​Большой Разрыв: самый "быстрый" сценарий конца Вселенной

Среди различных сценариев того, каким образом закончит своё существование Вселенная, какой мы её знаем, несколько особняком стоит так называемый сценарий Большого Разрыва. Суть его в следующем.

Мы достаточно точно знаем, что Вселенная расширяется. Причём это расширение не похоже на разлёт осколков взорвавшейся бомбы: далёкие галактики, вообще говоря, не улетают от нас, а само разделяющее нас пространство как бы разбухает, в связи с чем расстояние между космическими объектами увеличивается.

Скорость удаления некоего космического объекта от наблюдателя пропорциональна текущему расстоянию между ними и равно произведению этого расстояния на константу, известную как постоянная Хаббла.

Самое интересное, что, по крайней мере, в теории, эта скорость не ограничена скоростью света, так как речь идёт не о "настоящем" движении.

А ещё скорость расширения Вселенной, похоже, увеличивается, то есть, постоянная Хаббла постепенно растёт со временем. А это значит, что однажды даже те объекты, которые сегодня улетают от нас пусть и с большой, но существенно до световой скоростью, однажды преодолеют световой барьер относительно земного наблюдателя.

С точки зрения этого наблюдателя объект, удаляющийся от него со скоростью, превосходящей скорость света, принципиально никак невидим и необнаружим. Никакой сигнал (электромагнитный, гравитационный и т.п.), испущенный таким объектом, не сможет достичь наблюдателя, так как расстояние, которое ему предстоит преодолеть, увеличивается быстрее, чем этот сигнал движется.

Для самого объекта при этом по сути ничего не изменится. С его точки зрения исчезнем мы, тогда как сам он будет в полном порядке. По сути, с этого момента мы с этим наблюдателем начнём жить в разных, не связанных друг с другом Вселенных.

И более того: чем больше времени пройдёт и чем сильнее вырастет постоянная Хаббла, тем более близкие объекты будут «исчезать с радаров». Сначала это будут наиболее удалённые галактики и их скопления и сверхскопления, затем – скопления и сверхскопления поближе, потом – уже галактики нашего региона Вселенной, затем – ближайшие к нам галактики. Затем эффект начнёт проявляться уже на галактических масштабах: за световой барьер начнут уходить уже звёзды нашей обственной галактики. Сама галактика при этом, вероятно, разрушится, так как составляющие её объекты перестанут быть гравитационно связанными.

Затем настанет очередь звёздных систем: планеты сначала на периферии, а затем и всё ближе к самой звезде начнут уходить за световой барьер, теряя связь с родительской звездой.

Потом эффект Большого Разрыв начнёт проявляться уже на некосмических расстояниях: терять взаимосвязь друг с другом станут различные части, к примеру, одной и той же звезды. Гравитация перестанет больше удерживать их в одно целое, и звёзды начнут распадаться и гаснуть.

А в конце концов эффект коснётся уже межатомных масштабов: даже сложные молекулы, а потом и составные атомы больше не смогут существовать, так как их составляющие не смогут больше взаимодействовать друг с другом.

В итоге известная нам Вселенная распадётся на бесчисленное множество пузырьков пространства-времени, не имеющих никакой связи с соседями.

Стоит отметить, что, согласно имеющимся расчётам, это может случиться уже через 20-25 миллиардов, т.е. порядка 2 на 10 в 10 степени лет. Причём от момента, когда «с радаров» начнут пропадать наиболее удалённые галактики до момента, когда распадутся атомы вещества, пройдёт всего около миллиарда лет.

Это, пожалуй, наиболее быстрый сценарий конца света из существующих: другие отводят нашей Вселенной как минимум около 10 в 30 или даже 10 в 100 степени лет существования в более ли менее привычном сегодня виде.

Впрочем, это неточно. В научных кругах нет настоящей определённости в отношении даже того, действительно ли Вселенная расширяется с ускорением – уж не говоря о том, будет ли она делать это в будущем. Так что реалистичность такого сценария пока под вопросом – а точнее, нуждается в дальнейших исследованиях.

​Ну и раз уж мы заговорили о сценариях конца света вроде Большого Разрыва, обсудим и другие возможные сценарии.

Один из них также известен как Самый скучный конец света, и состоит он в том, что... ничего особо интересного со Вселенной не произойдёт.

Согласно этой теории, примерно через триллион (10 в 12 степени) лет во Вселенной закончатся запасы межзвёздного водорода. Образование новых звёзд прекратится.

Ещё через несколько десятков миллиардов лет после этого погаснет, исчерпав запасы темоядерного топлива, большинство ранее образовавшихся звёзд. Дольше проживут наиболее маленькие звёзды - красные карлики: вероятно, последние из них прекратят термоядерный синтез примерно через 2 триллиона лет. Эпоха звёзд во Вселенной закончится, единственным источником энергии останется лишь электромагнитное изучение, испускаемое их остывающими угольками: белыми карликами и нейтронными звёздами.

Процесс их остывания продлится примерно до 10 в 40 степени лет от настоящего момента.

После этого наступит эпоха чёрных дыр, когда будут доминировать именно эти объекты, постепенно "подчищающие" вещество, рассеянное по Вселенной в ходе предыдущих эпох. Парадоксально, но именно чёрные дыры в эту эпоху станут едва ли не единственным источником энергии - за счёт т.н. излучения Хокинга, а также столкновения чёрных дыр друг с другом, сопровождающегося мощными взрывоподобными событиями. Причём энергия будет выделяться в первую очередь в виде гравитационных волн, которые будут доминировать в данну эпоху.

На этом этапе возможно "ответвление": возможно, чёрные дыры начнут сливаться друг с другом, в конце концов образовав гигантскую чёрную дыру, которая поглотит почти всё вещество Вселенной. Вполне возможно, что эта чёрная дыра однажды взорвётся, дав начало новому Большому Взрыву.

Но этого может и не произойти: расширяющаяся Вселенная будет "разносить" друг от друга чёрные дыры быстрее, чем гравитация будет притягивать их друг к другу. Так что чёрные дыры будут просто спокойно испаряться благодаря излучению Хокинга, пока не испарятся совсем. Эпоха чёрных дыр закончится, что будет означать, собственно, конец известной Вселенной. Начнётся Эпоха вечной тьмы: Вселенная будет лишена каких-либо источников энергии и будет представлять собой достаточно разреженную пустыню с редкими "островками" вещества в виде остывших практически до абсолютного нуля остатков звёзд и планет.

Так как больше ничего интересного во Вселенной, вероятно, происходить не будет, этот момент можно будет считать "официальным" концом её истории. Наступит это ориентировочно через 10 в 100 степени лет.

​Ещё один сценарий конца света - это распад протонов на более мелкие элементарные частицы с последующим распадом тех до электронов, позитронов и нейтрино.

Согласно этой теории, в один прекрасный момент вся материя Вселенной будет представлять собой газ из этих элементарных частиц - т.н. пустиню лептонов (общее название класса частиц, включающих электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино). В такой Вселенной не будет существовать классических атомов или даже атомных ядер, да и вообще каких-то крупных составных тел - лептоны к образованию таких конструкций, видимо, не способны.

Весь вопрос в том, способен ли протон распадаться в принципе. Мы полагаем, что да: не существует никакого фундаментального закона сохранения, основанного на базовом законе симметрии пространства-времени, запрещающего такой распад. А в квантовой физике действует правило "всё что не запрещено - разрешено", и, пусть и с очень небольшой вероятностью, но рано или поздно произойдёт.

Другое дело, что в случае распада протона вероятность эта ОЧЕНЬ мала: время жизни протона по самым скромным оценкам превышает 10 в 30 степени лет (1000 миллиардов миллиардов миллиардов лет). Тогда как современный возраст Вселенной составляет порядка 13-14 миллиардов лет (10 в 10 степени).

Иными словами, если протоны и распадутся, то случится это ОЧЕНЬ нескоро: вероятно, в диапазоне от 3 на 10 в 36 до 2 на 10 в 42 степени лет.

Иными словами, этого момента Вселенная может попросту не дождаться: погибнет раньше в результате Великого Разрыва, если тому, конечно, суждено случиться.

Вопрос в том, соответствуют ли истине наши представления о том, что протон вообще когда-нибудь распадётся. Уверенно сказать "да" мы сможем лишь тогда, когда зафиксируем такой распад на эксперименте.

Хорошая новость в том, что миллиард миллиардов миллиардов лет пыриться на единственный протон, ожидая, пока он распадётся, не обязательно. Достаточно взять много (порядка 10 в 30 степени и больше) протонов, и тогда статистически за один год хотя бы один из них да должен распасться. Правда, для того, чтобы зафиксировать распад одного протона на миллионы литров воды (например) нам понадобятся очень-очень чувствительные и защищённые детекторы. Те, что у нас есть, пока показали чуть менее чем ничего, и гипотеза о распаде протона остаётся гипотезой, хотя и весьма вероятной.

На фото - ж детектор Super-Kamiokande, который вообще-то детектор нейтрино, но так как он заполнен 50 тысячами тонн сверхчистой воды, его датчики и распад протона зарегистрировать тоже могут. Но пока не зарегистрировали, а жаль.

​Почему антивещества в известной Вселенной куда меньше, чем вещества? На этот вопрос у физиков пока нет окончательного ответа, хотя уже есть кое-какие соображения.

В принципе выбор названий «частица» и «античастица» достаточно произволен: теоретически частицы и их античастицы полностью эквивалентны, это «полноправные» частицы с равными «правами на существование».

Например, в том или ином физическом процессе частицы можно заменить на античастицы, и в общем-то будет происходить всё то же самое. Например, антипротоны и антиэлектроны-позитроны на отлично образуют «антиатомы водорода» с антипротоном в качестве ядра и электроном на его орбите. Получившуюся структуру называют позитронием. Два атома позитрония, в свою очередь, как и настоящий водород, способны образовывать двухатомную молекулу. То есть, антивещество ведёт себя как и обычное вещество!

Да только вещество окружает нас повсюду, а антивещество вынуждены получать почастично в лабораториях.

По идее, в первые мгновения Большого Взрыва, когда возникали первые частицы вещества, они должны были рождаться парами: на каждую частицу должна была приходиться соответствующая античастица. В сверхплотной первоначальной Вселенной эти частицы и античастицы должны были бы сталкиваться и аннигилировать, и так они и делали: эхом этой масштабной аннигиляции сегодня является т.н. реликтовое излучение.
Однако по какой-то причине вещества оказалось больше чем антивещества. В итоге все античастицы аннигилировали, а некоторое количество «обычных» частиц выжило, образовав Вселенную, какой мы её знаем.

Но почему его оказалось больше? Почему симметрия между веществом и антивеществом (т.н. CP-инвариантность, «цэпэ-инвариантность») оказалась нарушенной? Над этим вопросом физики бьются десятилетиями.

Точнее, мы уже знаем один процесс, в котором CP-инвариантность нарушается – это так называемые осцилляции нейтральных каонов. Каоны – это мезоны, т.е. частицы, состоящие из двух кварков. В случае нейтральных каонов это анти-s-кварк и d-кварк.

Особенностью нейтральных каонов является то, что составляющие их кварки склонны к т.н. слабому распаду: внутри одной и той же частицы: анти-s-кварк превращается в анти-d-кварк, испуская две частицы – т.н. W-бозона. В свою очередь, d-кварк поглощает эти бозоны, «толстея» до s-кварка. Итого мы получаем частицу, состоящую из s-кварка и анти-d-кварка - то есть, античастиц частицам оригинального каона. То есть, без какого-либо внешнего влияния произошло превращение каона в антикаон. Данный процесс называется каонной осциляцией.

Так вот: оказывается (это подтверждено экспериментально), что процесс превращения каона в антикаон менее вероятен, чем обратный. А значит, если мы возьмём «мешок» каонов с равным содержанием частиц и античастиц, то через некоторое время увидим, что частицы преобладают над античастицами.

До недавнего времени это оставалось единственным экспериментально подтверждённым явлением, в ходе которого нарушалась CP-инвариантность. В 2007 году подтвердили то же явление для т.н. B-мезонов, состоящих из s-кварка и b-антикварка.

Но может ли нарушение CP-инвариантности в мезонных осциляциях быть тем механизмом, который вызвал дисбаланс вещества и антивещества в ранней Вселенной? Возможно.

А возможно и нет. Точнее, расчёты показывают, что образовавшийся таким путём дисбаланс был бы недостаточно велик: если бы дело было только в нём, то во Вселенной должно быть куда меньше вещества и больше излучения, чем мы наблюдаем. Существуют другие теории, объясняющие нарушение CP-инвариантности в ранней Вселенной (например т.н. теория Печчеи-Квин), но их слабыми местами является отсутствие у них экспериментальных доказательств.

Но самый интересный вопрос: каковы причины того, что природа всё-таки предпочитает вещество антивеществу хоть и в тех же мезонных осцилляциях? Ответа на этот вопрос нет, и это делает очевидным, что современная картина мира элементарных частиц, т.н. Стандартная модель, очевидно неполна.

На фото – установка по сбору и хранению антивещества.

​Очень краткий путеводитель по миру элементарных частиц

Все элементарные частицы делятся, во-первых, на вещество, а во-вторых – на частицы переносчики взаимодействия.

Например фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия: например, притяжение между протоном и электроном или отталкивание между двумя электронами описывается как обмен этих частиц фотонами.

Свои частицы-переносчики есть также и у других взаимодействий: сильное взаимодействие между частями атомных ядер переносят глюоны (в количестве 8 видов), слабое, отвечающие за взаимные превращения частиц – W+, W- и Z0 бозоны (нормальное имя им придумывать физиков сломало).

Ещё где-то тут должен быть гравитон. Но это неточно.

Тут надо сказать, что все переносчики взаимодействия – это бозоны, т.е. их спин имеет целые значения (а точнее у всех вышеперечисленных он равен 1, у фотона 0). Поэтому часто частицы-переносчики ещё называют калибровочными бозонами. Почему калибровочными – отдельный долгий разговор, просто запомните: если говорят «калибровочные бозоны» - имеют в виду фотон и его друзей.

Все частицы, из которых состоит материя, имеют спин ½, т.е. являются фермионами. Они делятся на два больших класса: то, что состоит из кварков и на всё остальное. «Всё остальное» называется лептонами (от слова «лептос», лёгкий). На самом деле лептоны отличает не вес (тау-лептон всерьёз потяжелее протона будет!), а то, что они не участвуют в ядерных взаимодействиях, а потому находятся не в ядрах, а носятся вокруг.

Лептоны бывают такие: всем известный электрон, мюон (можно встретить устаревшее название мю-мезон; за его употребление сейчас бросают в адронный коллайдер) и вышеупомянутый тау-лептон. Все они имеют одинаковые характеристики (заряд -1, спин ½ и т.п.), но разную массу: электрон самый лёгкий, пион потяжелее, тау-лептон самый жирный.

В остальном (кроме массы) все три лептона очень похожи.

Ещё есть нейтрино, они тоже лептоны. Это такие мелкие пронырливые ребята: без электрического заряда (так что не участвуют не только в сильном, но и в электромагнитном взаимодействии) и почти без массы (ключевое слово - почти). Поэтому они носятся по Вселенной с околосветовой скоростью, и на другое вещество им практически плевать.

Ах да, на самом деле нейтрино – это не один вид частиц, а три: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Принцип такой: если в каком-то взаимодействии рождается электрон и нейтрино, то это будет электронное нейтрино. Если мюон и нейтрино – то, соответственно, это будет мюонное нейтрино и т.п. Все параметры у всех трёх нейтрино одинаковы (кроме может быть массы, которую мы всё равно не знаем), и отличить одно нейтрино от другого сложно. Когда Ледерман, Шварц и Стейнберг придумали как это сделать, заодно доказав, что это таки разные частицы, им за заслуженно дали нобелевку. А ещё нейтрино имеют свойство спонтанно превращаться из одного в другое – так называемые нейтринные осцилляции.

И да, так как наблюдать за нейтрино ввиду их шустрости сложно, сколько их всего во Вселенной мы не знаем. Возможно, их общая масса превышает общую массу всех прочих частиц вместе взятых. И, возможно, намного.

Переходим к кваркам.

Кварков всего шесть. Всё что состоит из кварков, называется адроны, от латинского адрос, «крупный» – чтобы противопоставить «лёгким» лептонам. Но прикол адронов, опять же, не в весе, а в том, что они участвуют в сильном взаимодействии.

Адроны, в свою очередь, делятся на два вида частиц. Во-первых, это барионы – частицы – состоящие их трёх кварков, как протон и нейтрон. Во-вторых, это мезоны – состоящие из двух кварков. Собственно, потому они и мезоны, ибо масса больше лептонов, но меньше адронов, т.е. между (мезо) ними.

А, да, бывают ещё пентакварки, в них кварков, как легко понять, пять. Зверь редкий, весит много, получается с трудом, живёт мало. Окончательно подтвердили его существование в 2015-м, и с тех пор думают, зачем он нужен.

Чтобы было понятнее, вот вам схемка.

Это фото первых мгновений ядерного взрыва, снятое через мощный светофильтр.

Шарообразная структура - облако раскалённого воздуха, нагретого и ионизированного испущенным при взрыве излучения. Его радиус невелик: всего 20 сантиметров за каждую килотонну мощности бомбы. Но температура внутри шара может достигать значений, характерных для поверхностей самых горячих звёзд.

При этом лишь незначительная часть заточённой внутри огненного шара энергии выходит наружу: раскалённый ионизированный газ почти не пропускает электромагнитные волны, так что на данном этапе свечение обеспечивается испусканием энергии лишь сравнительно тонким приповерхностным слоем шара. По мере развития взрыва, шар расширяется, остывает и становится прозрачным для излучения, которое постепенно покидает его (с этим связана продолжительность световой вспышки, которая может достигать десятков секунд).

"Ножки" взрыва - следы испарённых энергей взрыва канатов, удерживавших бомбу, а "глазки" продавили пары того, что было корпусом бомбы.

А вот более поздний этап ядерного взрыва: идеально круглое, ярко сияющее облако диаметров в несколько сотен метров, известное как огненная сфера. Присмотревшись, можно разглядеть ударную волну (уплотняя воздух, она слегка меняет его оптические свойства), которая только что отделилась от шара и теперь будет распространяться, сметая всё на своём пути.

Знаменитый ядерный гриб начнёт формироваться позже - через несколько секунд или даже десятков секунд!

Ну что, друзья! Телеграм прикрутил, наконец, внутреннюю систему донатов, так что желающие могут поддержать наш канал не только морально, но и материально!

Система организована не слишком удобно: кнопка доната постится только отдельным постом, который будет ниже.

Если тема пойдёт, то у меня есть масса планов, как сделать наш канал действительно ещё круче - например, делать собственную качественную анимацию, а если всё пойдёт совсем хорошо - то и свои эксперименты и демонстрационные опыты, благо идей и тем более чем достаточно!

А это реальное видео взрыва знаменитой термоядерной Царь-бомбы мощностью 58,6 мегатонны.

Благодаря мощности бомбы хорошо видны все этапы взрыва: образование "огненного шара" ионизированного излучением ядерной реакции воздуха, отделение от него ударной волны, порождённая этим отделением первая слабая вспышка, затем уменьшение свечения, в результате чего становится опять виден плазменный шар, внутри которого заключена остальная часть энергии взрыва. Через долю секунды происходит вторая вспышка: это плазменный шар остыл и расширился настолько, что стал прозрачен для электромагнитных волн, которые вырвались из него наружу. Наконец, когда спадает вторая, основная вспышка, мы видим формирование характерного ядерного гриба: потоков пыли и мусора, увлекаемого горячими потоками воздуха. Расширяющееся туманное кольцо - область пониженного давления позади фронта ударной волны, в которой происходит конденсация водяных паров из воздуха (как в эффекте Прандтля-Глоерта).

Помочь проекту можно тут.

​Что такое тёмная материя?

Тёмная материя – это довольно просто: это такое вещество, которое невидимо для обычных наблюдений, так как не взаимодействует с электромагнитным излучением. Нюанс в том, что, по господствующим в современной науке представлениям, масса тёмной материи во Вселенной в шесть раз превышает массу обычного вещества: звёзд, межзвёздного газа и пыли и тому подобного.

К такому выводу учёные пришли, изучая другие галактики и их скопления. Благодаря тому, что светимость звёзд имеет чёткую связь с их массой, по суммарной светимости галактики можно подсчитать примерную массу звёзд в ней. С другой стороны, массу галактики можно оценить, изучив её гравитационное взаимодействие с другими галактиками. И вот когда астрофизики сравнили результаты «взвешивания» других галактик двумя этими методами, оказалось, что видимая масса галактик в разы меньше, чем гравитационная.

Проверив эти данные другими способами (гравитационное линзирование, движение отдельных звёзд в составе галактик) учёные укрепились во мнении: на самом деле галактики весят куда больше, чем входящие в них звёзды и межзвёздный газ. То есть, большая часть их массы приходится на некое невидимое вещество, которое и назвали тёмной материей. А невидимо оно потому, что не излучает (как звёзды), не рассеивает (как межзвёздный газ и пыль) и не отражает (как планеты или та же Луна) электромагнитное излучение – главный источник информации о мире для нас.

Но что эта тёмная материя такое? На этот счёт высказывались различные версии. Первой, самой простой, является теория, согласно которой тёмная материя – это обычное вещество, сконцентрированное в плотные компактные объекты типа планет, коричневых карликов (недозвёзд), а также «огарков» уже сгоревших звёзд – белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Эти объекты получили собирательное название MACHO (ассивный астрофизический компактный объект гало, англ. massive astrophysical compact halo object).

На самом деле такие объекты излучают, поглощают и отражают свет. Но ввиду своих размеров делают это слишком слабо для того, чтобы их можно было заметить с большого расстояния - скажем в другой галактике.

Однако большинство астрофизиков сомневаются, что на такие объекты может приходиться заметная часть тёмной материи. Судя по доступному нашим наблюдениям пространству космоса, на планеты вообще приходится ничтожная часть массы даже обычного вещества (например, в Солнечной системе суммарный вес планет составляет 0,14 % от её общей массы). Что же до белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, то эти объекты являются финальной стадией эволюции наиболее массивных звёзд, и, согласно расчётам, за 14 миллиардов лет существования Вселенной достаточное число таких объектов попросту не успело бы ещё сформироваться.

Точнее, с чёрными дырами всё немного сложнее. Дело в том, что астрофизики допускают, что чёрные дыры могут формироваться не только из сверхмассивных звёзд, но и иными способами. Например, есть теория о так называемых первичных чёрных дырах, сформировавшихся из флуктуаций плотности вещества на ранних этапах Большого Взрыва. Вот на такие объекты может приходиться значительная часть скрытой массы Вселенной. Другой вопрос, что пока что мы не видели таких объектов в реальности. Но это не значит, что они не существуют – чёрные дыры вообще очень сложно обнаружить, но учёные работают над этим.

Впрочем, в настоящее время большинство учёных всё же склоняется к мысли, что MACHO не являются основной составляющей тёмной материи. О других «подозреваемых» на эту роль – в следующих материалах.

Помочь проекту можно тут.

​Продолжим наш разговор о тёмной материи – таинственном невидимом (или почти невидимом!) веществе, на которое, по господствующим в современной науке представлениям, приходится большая часть массы Вселенной. В прошлый раз мы рассматривали возможность того, может ли тёмная материя быть «обычной материей» сконцентрированной в компактные слабо излучающие объекты (MACHO) и пришли к выводу, что нет. Но что же тогда она собой представляет?


Ещё одним хорошим кандидатом на роль тёмной материи являются нейтрино – лёгкие частички-лептоны без электрического заряда (то есть, не участвующие в электромагнитных взаимодействиях, что нам и надо!), участвующие лишь в слабом и гравитационном взаимодействии. Из-за своей малой массы и отсутствия заряда нейтрино крайне сложно «ловить», поэтому сегодня мы не знаем, сколько именно нейтрино во Вселенной. Может оказаться, что как раз столько, сколько, по оценкам учёных, должно быть этого самого невидимого вещества.


Большой плюс нейтрино как кандидатов на роль тёмной материи заключается в том, что они по крайней мере точно существуют. Минус: если бы именно нейтрино с их сверхмалой массой были той самой тёмной материей, то это вещество во Вселенной должно быть распределено очень однородно. А это значит, что процесс формирования галактик занял бы куда больше времени: по сути к настоящему моменту первые галактики только-только начали бы формироваться, что отличается от реально наблюдаемой картины.


На этом список реально существующих «подозреваемых» на роль тёмной материи заканчивается. Начинается область гипотез о существовании неких ранее невиданных частиц, которые и «отвечают» за существование во Вселенной больших объёмов скрытой массы.


Одной из них является гипотеза т.н. стерильных нейтрино – родственников обычных нейтрино, отличающихся от них, во-первых, большей массой, а во-вторых тем, что они не участвуют даже в слабом взаимодействии, т.е. являются почти идеальными невидимками. Зарегистрировать их можно только косвенно: теоретически такие стерильные нейтрино должны случайным образом превращаться в обыкновенные и обратно: то есть, в одних случаях мы должны фиксировать таинственное «исчезновение» обычных нейтрино, в других – их появление из неоткуда. И всё было бы классно, если бы и обычные нейтрино не было так сложно обнаруживать…


Также на роль тёмной материи рассматриваются так называемые вимпы (от английского WIMP – weakly interfering massive particle, массивная слабо взаимодействующая частица) – грубо говоря, нечто вроде обычных нейтрино, но только с массой в десятки раз превосходящую массу протона. Обнаружить такие частицы попроще, чем стерильные нейтрино, но тоже довольно сложно. В настоящее время есть несколько установок, призванных это сделать. Пока что убедительных результатов эти эксперименты не дали. То есть, что-то такое установки фиксируют, но сказать, вимпсы это или, скажем, какие-то помехи, пока нельзя.


Ещё одним вариантом являются так называемые Q-шары – гипотетические устойчивые композиции из бозонов, существование которых допускает теория элементарных частиц (детальнее о них мы писали тут). Q-шары практически невидимы, так как прозрачны для электромагнитного излучения, но при этом могут иметь довольно внушительную массу (в том числе и в тысячи масс Солнца!). Беда в том, что Q-шары, а точнее, гигантские Q-шары, или Q-звёзды, с точки зрения земного наблюдателя почти неотличимы от чёрных дыр. Так что вполне возможно что мы уже сегодня смотрим прямо на множество Q-звёзд, не понимая этого.

Но самой интригующей гипотезой в отношении тёмной материи является вариант, что на самом деле её… не существует. Об этом – в следующей публикации.
На картинке одна из установок по поиску вимпов, детектор LUX в Южной Дакоте (США).

Поддержать проект "Физика в картинках" можно тут.

​Думаю, многие слышали про бозон Хиггса, который в СМИ также часто называют «частицей бога». Сегодня мы разберёмся с тем, что он, собственно, такое.

Когда мы говорили о том, какие бывают элементарные частицы, мы упоминали, что калибровочными бозонами, принято называть переносчики взаимодействия - частицы, путём обмена которыми «настоящие» частицы взаимодействуют между собой.

Бозон Хиггса тоже является переносчиком взаимодействия. Взаимодействие это называется механизмом Хиггса.

Придумали его чтобы объяснить, почему у одних элементарных частиц масса есть, а у других (фотон, глюон) её нет. Гипотеза Хиггса заключалась в том, что масса не является имманентным свойством частиц, а представляет собой результат их взаимодействия с неким полем, которое назвали полем Хиггса.

Именно действие этого поля на частицы объясняет явление инерции: если мы пытаемся ускорять или замедлять некий массивный объект, то поле Хиггса будет этому мешать. То есть, в отличие от других полей (электромагнитного, гравитационного) поле Хиггса действует лишь на объекты, движущиеся с ускорением.

Здесь можно привести аналогию с человеком, идущим в плотной толпе других людей. Пока он идёт с той же скоростью, что и толпа, он не сталкивается ни с каким затруднениями. Но стоит ему попытаться ускориться или замедлиться, как толпа начнёт ему мешать, и человеку придётся проталкиваться через других идущих.

При этом на одни частицы поле Хиггса действует, и потому у них есть масса, а на другие (фотон, глюон) - нет.

Любое взаимодействие в квантовой физике описывается путём обмена частицами, и если механизм Хиггса существует, должна существовать и частица-переносчик (калибровочный бозон) взаимодействия с полем Хиггса. Вот эта-то долгое время остававшаяся гипотетической частица и получила названия бозона Хиггса. И чтобы показать, что механизм Хиггса действительно существует, этот бозон надо было отыскать.

Но сделать это было непросто: по расчётам бозон Хиггса должен был иметь очень большую массу (в 130 раз тяжелее протона) и обладать очень малым временем жизни (10 в минус 22 секунды, то есть одну тысячную от миллиардной миллиардной доли секунды). А потому получить его можно было только в процессах с очень большим выделением энергии, и при этом успеть его зафиксировать. Удалось это сделать лишь в 2012 году.

Точнее, не так. В 2012 году на Большом адронном коллайдере получили некую частицу, которая по своим параметрам соответствует ожидаемым параметрам бозона Хиггса. А если что-то выглядит как бозон Хиггса и ведёт себя как бозон Хиггса, то это, вероятно, бозон Хиггса. Не более, но и не менее.

И да, различные варианты математического описания механизма Хиггса дают теории с различным количеством бозонов-переносчиков такого взаимодействия. Так что не исключено, что правильно говорить не «бозон Хиггса», а «бозоны Хиггса».

А в завершение пару слов о том, почему бозон Хиггса называют частицей бога. Сам термин возник очень дурацким способом: в 1993 году физик Леон Ледерман написал книгу о физике элементарных частиц, в значительной степени посвящённую истории поисков бозона Хиггса, которые к тому моменту почти безуспешно шли уже почти 30 лет. Именно поэтому в книге (и её заголовке) Ледерман назвал бозон Хиггса «проклятой частицей» (Goddamn Particle). Однако издатель счёл такое название слишком вызывающим и немного сократил термин до «God Particle», или «частицы бога». На самом деле ничего божественного в бозоне Хиггса нет, хотя его значение сложно переоценить: шутка ли, оказывается, что никакой массы не существует, а то, что мы воспринимаем как массу, является результатом взаимодействия невесомых частиц с неким таинственным полем, пронизывающим Вселенную…

На картинке схема эксперимента по обнаружению бозона Хиггса: два протона, разогнанные до околосветовых скоростей, сталкиваются между собой, попутно порождая множество частиц, среди которых однажды встретился и бозон Хиггса.

Поддержать проект "Физика в картинках" можно тут.

Это иттрий - элемент с порядковым номером 39 в таблице Менделеева, серебристый металл, обладающий рядом ценных физических и химический свойств.

Так, чистый иттрий обладает высокой прочностью на разрыв - сравнимой со сталью при вдвое меньшем удельном весе. Кроме того, иттрий является очень тугоплавким и огнеупорным веществом: из соединений иттрия изготовляют разные термостойкие материалы или покрывают ими детали из других материалов для придания им термостойкости. Кроме того, иттрий используется в производстве сверхпроводников, при изготовлении люминофоров и во многих других сферах.

Помочь проекту можно тут.

В Ярославской области России строят посёлок из 12 домов, отпечатанных на строительном 3d-принтере. Стоимость 1 квадратного метра такого дома составит около 20 тысяч рублей, а стоимость целого дома площадью 46 "квадратов" составит 900 тысяч.

Помочь проекту можно тут.

​Завершая разговор о тёмной материи, невидимом для обычных методов наблюдений веществе, масса которого, по оценкам учёных, в разы превосходит массу обычного видимого вещества, нельзя не упомянуть теории, согласно которым… никакой тёмной материи не существует.

Мы уже говорили, что теория о тёмной материи возникла из наблюдений, показывающих, что галактики и их скопления гравитационно взаимодействуют друг с другом так, как будто их масса значительно больше наблюдаемой.

Но нельзя исключать, что на самом деле их масса именно такова, какой мы её считали раньше, без всякой тёмной материи. Просто уравнения, описывающие гравитационное взаимодействие, которыми мы пользуемся, не совсем верны.

Ничего экстраординарного в этом нет: любая физическая теория имеет границы применимости. Почти четверть тысячелетия физики пользовались теорией всемирного тяготения Ньютона, которая давала хорошие, правильные результаты и значения действующей силы гравитационного притяжения. Проблемы возникли лишь тогда, когда понадобилось считать движение тел в сильных гравитационных полях – например, при расчётах уравнений движения близкого к Солнцу Меркурия теория давала результаты, расходящиеся с практикой. Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) решила эту проблему, и сегодня успешно позволяет решать задачи на гравитационное взаимодействие космических объектов. Но и у неё есть границы применимости. Мы уже знаем, что она не работает в микроскопических масштабах – на уровне атомов и элементарных частиц. Возможно, есть ограничения и «сверху» - на галактическом и межгалактическом масштабе. И вполне возможно, что пришла пора заменить или дополнить ОТО некими новыми соображениями.

Модели, вроде бы позволяющие объяснить странности в гравитационном поведении масштабных систем уже есть. В качестве примеров можно назвать теорию модифицированной ньютоновской динамики израильтянина Мордехая Милгрома или анизатропную геометродинамику россиянина Сергея Сипарова. Однако пока что большинство учёных скептически относятся к этим теориям и предпочитают объяснять наблюдаемые отклонения от результатов СТО существованием тёмной материи.
Однако по мере того, как всё новые и новые попытки подтвердить существование такой материи терпят неудачу, голоса противники общепринятой теории звучат всё более уверенно.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Откуда берутся невидимые глазу лучи у Солнца и других ярких источников света на некоторых фото?

Ответ скрывается уже в названии этого эффекта: среди фотографов он известен как дифракционные лучи.

Да, дело именно в дифракции: при почти полностью закрытой диафрагме (а подобные фото делаются именно так!) диаметр отверстия, через которое свет попадает в камеру, становится достаточно мал для того, чтобы начала проявляться волновая природа света, и мы наблюдали дифракцию - "разламывание" светового потока на отдельные лучи при огибании препятствия.

Число лучей зависит от конструкции диафрагмы, в частности, количества лепестков: линзы с нечётным числом лепестков дают вдвое большее число лучей, чем число лепестков (например, Nikon AF-S 85mm f/1.8G с 7 лепестками даёт обычно 14 лучей); лины с чётным числом лепестков дают столько же лучей, сколько и лепестков.

Ах да, для тех, кто хочет создать "дифракционную звезду" осознанно продаются специальные сфетофильтры: они представляют собой плёнку, покрытую мелкой насечкой, которая также разрывает световой поток на лучи: в этом случае их число может быть самым разным.

В принципе увидеть дифракционные лучи можно и невооруженным глазом: например, прищуриться, чтобы свет перед попаданием в глаз проходил через "частокол" ваших ресниц.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Актуальная физическая мнемоника.

Одним из популярных мнемонических правил для запоминания спектральных классов звёзд является фраза "О Боже, АФГанистан, Куда Мы ЛеТим" (два последних спектральных класса L и T введены специально для описания коричневых карликов, которые звёздами, вообще говоря, не считаются).

Спектральные классы звёзд определяют не только их цвет, но и температуру поверхности, а также размер (для т.н. звёзд главной последовательности, т.е. подавляющего большинства звёзд Вселенной).

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.