория хаоса?
30 марта 8,3 тыс. прочитали 6,5 мин. 1089 нравится При словах «теория хаоса» многие вспоминают математика из фильма «Парк Юрского периода». Тот пытался объяснить смысл теории хаоса с помощью капли воды, скатывающейся по большому или указательному пальцу... Кадр из кинофильма "Парк Юрского периода" Последовавшие затем в фильме события заставили многих думать, что теория хаоса – это что-то вроде Закона Мерфи: если неприятность может случиться, то она случается. Это неправильно. Математик говорил о другом. Почему случается неприятность? Потому что всё предусмотреть невозможно. Вот это в целом правильно и совершенно понятно. Непонятно только, для чего же тут понадобилась целая теория? Вот это мы и попробуем объяснить. Неудача Пифагора В Древней Греции хаосом называлось первоначальное состояние вселенной – когда не существовало ни света, ни тьмы, ни жизни, ни правил и законов. А сотворение мира с точки зрения древних греков представляло собой переход от хаоса (беспорядка) к космосу (порядку). Одним из образцов идеального порядка, полного «космоса», для древних греков была математика. Пифагор создал целую философскую систему, в которой главное место занимали «божественные числа». «В математике, – говорил Пифагор, – нет места хаосу, то есть случайности и беззаконию. А значит, люди должны жить по законам математики». Учение Пифагора стало настолько популярным, что он и его ученики даже захватили власть в городе Кротоне. Но... простым горожанам совсем не понравилось, когда их «оцифровали». Произошло народное восстание – и пифагорейцев изгнали из города. Но понятие математически правильного, предсказуемого порядка прижилось. Периодически людям начинает казаться, что можно создать социальную систему, в которой все «неопределённые» и «расплывчатые» морально-нравственные и культурные нормы будут заменены строгими законами и алгоритмами. Очередной всплеск таких представлений мы переживаем сегодня. Если есть законы, которым подчиняются все явления природы, то должны быть законы, которым беспрекословно должны подчиняться все люди. Так же мы с вами рассуждаем, правда? Теория Лапласа Во времена позднего Средневековья начался расцвет механики. Мастера того времени научились создавать удивительные (даже по нашим меркам) механические диковины. Это были и часы, которые могли предсказывать астрономические явления, например, фазы Луны или затмения Солнца. Это были и разнообразные механические куклы – например, известно описание фигурки мальчика, который прекрасным почерком писал текст на бумаге. Механика с её сложной системой приводных колёс, рычагов, шестерёнок, пружин и маятников показалась людям настоящим образцом того самого «порядка», которому подчиняется Вселенная. Своё математическое описание механика получила в основном благодаря работам французского учёного Лапласа. Именно он начал любое явление рассматривать в качестве динамической системы, то есть системы, свойства (параметры) которой изменяются во времени. Для каждого элемента такой системы (например, отдельной шестерёнки в механизме часов) можно указать некое правило, формулу, которая называется законом движения. Достигнутые результаты привели Лапласа в такой восторг, что он заявил следующее (читаем внимательно): «Если для некоей динамической системы известны состояние в момент времени t и закон движения, мы сможем безукоризненно точно сказать, в каком состоянии эта система была в прошлом и в каком состоянии она будет находиться в будущем». Учёный даже описал мифическое существо, которое знает всё прошлое и всё будущее всего существующего во Вселенной – позднее это существо стали называть «демоном Лапласа». Итак, согласно Лапласу, любая динамическая система ведёт себя, как механические часы. Будь жив Пифагор, он, наверное, очень бы порадовался – ведь теоретическая механика Лапласа была идеальным воплощением пифагоровского математически правильного «космоса». Всё на своих местах, всё раз и навсегда предопределено, всё по строгому расписанию, никаких неожиданностей, никакого хаоса! Что-то не то... Надо сказать, что и во времена Лапласа многие учёные к «механической» концепции отнеслись отрицательно. «Ну хорошо, – говорили они, – с механическими машинами это справедливо. А можно ли с помощью вашей теории предсказывать погоду? А как насчёт человеческих отношений – дружбы, вражды?» Теория Лапласа испытывала проблемы не только с прогнозом погоды или человеческими отношениями. Дело в том, что в математике того времени тоже были сделаны важные открытия, которые концепциям Лапласа ну никак не хотели подчиняться! Случайные процессы Первым таким открытием стало создание теории вероятностей – области математики, изучающей случайные процессы. Например, бросание игральных кубиков. Сколько на следующем броске выпадет очков? Можно ли это предсказать с помощью математики? Нет, нельзя. Хуже того – в дальнейшем оказалось, что математически невозможно вообще описать такое понятие, как случайное число. Любой из нас с лёгкостью придумает какое-нибудь случайное число – а вот написать математическую формулу, которая это случайное число описывает, оказалось невозможно в принципе! Вторым открытием стал закон всемирного тяготения Ньютона. Довольно простая формула, её в школе в седьмом классе проходят. Но дело в том, что эта формула описывает поведение динамической системы, состоящей из двух тел – например, Земли и Луны. Или Земли и Солнца. Но на самом-то деле таких тел намного больше! Земля притягивает Луну, а Солнце притягивает Землю – но ведь Луну Солнце тоже притягивает, правда? А когда математики попробовали с помощью формулы Ньютона решить задачу для трёх тел, они столкнулись с невероятными сложностями! Точное общее решение этой задачи не найдено до сих пор. Теория хаоса Внимательно изучая эти и другие задачи, к концу XIX века учёные пришли к выводу, что большинство динамических систем в нашей вселенной ведут себя совсем не так, как это описывал Лаплас. Даже если эти системы описываются с помощью простых и точных формул, в итоге их поведение оказывается непредсказуемым – хаотическим! Так на свет появилась математическая теория хаоса. Или, если говорить правильнее, детерминированного хаоса. Возьмём, например, движение Луны вокруг Земли. С одной стороны, оно описывается простой формулой – законом всемирного тяготения Ньютона. Луна вращается вокруг Земли по орбите. Но при этом рассчитать точное положение Луны на орбите не получается, хоть ты тресни! Современные астрономы используют для расчётов особые, очень сложные формулы (в математике такие формулы называют рядами), причём числовые параметры этих формул постоянно уточняются и исправляются на основании реальных наблюдений в телескоп. Другой пример – погода. С одной стороны, погода на нашей планете – это всего лишь перемещения масс воздуха. И параметров тут всего три – это температура, скорость и влажность. И описываются эти параметры довольно простыми математическими формулами. Только простота формул в итоге ничего не даёт, – как известно, даже прогноз погоды на завтра может ошибаться. А уж предсказать более-менее точно погоду в следующем месяце вам не возьмётся ни один метеоролог. Так что никакого расписания, никакой предопределённости, сплошные сюрпризы и самый натуральный хаос! Линейность и нелинейность Почему такая динамическая система, как часы, ведёт себя «по Лапласу», то есть идеально правильно, а погода – нет? Как показали исследования, хаотической может быть только нелинейная система. Две сцеплённые между собой одинаковые шестерёнки – это классический пример линейной системы: если мы начнём быстрее вращать одну шестерёнку, автоматически начнёт вращаться быстрее и другая. Причём во сколько раз быстрее мы будем вращать первую, в точности во столько же раз ускорится вторая. Такая система линейна, а потому хаосом быть не может. А вот в случае с погодой параметры независимы друг от друга: если, скажем, мы увеличим скорость ветра в два раза, ведь его температура при этом не станет в два раза выше, правда? Возьмём ещё один пример. Допустим, рабочий делает на станке детали и получает деньги за каждую изготовленную деталь. Если он начнёт работать в два раза быстрее, то сделает в два раза больше деталей и получит в два раза больше денег. Такая система линейна, в ней зарплата линейно зависит от скорости работы. Но заменим теперь рабочего на, скажем, телеведущего. Допустим, телеведущий решил говорить во время выпусков новостей в два раза быстрее – как вы считаете, прибавят ему за это зарплату в два раза? Данная система нелинейна. Эфффект бабочки Другой важный вывод, к которому пришла теория хаоса, следующий. При малом расхождении начальных условий динамической системы разброс её конечных состояний может быть очень большим. Что это означает? Если взять механические часы и повернуть чуть-чуть одну шестерёнку, то вторая, сцеплённая с ней, тоже повернётся чуть-чуть. А вот в хаотических системах совсем не так! Например, лежит снег на склоне горы. Одна снежинка чуть-чуть подвинула две другие, эти две немножко подвинули соседние – и через 5 минут по склону несётся с огромной скоростью чудовищная лавина снега! Это явление часто называют эффектом бабочки. Объясняя студентам теорию хаоса, американский учёный Лоренц приводил пример, когда «взмах крыла бабочки где-то над Америкой может в результате сложной цепи событий привести к урагану над Тихим океаном». Время Ляпунова Третий важный вывод теории хаоса – ограниченность возможности предсказания состояния системы в будущем. Для каждой хаотической системы существует некое время, называемое временем Ляпунова, за пределами которого её поведение становится полностью непредсказуемым. Александр Михайлович Ляпунов (1857–1918} Что это означает? С помощью формул и расчётов мы можем в какой-то степени предсказать поведение динамической системы – но только до определённого момента! Скажем, местный гидрометцентр может дать надёжный прогноз погоды на ближайшие 2 часа. Вполне приличный прогноз – на ближайшие 6 часов. Более-менее приемлемый – на завтра. Однако уже прогноз погоды на 3–4 дня вперёд достоверным не будет! Другой пример – наша Солнечная система. С одной стороны, она управляется по законам небесной механики, и учёные могут очень точно предсказать движение планет, спутников и других небесных тел. Да, это так – но со временем эта точность падает! Для Солнечной системы время Ляпунова составляет 50 миллионов лет – а это значит, что предсказать положение планет и их спутников на 50 миллионов лет вперёд (пускай даже хоть сколько-нибудь приблизительно!) мы не в состоянии. Вообще! Никак! Так что никакого всезнающего «демона Лапласа» (или «искусственного интеллекта», как сейчас это принято называть) быть не может. Причём не может быть именно согласно науке, на которую так любят ссылаться сторонники «тотальной цифровизации». Далее: Что такое теория струн? Что такое теория катастроф? Что такое теория относительности? Как появилась квантовая физика? Чем отличается живое от неживого, и может ли мёртвое ожить? |
https://zen.yandex.ru/media/intellec...826a210a7a6f9f
Принцип голограммы и распознавание образов https://avatars.mds.yandex.net/get-z...2ff/scale_1200 Именно на основе голографического подхода становятся понятны загадки работа мозга, в том числе распознавание образов, обработка, хранение и извлечение информации, их реализация в сфере искусственного интеллекта. Открывается совершенно иное понимание процессов, протекающих как в объективной, так и субъективной реальности. В чём же состоит особенность и сложность голограммы требующей новых методов и способов её моделирования, объяснения и прогностики? В отличие от обычной фотографии, где регистрируется амплитуда световых волн, оптическая голограмма предполагает измерение и регистрацию не только амплитуды, но и фазы волнового фронта, хранение результатов измерения и воспроизведения волнового поля. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...100/scale_1200 “Голография представляет собой способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины (голограммы), которая образована волной, отражённой от предмета, освещаемого источником света (предметная волна) и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна)” [А.А. Акаев, С.А. Майоров, 1988]. Голограмма, освещённая опорной волной, воспроизводит пространственное распределение волнового фронта такое же, которое возникает при записи предметной волны. Информационная сущность голографии особенно ярко проявляется в цифровой голографии, представляющей собой моделирование волновых полей средствами компьютерной техники. Появление мощных ЭВМ дало реальную основу для точных расчётов светового поля, исходя из характеристик восстанавливаемого объекта. И методы цифровой голографии открыли возможность синтезировать голограммы объектов, задаваемых математически. Эти методы имеют целый ряд преимуществ: высокая точность и надежность, простота вмешательств на любой стадии вычислений, воспроизводимость результатов, и они особенно эффективны в получение количественных оценок. |
|
Власть энтропии. Почему будущее отличается от прошлого у живых систем?
30 октября 1,4 тыс. прочитали Энтропия— это мера неупорядоченности. И она всегда увеличивается со временем. Всё естественным образом стремится к беспорядку. Здания разрушаются. Машины ржавеют. Люди стареют. Неизбежное увеличение энтропии со временем для изолированных систем обеспечивает «стрелу времени» для этих систем. В повседневной жизни нетрудно отличить прямое течение времени от обратного. Например, если бы фильм показывал, что стакан теплой воды самопроизвольно превращается в горячую воду со льдом, плавающим наверху, сразу станет очевидно, что пленка движется в обратном направлении, потому что процесс передачи тепла от теплой воды к горячей воде нарушит второе закон термодинамики. Однако эта очевидная асимметрия между прямым и обратным направлениями течения времени не сохраняется на уровне фундаментальных взаимодействий. Наблюдатель смотрит фильм, в котором показаны две молекулы воды столкновение не сможет определить, движется ли пленка вперед или назад. Разница между прошлым и будущим – основа и одновременно поворотный пункт человеческого опыта. Родились мы в прошлом, живем в настоящем, планируем будущее (если планируем). Каждый из нас вырастает и стареет, и невозможно заставить стрелки наших внутренних часов двигаться вспять – невозможно вернуть юность. Необратимость – центральное свойство развития любого живого организма. Исходя из этого, можно думать, что мы определенно подтвердим этот опыт в математических формулах законов физики, которые управляют механикой всех частиц, составляющих живое. Вероятно, мы должны иметь возможность указать на что-то конкретное в уравнениях – что гарантирует запрет математики изменениям протекать в обратную сторону – из будущего в настоящее. Но на протяжении сотен лет все математические уравнения, сформулированные физиками, не в состоянии были это подтвердить. Наоборот, по мере того как законы физики формулировались, благодаря выдающимся умам: Ньютона (классическая механика), Максвелла (электромагнетизм), Эйнштейна (релятивистская физика) и десятков ученых, ответственных за квантовую физику, одна черта оставалась неизменной: законы упрямо сохраняли полную нечувствительность к тому, чтó мы, люди, называем будущим и чтó мы называем прошлым. При заданном состоянии мира математические уравнения описывают развертывание событий в направлении будущего или в направлении прошлого совершенно одинаково. Для нас эта разница ощутима, но законы квантовой механики не обращают на нее внимания. И это означает, что если законы допускают какую-то конкретную цепочку событий, то эти же законы допускают также и обратную им последовательность. В реальном мире мы не видим, чтобы олимпийские прыгуны в воду вылетали из бассейна ногами вперед и спокойно приземлялись на трамплине. Мы не видим, чтобы осколки цветного стекла подскакивали бы с пола и вновь собирались в лампу. Отрывки из фильмов, пущенные задом наперед, так забавляют нас именно потому, что происходящее при этом на экране принципиально отличается от того, что мы встречаем в действительности. И все же, если верить математике, события, происходящие в перевернутых видеоклипах, полностью соответствуют законам физики. Почему же тогда мы получаем такой односторонний опыт? Почему мы всегда уверены, что события однозначно разворачиваются в одном временнóм направлении и никогда – в другом? Ключевой ответ на эти вопросы заключается в понятии энтропии, принципиально важном понятии современной науки. В конце XIX в. австрийский физик Людвиг Больцман считал, что может ответить на вопрос: чем отличается будущее от прошлого? Его ответ опирался на понятие энтропии, определяемой вторым началом термодинамики. Людвиг Больцман (1844 - 1906) - австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Венской Императорской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества, член-корреспондент Петербургской академии наук, Парижской академии наук и ряда других. Начала термодинамики Если энтропия и второе начало прочно прописались в современной культуре, то отсылки к первому началу термодинамики в обыденном общении попадаются намного реже. Тем не менее чтобы до конца освоиться со вторым началом, полезно сначала разобраться с первым. Оказывается, первое начало тоже широко известно, но, если можно так выразиться, под псевдонимом. Речь о законе сохранения энергии. Каким бы количеством энергии вы ни располагали в начале процесса, в конце этого процесса у вас ее будет ровно столько же. Второе начало термодинамики сосредоточено на энтропии. В отличие от первого начала, второе не является законом сохранения. Это закон роста. Второе начало гласит, что во времени существует неизбежная тенденция к увеличению энтропии. Проще говоря, особенные конфигурации склонны эволюционировать в сторону обычных (ваша тщательно отглаженная рубашка становится мятой), то есть порядок склонен скатываться к беспорядку (ваш идеально убранная комната со временем становится беспорядочным набором вещей). Хотя подобные сравнения формируют прекрасный интуитивный образ, статистическая формулировка понятия энтропии, данная Больцманом, позволяет описать второе начало со всей точностью и, что не менее важно, получить ясное представление о том, почему оно верно. Все сводится к игре чисел. Представим монеты. Если вы аккуратно разложите их на столе орлами кверху – в низкоэнтропийной конфигурации, – а затем немного потрясете и перемешаете их, то получите, скорее всего, хотя бы несколько решек – более высокоэнтропийную конфигурацию. Если потрясти монеты еще раз, то можно представить, что вам удастся вернуть все монеты в положение орлом кверху, но для этого стол нужно будет трясти вполне определенным образом, настолько точно, что перевернутся только те несколько монет, которые легли решкой. Это чрезвычайно маловероятно. Намного более вероятно, что тряска вместо этого перевернет некий случайный набор монет. Некоторые из тех нескольких монет, что были решками, возможно, перевернутся обратно, но из тех монет, что были орлами, гораздо большее количество станет решками. Так что простая прямолинейная логика – сообщает нам, что если начать с варианта «все орлы», то произвольное встряхивание приведет к увеличению числа решек. То есть к росту энтропии. Движение к увеличению числа решек будет продолжаться до тех пор, пока мы не достигнем соотношения орлов и решек примерно 50 на 50. В этот момент встряхивание станет переворачивать монеты из орлов в решки примерно столько же, сколько из решек в орлы, и дальше конфигурация начнет бóльшую часть времени мигрировать между самыми густонаселенными, самыми высокоэнтропийными группами. То, что верно для монет, справедливо и в более общем плане. Энергия и энтропия Можно подумать, что первое и второе начала термодинамики различны. В конце концов, одно из них сфокусировано на энергии и ее сохранении, а другое – на энтропии и ее росте. Но существующая между ними глубокая связь подчеркивается фактом, который неявно содержится во втором начале: не вся энергия одинакова. Рассмотрим, к примеру, динамитный патрон. Поскольку вся энергия, заключенная в динамите, содержится в плотной, компактной, упорядоченной химически упаковке, эту энергию несложно обуздать. Поместите динамит туда, где вы хотите эту энергию освободить, и подожгите запал. Вот и все. После взрыва вся энергия динамита по-прежнему существует. Это первое начало в действии. Но поскольку энергия динамита превратилась в стремительное и беспорядочное движение широко разлетевшихся частиц, обуздать эту энергию теперь чрезвычайно трудно. Поэтому, хотя суммарное количество энергии не изменилось, характер ее стал совсем другим. Можно утверждать, что до взрыва энергия динамита была высокого качества: она была сконцентрирована в малом объеме и легко доступна. И наоборот. После взрыва энергия стала низкокачественной: теперь она распределена по большому объему и использовать ее трудно. А поскольку взрывающийся динамит полностью подчиняется второму началу и движется от порядка к беспорядку – от низкой энтропии к высокой, – мы связываем низкую энтропию с высококачественной энергией, а высокую энтропию – с низкокачественной энергией. Вывод получается весьма ценным: если первое начало термодинамики гласит, что количество энергии сохраняется во времени, то второе утверждает, что качество этой энергии со временем ухудшается. Итак, почему же будущее отличается от прошлого у живых систем? Ответ, очевиден, исходя из сказанного выше, со временем энергия теряет свое качество - энергия, работающая в будущем, более низкого качества, чем та, что работала в прошлом. Будущее, связанное с возрастом живых систем обладает большей энтропией, чем прошлое, когда энергия была более высокого качества. Но не все так безысходно! Продолжение следует... |
Энтропия - существенная концепция фундаментальной физики. Иллюстрация энтропии
Энтропия относится к самым неоднозначным концепциям фундаментальной физики Начнем с аналогии. Представьте, что вы энергично трясете мешочек с сотней монет, а затем высыпаете их на обеденный стол. Если бы при этом вы обнаружили, что все монеты выпали орлом, то наверняка удивились бы. Но почему? Это кажется очевидным, но на самом деле тут полезно как следует подумать. Отсутствие на столе даже одной-единственной решки означает, что каждая из сотни монет, случайным образом, должна была лечь на стол орлом кверху. Все без исключения. Получение такого уникального результата – трудная задача. Сравните: если мы рассмотрим хотя бы чуть иной результат – скажем, на столе одна решка (а остальные 99 монет по-прежнему лежат орлом), то для получения такой ситуации существует 100 разных способов: этой единственной решкой может стать первая монета, или вторая, или третья и так далее вплоть до сотой. Таким образом, получить 99 орлов в 100 раз проще – этот исход в 100 раз более вероятен, – чем получить 100 орлов. Продолжим. Нетрудно прийти к выводу, что существует 4950 различных вариантов получить две решки (решками падают первая и вторая монеты; первая и третья; вторая и третья; первая и четвертая и так далее). Еще немного рассуждений – и мы обнаруживаем, что существует 161 700 различных вариантов выпадения 3-х решек, почти 4 млн способов выпадения 4-х решек и примерно 75 млн вариантов выпадения 5-ти решек. Каждая дополнительная решка на столе сильно увеличивает число вариантов, удовлетворяющих условию. Феноменально сильно. Число вариантов максимально при 50 решках (и 50 орлах), для которых существует приблизительно сто миллиардов миллиардов миллиардов возможных комбинаций (точнее, 100 891 344 545 564 193 334 812 497 256). Следовательно, выпадение 50 орлов и 50 решек примерно в сто миллиардов миллиардов миллиардов раз более вероятно, чем получение всех орлов. Именно поэтому выпадение всех орлов стало бы для нас шоком. Большинство из нас интуитивно анализирует набор монет – примерно так же, как Максвелл и Больцман призывали анализировать емкость с паром. Точно так же, как ученые отказались рассматривать пар молекула за молекулой, мы также, не оцениваем случайный набор одинаковых монет монета за монетой. Мы не обращаем внимания – что 29-я монета легла орлом кверху, а 71-я – решкой. Вместо этого мы смотрим на набор монет в целом. И нам важно число выпавших орлов в сравнении с числом решек: на столе больше орлов, чем решек, или решек, чем орлов? Вдвое больше? Втрое больше? Примерно одинаково? Мы заметим значительное изменение в соотношении орлов и решек, но случайные перестановки, сохраняющие это соотношение, – скажем, если перевернуть 23-ю, 46-ю и 92-ю монеты с решки на орла и одновременно перевернуть 17-ю, 52-ю и 81-ю с орла на решку, – выглядят практически одинаково. Вследствие этого можно разбить все возможные исходы на группы, в каждой из которых конфигурации монет выглядят одинаково, и подсчитать населенность каждой группы, то есть число исходов вообще без решек, с одной решкой, с двумя решками и так далее, вплоть до числа исходов с 50 решками. Главное здесь – понять, что эти группы имеют не одинаковое число членов. Даже близко не одинаковое. И тогда становится очевидно, почему вас шокирует выпадение при случайном броске одних только орлов (в этой группе ровно один член), чуть меньше шокирует выпадение при случайном броске одной решки (группа со 100 членами), еще чуть меньше шокирует обнаружение двух решек (группа с 4950 членами), но бросок, давший половину орлов и половину решек, заставит вас только зевнуть (в этой группе сто миллиардов миллиардов миллиардов членов). Чем больше элементов в заданной группе, тем с большей вероятностью случайный бросок даст результат, относящийся именно к этой группе. Размер группы имеет значение. Это иллюстрация важной концепции энтропии. Энтропия заданной конфигурации монет – это размер соответствующей группы, число конфигураций, практически неотличимых от заданной. Если похожих конфигураций много, данная конфигурация имеет высокую энтропию, если мало – низкую. При прочих равных условиях результат случайного броска скорее попадет в группу с высокой энтропией, поскольку в этой группе больше членов. Интуитивно беспорядочные конфигурации (представьте себе письменный стол, хаотически заваленный документами, ручками и скрепками) обладают высокой энтропией, потому что предметы в них можно организовать множеством способов, при которых итоговая раскладка будет выглядеть практически одинаково; если случайным образом переложить беспорядочную конфигурацию, она все равно будет выглядеть беспорядочной. Упорядоченные конфигурации (представьте безупречно чистый стол, на котором все документы, ручки и скрепки аккуратно разложены по местам) обладают низкой энтропией, поскольку существует очень немного вариантов раскладки вещей, при которых вся система будет выглядеть так же. Как и в случае с монетами, высокая энтропия выглядит привлекательно, потому что беспорядочных раскладок гораздо больше, чем упорядоченных. Разбивка по группам схожих конфигураций – это необычайно мощный подход. Случайным образом брошенные монеты с большей вероятностью попадают в группу с бóльшим количеством членов (с более высокой энтропией), Вероятность столкнуться с высокоэнтропийными состояниями всегда выше. Поскольку такие состояния могут быть реализованы огромным числом различных комбинаций составляющих систему частиц, они типичны, заурядны, легко воспроизводимы и встречаются на каждом шагу. Напротив, если вам вдруг встретится какое-нибудь низкоэнтропийное состояние, на него следует обратить внимание. Низкая энтропия означает, что существует гораздо меньше способов получить заданное макросостояние из его микроскопических ингредиентов, поэтому такие конфигурации найти трудно, они необычны, тщательно организованы и редки. Точно так же, как вы наверняка заподозрили бы неладное, увидев на столе 100 монет орлом кверху (вы заподозрили бы, к примеру, что кто-то специально перевернул все монеты, выпавшие решкой). При встрече с любой низкоэнтропийной конфигурацией следует искать какое-то неслучайное объяснение. |
Каким образом мы сопротивляемся Второму началу термодинамики, то есть росту энтропии и поддерживаем жизнь
5 ноября 291 прочитал Давайте ответим на важный вопрос: "Откуда берется такая «удивительно» низкая энтропия в том реальном мире, где мы живем, несмотря на неумолимость Второго начала термодинамики, которое гласит, что во времени существует неизбежная тенденция к увеличению энтропии. Сперва давайте разберемся с низкой энтропией в нас самих. Откуда же берется наша собственная столь малая энтропия? Вопрос заключается в том, как нам удается поддерживать свою жизнь на всем ее протяжении вопреки неумолимому росту энтропии? Мы непрерывно боремся со вторым началом термодинамики. Энтропия не постоянна — она все время растет. Для поддержания нашей жизни нам необходимо сохранять тот низкий уровень энтропии, который имеется внутри нас. Это нам удается благодаря потреблению низкоэнтропийной комбинации продуктов и атмосферного кислорода, их взаимодействию в наших телах и выделению тепла. Тепло — это самая неупорядоченная, т. е. самая высокоэнтропийная форма энергии в ряду остальных. Мы потребляем энергию в низкоэнтропийной форме (продукты и кислород), а выделяем ее в форме высокоэнтропийной (тепло, углекислый газ).Таким образом, мы можем предохранять энтропию наших тел от возрастания и можем поддерживать (и даже совершенствовать) свою внутреннюю организацию. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...602/scale_1200 А откуда берется этот запас низкой энтропии? Все мы, на самом деле, должны быть чрезвычайно благодарны зеленым растениям — прямо или косвенно — за их замечательную способность потреблять атмосферный углекислый газ, разделять углерод и кислород и использовать углерод в качестве строительного материала для своих организмов. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...f90/scale_1200 Этот процесс, называемый фотосинтезом, приводит к сильному понижению энтропии. Мы сами используем это низкоэнтропийное разделение, в конечном счете, просто соединяя снова кислород и углерод внутри наших тел. Каким же образом зеленые растения совершают подобное чудо? Они используют солнечный свет. Этот свет переносит энергию с Солнца на Землю в сравнительно низкоэнтропийной форме — в виде фотонов видимого света. Земля, включая и ее обитателей, не задерживает эту энергию надолго, а переизлучает ее обратно в окружающее пространство. Однако эта переизлученная энергия находится уже в высокоэнтропийной форме, а именно, в виде так называемого «радиационного тепла», т. е. инфракрасных фотонов. Вся роль Земли здесь сводится к тому, чтобы принять энергию в низкоэнтропийной форме, а затем рассеять ее обратно в окружающее пространство, но уже как энергию с высокой энтропией. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...6e9/scale_1200 Переизлученная энергия находится уже в высокоэнтропийной форме, в виде «радиационного тепла», т. е. инфракрасных фотонов. Вся роль Земли здесь сводится к тому, чтобы принять энергию в низкоэнтропийной форме, а затем рассеять ее обратно в окружающее пространство, но уже как энергию с высокой энтропией. Таким образом, Солнце служит для нас мощным источником низкой энтропии. Мы (благодаря упомянутой замечательной способности растений) это используем, выделяя некоторую небольшую ее часть и преобразуя ее в удивительные по своей сложности структуры наших организмов. Давайте теперь в общих чертах рассмотрим, что происходит с энергией и энтропией относительно Солнца и Земли. Солнце излучает энергию в виде фотонов видимого диапазона длин волн. Часть из них поглощается Землей, а затем переизлучается в виде фотонов инфракрасного диапазона. Решающее значение здесь имеет тот факт, что видимые фотоны имеют большую частоту, чем инфракрасные и, следовательно, большую энергию, приходящуюся на одну частицу. Так как одиночный видимый фотон обладает большей энергией, чем одиночный инфракрасный, то видимых фотонов, падающих на Землю, должно быть меньше, чем инфракрасных, испускаемых Землей, причем ровно настолько, чтобы соблюдался баланс между падающей и излученной энергиями. А значит, энергия, переизлучаемая Землей в окружающее пространство, распределяется по гораздо большему числу степеней свободы, чем энергия, получаемая Землей от Солнца. Из-за этого большого числа задействованных степеней свободы соответствующий объем в фазовом пространстве электромагнитного поля также оказывается значительно большим у переизлученных фотонов по сравнению с фазовым объемом падающих и, следовательно, энтропия системы фотонов после переизлучения существенно возрастает. Зеленые растения, потребляя энергию в низкоэнтропийной форме (сравнительно небольшого числа видимых фотонов) и переизлучая ее в высокоэнтропийной форме (сравнительно большого числа инфракрасных фотонов), одновременно обеспечивают себя необходимой низкой энтропией, а нас — жизненно необходимым разделением углерода и кислорода. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...b79/scale_1200 Каким образом Солнце приобрело столь высокую температуру и затем смогло поддерживать низкоэнтропийные состояния других систем? Ответ заключается в том, что изначально оно образовалось из однородного газового облака (главным образом — водорода) посредством гравитационного сжатия. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...fe0/scale_1200 Газопылевое облако солнечной системы, Гравитационное сжатие В ходе этого процесса, еще на ранних стадиях своего образования, Солнце разогрелось. Оно продолжало бы и далее сжиматься и разогреваться, если бы, при некоторых определенных давлении и температуре, в игру не вступил другой источник энергии негравитационной природы, а именно, термоядерные реакции: слияние ядер водорода в ядра гелия с выделением энергии. Без термоядерных реакций Солнце было бы намного горячее и меньше, чем сейчас, оставаясь таким до самого момента своей звездной смерти. Термоядерные реакции не дали Солнцу стать слишком горячим, приостановив его дальнейшее сжатие и стабилизировав температуру Солнца на том уровне, который оказался вполне пригоден для нашей жизни, одновременно продлив при этом период его свечения. https://avatars.mds.yandex.net/get-z...c04/scale_1200 Важно отметить, что хотя термоядерные реакции и играют очень важную роль в происхождении и установлении количественных характеристик солнечной энергии, именно гравитация является здесь решающим фактором. Без гравитации Солнце вообще не могло бы существовать! Оно продолжало бы светить и без термоядерных реакций, но без гравитации оно не светило бы вообще, поскольку именно гравитационное взаимодействие связывает вещество Солнца и обеспечивает необходимые температуру и давление. Без гравитации вместо Солнца мы имели бы холодный и рассеянный газ — такой же «мертвый», как и остальное космическое пространство вокруг нас. |
если вспомнить что сила гравитации ассоциирована с любовью получается что без любви не могло бы существовать солнце
|
|
|
https://dzen.ru/a/YphcjGjUqSCTuE9R?from_site=mail
Спин - он не только у человеков. Разбираемся и находим парадокс 2 июня 2022 1,3K прочитали Среди тем статей, которые вам хотелось бы прочитать, исходя из недавнего обсуждения, присутствует спин. Действительно, почему-то до сих пор на проекте этот важный вопрос мы не разбирали и он не имел должного внимания, хотя регулярно затрагиваем основы квантовой физики и рассуждаем об устройстве материи. Давайте в простой и понятной форме попробуем разобраться, чем является спин и чем он не является. Обезьяний спин С одной стороны понятие это довольно простое. Чего там, вращение с определёнными характеристиками да и всё. С другой - это важный момент, который мало того, что позволяет описать некоторые физические процессы и отличает одну частицу от другой, так ещё и является в некотором роде парадоксальным. Но, обо всём по порядку. Что такое спин? В википедии приведено вполне неплохое определение этого физического понятия: Спин (от английского «вращение») - собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий как квантовую, так и классическую природу.Перечислим ключевые слова, на которые следует обратить внимание в определении. Момент инерции диска Для начала отметим фразу "элементарные частицы" - важно помнить, что спин есть не только у элементарных частиц, но и у частиц составных, типа атомов. Для того, чтобы найти спин атома, производится векторное сложение спинов, входящих в состав частицы элементов. Про квантовую и классическую природу поговорим чуть ниже, это тоже важный ключевой момент. Ну и начинается всё с "собственного момента инерции". Под моментом инерции понимается способность тела в "некоторой степени сохранять" своё инерциальное движение относительно некоторой оси. У каждого объекта собственный момент инерции будет различен. Например, если взять колесо велосипеда и вращать его относительно своей оси, вы будете ощущать, что оно после приложенной нагрузки некоторое время вращается по инерции и это можно рассчитать определенным образом. Ну а если взять юлу или шар и вращать его, то они тоже будут вращаться некоторое время по инерции, но это будет уже отличное от велосипедного колеса вращения. Считается оно тоже иначе. Это и были собственные моменты инерции. Для каждого тела с уникальными характеристиками есть свой такой собственный момент инерции и он считается по определенной методике, где все обозначенные параметры учитываются. Изначально спин ввели для того, чтобы описать специфическое поведение частицы, которое никак больше не получалось ни с чем связать. Спин Немножко подытожим и отметим, что спин - это собственный момент вращения элементарной частицы. Ничего другого это слово не подразумевает. Правда запутаться элементарно. Посмотрите на картинку выше. Частица может вращаться вокруг своей оси, а может вращаться относительно точки по орбите. Какое вращение нас интересует? Смотрим на слово "собственный" в определении. В чем спин измеряется? Спин измеряют в долях постоянной Планка. Частицы могут обладать целым спином, а могут половинчатым. Хорошая схема неизвестного автора Обозначается это привычным образом, который мы привыкли видеть в учебниках + 1/2; -1/2; 1,2. Все эти цифры означают "количество момента инерции". Если спин 1/2 это значит, что частица прокрутилась половину раза при получении "кванта вращения" в положительном направлении. Ну а если мы видим целое число, то это означает, что частица провернулась в нужном направлении один полный оборот, два полных оборота и так далее. Ну а в обозначении всегда присутствует ещё множитель в виде постоянной Планка. Спин 1/2 означает, что частица должна повернуться на два полных оборота (на 720 °), прежде чем она приобретет ту же конфигурацию, что была и в начале. Это напрямую связано с понятием симметрии. Легко представить этот момент наглядно.Покрутите шар в руках. Сколько раз его надо повернуть, чтобы он занял ту же самую позицию, в которой был? Откуда вообще берется спин? Главный вопрос, который появляется при встрече с понятием спин - это откуда он вообще берется. Вопрос правильный и интересный. Чуть выше мы обозначили, что каждое вращающееся тело обладает моментом инерции. В зависимости от формы тела момент инерции разный. Такое обстоятельство является особенностью нашего мира, зафиксированного физиками. Про инерцию, как мы помним, весьма активно говорили ещё в момент становления классической физической теории, а у Ньютона есть вообще целый закон на этот счёт. Мы находимся в инерциальном пространстве и такого его свойство. Ровно также можно сказать, что свойство покрашенного забора быть зеленым. Спин задает направление частицы и делает ее ориентированной так же, как ось волчка задает для волчка выделенное общее направление движения. Вот только мы, вроде как говорим, что момент инерции есть только у вращающихся объектов. Значит и спин есть только у вращающихся частиц. И это верное утверждение. Спин появляется у частицы благодаря тому, что она постоянно вращается. Правда следующий ожидаемый вопрос - почему частица всё время вращается без остановки и не теряет всю свою энергию. Мы обязательно поговорим об этом в отдельном материале, а пока нужно просто принять как факт, что частицы постоянно вращаются. Это их параметр, аналогичный постоянному тепловому движению. Если использовать не очень хорошую аналогию, то можно представить себе частицу в форме шарика и увидеть, что её вращение имеет такой-то момент инерции. Ну а если частица будет иметь другую форму, то и момент инерции, он же спин, изменится. Значит, спин можно использовать для описания параметров частицы и её идентификации. Прибор Штерна-Герлаха В общем-то, так и делают. Спин научились измерять. Для этого используют прибор Штерна-Герлаха. Важно отметить, что измеряется магнитный момент, а не механический. Магнитный момент появляется в следствие того, что у нас имеется вечная связь заряда и движения. Поскольку крутится заряженная частица, у неё появляются магнитные свойства. Обычная практика.Если у частицы есть спин, то есть у неё и магнитный момент. Важно не перепутать спин и магнитное спиновое число. Часто в обсуждениях пишут - ой, да вы не добавили слово магнитный. Ну конечно не добавили! Потому что спин в классическом понимании - именно собственный момент инерции при вращении. Магнитный момент частицы будет связан и с механическим моментом. Ведь магнитные свойства завязаны на механические параметры движения заряда. Установка Штерна-Герлаха измеряет именно магнитную составляющую этого нехитрого процесса и отталкивается от неё. Бывают ли частицы без спина? Ведь мы отметили, что любая частица постоянно вращаются, значит и спин всегда есть. Но нет. Спин есть не у всех частиц. Он отсутствует у безмассовых частиц, про которые тоже можно написать отдельный трактат. Парадокс спина Я написал чуть выше, что в понимании спина тоже имеется некоторый парадокс. Он связан с тем, что аналогия с шариком при рассмотрении частицы не совсем удачная, что следует из современных изысканий. Поскольку частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами, рассматривать спин в отрыве от волновых свойств нельзя. Тут правильнее было бы использовать аналогию с вращающимися энергетическими вихрями, обладающими моментом инерции. Что ты вообще такое Вот и получается опять, что мы опять имеем классическое и квантовое понимание проблемы. Классическое простое - частица есть мячик, который крутится и обладает моментом инерции, а это вращение формирует магнитный момент. Квантовое сложнее. Оно обозначает, что спин частицы тоже квантуется. Благодаря этому, спин можно разделить на составляющие. Тут уместно вспомнить уроки химии, когда мы в тетради рисовали квадратики и в каждом квадратике рисовали стрелочки вверх и вниз. Для каждой частицы имеется стандартный набор абсолютных значений спина. Она выберет одно из них. А вот направлений может быть сколько угодно. Их обычно и измеряют. Проблема понимания спина более глубокая, чем нам это кажется на первый взгляд. Это вот только при беглом рассмотрении и для понимания основ термина уместно приведенное выше описание. На практике мы столкнемся с проблемой того, что многие понятия макромира невозможно перенести на микромир. Вот и спин нельзя просто так взять и объяснить, как на известном меме. Спин - это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках релятивистской механики.В современном представлении - спин это просто состояние частицы, которое наглядно представить себе нельзя, потому что нельзя провести аналогии. Вращение - ближайший аналог из макромира, понятный нам. При квантовании всплывают интересные свойства. Если спин тоже передается квантами, то квант всегда целый. Значит, частицу со спином 1/2 остановить нельзя :)... Потому что сколько не передавай ей квантов спина, всегда останется 1/2. Ведь 1/2+1 = 1 и 1/2. Ну а 1/2 - 1 = -1/2. Если вам интересно порассуждать ещё и на тему квантовых свойств спина, то пишите в комментах ;) Пожалуйста, подпишитесь и обязательно возвращайтесь за новым контентом на проект! Возврат подписчика сейчас очень важен для существования канала! Виноват ДЗЕН...Присоединяйся к моей телеге и читайте лучшее на бусти проекта! |
Тайны числа α ≈ 1/137 и числа Скьюза
24 июля 2022 1,4K прочитали В данной статье речь идет, по сути дела, о структуре пространства-времени Вселенной Постоянная тонкой структуры (α = 0,0072973… ≈ 1/137) – самая загадочная физическая константа, и она не имеет размерности в отличие от других фундаментальных констант физики. В теории электрослабого взаимодействия показано, что значение α (сила электромагнитного взаимодействия) зависит от характерной энергии рассматриваемого процесса. Утверждается, что α логарифмически растёт с увеличением энергии. Наблюдаемое значение α ≈ 1/137 верно при энергиях порядка массы электрона (т.е. при нулевой энергии). Характерная энергия не может принимать более низкие значения, так как электрон обладает самой маленькой массой среди заряженных частиц. Немецкий физик-теоретик и математик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике Макс Борн (1882 – 1970) всю жизнь пытался разгадать тайну α и сказал об этом такие слова: «Более совершенная теория должна была бы вывести число α с помощью чисто математических рассуждений, не ссылаясь на результаты измерений». «Ясно, что объяснение числа α есть одна из центральных проблем естествознания». В наше время главным доказательством пророчества Макса Борна является богатейший по содержанию веб-сайт «Архив теории чисел и физики» , который с 1995 года создавался (собирался из множества научных статей ученых всего мира) английским математиком Мэтью Р. Уоткинсом (род. 11.06.1970 в Лондоне). Однако для «широкой публики» указанный «Архив», вероятно, слишком сложный. И в этом отношении предлагаемая ниже статья (в рамках числофизики автора) будет понятна даже старшеклассникам, и она также приводит нас к мысли о загадочной связи фундаментальной физики и теории чисел (весьма сложный раздел высшей математики). Ещё с 1998 года автор не раз пытался обнаружить в мире простых чисел (из которых строятся все натуральные числа: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, …) число α = 0,0072973… ≈ 1/137. См. выше ссылку "Архив...". |
https://dzen.ru/a/Y0Kwk3-AyR6snayh
Гравитон. Частица, которой нет 13 октября 2022 5,2K прочитали Гравитация — одна из четырех фундаментальных сил Вселенной. Без нее не было бы ни звезд, ни планет, ни людей, ни котиков. Поэтому люди очень хотят узнать о гравитации всё. Исаак Ньютон первым нашел математическое описание гравитации. А Альберт Эйнштейн, создатель общей теорией относительности, полностью изменил понимание того, как она работает. Однако это не означает, что наука полностью понимает ее природу. Все, что мы можем – это достаточно точно описать движение небесных тел. Эти знания позволяют, например, космическим зондам попадать на поверхность Марса с удивительной точностью. Мы предсказываем солнечные затмения с точностью до секунды. Но не более того. Неуловимый гравитон С гравитацией связана одна очень серьезная фундаментальная проблема. И эта проблема называется гравитон. Это калибровочный бозон, описываемый квантовой теории гравитации. Это звучит очень сложно. И это правда очень сложно. Но давайте попробуем разобраться в этом вопросе. Начнем с простого. С калибровочного бозона. Так ученые называют частицы, передающие фундаментальные взаимодействия. Фотон, например, является калибровочным бозоном, передающим электромагнитное взаимодействие. А еще есть W- и Z-бозоны и глюоны. Чтобы понять, как работают калибровочные бозоны, нужно понимать, что такое квантовые поля. «Нормальные» поля легко представить. Например, магнитные. Их даже можно сделать «видимыми», как все мы, наверное, делали на уроке физики. Если не делали, то это происходит так: разбросайте железные опилки рядом с магнитом. И увидите, как они выстраиваются вдоль структур, называемых «линиями магнитного поля». В общем случае поле есть не что иное, как описание пространственного распределения физической величины. Магнитное поле говорит нам, насколько сильна магнитная сила в определенных точках пространства. Электромагнетизм — это то, с чем мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни. Свет — это электромагнитная волна. Теория, с помощью которой мы описываем свет или электромагнетизм, — это квантовая теория поля. И важным словом здесь является «квант». Советуем почитать Гипотеза фантомного времени. Мы живем в 18 веке? Великий Макс Планк в 1900 году сделал удивительное открытие. Ученый обнаружил, что энергия, содержащаяся в электромагнитной волне, не может делиться произвольными «порциями». И что существуют мельчайшие единицы энергии – кванты. И меньше энергии, чем в кванте, быть не может! Четыре силы Вселенной Однако электромагнетизм — лишь одна из четырех основных сил Вселенной. Потому что еще есть силы, формирующие природу внутренней части атомных ядер. Это сильные и слабые ядерные взаимодействия. Они также описываются квантовыми полями. И здесь тоже есть калибровочные бозоны, передающие эту силу. В случае сильного ядерного взаимодействия это так называемые вышеупомянутые «глюоны». В случае слабого ядерного взаимодействия — частицы, называемые «W-бозон» и «Z-бозон». И если мы описываем гравитационную силу как квантовое поле, то здесь нам также будет необходим подходящий квант поля. Вот здесь нас и поджидает проблема. Потому что у науки нет не только доказательств существования гравитона. У нее нет даже квантово-механического описания самой гравитации! С тремя другими фундаментальными силами это удалось сделать за последние несколько десятилетий. Но гравитация упорно отказывается быть описанной квантовой механикой! Нужно признать, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая уже более 100 лет чрезвычайно успешно описывает гравитацию, — странная теория. Гравитация в ней описывается не как классическая сила, а как свойство самого пространства-времени. Согласно её постулатам, масса его искривляет. И когда другие массы движутся сквозь пространство-время, их движение следует этим искривлениям. Мы это видим. И воспринимаем как действие силы, действующей между этими массами. Описание работы гравитации таким образом было гениальной идеей Альберта Эйнштейна. Но поскольку гравитация сильно отличается от того, что мы обычно называем «силой», ее очень трудно вписать в квантово-механическую схему. Советуем почитать Резонанс Шумана. Пульс Матери-Земли Два брата? На сегодняшний день учёным не удалось квантовать гравитацию. Они не могут описать ее с помощью теории, работающей с квантовыми полями и полевыми квантами. Всё, что удалось установить – гравитон должен быть частицей с нулевой массой покоя. Такой же, как у фотонов. Это следует из того, что гравитация, как и электромагнетизм, действует бесконечно далеко. Две ядерные силы имеют ограниченную дальность действия. Потому что их калибровочные бозоны представляют собой частицы, имеющие массы. Также установлено, что сила гравитации, как и электромагнетизм, распространяется со скоростью света. Значит гравитоны, как и фотоны, не могут иметь массу. Потому что в противном случае они не могли бы двигаться со скоростью света. Так что фотон и гравитон должны быть очень похожи. Но в тоже время они должны быть разными. Потому что электромагнетизм можно экранировать. А вот гравитация работает ВСЕГДА. Не существует никакого гравитационного щита. Нельзя просто положить что-то куда-то и заблокировать гравитацию. Кроме того, не существует отрицательной гравитации, которая могла бы уравновесить положительную гравитацию. Итак, мы немного знаем о том, как должны выглядеть гравитоны. Но если у нас нет квантовой теории гравитации, это ни к чему нас не приведет. Так же не очень помогает и создание каких-либо детекторов для обнаружения этих частиц. Гравитация — чрезвычайно слабая сила. Простой пример: обыкновенный магнит на холодильнике спокойно удерживает лист бумаги от падения. А ведь вся Земля притягивает его своей огромной массой! Поймать невидимку Применительно к калибровочным бозонам это означает: гравитон очень слабо взаимодействует с материей. Можно построить гравитонный детектор размером с Юпитер, и поместить его рядом с чрезвычайно сильным гравитационным источником, скажем, нейтронной звездой. И даже если бы детектор был абсолютно эффективным, в лучшем случае можно было бы обнаружить один гравитон за несколько десятилетий! Советуем почитать Галактика Андромеды: новый сюрприз В лучшем случае мы можем попытаться косвенно узнать немного больше об этих частицах. Да, мы пока не можем их обнаружить. Но мы могли бы доказать их существование, если гравитон имеет хоть какую-то массу. Тогда, например, гравитационные волны, должны были бы двигаться чуть-чуть медленнее света. Гравитационные волны впервые были зафиксированы в 2015 году. Но до сих пор учёные не обнаружили ничего, что указывало бы на то, что они двигаются медленнее света. Также можно определить, имеет ли гравитон массу, наблюдая за движением звезд в галактиках. Но даже в этом случае мы узнаем ненамного больше. Просто станет понятно, что значительная часть современных представлений о мире элементарных частиц нуждается в корректировке. Хотя это очевидно уже и так. Потому что иначе наука уже давно бы разработала квантовую теорию гравитации. И, вероятно, только в этом случае мы сможем по-настоящему понять, что такое гравитон. Или что его вообще не существует. Эта статья впервые была опубликована здесь. |
|
|
|
| Часовой пояс GMT +4, время: 10:17. |
Powered by vBulletin® Version 3.7.3
Copyright ©2000 - 2025, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot