Физика

Эксперт компании «Криптонит» Игорь Нетай несколько лет назад выдвинул гипотезу, которая только сейчас подтвердилась в научном сообществе. Какая гипотеза и причём здесь квантовые компьютеры — рассказываем ниже.

Тёмная материя — это полтергейст природы. Мы можем наблюдать его эффекты, но не можем увидеть его и не знаем, что это такое. Природа как будто играет с нами, скрывая большую часть своей массы и запутывая нас в попытках определить, что это такое.

Всё это — часть проблемы «недостающей массы» Вселенной. На самом деле, это наша проблема. Вселенная просто существует. Проблема в нашем понимании Вселенной, а конкретно — массы и гравитации. И решение этой проблемы оказывается трудно найти.

Чем бы ни была эта недостающая масса или что бы ни вызывало наблюдаемые нами эффекты, у нас есть для неё условное название: тёмная материя. И она составляет 85 % материи во Вселенной.

Может ли тёмная материя быть первозданными чёрными дырами? Может быть, это аксионы? А может, WIMPы? Являются ли тёмные фотоны переносчиками её взаимодействий? Теоретических размышлений много, но выводов нет.

С незапамятных времён люди используют специальные языковые конструкции, чтобы говорить о прошлом и будущем – ненаблюдаемых частях реальности, которые доступны нам лишь в памяти и воображении. Но только в 80-е гг. XX века учёные догадались, что другие времена – это разновидность других вселенных. Прошлое и будущее – альтернативные версии настоящего, которое объективно не может быть одним моментом. Отрицание реальности этих альтернатив и выделение какого-то особого момента «здесь и сейчас» является проявлением солипсизма и пространственно-временного шовинизма. Все моменты и все места одинаково реальны и образуют блочную мультивселенную, вне которой не существует точки отсчёта, позволяющей проследить её эволюцию во времени. И ничто, включая наше сознание, не может перемещаться из одного момента в другой или из одной вселенной в другую. Быть в моменте – значит быть там вечно. Примерно так можно описать концепцию времени в квантовой теории.

В данной статье я рассказываю о внутренней структуре Мультивёрса, которая в действительности гораздо сложнее, чем на популярных изображениях с ветвящимися деревьями параллельных миров. Параллельные вселенные интерферируют на микроскопическом уровне, разделяя между собой неотличимые экземпляры элементарных частиц, но образуют на макроскопических масштабах относительно автономные истории, в некотором приближении подчиняющиеся законам классической физики. Оказывается, развитие событий в каждой отдельной истории зависит от того, какие ещё истории есть поблизости. Поэтому амплитуды вероятностей в квантовой теории отражают объективную меру «толщины» ветвей универсальной волновой функции, а не знание наблюдателя о системе. Также мы пересматриваем традиционные представления о причинно-следственных связях и физическом детерминизме, даём многомировое объяснение двухщелевого эксперимента с отложенным выбором и обобщаем три разных определения энтропии.

Ранее я уже затрагивал на Хабре различные гипотезы о природе тёмной материи и тёмной энергии. Поскольку тёмная материя не взаимодействует ни с одним известным типом «нетёмной» (барионной) материи, а также со светом, её с тем же успехом можно назвать «прозрачной» материей. Феномен тёмной материи «на кончике пера» впервые предложил в начале 1930-х немецкий физик Фриц Цвикки.  В настоящее время известно, что никакие известные частицы-барионы тёмную материю не образуют. Таким образом, тёмная материя обнаружима только по гравитационному воздействию на окружающую барионную материю, в особенности на галактики. Предполагается, что именно в центрах галактик тёмной материи почти нет, а на периферии галактик она образует целые облака или «гало». На Хабре неоднократно публиковались материалы как о возможных составляющих тёмной материи, так и обоснования, что никакой тёмной материи не существует, и мы продолжаем «дорисовывать» её, поскольку до сих пор не вполне понимаем природу гравитации.

В этой статье я подробнее изложу идеи, ранее сформулированные в данной новости от уважаемого @SLY_G В основу статьи легли исследования Ричарда Лью, астронома из Хантсвиллского университета, штата Алабама.

Возможно, мы живём в пончике. Звучит как больной сон Гомера Симпсона, но именно такой может быть форма всей Вселенной — точнее, гипермерного пончика, который математики называют 3-тором.

Это лишь одна из многих возможных топологии космоса. «Мы пытаемся понять форму космоса», — говорит Яшар Акрами из Института теоретической физики в Мадриде, член международного партнёрства под названием Compact (Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology). В мае команда Compact объяснила, что вопрос о форме Вселенной остаётся широко открытым, и рассмотрела будущие перспективы его решения.

Около 13,8 миллиарда лет назад весь космос состоял из крошечного, горячего, плотного шара энергии, который внезапно взорвался.

Именно так всё и началось, согласно стандартной научной истории Большого взрыва — теории, которая впервые сформировалась в 1920-х годах. Эта история уточнялась на протяжении десятилетий, особенно в 1980-х годах, когда многие космологи пришли к убеждению, что в первые моменты своего существования Вселенная пережила короткий период чрезвычайно быстрого расширения, называемого инфляцией, после чего перешла на более низкую скорость.

Считается, что этот короткий период был вызван особой формой высокоэнергетической материи, которая повернула гравитацию вспять, «раздув» ткань Вселенной экспоненциально быстро и заставив её вырасти в миллион миллиардов миллиардов раз менее чем за миллиардную долю миллиардной доли миллиардной доли миллиардной доли секунды. Инфляция объясняет, почему Вселенная кажется такой гладкой и однородной, когда астрономы рассматривают её в больших масштабах.

Стандартная модель физики частиц хорошо объясняет взаимодействие между основными элементами материи. Но она не идеальна. Она с трудом объясняет тёмную материю. Тёмная материя составляет большую часть материи во Вселенной, но мы не знаем, что это такое.

Стандартная модель утверждает, что, чем бы ни была тёмная материя, она не может взаимодействовать сама с собой. Новое исследование, возможно, перевернёт это представление.

Физики предлагают множество различных кандидатов на роль тёмной материи, включая тёмные фотоны, слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs), первичные чёрные дыры и многое другое. Каждый из них по-своему интригует, но ни один из них не нашёл пока подтверждения. И каждый из них, как предполагается, вписывается в Стандартную модель.

Исследуя все явления в нашем мире, наука не обходит стороной и саму себя. Такие дисциплины, как науковедение и социология науки, по сути, как раз являются остриём рефлексии научного сообщества.

Представляется, что в рамках дискуссии об электротехнических сообществах, было бы полезно ознакомиться с инструментарием и взглядами академических учёных — социологов науки.

Большой удачей является то, что Вадим Александрович Малахов, кандидат исторических наук, заведующий отделом науковедения Института истории естествознания и техники — весьма отзывчивый человек. Он согласился ответить на ряд вопросов, ответы на которые интересны мне и, я надеюсь, — вам.

Николай Лобачевский и в 2024 году может сотворить нечто неожиданное. Так, он подарил российским математикам новую дату — их профессиональный праздник уже с этого года начнут отмечать 1 декабря. Именно в этот день в 1792 году родился Лобачевский, один из первооткрывателей новой геометрической системы — неевклидовой.

На самом деле Нижний Новгород — родина, место обучения и город, в котором зарождались теории и открытия многих выдающихся математиков. Одни из них хорошо известны каждому. Другие — только профильным специалистам. Которых, кстати, в городе немало — их для отечественных технологических гигантов на высоком уровне готовят 10 региональных вузов. И сегодня они вместе с физиками и информатиками составляют костяк местного бурно развивающегося ИТ-сообщества.

Но давайте попробуем рассказать о выдающихся математиках Нижнего так, чтобы общее представление об их достижениях сложилось даже у далеких от точных наук людей.

• вытравливаемый на тканях лазерно-индуцированный графен (laser-inscribed graphene, LIG);
• вплетаемые в ткань металлические нити;
• вышивание металлическими нитями;
• трафаретная печать по ткани чернилами на основе металла и графена.

Что может быть прекраснее ночного неба, переливающегося мириадами звёзд. Американский астрофизик Лоуренс Максвелл Краусс как-то сказал, что каждый атом в теле человека берёт свое начало во взорвавшейся звезде. Возможно, атомы левой руки взяли начало в одной звезде, а правой - в другой. Мы все – звёздная пыль. Это самое поэтичное, что есть в физике. 

Учёные давно исследуют строение звёзд Вселенной, пытаясь разобраться в тайнах их образования и развития. Но существующие гипотезы признаются не всеми представителями научного сообщества и содержат вопросы, на которые ещё только предстоит дать ответы.

Формирование звёзд: популярная гипотеза 

По словам астрономов, в безоблачную ночь на небосводе можно наблюдать невооружённым глазом около 6000 звёзд. Но непосредственно над горизонтом будет видно не более 3000 из них. Впрочем, это капля в море. С помощью космических телескопов астрофизики обнаружили только в видимой части Вселенной 10²⁴ звёзд, которые входят в 10 триллионов галактик. В то же время в нашей галактике Млечный путь насчитывается, по разным оценкам, от 200 до 400 млрд. звёзд. Предполагается, что звёзды – это массивные небесные тела из газа и плазмы, излучающие свет и тепло. В их недрах происходят реакции термоядерного синтеза. 

Все звёзды делятся на несколько классов: сверхгиганты, яркие гиганты, гиганты, субгиганты, звёзды главной последовательности, субкарлики и белые карлики. Температура звёзд находится в диапазоне от 2 000 —3 000 К до 50 000 К. Их химический состав также различается, но в основном звёзды состоят из водорода (72—75 % массы) и гелия (24—25 %). Каждая звезда имеет собственное магнитное поле. 

Кванты пространства

Наше пространство определяется гравитационными полями. Если говорить  упрощенно,  материальные объекты и/или огромные энергии образуют  гравитационные поля, ту арену  на которой живут  Галактики, звезды, планеты и где начинают работать физические Законы нашего Мира.  И галактики и законы наблюдаются в макроскопических размерах, а для их описания мы используем  привычные  архимедовые метрики. На гравитационных полях  «живут» оставшиеся поля:  электромагнитными, слабые и сильные, со всей своей архитектурой. По сути дела «наш»  мир это гравитационное поле, а вся остальная материя и остальные взаимодействия это колебаний разных частей этого поля.

 В микромире, на “планковских” масштабах пространство начинает проявлять свою  квантовую сущность. Идея квантов пространства наиболее полно описывается теорией петлевой квантовой гравитации (ПКГ) успешно развиваемой К. Ровелли и К⁰[1]. Проводя аналогию между электромагнитным и гравитационным полем, он пишет «..ключевое различие между фотонами (квантами электромагнитного поля) и …квантами гравитации состоит в том, что фотоны существуют в пространстве, тогда как кванты гравитации представляют собой само пространство. Фотоны характеризуются местом, «где они находятся». Кванты пространства не имеют места, где они могут находиться, поскольку они сами являются местом ».

Сам Ровелли с осторожностью относится к кванту пространства,  например, в качестве кванта им приводится fuzzy-обьект без всякой деталировки (левая, нижняя часть рисунка 1). Вместо этого вводится  аналог силовых линий в виде спиновых сетей с узлами на квантах и определяя  квантовые операторы в гильбертовом пространстве от  площадей и объемов через переменные  Ашкетара [2], строится геометрия дискретного квантового пространства и его гравитационные искривления*.

За последние 100 лет бесчисленные исследования доказали, что величайшая теория Альберта Эйнштейна — его общая теория относительности — практически пуленепробиваема и способна на всё: от предсказания поведения чёрных дыр до управления GPS-технологией.

Однако по мере того, как учёные вооружаются все более мощными и сложными технологиями, способными заглянуть в космос в беспрецедентных деталях, они наблюдают явления, которые не могут объяснить с помощью теории Эйнштейна.

Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что искривление пространства-времени вызывает гравитацию. Но при увеличении масштабов, например, скоплений галактик, протянувшихся на миллиарды световых лет, законы теории гравитации меняются.

Записки «чайника», травмированного тензорным исчислением

Тема, заявленная в названии, пожалуй, самая запутанная в тензорном исчислении. Высокоучёные авторы мудрых книг в большинстве случаев ограничиваются только формальными определениями понятий ко- и контравариантности, не опускаясь до подробного пояснения их геометрической и физической сути. Похоже, в этом вопросе они сознательно или бессознательно воспроизводят ситуацию, характерную для квантовой физики: «Не старайтесь понять, просто считайте!». Но если в квантовой физике подобный подход безальтернативен, то в данном случае – вряд ли.

Подзаголовок даже комплиментарен для меня, поскольку в своём восприятии математики я даже не «чайник», а, скорее, «валенок». По этой причине мне очень хорошо понятны проблемы «чайников», с которыми они сталкиваются в попытках постичь математические абстракции. Поэтому материал предназначен не для «продвинутых», они и без меня разберутся, а для… В общем, для таких же, как я, «задвинутых» в математике (только в ней!). При этом предполагается хотя бы «шапочное» знакомство с тензорным исчислением.

Математика остаётся непонятной для многих потому, что нам её объясняют люди, которые понимают её на интуитивном уровне, или, выражаясь более изящно, «на уровне интуитивных образов» [1-7 ≡ Л.1, с. 7]. Нам же, нематематикам, для того, чтобы что-то понять, надо это «что-то» увидеть не в абстрактном («интуитивном»), а в реальном, физически представимом пространстве (по-научному это – «визуализация») или, ещё лучше, поковырять его пальцем (научный термин пока еще не придумали. Открыт приём предложений).

Трехмерные модели используют сложный математический аппарат: матрицы Паули или поля из унитарных матриц. К тому же их трудно визуализировать и поэтому они довольно абстрактны. Поэтому в данной статье мы теперь рассмотрим аналогичные, но двумерные и одномерные "настольные модели", которые могут быть реализованы материально. Один из примеров более простой 2D модели — модель Скотта, её вполне можно сконструировать из доступных материалов. Другим примером является магнитный скирмион, который можно наблюдать, например, в микроскопе. Третий пример — модель Эластика Эйлера сделанная из проволоки. Используя более простые модели мы можем развить более интуитивное понимание поведения, стабильности, других сложных концепций топологических солитонов. И хотя эти модели не раскрывают все свойства своих 3D аналогов, они представляют собой более доступную отправную точку для изучения топологических солитонов и развития понимания их свойств.

Нелогичная Солнечная система: кто объяснит аномалии?

Вы когда-нибудь задумывались, сколько планет во Вселенной? Привести точную цифру достаточно сложно. По оценкам астрофизиков, только в нашей галактике Млечный Путь их от 800 миллиардов до 3,2 триллионов. На некоторых из них вполне возможна жизнь. Согласно официальной гипотезе, механизм формирования планет в звездных системах примерно одинаковый. При этом экзопланеты отличаются друг от друга по размерам и структуре. В Солнечной системе вокруг Солнца вращаются планеты земной группы, газовые и ледяные гиганты. Однако «поведение» планет противоречиво и не укладывается ни в одну из существующих теорий. Возникает вопрос: смогут ли учёные объяснить эти противоречия?

Экзопланеты: дальние родственники Земли

В 2018 году в галактике Млечный Путь было подтверждено существование 3824 экзопланет, на которых гипотетически возможна жизнь. Однако спустя три года, в 2021 году, их насчитывалось уже около 5000, и с каждым годом эта цифра только растёт. Мало того, учёные из Научно-исследовательского центра Эймса (NASA) в ходе изучения звёзд М-класса при помощи телескопа «Kepler» сделали интересный вывод. По их данным, в нашей галактике насчитывается от пяти до 10 миллиардов планет, по своим характеристикам похожих на Землю. 

В 2016 году астрономы открыли ближайшую к Земле экзопланету - Проксима b. Её природные условия оказались очень близки к тем, которые мы наблюдаем на нашей планете, вот только средняя годовая температура на ней составляет минус 39 градусов по Цельсию. От Земли эту планету отделяет расстояние, равное всего 4,2 световым годам. По размерам она на 10% больше нашей Земли и вращается вокруг Проксима Центавра, красного карлика, являющегося ближайшей к Солнцу звездой.