"Безбожник, думает он додумался о понимании существования мира, наивный."-из комментария на ютубе
воскресенье, 9 декабря 2012 г.
Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.
Оригинал взят у
"Безбожник, думает он додумался о понимании существования мира, наивный."-из комментария на ютубе
"Безбожник, думает он додумался о понимании существования мира, наивный."-из комментария на ютубе
воскресенье, 28 октября 2012 г.
CONSTRUCTOR THEORY
A Conversation with DAVID DEUTSCH
"There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute thing"
DAVID DEUTSCH is a Physicist at the University of Oxford. His research in quantum physics has been influential and highly acclaimed. His papers on quantum computation laid the foundations for that field, breaking new ground in the theory of computation as well as physics, and have triggered an explosion of research efforts worldwide. He is the recipient of the $100,000 Edge of Computation Prize, and he is the author of THE BEGINNING OF INFINITY and THE FABRIC OF REALITY.
CONSTRUCTOR THEORY
Some considerable time ago we were discussing my idea, new at the time, for constructor theory, which was and is an idea I had for generalizing the quantum theory of computation to cover not just computation but all physical processes. I guessed and still guess that this is going to provide a new mode of description of physical systems and laws of physics. It will also have new laws of its own which will be deeper than the deepest existing theories, such as quantum theory and relativity. At the time, I was very enthusiastic about this, and what intervened between then and now is that writing a book took much longer than I expected. But now I'm back to it, and we're working on constructor theory and, if anything, I would say it's fulfilling its promise more than I expected and sooner than I expected.
One of the first rather unexpected yields of this theory has been a new foundation for information theory. There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute things.
On the other hand, physicists have always known that in order to do the work that the theory of information does within physics, such as informing the theory of statistical mechanics, and thereby, thermodynamics (the second law of thermodynamics), information has to be a physical quantity. And yet, information is independent of the physical object that it resides in.
I'm speaking to you now: Information starts as some kind of electrochemical signals in my brain, and then it gets converted into other signals in my nerves and then into sound waves and then into the vibrations of a microphone, mechanical vibrations, then into electricity and so on, and presumably will eventually go on the Internet. This something has been instantiated in radically different physical objects that obey different laws of physics. Yet in order to describe this process you have to refer to the thing that has remained unchanged throughout the process, which is only the information rather than any obviously physical thing like energy or momentum.
The way to get this substrate independence of information is to refer it to a level of physics that is below and more fundamental than things like laws of motion, that we have been used thinking of as near the lowest, most fundamental level of physics. Constructor theory is that deeper level of physics, physical laws and physical systems, more fundamental than the existing prevailing conception of what physics is (namely particles and waves and space and time and an initial state and laws of motion that describe the evolution of that initial state). … MORE: http://www.edge.org/conversation/constructor-theory
"There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute thing"
DAVID DEUTSCH is a Physicist at the University of Oxford. His research in quantum physics has been influential and highly acclaimed. His papers on quantum computation laid the foundations for that field, breaking new ground in the theory of computation as well as physics, and have triggered an explosion of research efforts worldwide. He is the recipient of the $100,000 Edge of Computation Prize, and he is the author of THE BEGINNING OF INFINITY and THE FABRIC OF REALITY.
CONSTRUCTOR THEORY
Some considerable time ago we were discussing my idea, new at the time, for constructor theory, which was and is an idea I had for generalizing the quantum theory of computation to cover not just computation but all physical processes. I guessed and still guess that this is going to provide a new mode of description of physical systems and laws of physics. It will also have new laws of its own which will be deeper than the deepest existing theories, such as quantum theory and relativity. At the time, I was very enthusiastic about this, and what intervened between then and now is that writing a book took much longer than I expected. But now I'm back to it, and we're working on constructor theory and, if anything, I would say it's fulfilling its promise more than I expected and sooner than I expected.
One of the first rather unexpected yields of this theory has been a new foundation for information theory. There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute things.
On the other hand, physicists have always known that in order to do the work that the theory of information does within physics, such as informing the theory of statistical mechanics, and thereby, thermodynamics (the second law of thermodynamics), information has to be a physical quantity. And yet, information is independent of the physical object that it resides in.
I'm speaking to you now: Information starts as some kind of electrochemical signals in my brain, and then it gets converted into other signals in my nerves and then into sound waves and then into the vibrations of a microphone, mechanical vibrations, then into electricity and so on, and presumably will eventually go on the Internet. This something has been instantiated in radically different physical objects that obey different laws of physics. Yet in order to describe this process you have to refer to the thing that has remained unchanged throughout the process, which is only the information rather than any obviously physical thing like energy or momentum.
The way to get this substrate independence of information is to refer it to a level of physics that is below and more fundamental than things like laws of motion, that we have been used thinking of as near the lowest, most fundamental level of physics. Constructor theory is that deeper level of physics, physical laws and physical systems, more fundamental than the existing prevailing conception of what physics is (namely particles and waves and space and time and an initial state and laws of motion that describe the evolution of that initial state). … MORE: http://www.edge.org/conversation/constructor-theory
суббота, 13 октября 2012 г.
Bringing Schrödinger's Cat to Life
Recent experiments have begun to demonstrate how the weird world of quantum mechanics gives way to the familiarity of everyday experience
FRAMEWORK OF PHYSICS must somehow connect the exotica of quantum mechanics
Editor’s note (10/9/2012): We are making the text of this article freely available for 30 days because the article was cited by the Nobel Committee as a further reading in the announcement of the 2012 Nobel Prize in Physics. The full article with images, which originally appeared in the June 1997 issue, is available for purchase here.
“I am sorry that I ever had anything to do with quantum theory,” Erwin Schrödinger reportedly complained to a colleague. The Austrian physicist was not lamenting the fate of his now famous cat, which he figuratively placed in a box with a vial of poison in 1935. Rather he was commenting on the strange implications of quantum mechanics, the science behind electrons, atoms, photons and other things submicroscopic. With his feline, Schrödinger attempted to illustrate the problem: according to quantum mechanics, particles jump from point to point, occupy several places at once and seem to communicate faster than the speed of light. So why don’t cats—or baseballs or planets or people, for that matter—do the same things? After all, they are made of atoms. Instead they obey the predictable, classical laws quantified by Isaac Newton. When does the quantum world give way to the physics of everyday life? “That’s one of the $64,000 questions,” chuckles David Pritchard of the Massachusetts Institute of Technology.
Pritchard and other experimentalists have begun to peek at the boundary between quantum and classical realms. By cooling particles with laser beams or by moving them through special cavities, physicists have in the past year created small-scale Schrödinger’s cats. These “cats” were individual electrons and atoms made to reside in two places simultaneously, and electromagnetic fields excited to vibrate in two different ways at once. Not only do they show how readily the weird gives way to the familiar, but in dramatic fashion they illustrate a barrier to quantum computing—a technology, still largely speculative, that some researchers hope could solve problems that are now impossibly difficult.
The mystery about the quantum-classical transition stems from a crucial quality of quantum particles—they can undulate and travel like waves (and vice versa: light can bounce around as a particle called a photon). As such, they can be described by a wave function, which Schrödinger devised in 1926. A sort of quantum Social Security number, the wave function incorporates everything there is to know about a particle, summing up its range of all possible positions and movements.
Taken at face value, a wave function indicates that a particle resides in all those possibilities at once. Invariably, however, an observation reveals only one of those states. How or even why a particular result emerges after a measurement is the point of Schrödinger’s thought experiment: in addition to the cat and the poison, a radioactive atom goes into the box. Within an hour, the atom has an even chance of decaying; the decay would trigger a hammer that smashes open the vial of antifeline serum.
The Measurement Problem
According to quantum mechanics, the unobserved radioactive atom remains in a funny state of being decayed and not decayed. This state, called a superposition, is something quantum objects enter quite readily. Electrons can occupy several energy levels, or orbitals, simultaneously; a single photon, after passing through a beam splitter, appears to traverse two paths at the same time. Particles in a well-defined superposition are said to be coherent.
But what happens when quantum objects are coupled to a macroscopic one, like a cat? Extending quantum logic, the cat should also remain in a coherent superposition of states and be dead and alive simultaneously. Obviously, this is patently absurd: our senses tell us that cats are either dead or alive, not both or neither. In prosaic terms, the cat is really a measuring device, like a Geiger counter or a voltmeter. The question is, then, Shouldn’t measuring devices enter the same indefinite state that the quantum particles they are designed to detect do?
Richard Dawkins Foundation for Reason and Science
___________________________________________________________________
Мой скромный комментарий. Мне понравилась сея четкая формлировка:
"Yet the team showed that the coherence could be “recovered”— that is, the interference pattern restored—by changing the separation between the paths to some quarter multiple of the laser photon’s wavelength. At those fractions, it was not possible to tell from which path the photon scattered. “Coherence is not really lost,” Pritchard elucidates. “The atom became entangled with a larger system.” That is, the quantum state of the atom became coupled with the measuring device, which in this case was the photon."
По-моему, это и есть универсальный паттерн всех иерархий - и отсюда они все и проистекают - свободный, независимый элемент, становясь частью некой более общей метасистемы, теряет возможность выбора...
четверг, 28 июня 2012 г.
Привет из Зазеркалья
Физики обнаружили утечку нейтронов в параллельный мир
Алиса в Зазеркалье. Иллюстрация John Tenniel, с сайта johntenniel.com
Два итальянских физика - Зураб Бережиани и Фабрицио Нести - заявили, что им удалось обнаружить ощутимую утечку нейтронов в магнитной ловушке неизвестно куда. Сами авторы говорят, что, скорее всего, частицы утекают в зеркальный мир. Их выводам еще предстоит пройти дополнительную экспериментальную проверку, однако, сама новость - прекрасный повод вспомнить некогда популярную физическую гипотезу о существовании зеркальной материи.
Симметричное мироздание
В основе большинства физических теорий лежит понятие симметрии. Ученые, впрочем, понимают его несколько шире, чем геометрическое представление, с которым мы сталкиваемся в обычной жизни (осевая, центральная, поворотные симметрии). Они же под симметрией понимают некоторое нетривиальное преобразование, сохраняющее в некотором смысле законы, описывающие тот или иной процесс. Например, правила, управляющие движением самолета, не зависят от того, летит он с юга на север или с запада на восток. Если говорить более общо, то это иллюстрация понятия изотропности нашего трехмерного пространства - отсутствия в нем особых направлений, вдоль которых законы природы имели бы другую формулировку, нежели в остальных направлениях (на самом деле, конечно, есть финслерова геометрия, в которой этот принцип не выполняется, однако не будем забегать в такие научные дали).
Это понятие, понятие симметрии, играет фундаментальную роль не только потому, что гарантирует красоту получаемых уравнений. Оказывается, фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и других физических величин являются прямым следствием наличия симметрий (непрерывных групп симметрий, если быть точным). Этот основополагающий для всей физической науки факт был установлен в начале XX века Эмми Нетер.
 |
| Бабочка - пример зеркальной симметрии. Фото с сайта samogo.net |
Второй тип симметрии - это так называемая T-симметрия. Суть ее заключается в том, что при изменении направления течения времени на противоположное закон, описывающий движение частицы, не меняется. Примером такого правила может служить второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение. Чтобы понять, почему это так, представим фильм, который проигрывают задом наперед - это и будет изменение направления течения времени на противоположное. По экрану задом едут машины, пятятся люди. Вместе с тем, делают они это на той же скорости, что и при правильном просмотре фильма, - изменилось только направление. С точки зрения физики это означает, что скорость изменила знак. Ускорение, то есть скорость изменения скорости, остается тем же - по сути ровно потому, что минус на минус дает плюс. Этот факт и влечет инвариантность второго закона Ньютона. Впрочем, этот тип симметрии нам дальше почти не понадобится.
Наконец, третий тип фундаментальной симметрии в мире элементарных частиц - это P-симметрия. Чтобы понять, что это за тип симметрии, достаточно взглянуть на собственные руки. Их две - правая и левая. При этом, как бы мы ни старались, ни крутили правой рукой, мы не сможем сделать так, что она станет выглядеть как левая. Это связано с тем, что с точки зрения математики левая и правая руки по-разному ориентированы. Вместе с тем, поглядев на левую руку в зеркало, мы увидим, что она не отличается от правой. Так вот, P-симметрия это как раз симметрия относительно зеркального отображения пространства, как говорят математики, отображения, меняющего ориентацию. В макромире симметрия такого рода, конечно, есть - например, праворульная машина ездит так же, как и леворульная. В микромире, однако, все гораздо сложнее.
Отсутствие симметрии рождает чудовищ
Теперь перенесемся в 50-е годы прошлого века. Почти все физики уверены в незыблемости C- и P-симметрии применительно к слабому взаимодействию (одно из четырех фундаментальных взаимодействий, связанное, например, с некоторыми типами ядерного распада). В 1956 году молодые китайские физики Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, анализируя накопившееся на тот момент экспериментальные данные, высказывают довольно крамольную на тот момент мысль: при слабом взаимодействии нарушаются оба типа симметрии. Свои выводы они основывают на накопившихся на тот момент данных о разного рода несимметричных процессах, к которым относится, например, распад нейтронов. При таком распаде нейтрино и электроны разлетаются несимметрично (уже в геометрическом смысле). Для проверки собственных предположений ученые предлагают несколько типов экспериментов.
 |
| Ловушка для нейтронов. Изображение с сайта science.compulenta.ru. (Нажмите, чтобы увеличить) |
Именно тогда появился термин "зеркальная материя". Именно так сами Янг и Ли назвали загадочные гипотетические частицы, для которых законы слабого взаимодействия должны быть зеркально симметричны обычным. Тогда идея не прижилась - достаточно быстро возникла теория великого советского физика Льва Ландау о том, что при слабом взаимодействии сохраняется так называемая CP-симметрия (это просто одновременное изменение зарядов, направлений электрического и магнитных полей на противоположные и зеркальное отображение координат). В его теории на роль зеркальных частиц прекрасно подходили античастицы. На тот момент в реальности этого физического объекта никто не сомневался - позитроны (античастицы, соответствующие электронам) были открыты еще в 1932 году. Нет ничего удивительного, что физики предпочли уже существующий объект некой абстракции.
В 1964 году, однако, CP-симметрия испытала сокрушительный удар - американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили в распаде нейтральных каонов (это такие частицы) нарушение этой самой симметрии. За эту работу оба получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году (а за объяснение этого феномена, приведшее к появлению третьего семейства кварков, ту же нобелевку дали Йоитиру Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава уже в 2008 году).
В это же время зеркальная материя снова оказалась в поле внимания физиков, теперь уже советских. В 1966 году в журнале "Ядерная физика" выходит статья "О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц", написанная Игорем Кобзаревым, Львом Окунем и Исааком Померанчуком. В этой работе ученые впервые всерьез рассмотрели свойства такой гипотетической материи. В следующих работах, они установили, что она взаимодействует сама с собой. Это означает, что если такая материя существует, то существуют и зеркальные атомы и даже, возможно, зеркальные небесные тела (1983 год). При этом оказалось, что такая зеркальная материя будет взаимодействовать с нашим миром только посредством гравитации. При этом в окрестности Земли этой зеркальной материи почти нет (1979 год). Если бы она была, то она вносила бы существенные возмущения в движение небесных тел, которое астрофизикам, разумеется, давно бы удалось обнаружить.
Как это часто бывает, о существовании зеркальной материи весь остальной мир (не СССР) узнал совсем от других людей - в 1991 году появилась соответствующая статья Роберта Фута из Университета Мельбурна. В настоящее время именно он является самым известным адептом зеркальной теории.
Темная против зеркальной
Интерес к зеркальной материи в последние годы возник благодаря так называемой проблеме скрытой массы, известной также как темная материя. Подробно "Лента.ру" про темную материю уже писала, и не раз. Если коротко, то, наблюдая за вращениями звезд вокруг центров различных галактик, ученые обнаружили, что светила на окраинах движутся слишком быстро. Традиционные модели предсказывают, что скорость должна быть обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния до оси вращения. В свою очередь, в действительности скорость остается почти постоянной. Чтобы объяснить этот эффект, было введено понятие скрытой массы, или темной материи.
 |
| График убегания нейтронов. Изображение с сайта springerlink.com. (Нажмите, чтобы увеличить) |
Результаты двух итальянских физиков, Зураба Бережиани и Фабрицио Нести, возможно, могут в корне переломить эту ситуацию. Что же такого сделали эти двое? Они опубликовали в European Physical Journal статью (pdf), в которой изложили собственный анализ данных эксперимента физика Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики Константинова. Серебров во французском Институте Лауэ-Ланжевена экспериментально изучал процесс содержания нейтронов в ультра-холодной нейтронной ловушке. Ему удалось установить, что потери составляют около 1 процента нейтронов. Статистический анализ, проведенный Бережиани и Нести, позволил выявить с достаточной степенью уверенности, что потеря нейтронов не связана с их утеканием через стенки ловушки.
Сам по себе этот факт довольно интересен, особенно если его удастся подтвердить в других экспериментах. Однако в рамках работы сами ученые предлагают неожиданное объяснение. Раз этот процесс вроде бы необъясним с точки зрения стандартной физики, то его можно объяснить так: нейтроны осциллируют, колеблясь между своим привычным состоянием и зеркальным. По сути частицы утекают в параллельный мир.
Главный недостаток новой работы в том, что исследователи оставили коллегам проверку последствий наличия таких осцилляций - довольно часто оказывается, что экзотические теории вступают в противоречие с экспериментальными данными. Лишь единицы выживают в этой теоретической битве и доходят до непосредственной экспериментальной проверки.
С другой стороны, если факт наличия вроде как необъяснимого явления - утечки нейтронов - подтвердится, это будет здорово. Потому что это интересно.
Сайты по теме
WWW.LENTA.RU
пятница, 10 февраля 2012 г.
Edge 362: The Edge Question 2012: What Is Your Favorite Deep, Elegant, Or Beautiful Explanation?
The EDGE Question 2012
Scientists' greatest pleasure comes from theories that derive the solution to some deep puzzle from a small set of simple principles in a surprising way. These explanations are called "beautiful" or "elegant". Historical examples are Kepler's explanation of complex planetary motions as simple ellipses, Bohr's explanation of the periodic table of the elements in terms of electron shells, and Watson and Crick's double helix. Einstein famously said that he did not need experimental confirmation of his general theory of relativity because it "was so beautiful it had to be true."
WHAT IS YOUR FAVORITE DEEP, ELEGANT, OR BEAUTIFUL EXPLANATION?
Since this question is about explanation, answers may embrace scientific thinking in the broadest sense: as the most reliable way of gaining knowledge about anything, including other fields of inquiry such as philosophy, mathematics, economics, history, political theory, literary theory, or the human spirit. The only requirement is that some simple and non-obvious idea explain some diverse and complicated set of phenomena.
[Thanks to Steven Pinker for suggesting this year's EDGE Question and to Stewart Brand, Kevin Kelly, and George Dyson for their ongoing advice and support.]
List of Contributors: http://www.edge.org/
View All Responses: http://www.edge.org/responses/
The EDGE Question 2012 Permalink: http://edge.org/annual-
Scientists' greatest pleasure comes from theories that derive the solution to some deep puzzle from a small set of simple principles in a surprising way. These explanations are called "beautiful" or "elegant". Historical examples are Kepler's explanation of complex planetary motions as simple ellipses, Bohr's explanation of the periodic table of the elements in terms of electron shells, and Watson and Crick's double helix. Einstein famously said that he did not need experimental confirmation of his general theory of relativity because it "was so beautiful it had to be true."
WHAT IS YOUR FAVORITE DEEP, ELEGANT, OR BEAUTIFUL EXPLANATION?
Since this question is about explanation, answers may embrace scientific thinking in the broadest sense: as the most reliable way of gaining knowledge about anything, including other fields of inquiry such as philosophy, mathematics, economics, history, political theory, literary theory, or the human spirit. The only requirement is that some simple and non-obvious idea explain some diverse and complicated set of phenomena.
[Thanks to Steven Pinker for suggesting this year's EDGE Question and to Stewart Brand, Kevin Kelly, and George Dyson for their ongoing advice and support.]
List of Contributors: http://www.edge.org/
View All Responses: http://www.edge.org/responses/
The EDGE Question 2012 Permalink: http://edge.org/annual-
воскресенье, 10 апреля 2011 г.
ТЕМНЫЕ ОБЪЕКТЫ И ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ: ВОПРОС, КОТОРЫЙ ПРИВОДИТ КОСМОЛОГОВ В ЗАМЕШАТЕЛЬСТВО
И.Д. НОВИКОВ, член-корреспондент РАН Астрокосмический центр ФИАН им. П.Н. Лебедева Международная академия им. Нильса Бора, институт им. Нильса Бора (Копенгаген, Дания)
На главную страницу
Темы дня:
• На что может быть похожа внеземная жизнь?
• Представлена новая схема эволюции наших далеких предков
• "Люди Х", живущие рядом с нами: реальные люди с нереальными способностями. Фотолента
• Что на самом деле случилось с Гольфстримом
• Демографическая революция и кризис идеологий
• В нейронах закодирована врождённая картина мира
• Астрономы раскрыли еще одну тайну черных дыр
Область горячего газа во Вселенной. Синтезированное изображение (в видимом и рентгеновском диапазонах) показывает, как галактики удерживают светящийся газ (малиновый цвет), но их гравитационное поле значительно выше суммы их составляющих. Это подтверждает присутствие темной материи. Снимок сделан 4 апреля 1999 года международной космической рентгеновской обсерваторией "ROSAT". NASA. Р. Немиров, Дж. Боннелл
Материю, которая невидима, не излучает и не поглощает свет, называют темной, она обнаруживается по создаваемой ею гравитации. Постепенно выяснилось, что темная материя присутствует во всех масштабах: от галактических до сверхскоплений галактик. По массе ее существенно больше, чем видимой материи, составляющей звезды, планеты, газ, пыль. Что представляет собой темная материя, до сих пор неизвестно. Возможно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Перевод статьи с английского языка и примечания к ней сделаны В.К. Абалакиным.
Природа темной материи – одна из величайших загадок современной космологии. У открытия и исследования темной материи во Вселенной долгая история. Мысль о том, что может существовать материя, которую невозможно увидеть, владеет умами астрономов вот уже 85 лет. В настоящее время проблема темной материи представляет сущность всей астрофизики.
Первые идеи о том, что наша Галактика содержит, по меньшей мере, в два раза бóльшую массу, чем та, которую можно отнести к светящейся материи (звезды, газ), провозгласили в 1922 году. Я.Каптейн (1) и Дж.Джинс (2), а затем, позднее на десять лет, и Я. Оорт (3).
Ф.Цвикки (4) первым в 1933 году указал на то, что сумма масс видимых галактик в скоплении галактик в созвездии Волос Вероники существенно меньше общей массы этого скопления, производящей гравитационное поле. Суммарную массу можно определить, измерив напряженность общего гравитационного поля в этом скоплении. Напряженность можно вычислить, если из наблюдений известны скорости движения галактик и линейные размеры скопления. Ф.Цвикки пришел к выводу о том, что либо это скопление гравитационно не связано и является молодым, либо видимая материя не надежный проводник на пути определения массы.
В 1970 году К.Фримэн (5) пришел к заключению, что большие вращающиеся спиральные галактики окружены невидимыми дисковидными галó. В случае типичной спиральной галактики ее видимая часть простирается примерно на 50 тыс. св. лет от центра данной галактики. Однако облака атомного водорода движутся вокруг центра какой-либо галактики на расстоянии примерно 80 тыс. св. лет и более. Измерения показывают, что водородные облака движутся с очень большими скоростями вокруг центра галактики. Измерения скоростей облаков, находящихся на различных расстояниях от центра галактики, позволили сделать вывод о напряженности гравитационного поля на этих расстояниях и, следовательно, определить распределение масс, производящих такое поле. Поэтому мы вынуждены констатировать, что кроме светящегося ядра должно существовать темное гало из невидимой материи.
Позднее Я.Э.Эйнасто (6) исследовал распределение невидимой материи вокруг галактик даже на бóльших расстояниях, используя измерения движений малых галактик-спутников вокруг бóльших галактик, и получил аналогичный вывод о невидимых гало (Земля и Вселенная, 2009, № 4). В то время возможная физическая природа темной (скрытой) материи была абсолютна неизвестна. Насколько же мы продвинулись за последние 30 лет? Первый Симпозиум MAC, посвященный проблеме скрытой материи во Вселенной, состоялся в 1985 году. Дж.Корменди (7) и Г.Кнапп (8) в предисловии к трудам этого Симпозиума ("Proceedings of the IAU Symposium № 117") отметили, что: "впервые Международный астрономический союз созвал симпозиум по объектам совершенно неизвестной природы". К сожалению, сегодня мы должны повторить, что природа темной материи все еще неизвестна.
30 или даже 20 лет тому назад астрономы думали, что масса темной материи, преобладающая во Вселенной, определяет динамику Вселенной и кривизну трехмерного пространства. Сегодня мы знаем гораздо больше о скрытом секторе Вселенной. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (КМФ-излучение – это реликтовое излучение, появившееся сразу же после рождения Вселенной, оно несет важную информацию об эволюции Вселенной), информация о распространенности гелия и других легких элементов во Вселенной (образовались через пять минут после Большого взрыва в горячей плазме Вселенной) и образовании структуры во Вселенной указывают на то, что "нормальная" (то есть барионная) материя ответственна лишь за примерно 4% материального содержания Космоса. Звезды, планеты, газ, пыль и мы сами - все это состоит из барионной материи. Остальные 96% – "темный" сектор с примерно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Мы знаем, что темная материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная барионная материя. А темная энергия, реально преобладающая во Вселенной, вызывает эффект гравитационного отталкивания. Физическая природа темной энергии совершенно неизвестна.
Гигантское скопление галактик CL0025+1654, находящееся в 4.5 млрд св. лет от нас. Темная материя повторяет сгущения светящегося вещества в скоплении. Полная масса скопления – сумма масс всех галактик и массы невидимой темной материи (синий цвет). Снимок сделан 14 августа 2003 г. КТХ. NASA. Ж.-П.Кнайб
На первый взгляд любая классификация, кроме хорошо известной барионной материи, напоминает пародию А. Аверченко (9): "История мадианитян (10) затерялась во мраке веков и неизвестна; тем не менее ученые различают в ней три отчетливых отдельных периода: первый, о котором ничего неизвестно, второй, о котором можно сказать то же самое, и третий, который следует за двумя первыми". Действительно, причина такой классификации связана с различными гравитационными эффектами, вызванными темной материей и темной энергией.
Один из самых простых вопросов, который можно задать о Вселенной, звучит так: "Из чего она сделана?" Этот вопрос приводит современных космологов в некоторое замешательство, и они отвечают на него, пожимая плечами. В масштабах столь малых, как наша Галактика, и столь больших, как видимая Вселенная, бóльшая часть массы Вселенной является скрытой и невидимой, и ее природа неизвестна.
Кроме методов исследования темной материи, названных выше, следует упомянуть также гравитационное влияние темной материи на распространение света от удаленных источников (гравитационное линзирование). Важные части информации поступают также из анализа КМФ-излучения и анализа процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. Сила гравитации темной материи весьма существенна для процесса образования крупномасштабной структуры, то есть образования скоплений галактик и самих галактик. Развивая самосогласованный сценарий такого процесса, большинство космологов предпочитают тип темной материи, известный как холодная темная материя. Она называется холодной, так как в то время, когда гравитация темной материи становится важной для формирования структуры, скорости движения ее элементов были далеки от релятивистских, то есть намного меньше скорости света. Многие космологи убеждены в том, что холодная темная материя состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, но все еще существующих сегодня. Список возможных частиц-кандидатов, которые могут составлять темную материю, очень велик. Он состоит главным образом из гипотетических, все еще неведомых частиц, например аксионов или суперсимметричных реликтов (Земля и Вселенная, 2006, № 1, с. 37–49). Сейчас начаты прямые и косвенные эксперименты по их поиску. Прямое обнаружение темной материи, вероятно, уже доступно. Однако! Мы должны повторить: относительно физической природы темной материи мы, к сожалению, все еще находимся в потемках.
Кроме гипотетических неизвестных частиц, которые так важны для физики (и физиков!), имеются и другие кандидаты на включение в список подозреваемых в том, что темная материя состоит из них. Некоторые из них даже более экзотичны (и важны для науки!), чем неизвестные частицы. Среди них - релятивистские темные тела: первичные черные дыры и первичные кротовые норы.
Спиральная галактика М83 (NGC 5236) в созвездии Гидры, расположенная в 15 млн св. лет от нас. По движению звезд и газа в ее рукавах определили, что масса галактики намного превышает массу видимого вещества, поэтому она состоит преимущественно из темной материи. Снимок сделан 25 мая 1998 г. в Обсерватории Китт Пик (США). Алабамский университет. У. Киль
Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет долгую историю. Чтобы быть кандидатами на включение в список подозреваемых в том, что они составляют темную материю, черные дыры должны обладать довольно малыми массами, не более 0.5 М.Такие черные мини-дыры не образуются в нынешней Вселенной. Если же мы обратимся к прошлой истории Вселенной, то легко заметим, что условия в самом начале расширения Вселенной, около 13 млрд лет назад, были благоприятны для образования черных мини-дыр. Действительно, вся материя тогда пребывала в состоянии ужасно высокой плотности, и никакого добавочного сжатия не требовалось. Фактически эта материя расширялась с очень высокой скоростью. Поэтому могла образоваться черная дыра, если скорость расширения в небольшом объеме была несколько ниже или если количество материи было несколько больше, чем в соседних объемах того же размера. Тогда гравитационные силы могли замедлить расширение в этом объеме и через некоторое время превратить его в сжатие, образуя черную мини-дыру. В 1961 году Я.Б.Зельдович (11) и я, а в 1971 году С. Хокинг (12) указали на такую возможность. Таким образом, мы приходим к выводу, что на ранних стадиях во Вселенной могли существовать крошечные черные дыры и что их массы могли быть меньше масс звезд. Какова же судьба этих объектов?
Эволюция крошечных черных дыр зависит от величины их масс. Черные мини-дыры излучают энергию посредством квантового механизма. Этот процесс абсолютно пренебрежимо мал для черных дыр с массой порядка звездной массы. Чем меньше масса черной дыры, тем больше квантовый выход излучения и тем быстрее происходит процесс преобразования массы черной дыры в энергию излучения. Крайне медленный процесс потери энергии черной дырой из-за квантового излучения известен как квантовое испарение (хокинговское испарение). Излучение энергии черными дырами с малой массой нельзя называть "испарением": это весьма значительное свечение. Во время этого свечения масса таких черных дыр уменьшается с постоянно возрастающей скоростью. Когда их масса падает до одного миллиона тонн, процесс излучения превращается во взрыв. Последние тысячи тонн взрываются за одну десятую долю секунды, высвобождая энергию, равную выделяемой при взрыве одного миллиона мегатонных водородных бомб. Вычисления показывают, что все первичные черные дыры, начальные массы которых были менее миллиарда тонн, полностью "испарились" к нашему времени. Более массивные черные дыры сохранились до наших дней. Можно ли обнаружить их астрономическими средствами, предполагая, что они действительно существуют во Вселенной?
Чтобы найти достаточно малые черные дыры, необходимо искать излучение их жестких квантов. Наблюдения таких квантов, идущих из Космоса, могли бы помочь в отождествлении первичных черных дыр. До сих пор не обнаружена ни одна из них. Мы можем лишь заключить, что число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, можно было бы обнаружить их суммарное излучение. Квантовое излучение массивных первичных черных дыр пренебрежимо малó, их можно считать кандидатами в объекты, составляющие темную материю.
Скопление галактик Abell 1689, находящееся в 2 млрд св. лет от нас. Это один из наиболее массивных объектов во Вселенной, создающий эффект гравитационного линзирования. Основная часть массы скопления сосредоточена в темной материи, присутствие которой можно обнаружить по искаженному изображению галактик фона. Снимок сделан 9 января 2003 г. КТХ. NASA
В 1994 году П.Иванов, П.Насельский и я в Центре теоретической астрофизики (Дания) указали на эту возможность. В то время поступило сообщение об обнаружении микролинзирования звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами (МАСНО (13)) нашей Галактики с вероятными массами около 0.1 М. Среди других возможностей сделано предположение, что такими объектами могли быть черные дыры. Как мы подчеркнули выше, черные дыры с массами порядка 0.1 М могут иметь только изначальное происхождение. Следовательно, новое открытие дало добавочные аргументы в пользу возможности того, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр. Для образования первичных черных дыр массой 0.1 М необходимо существование флуктуаций гравитационного поля в ранней Вселенной. С другой стороны, флуктуации гравитационного поля на бóльших и меньших масштабах должны быть очень небольшими, чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям. Согласно нашим вычислениям, такие условия возможны в начале расширения Вселенной. Холодная темная материя (или ее часть), вероятно, состоит из первичных черных дыр.
Теперь несколько слов о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, кротовая нора - сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего две дыры (входа) в пространстве. Материя или излучение могут упасть в одну дыру, распространиться по тоннелю и выйти наружу из другой дыры, и наоборот. По одной из гипотез, первичные кротовые норы, вероятно, уже существовали в начале расширения Вселенной. Возможно, первичные кротовые норы сохранились после первых стадий расширения Вселенной. Хокинговское квантовое испарение не действует в таких объектах, благодаря чему они могут сохраняться в течение космологических промежутков времени, если не подвержены другим неустойчивостям. Не исключено, что некоторая часть холодной темной материи состоит из первичных кротовых нор.
Итак, вполне возможно, что темные объекты - первичные черные дыры и первичные кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Насколько хороши или плохи эти теории, мы узнаем лишь тогда, когда станут известны результаты следующего поколения наблюдений, направленных на изучение холодной темной материи (прежде всего, с помощью космической обсерватории "Планк" (14)), а также других методов наблюдения. Будем надеяться, что наши гипотезы выдержат испытание временем.
Примечания
1. Якоб Каптейн (Jacobus Cornelius Kapteyn, 1851–1922) - выдающийся голландский астроном, известный своими исследованиями нашей Галактики и доказательством ее вращения (1904), подтвержденного впоследствии Б.Линдбладом и Я.Оортом. Согласно его модели, Галактика имеет форму чечевицы (линзы) и простирается на 40 тыс. св. лет, Солнце расположено на расстоянии 2 тыс. св. лет от ее центра. Позднее Р.Трюмплер оценил размеры Галактики в 100 тыс. св. лет, а расстояние Солнца от ее центра - в 30 тыс. св. лет.
2. Джеймс Джинс (James Hopgood Jeans, 1877–1946) - известный английский математик, физик, астроном и популяризатор науки. Приливная теория образования планет Солнечной системы изложена в его книгах "Проблемы космогонии и звездной динамики" и "Астрономия и космогония", опубликованных в 1919 году и 1928 году. Многие работы Джинса посвящены также теории внутреннего строения и эволюции звезд.
3. Ян Оорт (Jan Hendrik Oort, 1900–1992) - выдающийся голландский астроном. В 1927 году на основании своих исследований движения звезд он подтвердил теорию вращения Галактики. В 1970 году Оорт построил большой синтезирующий радиотелескоп в Вестерборке для интерферометрических наблюдений. В 1950 году выдвинул гипотезу об общем происхождении комет и существовании облака комет, подтвержденную впоследствии.
4. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky, 1898–1974) - известный швейцарско-американский астрофизик и изобретатель. Известен своими многочисленными космологическими теориями, дающими и в наши дни глубокий взгляд на понимание Вселенной. Многие годы вел наблюдения в астрономических обсерваториях Маунт Вилсон и Маунт Паломар. В 1933 году он доказал существование невидимой темной материи. В 1937 году предположил, что скопления галактик могут действовать как гравитационные линзы.
5. Кеннет (Кен) Фримэн (Ken Freeman, род. в 1940 г.) - выдающийся австралийский астроном. С 1967 года работал в обсерватории Маунт Стромло Австралийского национального университета в Канберре. Исследовал проблемы образования и динамики галактик и шаровых скоплений, в частности темной материи в галактиках.
6. Ян Эльмарович Эйнасто (Jaan Einasto, род. в 1929 г.) - выдающийся эстонский астрофизик и космолог. До 1977 года работал в Тартуской астрономической обсерватории и до 1998 года - в обсерватории Эстонской академии наук в Тыравере. Исследовал образование структуры и эволюции Вселенной, открыл ее ячеистую структуру.
7. Джон Корменди (John Kormendy, род. в 1948 г.) - профессор астрономии Техасского университета в Остине (США). Научные интересы связаны с поиском черных дыр в ядрах галактик, фотографированием галактик с черными дырами, исследованиями темной материи, изучением эволюции галактической структуры.
8.Гиллиан Кнапп (Gillian Knapp) - профессор астрономии Университета штата Мэриленд (США). Ее научные интересы относятся к области физики углеродных звезд, изучению межзвездной среды (в том числе и внутри галактик), исследованиям структуры Галактики.
9. Аркадий Аверченко (1881-1925) - известный русский юморист. Цитата взята из начала его «Полной мировой истории журнала "Сатирикон"».
10. Мадианитяне-полукочевые племена, упоминаемые в Библии. Мадианитяне кочевали в Заиорданье вдоль границ Аравийской пустыни и на окраинах Моава и Эдома до пустынь Синая, контролируя торговые пути из Ханаана в Египет. В эпоху Судей после поражения в войне мадианитяне исчезли с политической и военной арены.
11. Яков Борисович Зельдович (1914–1987) - выдающийся советский физик, академик АН СССР. В 1964 году он и американский астрофизик Э.Солпитер первыми (независимо друг от друга) выдвинули предположение, что источниками колоссальной энергии квазаров служат аккреционные диски, охватывающие массивные черные дыры. В работах Зельдовича по космологии основное место занимала проблема образования крупномасштабной структуры Вселенной, он исследовал начальные стадии ее расширения. В сотрудничестве с Р.А.Сюняевым создал теорию рассеяния реликтового излучения на электронах и предсказал физическое явление – эффект Сюняева– Зельдовича.
12. Стивен Хокинг (Stephen William Hawking, род. в 1942 г.) - выдающийся английский физик-теоретик, профессор математики Кембриджского университета и многих других научных учреждений. Внес существенный вклад в космологию и квантовую теорию гравитации, в частности в связи с черными дырами. Он теоретически предсказал явление излучения из черных дыр, известное теперь как хокинговское излучение, сформулировал теоремы, связанные с сингулярностями в смысле общей теории относительности.
13. В международном проекте MACHO (MAssive Compact Halo Objects - массивные компактные объекты в гало) принимают участие ученые из обсерваторий Маунт Стромло и Сайдинг Спринг (Австралия), Центра астрофизики частиц Калифорнийского университета, институтов и лабораторий США. Главной задачей проекта является проверка гипотезы, утверждающей, что значительная часть темной материи в гало нашей Галактики состоит из таких объектов, как коричневые карлики или планеты.
14. Космическая обсерватория "Планк" ("Planck") запущена 14 мая 2009 года в рамках программы Европейского космического агентства Horizon-2000, это часть программы Cosmic Vision. Названа в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858-1947) - одного из творцов квантовой теории, лауреата Нобелевской премии 1918 года. Обсерватория будет строить изображения анизотропий поля космического фонового излучения всего неба с непревзойденными чувствительностью и угловым разрешением. С ее помощью надеются получить информацию, относящуюся к нескольким космологическим и астрофизическим проблемам, связанным с проверкой теорий ранней Вселенной и происхождения космической структуры.
Источник: "Земля и Вселенная", 2009, №5
Оцените этот текст
1
2
3
4
5
И.Д. НОВИКОВ, член-корреспондент РАН Астрокосмический центр ФИАН им. П.Н. Лебедева Международная академия им. Нильса Бора, институт им. Нильса Бора (Копенгаген, Дания)
На главную страницу
Темы дня:
• На что может быть похожа внеземная жизнь?
• Представлена новая схема эволюции наших далеких предков
• "Люди Х", живущие рядом с нами: реальные люди с нереальными способностями. Фотолента
• Что на самом деле случилось с Гольфстримом
• Демографическая революция и кризис идеологий
• В нейронах закодирована врождённая картина мира
• Астрономы раскрыли еще одну тайну черных дыр
Область горячего газа во Вселенной. Синтезированное изображение (в видимом и рентгеновском диапазонах) показывает, как галактики удерживают светящийся газ (малиновый цвет), но их гравитационное поле значительно выше суммы их составляющих. Это подтверждает присутствие темной материи. Снимок сделан 4 апреля 1999 года международной космической рентгеновской обсерваторией "ROSAT". NASA. Р. Немиров, Дж. Боннелл
Материю, которая невидима, не излучает и не поглощает свет, называют темной, она обнаруживается по создаваемой ею гравитации. Постепенно выяснилось, что темная материя присутствует во всех масштабах: от галактических до сверхскоплений галактик. По массе ее существенно больше, чем видимой материи, составляющей звезды, планеты, газ, пыль. Что представляет собой темная материя, до сих пор неизвестно. Возможно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Перевод статьи с английского языка и примечания к ней сделаны В.К. Абалакиным.
Природа темной материи – одна из величайших загадок современной космологии. У открытия и исследования темной материи во Вселенной долгая история. Мысль о том, что может существовать материя, которую невозможно увидеть, владеет умами астрономов вот уже 85 лет. В настоящее время проблема темной материи представляет сущность всей астрофизики.
Первые идеи о том, что наша Галактика содержит, по меньшей мере, в два раза бóльшую массу, чем та, которую можно отнести к светящейся материи (звезды, газ), провозгласили в 1922 году. Я.Каптейн (1) и Дж.Джинс (2), а затем, позднее на десять лет, и Я. Оорт (3).
Ф.Цвикки (4) первым в 1933 году указал на то, что сумма масс видимых галактик в скоплении галактик в созвездии Волос Вероники существенно меньше общей массы этого скопления, производящей гравитационное поле. Суммарную массу можно определить, измерив напряженность общего гравитационного поля в этом скоплении. Напряженность можно вычислить, если из наблюдений известны скорости движения галактик и линейные размеры скопления. Ф.Цвикки пришел к выводу о том, что либо это скопление гравитационно не связано и является молодым, либо видимая материя не надежный проводник на пути определения массы.
В 1970 году К.Фримэн (5) пришел к заключению, что большие вращающиеся спиральные галактики окружены невидимыми дисковидными галó. В случае типичной спиральной галактики ее видимая часть простирается примерно на 50 тыс. св. лет от центра данной галактики. Однако облака атомного водорода движутся вокруг центра какой-либо галактики на расстоянии примерно 80 тыс. св. лет и более. Измерения показывают, что водородные облака движутся с очень большими скоростями вокруг центра галактики. Измерения скоростей облаков, находящихся на различных расстояниях от центра галактики, позволили сделать вывод о напряженности гравитационного поля на этих расстояниях и, следовательно, определить распределение масс, производящих такое поле. Поэтому мы вынуждены констатировать, что кроме светящегося ядра должно существовать темное гало из невидимой материи.
Позднее Я.Э.Эйнасто (6) исследовал распределение невидимой материи вокруг галактик даже на бóльших расстояниях, используя измерения движений малых галактик-спутников вокруг бóльших галактик, и получил аналогичный вывод о невидимых гало (Земля и Вселенная, 2009, № 4). В то время возможная физическая природа темной (скрытой) материи была абсолютна неизвестна. Насколько же мы продвинулись за последние 30 лет? Первый Симпозиум MAC, посвященный проблеме скрытой материи во Вселенной, состоялся в 1985 году. Дж.Корменди (7) и Г.Кнапп (8) в предисловии к трудам этого Симпозиума ("Proceedings of the IAU Symposium № 117") отметили, что: "впервые Международный астрономический союз созвал симпозиум по объектам совершенно неизвестной природы". К сожалению, сегодня мы должны повторить, что природа темной материи все еще неизвестна.
30 или даже 20 лет тому назад астрономы думали, что масса темной материи, преобладающая во Вселенной, определяет динамику Вселенной и кривизну трехмерного пространства. Сегодня мы знаем гораздо больше о скрытом секторе Вселенной. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (КМФ-излучение – это реликтовое излучение, появившееся сразу же после рождения Вселенной, оно несет важную информацию об эволюции Вселенной), информация о распространенности гелия и других легких элементов во Вселенной (образовались через пять минут после Большого взрыва в горячей плазме Вселенной) и образовании структуры во Вселенной указывают на то, что "нормальная" (то есть барионная) материя ответственна лишь за примерно 4% материального содержания Космоса. Звезды, планеты, газ, пыль и мы сами - все это состоит из барионной материи. Остальные 96% – "темный" сектор с примерно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Мы знаем, что темная материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная барионная материя. А темная энергия, реально преобладающая во Вселенной, вызывает эффект гравитационного отталкивания. Физическая природа темной энергии совершенно неизвестна.
Гигантское скопление галактик CL0025+1654, находящееся в 4.5 млрд св. лет от нас. Темная материя повторяет сгущения светящегося вещества в скоплении. Полная масса скопления – сумма масс всех галактик и массы невидимой темной материи (синий цвет). Снимок сделан 14 августа 2003 г. КТХ. NASA. Ж.-П.Кнайб
На первый взгляд любая классификация, кроме хорошо известной барионной материи, напоминает пародию А. Аверченко (9): "История мадианитян (10) затерялась во мраке веков и неизвестна; тем не менее ученые различают в ней три отчетливых отдельных периода: первый, о котором ничего неизвестно, второй, о котором можно сказать то же самое, и третий, который следует за двумя первыми". Действительно, причина такой классификации связана с различными гравитационными эффектами, вызванными темной материей и темной энергией.
Один из самых простых вопросов, который можно задать о Вселенной, звучит так: "Из чего она сделана?" Этот вопрос приводит современных космологов в некоторое замешательство, и они отвечают на него, пожимая плечами. В масштабах столь малых, как наша Галактика, и столь больших, как видимая Вселенная, бóльшая часть массы Вселенной является скрытой и невидимой, и ее природа неизвестна.
Кроме методов исследования темной материи, названных выше, следует упомянуть также гравитационное влияние темной материи на распространение света от удаленных источников (гравитационное линзирование). Важные части информации поступают также из анализа КМФ-излучения и анализа процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. Сила гравитации темной материи весьма существенна для процесса образования крупномасштабной структуры, то есть образования скоплений галактик и самих галактик. Развивая самосогласованный сценарий такого процесса, большинство космологов предпочитают тип темной материи, известный как холодная темная материя. Она называется холодной, так как в то время, когда гравитация темной материи становится важной для формирования структуры, скорости движения ее элементов были далеки от релятивистских, то есть намного меньше скорости света. Многие космологи убеждены в том, что холодная темная материя состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, но все еще существующих сегодня. Список возможных частиц-кандидатов, которые могут составлять темную материю, очень велик. Он состоит главным образом из гипотетических, все еще неведомых частиц, например аксионов или суперсимметричных реликтов (Земля и Вселенная, 2006, № 1, с. 37–49). Сейчас начаты прямые и косвенные эксперименты по их поиску. Прямое обнаружение темной материи, вероятно, уже доступно. Однако! Мы должны повторить: относительно физической природы темной материи мы, к сожалению, все еще находимся в потемках.
Кроме гипотетических неизвестных частиц, которые так важны для физики (и физиков!), имеются и другие кандидаты на включение в список подозреваемых в том, что темная материя состоит из них. Некоторые из них даже более экзотичны (и важны для науки!), чем неизвестные частицы. Среди них - релятивистские темные тела: первичные черные дыры и первичные кротовые норы.
Спиральная галактика М83 (NGC 5236) в созвездии Гидры, расположенная в 15 млн св. лет от нас. По движению звезд и газа в ее рукавах определили, что масса галактики намного превышает массу видимого вещества, поэтому она состоит преимущественно из темной материи. Снимок сделан 25 мая 1998 г. в Обсерватории Китт Пик (США). Алабамский университет. У. Киль
Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет долгую историю. Чтобы быть кандидатами на включение в список подозреваемых в том, что они составляют темную материю, черные дыры должны обладать довольно малыми массами, не более 0.5 М.Такие черные мини-дыры не образуются в нынешней Вселенной. Если же мы обратимся к прошлой истории Вселенной, то легко заметим, что условия в самом начале расширения Вселенной, около 13 млрд лет назад, были благоприятны для образования черных мини-дыр. Действительно, вся материя тогда пребывала в состоянии ужасно высокой плотности, и никакого добавочного сжатия не требовалось. Фактически эта материя расширялась с очень высокой скоростью. Поэтому могла образоваться черная дыра, если скорость расширения в небольшом объеме была несколько ниже или если количество материи было несколько больше, чем в соседних объемах того же размера. Тогда гравитационные силы могли замедлить расширение в этом объеме и через некоторое время превратить его в сжатие, образуя черную мини-дыру. В 1961 году Я.Б.Зельдович (11) и я, а в 1971 году С. Хокинг (12) указали на такую возможность. Таким образом, мы приходим к выводу, что на ранних стадиях во Вселенной могли существовать крошечные черные дыры и что их массы могли быть меньше масс звезд. Какова же судьба этих объектов?
Эволюция крошечных черных дыр зависит от величины их масс. Черные мини-дыры излучают энергию посредством квантового механизма. Этот процесс абсолютно пренебрежимо мал для черных дыр с массой порядка звездной массы. Чем меньше масса черной дыры, тем больше квантовый выход излучения и тем быстрее происходит процесс преобразования массы черной дыры в энергию излучения. Крайне медленный процесс потери энергии черной дырой из-за квантового излучения известен как квантовое испарение (хокинговское испарение). Излучение энергии черными дырами с малой массой нельзя называть "испарением": это весьма значительное свечение. Во время этого свечения масса таких черных дыр уменьшается с постоянно возрастающей скоростью. Когда их масса падает до одного миллиона тонн, процесс излучения превращается во взрыв. Последние тысячи тонн взрываются за одну десятую долю секунды, высвобождая энергию, равную выделяемой при взрыве одного миллиона мегатонных водородных бомб. Вычисления показывают, что все первичные черные дыры, начальные массы которых были менее миллиарда тонн, полностью "испарились" к нашему времени. Более массивные черные дыры сохранились до наших дней. Можно ли обнаружить их астрономическими средствами, предполагая, что они действительно существуют во Вселенной?
Чтобы найти достаточно малые черные дыры, необходимо искать излучение их жестких квантов. Наблюдения таких квантов, идущих из Космоса, могли бы помочь в отождествлении первичных черных дыр. До сих пор не обнаружена ни одна из них. Мы можем лишь заключить, что число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, можно было бы обнаружить их суммарное излучение. Квантовое излучение массивных первичных черных дыр пренебрежимо малó, их можно считать кандидатами в объекты, составляющие темную материю.
Скопление галактик Abell 1689, находящееся в 2 млрд св. лет от нас. Это один из наиболее массивных объектов во Вселенной, создающий эффект гравитационного линзирования. Основная часть массы скопления сосредоточена в темной материи, присутствие которой можно обнаружить по искаженному изображению галактик фона. Снимок сделан 9 января 2003 г. КТХ. NASA
В 1994 году П.Иванов, П.Насельский и я в Центре теоретической астрофизики (Дания) указали на эту возможность. В то время поступило сообщение об обнаружении микролинзирования звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами (МАСНО (13)) нашей Галактики с вероятными массами около 0.1 М. Среди других возможностей сделано предположение, что такими объектами могли быть черные дыры. Как мы подчеркнули выше, черные дыры с массами порядка 0.1 М могут иметь только изначальное происхождение. Следовательно, новое открытие дало добавочные аргументы в пользу возможности того, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр. Для образования первичных черных дыр массой 0.1 М необходимо существование флуктуаций гравитационного поля в ранней Вселенной. С другой стороны, флуктуации гравитационного поля на бóльших и меньших масштабах должны быть очень небольшими, чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям. Согласно нашим вычислениям, такие условия возможны в начале расширения Вселенной. Холодная темная материя (или ее часть), вероятно, состоит из первичных черных дыр.
Теперь несколько слов о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, кротовая нора - сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего две дыры (входа) в пространстве. Материя или излучение могут упасть в одну дыру, распространиться по тоннелю и выйти наружу из другой дыры, и наоборот. По одной из гипотез, первичные кротовые норы, вероятно, уже существовали в начале расширения Вселенной. Возможно, первичные кротовые норы сохранились после первых стадий расширения Вселенной. Хокинговское квантовое испарение не действует в таких объектах, благодаря чему они могут сохраняться в течение космологических промежутков времени, если не подвержены другим неустойчивостям. Не исключено, что некоторая часть холодной темной материи состоит из первичных кротовых нор.
Итак, вполне возможно, что темные объекты - первичные черные дыры и первичные кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Насколько хороши или плохи эти теории, мы узнаем лишь тогда, когда станут известны результаты следующего поколения наблюдений, направленных на изучение холодной темной материи (прежде всего, с помощью космической обсерватории "Планк" (14)), а также других методов наблюдения. Будем надеяться, что наши гипотезы выдержат испытание временем.
Примечания
1. Якоб Каптейн (Jacobus Cornelius Kapteyn, 1851–1922) - выдающийся голландский астроном, известный своими исследованиями нашей Галактики и доказательством ее вращения (1904), подтвержденного впоследствии Б.Линдбладом и Я.Оортом. Согласно его модели, Галактика имеет форму чечевицы (линзы) и простирается на 40 тыс. св. лет, Солнце расположено на расстоянии 2 тыс. св. лет от ее центра. Позднее Р.Трюмплер оценил размеры Галактики в 100 тыс. св. лет, а расстояние Солнца от ее центра - в 30 тыс. св. лет.
2. Джеймс Джинс (James Hopgood Jeans, 1877–1946) - известный английский математик, физик, астроном и популяризатор науки. Приливная теория образования планет Солнечной системы изложена в его книгах "Проблемы космогонии и звездной динамики" и "Астрономия и космогония", опубликованных в 1919 году и 1928 году. Многие работы Джинса посвящены также теории внутреннего строения и эволюции звезд.
3. Ян Оорт (Jan Hendrik Oort, 1900–1992) - выдающийся голландский астроном. В 1927 году на основании своих исследований движения звезд он подтвердил теорию вращения Галактики. В 1970 году Оорт построил большой синтезирующий радиотелескоп в Вестерборке для интерферометрических наблюдений. В 1950 году выдвинул гипотезу об общем происхождении комет и существовании облака комет, подтвержденную впоследствии.
4. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky, 1898–1974) - известный швейцарско-американский астрофизик и изобретатель. Известен своими многочисленными космологическими теориями, дающими и в наши дни глубокий взгляд на понимание Вселенной. Многие годы вел наблюдения в астрономических обсерваториях Маунт Вилсон и Маунт Паломар. В 1933 году он доказал существование невидимой темной материи. В 1937 году предположил, что скопления галактик могут действовать как гравитационные линзы.
5. Кеннет (Кен) Фримэн (Ken Freeman, род. в 1940 г.) - выдающийся австралийский астроном. С 1967 года работал в обсерватории Маунт Стромло Австралийского национального университета в Канберре. Исследовал проблемы образования и динамики галактик и шаровых скоплений, в частности темной материи в галактиках.
6. Ян Эльмарович Эйнасто (Jaan Einasto, род. в 1929 г.) - выдающийся эстонский астрофизик и космолог. До 1977 года работал в Тартуской астрономической обсерватории и до 1998 года - в обсерватории Эстонской академии наук в Тыравере. Исследовал образование структуры и эволюции Вселенной, открыл ее ячеистую структуру.
7. Джон Корменди (John Kormendy, род. в 1948 г.) - профессор астрономии Техасского университета в Остине (США). Научные интересы связаны с поиском черных дыр в ядрах галактик, фотографированием галактик с черными дырами, исследованиями темной материи, изучением эволюции галактической структуры.
8.Гиллиан Кнапп (Gillian Knapp) - профессор астрономии Университета штата Мэриленд (США). Ее научные интересы относятся к области физики углеродных звезд, изучению межзвездной среды (в том числе и внутри галактик), исследованиям структуры Галактики.
9. Аркадий Аверченко (1881-1925) - известный русский юморист. Цитата взята из начала его «Полной мировой истории журнала "Сатирикон"».
10. Мадианитяне-полукочевые племена, упоминаемые в Библии. Мадианитяне кочевали в Заиорданье вдоль границ Аравийской пустыни и на окраинах Моава и Эдома до пустынь Синая, контролируя торговые пути из Ханаана в Египет. В эпоху Судей после поражения в войне мадианитяне исчезли с политической и военной арены.
11. Яков Борисович Зельдович (1914–1987) - выдающийся советский физик, академик АН СССР. В 1964 году он и американский астрофизик Э.Солпитер первыми (независимо друг от друга) выдвинули предположение, что источниками колоссальной энергии квазаров служат аккреционные диски, охватывающие массивные черные дыры. В работах Зельдовича по космологии основное место занимала проблема образования крупномасштабной структуры Вселенной, он исследовал начальные стадии ее расширения. В сотрудничестве с Р.А.Сюняевым создал теорию рассеяния реликтового излучения на электронах и предсказал физическое явление – эффект Сюняева– Зельдовича.
12. Стивен Хокинг (Stephen William Hawking, род. в 1942 г.) - выдающийся английский физик-теоретик, профессор математики Кембриджского университета и многих других научных учреждений. Внес существенный вклад в космологию и квантовую теорию гравитации, в частности в связи с черными дырами. Он теоретически предсказал явление излучения из черных дыр, известное теперь как хокинговское излучение, сформулировал теоремы, связанные с сингулярностями в смысле общей теории относительности.
13. В международном проекте MACHO (MAssive Compact Halo Objects - массивные компактные объекты в гало) принимают участие ученые из обсерваторий Маунт Стромло и Сайдинг Спринг (Австралия), Центра астрофизики частиц Калифорнийского университета, институтов и лабораторий США. Главной задачей проекта является проверка гипотезы, утверждающей, что значительная часть темной материи в гало нашей Галактики состоит из таких объектов, как коричневые карлики или планеты.
14. Космическая обсерватория "Планк" ("Planck") запущена 14 мая 2009 года в рамках программы Европейского космического агентства Horizon-2000, это часть программы Cosmic Vision. Названа в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858-1947) - одного из творцов квантовой теории, лауреата Нобелевской премии 1918 года. Обсерватория будет строить изображения анизотропий поля космического фонового излучения всего неба с непревзойденными чувствительностью и угловым разрешением. С ее помощью надеются получить информацию, относящуюся к нескольким космологическим и астрофизическим проблемам, связанным с проверкой теорий ранней Вселенной и происхождения космической структуры.
Источник: "Земля и Вселенная", 2009, №5
Оцените этот текст
1
2
3
4
5
понедельник, 7 марта 2011 г.
АНТИМАТЕРИЯ МОЖЕТ ОКАЗАТЬСЯ "АНТИ" ВО ВСЕХ СМЫСЛАХ
С.М.КОМАРОВ кандидат физико-математических наук
Многолетние усилия одной из международных групп (коллабораций) ученых, работающих в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНа) увенчались успехом: им удалось получить холодные атомы антиводорода и сохранить их в ловушке в течение 130 миллисекунд. Это долго: до сих пор атомы антиводорода (а их получают с 1995 года, см. «Химию и жизнь», 2003, № 1) жили гораздо меньше. Когда ученые отладят методику и накопят много атомов антиводорода, они смогут провести тонкие эксперименты, связанные с фундаментальными свойствами нашей Вселенной. Возглавляет эту коллаборацию Джеффри Хангст из датского Орхуского университета.
«Да, Джеффри и его коллеги по эксперименту ALPHA достигли большого успеха, — поясняет член-корреспондент РАН Игорь Николаевич Мешков (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна). — Получить холодные атомы антиводорода и удержать их в ловушке в течение длительного времени — огромный шаг вперед. Ведь атомы — совсем не то, что ядра, которые успешно получают вот уже более полувека. Они нейтральны, у них вокруг ядра (у антиводорода это антипротон) вращаются позитроны. Значит, можно исследовать свойства антивещества — химические, физические. Основное направление — изучение спектра антиводорода. Его нужно измерить с большой точностью, чтобы выяснить, существуют ли какие-то различия между антиводородом и водородом. Для такого исследования требуется получить не менее тысячи атомов, причем они должны быть очень холодными, то есть практически не двигаться. Иначе из-за эффекта Доплера в измерения будет вкрадываться неопределенность, которая способна скрыть искомый эффект. Джеффри и его коллеги хотят еще изучить и возможность антигравитации антивещества, но сегодня такой эксперимент на грани технических возможностей.
К сожалению, пока что хорошо охладить атомы антиводорода, а речь идет о температурах в доли кельвина, не удается. Дело в том, что основной метод, применяемый для получения сверххолодных атомов — использование лазерного излучения — с антиводородом не работает. Причина банальна: этот эффект основан на поглощении атомом света лазера, а для антиводорода нужны кванты слишком большой энергии. Для эффективного торможения его атома требуется ультрафиолетовый лазер, а таких лазеров достаточной мощности нет. Однако это технические трудности, которые конечно же будут так или иначе преодолены. Кстати, на водороде подобные эксперименты группа Т.В.Хэнша из Института Макса Планка в Гаршинге провела с фантастической точностью: энергия атомарного перехода между основным, 1S, и первым возбужденным, 2S, уровнями измерена с относительной точностью 1,8х10-14.
Что касается возможности работы с антигелием-3, ядра которого тоже давно научились получать, то этот путь вряд ли приведет к успеху, ведь вероятность рождения таких ядер гораздо меньше, чем вероятность получения антипротонов. А для изготовления атомов их требуется еще охладить, соединить с позитронами, снова охладить — на каждом этапе значительная часть антивещества теряется. Пока получают считанные атомы холодного антиводорода, об атомах антигелия не стоит говорить».
Краткая история антивещества
А теперь расскажем подробнее об экспериментах с атомами антиводорода.
История антивещества начинается с 30-х годов XX века. Сначала Поль Дирак получил уравнения, из которых следовало: у каждой частицы должна быть античастица. Потом, в 1932 году, американский физик Карл Андерсон открыл первую стабильную античастицу, позитрон, в космических лучах (за что получил Нобелевскую премию 1936 года). Затем позитроны обнаружили и в продуктах распада радиоактивных элементов: если число протонов в ядре какого-то изотопа оказывается слишком большим, то один из них превращается в нейтрон, а электрический заряд ядра снимается за счет вылета позитрона. Сейчас радиоактивные элементы и служат источниками позитронов.
Следующую стабильную античастицу пришлось ждать долго. Лишь в 1955 году, после того, как в Калифорнийском университете построили беватрон — ускоритель, способный разгонять протоны до 6,2 ГэВ, были получены антипротоны. Схема этого, а также всех последующих экспериментов с античастицами, такова: разогнанные протоны попадают в мишень и порождают ливень вторичных частиц. В сущности, они берутся «из ничего» — это воплотившаяся в вещество энергия протона (вспомним эйнштейновское Е=mc2). Поскольку частицы рождаются парами «частица-античастица», среди них были и протоны с антипротонами. Спустя год были открыты антинейтроны, а в 1965 году группа Леона Ледермана на Брукхэйвенском ускорителе получила антидейтроны. Для этого исходные протоны потребовалось разогнать уже до 30 ГэВ. Следующий успех выпал на долю советским физикам под руководством члена-корреспондента АН СССРЮ.Д.Прокошкина: в 1970 году на ускорителе в Протвино они зарегистрировали ядра антигелия-3, а спустя три года там же получили и ядра радиоактивного антитрития (при распаде он дает тот же самый антигелий-3). На этом период «бури и натиска» в деле создания антиматерии завершился: мечты продвинуться дальше и получить следующее ядро, антилегий-4, не сбылись. Всю эту историю по горячим следам описал В.В.Станцов своей знаменитой серии статей «Элемент №...» («Химия и жизнь», 1975, № 1).
Материя-антиматерия: различие или сходство?
Фабрики по производству антипротонов работали, античастицы стали использовать в медицине (позитронная томография, протонная хирургия), и в конце концов уровень ускорительной техники оказался достаточным для того, чтобы приступить к изготовлению настоящего антивещества — то есть присоединить к антиядру антиэлектроны и посмотреть, что будет. Посмотреть же интересно, во-первых, на спектры. Если окажется, что антиводород хоть слегка, но не похож на водород, то завеса тайны над проблемой дефицита антиматерии во Вселенной приоткроется. А во-вторых, антиматерия может оказаться «анти» во всех смыслах, то есть обладать еще и свойством антигравитации, отрицательной массой.
Над этой отрицательной массой сломано немало копий. Дело в том, что формально подставив отрицательную массу в законы Ньютона, можно получить парадоксальный результат. Закон тяготения ожидаемо превратится в закон отталкивания антимассы от массы, а вот с законами механики будет твориться нечто за пределами здравого смысла: сила, отталкивающая антимассу, станет ее, наоборот, притягивать. Но этот парадокс можно разрешить. Законы Ньютона держатся на принципе эквивалентности гравитационной массы (которая стоит в законе тяготения) и инерционной, присутствующей в законах механики. Однако этот принцип не считается доказанным — просто не найдено свидетельств его несправедливости. Гравитация же отличается от механики, поскольку, согласно общей теории относительности Эйнштейн, ее суть — деформация пространства-времени. В соответствии с принципами хорошо разработанной в физике твердого тела теории упругости, частицы, создающие деформации одного знака (в простейшем случае — всестороннего сжатия или расширения), притягиваются, а разного — отталкиваются. Свет, проходя рядом со звездой, отклоняется к ней, значит, масса создает деформацию сжатия. Тогда если антимасса создает деформацию растяжения (свет, проходя рядом с антизвездой, отклонится от нее), то антигравитация будет иметь место, а на механике это никак не скажется, ведь инерция с деформацией пространства никак не связана. Антигравитация антиматерии способна объяснить ее исчезновение в видимой части Вселенной — гравитационные силы попросту отпихнули ее подальше от материи. Очевидно, что в таком случае заметить знак массы у античастиц невозможно до тех пор, пока не измерен знак их взаимодействия с полем тяготения Земли. А это можно сделать только с нейтральными атомами — гораздо более мощные электрические и магнитные поля, действующие на заряженные частицы, скроют слабое влияние гравитации.
Воодушевленные примерно такими соображениями, физики в девяностых годах XX века приступили к созданию антивещества. Первый успех пришел к ученым из ЦЕРНа — в 1995 году они получили первые девять атомов антиводорода. В 1997 году их американские коллеги из чикагской Лаборатории Энрико Ферми (Фермилаб) получили уже сотню антиатомов. Впрочем, в обоих экспериментах эти атомы летели со скоростью, близкой к скорости света, и проводить с ними тонкие эксперименты было невозможно. Тем временем в ЦЕРНе сломали старый ускоритель, и возникла пауза. Лишь в 2002 году опыты возобновились и были получены первые медленные атомы антиводорода. При этом производительность антиводородной фабрики выросла во много раз — до нескольких тысяч антиатомов в минуту. Однако использовать эти антиатомы для исследования тоже было нельзя: они очень быстро сталкивались со стенками ускорителя и аннигилировали. Нужна была хорошая ловушка, способная удержать антиатомы «подвешенными» в вакууме. И здесь есть серьезные трудности.
Ловушка для антиатомов
Вот как выглядит схема получения холодных антиатомов в ЦЕРНе. После того как быстрые протоны врезаются в мишень, они порождают множество частиц, в том числе протоны и антипротоны. С помощью магнитного поля отрицательно заряженные антипротоны переводят в Антипротонный замедлитель, — синхротрон, где они довольно долго вращаются в спадающем во времени магнитном поле и тормозятся в электрическом поле до энергии в 5,3 МэВ. При этом антипротоны приходится охлаждать, используя специальные методы. Первый из них - электронное охлаждение, был предложен и разработан Г.И.Будкером с учениками в Новосибирском институте ядерной физики в 60—70-х годах. Второй метод — стохастического охлаждения, предложенный несколько позднее будущим нобелевским лауреатом С. ван-дер-Меером, был создан в ЦЕРНе. Сегодня оба метода — признанное орудие формирования плотных пучков в ускорителях.
Из замедлителя каждые две минуты вылетает порция в 30 млн. антипротонов. Увы, они еще слишком горячи — такая энергия соответствует скорости в 10% от скорости света и температуре в миллионы градусов. Чтобы радикально затормозить антипротоны, их пропускают сквозь алюминиевую фольгу толщиной в треть миллиметра. При столкновении с атомами алюминия половина антипротонов аннигилирует, а другая половина пролетает насквозь, расходуя часть своей энергии на нагрев фольги. Примерно сто тысяч из них сбрасывает энергию в тысячи раз, до 0,2% от скорости света. Такие антипротоны уже можно поймать в электромагнитную ловушку Пеннинга — Малмберга. Как и все прочие подобные ловушки, она построена из катушек с электрическим током и электродов: созданные ими магнитные и электрические поля заворачивают заряженные частицы и не дают им лететь дальше. Очевидно, что энергия частиц должна быть достаточно маленькой, иначе полям ловушки с ними не справиться. Эта ловушка заполнена холодными электронами: сталкиваясь с ними, антипротоны охлаждаются дальше. После отделения электронов в ловушке остается несколько тысяч антипротонов с температурой 300—400 К.
А в соседней аналогичной ловушке накапливаются и охлаждаются позитроны, которые получаются при распаде натрия-22. Их температура оказывается 60—80 К. Затем стенку из полей между облаками обоих типов частиц снимают, эти облака сливаются, и начинается образование атомов антиводорода: антипротон захватывает позитрон, и тот, излучая энергию, постепенно достигает нижнего энергетического уровня, занимая основной уровень 1S в атоме антиводорода. Тут и возникает главная проблема охотников за антиматерией: атом-то становится электрически нейтральным и легко проходит сквозь электромагнитные стенки ловушки для заряженных частиц. Значит, нужно ставить снаружи еще одну ловушку, для нейтральных атомов. Собственно, ее созданием и занимались ученые после первых успехов 2002—2005 годов.
Вообще-то ловушки для нейтральных частиц стали известны не вчера. Принцип такой ловушки для нейтрона был предложен В.В.Владимирским еще в 1960 году. В ней магнитное поле сформировано так, что оно возрастает во всех направлениях от центра ловушки - так называемый «minimum В» (латинской буквой В в физике принято обозначать магнитное поле). Вскоре участники термоядерного проекта из Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (ныне Курчатовский институт) во главе с М.С.Иоффе предложили конструкцию такой ловушки.
Не пойманные в ловушку атомы антиводорода аннигилируют на стенках камеры (фото: CERN)
Это цилиндр, на краях которого расположены две запирающие катушки с током, а вдоль его стенки проложены четыре проводника — «палки Иоффе», причем в соседних проводниках ток течет в противоположных направлениях. В центре цилиндра возникает минимум магнитного поля, а к стенкам вдоль оси оно нарастает. Хотя эту ловушку придумали для удержания плазмы, она подошла и для нейтральных атомов: у любого из них в магнитном поле возникает магнитный момент. В зависимости от его ориентации атом будет двигаться либо туда, где поле сильнее, либо в обратную сторону.
В 1983 году Дэвид Притчард из Массачусетского технологического университета предложил применить ловушку Иоффе для удерживания холодных атомов. Притчард известен не только своим участием в комиссии по изучению случаев похищения людей инопланетянами: его ученики Вольфганг Кеттерле и Эрик Корнелл получили Нобелевскую премию 2001 года по физике за работу со сверххолодными атомами и создание из них конденсата Бозе — Эйнштейна. Поэтому вопрос о том, как подвесить такие атомы в пространстве и не дать им соприкоснуться с горячей стенкой ловушки, был для него совсем не праздным. Для антивещества задача принципиально не отличается: ему тоже нельзя соприкасаться со стенкой, иначе произойдет аннигиляция.
Атомы антиводорода и можно собирать в ловушке Иоффе — Притчарда, где они повиснут, не касаясь стенок камеры. Главное условие — энергия атомов должна быть очень мала. Магнит с силой в 1 Тл удержит атомы водорода с температурой не выше 0,67 К. Поскольку сила самых мощных современных электромагнитов составляет несколько тесла, следует ожидать, что в такую ловушку попадут атомы антиводорода с температурой в 2—4 К. Магниты, которые сейчас применяют в экспериментах ЦЕРНа, удерживают атомы не горячее 1 К. Не исключено, что причина здесь не в цене более мощных магнитов, а в том, что ловушка Иоффе — Притчарда сильно портит конфигурацию полей в расположенной внутри нее ловушке для заряженных частиц.
При средней температуре получающихся антиатомов под двести Кельвинов очевидно, что лишь малая их толика сможет задержаться в ловушке, остальные же сразу после образования разлетятся и погибнут, столкнувшись со стенкой. И действительно, после объединения облаков позитронов и антипротонов на стенках ловушки фиксируют две-три тысячи актов аннигиляции атомов антиводорода. После окончания этой массовой аннигиляции можно было посмотреть, что же осталось в ловушке. Для этого ее открыли спустя 130 миллисекунд после образования антиатомов. Собравшийся в ней антиводород вылетел и, достигнув стенки, тоже аннигилировал. С высокой надежностью, отбросив все сомнительные сигналы (а они могли идти и от космических лучей, и от случайно сохранившихся антипротонов), участники эксперимента насчитали 38 случаев аннигиляции от пойманных в ловушку атомов. Немного, но начало положено.
Источник: "Химия и жизнь"
С.М.КОМАРОВ кандидат физико-математических наук
Многолетние усилия одной из международных групп (коллабораций) ученых, работающих в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНа) увенчались успехом: им удалось получить холодные атомы антиводорода и сохранить их в ловушке в течение 130 миллисекунд. Это долго: до сих пор атомы антиводорода (а их получают с 1995 года, см. «Химию и жизнь», 2003, № 1) жили гораздо меньше. Когда ученые отладят методику и накопят много атомов антиводорода, они смогут провести тонкие эксперименты, связанные с фундаментальными свойствами нашей Вселенной. Возглавляет эту коллаборацию Джеффри Хангст из датского Орхуского университета.
«Да, Джеффри и его коллеги по эксперименту ALPHA достигли большого успеха, — поясняет член-корреспондент РАН Игорь Николаевич Мешков (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна). — Получить холодные атомы антиводорода и удержать их в ловушке в течение длительного времени — огромный шаг вперед. Ведь атомы — совсем не то, что ядра, которые успешно получают вот уже более полувека. Они нейтральны, у них вокруг ядра (у антиводорода это антипротон) вращаются позитроны. Значит, можно исследовать свойства антивещества — химические, физические. Основное направление — изучение спектра антиводорода. Его нужно измерить с большой точностью, чтобы выяснить, существуют ли какие-то различия между антиводородом и водородом. Для такого исследования требуется получить не менее тысячи атомов, причем они должны быть очень холодными, то есть практически не двигаться. Иначе из-за эффекта Доплера в измерения будет вкрадываться неопределенность, которая способна скрыть искомый эффект. Джеффри и его коллеги хотят еще изучить и возможность антигравитации антивещества, но сегодня такой эксперимент на грани технических возможностей.
К сожалению, пока что хорошо охладить атомы антиводорода, а речь идет о температурах в доли кельвина, не удается. Дело в том, что основной метод, применяемый для получения сверххолодных атомов — использование лазерного излучения — с антиводородом не работает. Причина банальна: этот эффект основан на поглощении атомом света лазера, а для антиводорода нужны кванты слишком большой энергии. Для эффективного торможения его атома требуется ультрафиолетовый лазер, а таких лазеров достаточной мощности нет. Однако это технические трудности, которые конечно же будут так или иначе преодолены. Кстати, на водороде подобные эксперименты группа Т.В.Хэнша из Института Макса Планка в Гаршинге провела с фантастической точностью: энергия атомарного перехода между основным, 1S, и первым возбужденным, 2S, уровнями измерена с относительной точностью 1,8х10-14.
Что касается возможности работы с антигелием-3, ядра которого тоже давно научились получать, то этот путь вряд ли приведет к успеху, ведь вероятность рождения таких ядер гораздо меньше, чем вероятность получения антипротонов. А для изготовления атомов их требуется еще охладить, соединить с позитронами, снова охладить — на каждом этапе значительная часть антивещества теряется. Пока получают считанные атомы холодного антиводорода, об атомах антигелия не стоит говорить».
Краткая история антивещества
А теперь расскажем подробнее об экспериментах с атомами антиводорода.
История антивещества начинается с 30-х годов XX века. Сначала Поль Дирак получил уравнения, из которых следовало: у каждой частицы должна быть античастица. Потом, в 1932 году, американский физик Карл Андерсон открыл первую стабильную античастицу, позитрон, в космических лучах (за что получил Нобелевскую премию 1936 года). Затем позитроны обнаружили и в продуктах распада радиоактивных элементов: если число протонов в ядре какого-то изотопа оказывается слишком большим, то один из них превращается в нейтрон, а электрический заряд ядра снимается за счет вылета позитрона. Сейчас радиоактивные элементы и служат источниками позитронов.
Следующую стабильную античастицу пришлось ждать долго. Лишь в 1955 году, после того, как в Калифорнийском университете построили беватрон — ускоритель, способный разгонять протоны до 6,2 ГэВ, были получены антипротоны. Схема этого, а также всех последующих экспериментов с античастицами, такова: разогнанные протоны попадают в мишень и порождают ливень вторичных частиц. В сущности, они берутся «из ничего» — это воплотившаяся в вещество энергия протона (вспомним эйнштейновское Е=mc2). Поскольку частицы рождаются парами «частица-античастица», среди них были и протоны с антипротонами. Спустя год были открыты антинейтроны, а в 1965 году группа Леона Ледермана на Брукхэйвенском ускорителе получила антидейтроны. Для этого исходные протоны потребовалось разогнать уже до 30 ГэВ. Следующий успех выпал на долю советским физикам под руководством члена-корреспондента АН СССРЮ.Д.Прокошкина: в 1970 году на ускорителе в Протвино они зарегистрировали ядра антигелия-3, а спустя три года там же получили и ядра радиоактивного антитрития (при распаде он дает тот же самый антигелий-3). На этом период «бури и натиска» в деле создания антиматерии завершился: мечты продвинуться дальше и получить следующее ядро, антилегий-4, не сбылись. Всю эту историю по горячим следам описал В.В.Станцов своей знаменитой серии статей «Элемент №...» («Химия и жизнь», 1975, № 1).
Материя-антиматерия: различие или сходство?
Фабрики по производству антипротонов работали, античастицы стали использовать в медицине (позитронная томография, протонная хирургия), и в конце концов уровень ускорительной техники оказался достаточным для того, чтобы приступить к изготовлению настоящего антивещества — то есть присоединить к антиядру антиэлектроны и посмотреть, что будет. Посмотреть же интересно, во-первых, на спектры. Если окажется, что антиводород хоть слегка, но не похож на водород, то завеса тайны над проблемой дефицита антиматерии во Вселенной приоткроется. А во-вторых, антиматерия может оказаться «анти» во всех смыслах, то есть обладать еще и свойством антигравитации, отрицательной массой.
Над этой отрицательной массой сломано немало копий. Дело в том, что формально подставив отрицательную массу в законы Ньютона, можно получить парадоксальный результат. Закон тяготения ожидаемо превратится в закон отталкивания антимассы от массы, а вот с законами механики будет твориться нечто за пределами здравого смысла: сила, отталкивающая антимассу, станет ее, наоборот, притягивать. Но этот парадокс можно разрешить. Законы Ньютона держатся на принципе эквивалентности гравитационной массы (которая стоит в законе тяготения) и инерционной, присутствующей в законах механики. Однако этот принцип не считается доказанным — просто не найдено свидетельств его несправедливости. Гравитация же отличается от механики, поскольку, согласно общей теории относительности Эйнштейн, ее суть — деформация пространства-времени. В соответствии с принципами хорошо разработанной в физике твердого тела теории упругости, частицы, создающие деформации одного знака (в простейшем случае — всестороннего сжатия или расширения), притягиваются, а разного — отталкиваются. Свет, проходя рядом со звездой, отклоняется к ней, значит, масса создает деформацию сжатия. Тогда если антимасса создает деформацию растяжения (свет, проходя рядом с антизвездой, отклонится от нее), то антигравитация будет иметь место, а на механике это никак не скажется, ведь инерция с деформацией пространства никак не связана. Антигравитация антиматерии способна объяснить ее исчезновение в видимой части Вселенной — гравитационные силы попросту отпихнули ее подальше от материи. Очевидно, что в таком случае заметить знак массы у античастиц невозможно до тех пор, пока не измерен знак их взаимодействия с полем тяготения Земли. А это можно сделать только с нейтральными атомами — гораздо более мощные электрические и магнитные поля, действующие на заряженные частицы, скроют слабое влияние гравитации.
Воодушевленные примерно такими соображениями, физики в девяностых годах XX века приступили к созданию антивещества. Первый успех пришел к ученым из ЦЕРНа — в 1995 году они получили первые девять атомов антиводорода. В 1997 году их американские коллеги из чикагской Лаборатории Энрико Ферми (Фермилаб) получили уже сотню антиатомов. Впрочем, в обоих экспериментах эти атомы летели со скоростью, близкой к скорости света, и проводить с ними тонкие эксперименты было невозможно. Тем временем в ЦЕРНе сломали старый ускоритель, и возникла пауза. Лишь в 2002 году опыты возобновились и были получены первые медленные атомы антиводорода. При этом производительность антиводородной фабрики выросла во много раз — до нескольких тысяч антиатомов в минуту. Однако использовать эти антиатомы для исследования тоже было нельзя: они очень быстро сталкивались со стенками ускорителя и аннигилировали. Нужна была хорошая ловушка, способная удержать антиатомы «подвешенными» в вакууме. И здесь есть серьезные трудности.
Ловушка для антиатомов
Вот как выглядит схема получения холодных антиатомов в ЦЕРНе. После того как быстрые протоны врезаются в мишень, они порождают множество частиц, в том числе протоны и антипротоны. С помощью магнитного поля отрицательно заряженные антипротоны переводят в Антипротонный замедлитель, — синхротрон, где они довольно долго вращаются в спадающем во времени магнитном поле и тормозятся в электрическом поле до энергии в 5,3 МэВ. При этом антипротоны приходится охлаждать, используя специальные методы. Первый из них - электронное охлаждение, был предложен и разработан Г.И.Будкером с учениками в Новосибирском институте ядерной физики в 60—70-х годах. Второй метод — стохастического охлаждения, предложенный несколько позднее будущим нобелевским лауреатом С. ван-дер-Меером, был создан в ЦЕРНе. Сегодня оба метода — признанное орудие формирования плотных пучков в ускорителях.
Из замедлителя каждые две минуты вылетает порция в 30 млн. антипротонов. Увы, они еще слишком горячи — такая энергия соответствует скорости в 10% от скорости света и температуре в миллионы градусов. Чтобы радикально затормозить антипротоны, их пропускают сквозь алюминиевую фольгу толщиной в треть миллиметра. При столкновении с атомами алюминия половина антипротонов аннигилирует, а другая половина пролетает насквозь, расходуя часть своей энергии на нагрев фольги. Примерно сто тысяч из них сбрасывает энергию в тысячи раз, до 0,2% от скорости света. Такие антипротоны уже можно поймать в электромагнитную ловушку Пеннинга — Малмберга. Как и все прочие подобные ловушки, она построена из катушек с электрическим током и электродов: созданные ими магнитные и электрические поля заворачивают заряженные частицы и не дают им лететь дальше. Очевидно, что энергия частиц должна быть достаточно маленькой, иначе полям ловушки с ними не справиться. Эта ловушка заполнена холодными электронами: сталкиваясь с ними, антипротоны охлаждаются дальше. После отделения электронов в ловушке остается несколько тысяч антипротонов с температурой 300—400 К.
А в соседней аналогичной ловушке накапливаются и охлаждаются позитроны, которые получаются при распаде натрия-22. Их температура оказывается 60—80 К. Затем стенку из полей между облаками обоих типов частиц снимают, эти облака сливаются, и начинается образование атомов антиводорода: антипротон захватывает позитрон, и тот, излучая энергию, постепенно достигает нижнего энергетического уровня, занимая основной уровень 1S в атоме антиводорода. Тут и возникает главная проблема охотников за антиматерией: атом-то становится электрически нейтральным и легко проходит сквозь электромагнитные стенки ловушки для заряженных частиц. Значит, нужно ставить снаружи еще одну ловушку, для нейтральных атомов. Собственно, ее созданием и занимались ученые после первых успехов 2002—2005 годов.
Вообще-то ловушки для нейтральных частиц стали известны не вчера. Принцип такой ловушки для нейтрона был предложен В.В.Владимирским еще в 1960 году. В ней магнитное поле сформировано так, что оно возрастает во всех направлениях от центра ловушки - так называемый «minimum В» (латинской буквой В в физике принято обозначать магнитное поле). Вскоре участники термоядерного проекта из Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (ныне Курчатовский институт) во главе с М.С.Иоффе предложили конструкцию такой ловушки.
Не пойманные в ловушку атомы антиводорода аннигилируют на стенках камеры (фото: CERN)
Это цилиндр, на краях которого расположены две запирающие катушки с током, а вдоль его стенки проложены четыре проводника — «палки Иоффе», причем в соседних проводниках ток течет в противоположных направлениях. В центре цилиндра возникает минимум магнитного поля, а к стенкам вдоль оси оно нарастает. Хотя эту ловушку придумали для удержания плазмы, она подошла и для нейтральных атомов: у любого из них в магнитном поле возникает магнитный момент. В зависимости от его ориентации атом будет двигаться либо туда, где поле сильнее, либо в обратную сторону.
В 1983 году Дэвид Притчард из Массачусетского технологического университета предложил применить ловушку Иоффе для удерживания холодных атомов. Притчард известен не только своим участием в комиссии по изучению случаев похищения людей инопланетянами: его ученики Вольфганг Кеттерле и Эрик Корнелл получили Нобелевскую премию 2001 года по физике за работу со сверххолодными атомами и создание из них конденсата Бозе — Эйнштейна. Поэтому вопрос о том, как подвесить такие атомы в пространстве и не дать им соприкоснуться с горячей стенкой ловушки, был для него совсем не праздным. Для антивещества задача принципиально не отличается: ему тоже нельзя соприкасаться со стенкой, иначе произойдет аннигиляция.
Атомы антиводорода и можно собирать в ловушке Иоффе — Притчарда, где они повиснут, не касаясь стенок камеры. Главное условие — энергия атомов должна быть очень мала. Магнит с силой в 1 Тл удержит атомы водорода с температурой не выше 0,67 К. Поскольку сила самых мощных современных электромагнитов составляет несколько тесла, следует ожидать, что в такую ловушку попадут атомы антиводорода с температурой в 2—4 К. Магниты, которые сейчас применяют в экспериментах ЦЕРНа, удерживают атомы не горячее 1 К. Не исключено, что причина здесь не в цене более мощных магнитов, а в том, что ловушка Иоффе — Притчарда сильно портит конфигурацию полей в расположенной внутри нее ловушке для заряженных частиц.
При средней температуре получающихся антиатомов под двести Кельвинов очевидно, что лишь малая их толика сможет задержаться в ловушке, остальные же сразу после образования разлетятся и погибнут, столкнувшись со стенкой. И действительно, после объединения облаков позитронов и антипротонов на стенках ловушки фиксируют две-три тысячи актов аннигиляции атомов антиводорода. После окончания этой массовой аннигиляции можно было посмотреть, что же осталось в ловушке. Для этого ее открыли спустя 130 миллисекунд после образования антиатомов. Собравшийся в ней антиводород вылетел и, достигнув стенки, тоже аннигилировал. С высокой надежностью, отбросив все сомнительные сигналы (а они могли идти и от космических лучей, и от случайно сохранившихся антипротонов), участники эксперимента насчитали 38 случаев аннигиляции от пойманных в ловушку атомов. Немного, но начало положено.
Источник: "Химия и жизнь"
Подписаться на:
Сообщения (Atom)