Почему нельзя встречать самого себя в прошлом?

Часть 1

Инженеры помещают замедлитель между столбиками топлива и повышают эффективность цепной реакции. Для реакторов, в которых теплоносителем выступает вода, она же служит замедлителем нейтронов.

Ну а захват «лишнего» нейтрона атомным ядром приводит к его превращению в изотоп. Например, уран-238 становится ураном-239. Поскольку в новом ядре соотношение протонов и нейтронов становится иным, его стабильность почти всегда существенно ниже, чем у изначального атома. В зависимости от того, какое топливо используется в реакторе, захват нейтрона может быть как полезным явлением, так и вредным. Комбинируя замедлители и отражатели нейтронов, активную зону конфигурируют так, чтобы в ней преобладали нейтроны нужных энергий.

Кроме ядерных реакций деления, в атомных реакторах постоянно идут процессы распада. Фактически почти все, что находится в топливных таблетках, радиоактивно: само топливо, продукты распада, ионизированные и подвергшиеся нейтронной бомбардировке материалы связующего для топлива. Это приводит к постоянному потоку альфа- и бета-частиц, гамма-квантов, а в особо редких случаях — непосредственно осколков деления.

Подытоживая все происходящее в реакторе, стоит выделить наиболее критические факторы, определяющие выбор материалов для его конструкции:

• для активной зоны и окружающих ее конструкций — нейтронный поток и гамма-излучение, хотя второе в нормальных условиях имеет недостаточную интенсивность, чтобы значительно повредить материалы, и опасно только для людей;
• для активной зоны и ее компонентов (например, выгородки реактора и каналов теплоносителя) — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение в небольшой степени;
• для тепловыделяющих сборок — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение;
• для топливных таблеток — сразу все, включая все виды ионизирующего излучения и особенно высокую температуру (некоторые типы топлива обладают плохой теплопроводностью и склонны к локальному перегреву).

При этом воздействие ионизирующего излучения на различные материалы вполне понятно и предсказуемо. А с высокими температурой и давлением инженеры научились работать уже давно — задолго до появления АЭС. Хотя некоторые прорывы возможны и в этой области, она неспецифична для атомной отрасли.

Нейтронное излучение — другое дело. Его эффекты в большой степени хаотичны и порой кажущаяся незначительной корректировка технологий обработки материала или его химического состава радикально изменяет его поведение в реакторе. Поэтому основной фокус внимания ученых-материаловедов «Росатома» и смежных организаций направлен на изучение взаимодействия нейтронного потока с различными материалами или их комбинациями.

Как разрабатывают новые материалы для атомной отрасли

Материаловедение — прикладная дисциплина, решающая в первую очередь практические задачи. Есть конструкция или отдельная деталь, для которых имеющиеся материалы неоптимальны — ищем способы их улучшить или создать новые. В общих чертах это и есть основной принцип разработки новых материалов во всех отраслях. Атомная энергетика здесь не исключение.

Но прежде всего важно определиться с терминологией. Дело в том, что для материаловеда само слово «материал» означает гораздо более узкое понятие, чем мы привыкли в быту.

Материал — это не просто дерево, металл, керамика, стекло или бетон. Конкретная сталь со строго определенным химическим составом, отлитая и закаленная — это один материал. Если она же кованая — уже другой. Или она закаленная, отпущенная при разных температурах — и ее свойства будут отличаться в широких пределах.

Для материаловеда важна биография образца: как и где добыли сырье для его изготовления, какие процедуры подготовки оно проходило, что именно с ним делали в процессе обработки. какие свойства приобрел этот материал в результате всех манипуляций с ним.

Выше, на видео симуляция каскада столкновений, вызванного попаданием тяжелого иона (трииодид бора) в металл (железо). Нейтронное излучение приводит к аналогичным эффектам, лишь вероятность взаимодействия отличается. Единичная частица, попадая в материал, вызывает смещение не только того атома, с которым сталкивается, но и всех его соседей. Им передается часть кинетической энергии, причем ее количество гораздо больше, чем при теплопереносе. В результате выбитыми со своих мест в кристаллической решетке могут оказаться не только атомы на поверхности, но и глубоко внутри материала. Так образуются полости, смещения фаз кристаллической решетки и даже микротрещины

Контроль и надзор в сфере ядерной безопасности, а соответственно, одобрение использования тех или иных материалов в ядерных установках осуществляет Ростехнадзор. Для конструктора оборудования АЭС существует объемный «справочник всех материалов», в котором содержится список всего, что прошло аттестационные испытания под определенные условия эксплуатации. Каждая строчка в этом документе — отдельный материал, который инженеры-конструкторы могут использовать в допустимых пределах.

Вне зависимости от того, насколько революционным и по всем расчетам безопасным получится проектируемое изделие, если в нем хоть где-то используют неаттестованные материалы, контролирующий орган такое строительство никогда не одобрит. Именно поэтому все новые материалы нужно тщательно испытывать и проверять на соответствие требованиям, установленным в стандартах и конструкторской документации.

В общих чертах идеализированный процесс разработки нового материала выглядит следующим образом. Сначала на этапе подготовки проекта, если выясняется, что существующих материалов недостаточно, ставится задача создать новые. Расчетными методами, моделированием подбирают список материалов-кандидатов, которые проходят первичную проверку в лабораторных условиях. Так тестируют их коррозийную устойчивость, механические и химические свойства. Одновременно проверяют возможность производства этих материалов на оборудовании, имеющемся в распоряжении самого предприятия или у его подрядчиков.

Образцы, которые подтвердили свои свойства во время первичных анализов, отправляют на облучение. Раньше приходилось загружать образцы в исследовательский реактор на несколько лет — только так можно оценить реальный эффект воздействия нейтронного потока. Он выражается в СНА, смещениях на атом кристаллической решетки, — единице дозы облучения, позволяющей сравнивать уровень повреждений в реакторах с различным нейтронным спектром и при облучении различными частицами.

Выше на картинке просвечивающая электронная микроскопия образца из титана, который подвергся жесткому нейтронному облучению. Белые многогранники — пустоты, возникшие в результате выбивания атомов с их мест в кристаллической решетке нейтронами. Темные продолговатые области — полосы осажденных титана, рения и осмия. Последние два элемента — результат трансмутации титана при захвате нейтрона. Исследование воздействия нейтронного потока на материалы критически важно не только для атомной энергетики, но и для термоядерной 

Сейчас реактор используют только для финальных испытаний. На первых этапах отсева материалов-кандидатов можно применять ионный ускоритель. Его воздействие на образцы с практической точки зрения идентично нейтронному излучению. Так, пороговые дозы СНА набираются за считаные дни.

Помимо экономии времени, ускоритель делает разработку радиационно стойких материалов несравнимо дешевле — реакторное время очень дорого. Вдобавок после облучения материалы не нужно оставлять в бассейне выдержки еще на год, чтобы они потеряли наведенную радиоактивность.

После облучения материалы-кандидаты снова всесторонне изучают, их характеристики проходят тщательную проверку. И почти наверняка цикл повторяется, потому что ничего не подошло под целевые параметры. Иногда цикл выполняется несколько раз.

В итоге через несколько лет (ранее — спустя десятилетия) кропотливой работы получаются образцы новых материалов с заданными свойствами. Скорее всего, отработано даже их промышленное производство малыми партиями. Остаются только сертификационные испытания в реакторе, после которых контролирующие органы смогут выпустить заключение о допуске материала к использованию в определенных условиях. На все про все — не менее 10-12 лет с начала разработки до получения аттестации материалом.

Последние несколько лет на помощь материаловедам пришли цифровые технологии, в том числе искусственный интеллект. Алгоритмы машинного обучения, основанные на механизмах деградации и базах данных свойств известных материалов, значительно экономят время, проводя первичное отсеивание материалов-кандидатов или решая «обратную» задачу: подбирая состав и структуру материала под заданные условия эксплуатации по целевым характеристикам. Единственное, с чем ИИ пока справляется плохо, — способы обработки, но и этот недочет скоро будет исправлен: ученые и программисты «Росатома» работают в этом направлении.

Почему нельзя стоять на месте

Атомная энергетика — постоянная технологическая гонка. И разработка материалов для нее выступает лишним подтверждением этого тезиса. Учитывая длительность цикла разработки, сейчас внедряют то, что начинало создаваться три-четыре декады назад, а прошло аттестационные испытания 10-20 лет назад. Проще говоря, работа над сегодняшними проектами обеспечивает технологическое превосходство в 2040-2050-х годах. И любая заминка потенциально приводит к высокому риску отстать от темпа конкурентов на этих отдаленных рубежах планирования.

Благодаря этому непрерывному процессу развития отрасли не существует ни одной полностью идентичной АЭС. Каждый следующий проект в чем-то лучше предыдущего, даже если они принадлежат к одной серии. Иногда события в мире приводят к завышенным требованиям потенциальных потребителей, появляются новые уровни защиты, которые на следующем этапе отсекаются по экономическим соображениям. Это ни хорошо, ни плохо — просто особенность, нормальный ход событий.

Второй важнейший стимул развития материаловедения в ядерной энергетике — экономика. Атомные электростанции наконец-то снова становятся не единичными проектами, а практически серийными изделиями. Кроме них, в обозримом будущем заменить угольные и газовые электростанции базовой нагрузки нечем. Никакие ветряки и солнечные панели эту роль в энергосистеме занять не смогут, даже если им на помощь придут сверхъемкие накопители энергии.

Это означает, что стоимость выработанного АЭС киловатт-часа электроэнергии становится не просто существенным фактором оценки всего ее проекта, а критически важным. Она, в свою очередь, зависит от целого спектра параметров, часть из которых способны удешевить новые материалы. Снижение стоимости, габаритов или сроков изготовления любых деталей, агрегатов и узлов в масштабах столь колоссальных объектов, как АЭС, оборачивается экономией в миллионы или даже миллиарды.

Наверное, самый простой ответить на вопрос «Зачем разрабатывать для АЭС новые материалы?» — потому что АЭС со старыми материалами никто не купит. По совокупности причин, из которых экономика будет решающей. Даже несмотря на затраты НИОКР, современные станции экономически эффективнее старых — либо по срокам строительства, либо по стоимости эксплуатации.

Не стоит забывать и о психологическом факторе. Атомная энергетика, пожалуй, вызывает самую напряженную дискуссию в поле общественного мнения. Поэтому, если какая-то инновация не приносит заметного повышения экономических характеристик АЭС, но повышает ее безопасность в каких-либо даже самых маловероятных сценариях, ее имеет смысл реализовать.

В России разработку новых материалов и технологий ведут в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий — КП РТТН. Мы создаем не только новые материалы для перспективных энергосистем, но и опытные целевые изделия, которые тоже проходят испытания. В результате на выходе мы получаем и технологию, и материал, готовые к промышленному внедрению, причем не только в атомной энергетике, но и авиации, машиностроении и других смежных отраслях.

Из последних разработок могу привести в пример технологию изготовления новых марок стали с повышенными прочностными свойствами, в том числе для атомных энергетических установок малой мощности. Тем самым мы решаем задачу уменьшения массогабаритных характеристик оборудования вокруг реакторной установки и получаем существенный выигрыш в массе — этот параметр весьма критичен для атомных станций малой мощности. В этом году как раз проходят аттестационные испытания по всему комплексу свойств новой стали.

Атом представляется нам в школьных учебниках как маленькая, аккуратная сфера с электронами, вращающимися вокруг ядра, как планеты вращаются вокруг солнца. Но эта картина – лишь удобное упрощение. В реальности, атом – это гораздо более странный объект и лучше было запомнить модель Шрёдингера, а не Резерфорда.

Он не имеет ни четкой поверхности, ни определенной формы в привычном нам понимании. Но как тогда атом можно называть материальным и что это за материя такая? Разберем этот и сопутствующие вопросы.

Постоянное движение частиц

Для начала нужно всегда помнить, что абсолютно любая частица находится в непрерывном тепловом движении. Даже при приближении к температуре абсолютного нуля система всё равно продолжает пульсировать в пространстве, хотя движения замедляются и становятся редкими.

Это означает, что абсолютно все субатомные частицы постоянно двигаются. Протоны, нейтроны и электроны - они перемещаются, ползают, двигаются и вращаются. Один только этот факт исключает, что у целого атома будет какая-то постоянная форма и осязаемая поверхность. Но это не самое главное.

Квантовая Неопределенность

Основная причина, по которой у атома нет четкой поверхности, кроется в фундаментальном принципе квантовой механики – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что мы не можем одновременно точно знать положение и импульс (скорость) электрона. Чем точнее мы определяем положение электрона, тем менее точно мы знаем его скорость, и наоборот.

Ядро атома окружено электронами и это уже неоспоримый факт. Даже самые современные модели описывают это как факт.

Электроны не вращаются вокруг ядра по четким орбитам, как планеты. Вместо этого они существуют в виде “электронных облаков” или “атомных орбиталей” – областей пространства вокруг ядра, где вероятность обнаружения электрона наиболее высока. Эти облака представляют собой распределение вероятностей, а не твердые границы.

Представьте себе вентилятор. Когда он выключен, вы видите отдельные лопасти. Но когда он включен на высокой скорости, лопасти сливаются в размытый диск. Аналогично, электроны, движущиеся с огромной скоростью, создают размытый электронный след, а не четкую поверхность.

Вероятностный характер

Электронные облака не имеют четких границ. Вероятность обнаружения электрона уменьшается с расстоянием от ядра, но никогда не становится строго равной нулю. Это означает, что теоретически электрон может находиться очень далеко от ядра, хотя вероятность этого и невелика.

Таким образом, нельзя сказать, что атом “заканчивается” в какой-то конкретной точке. Где провести границу? Где вероятность обнаружения электрона становится достаточно низкой, чтобы сказать: “Вот здесь атом заканчивается, а дальше – пустота”? Этот вопрос не имеет однозначного ответа.

Более того, некоторые источники утверждают, что "принадлежащий" ядру электрон может с ненулевой вероятностью оказаться на другой части Вселенной. О какой тут форме можно тогда говорить?

Что угодно, но не простая сфера

Даже если бы у атома была четкая поверхность, она не была бы сферической, как часто изображают. Форма электронных облаков определяется квантовыми числами электронов и может быть весьма сложной.

Существуют различные типы атомных орбиталей, обозначаемые буквами s, p, d, f и т.д. s-орбитали имеют сферическую форму, но p-орбитали имеют форму гантели, а d- и f-орбитали – еще более сложные трехмерные структуры. Форма атомных орбиталей определяет направление химических связей и, следовательно, форму молекул.

Поскольку форма электронных облаков не является сферической, то и “форма” атома, определяемая распределением электронов, не является сферой.

Влияние соседей

Реальные атомы редко существуют изолированно. Они взаимодействуют с другими атомами, образуя молекулы и твердые тела. Это взаимодействие влияет на распределение электронов и, следовательно, на “форму” атома.

В молекуле атом уже не является изолированной системой. Электронные облака атомов перекрываются и деформируются под влиянием электрических полей, создаваемых соседними атомами. Таким образом, “форма” атома в молекуле отличается от “формы” изолированного атома.

Пустота атома

Наконец, стоит помнить о масштабе. Атом чрезвычайно мал. Если представить атом размером с футбольный мяч, то ядро будет размером с горошину в центре поля, а электроны – как пылинки, летающие по стадиону. Большая часть атома – это пустота.

Поэтому на микроскопическом уровне даже само понятие “поверхности” и “формы” теряет свой привычный смысл. Атом – это скорее вероятностное распределение электрического заряда, а не твердый объект с четкими границами.

Субатомные частицы не закреплены на жёстких точках, а больше напоминают конструктор неокуб, который находится в равновесии. Силы взаимодействия заставляют, например, протоны, находиться на некотором расстоянии друг от друга, но сохранять при этом связь. Всё это бурлит, вращается и перемещается. О каких тут точных границах и форме можно вообще говорить.

Переосмысление природы атома

Атом – это не миниатюрная солнечная система, как нас учили в школе. Это квантово-механический объект, описываемый вероятностными функциями. Он не имеет четкой поверхности, определенной формы или траекторий движения электронов.

Атом – это скорее размытое, вероятностное распределение электрического заряда вокруг ядра. Понимание этой квантовой природы атома – ключ к более глубокому пониманию химии, физики и фундаментальных законов Вселенной. Вместо того, чтобы представлять атом как твердую сферу, лучше думать о нем как о призрачном, динамичном облаке вероятностей, которое формирует реальность, которую мы видим и ощущаем.

То, что мы видим в электронный микроскоп - это лишь некоторый объект, который способен отклонять электроны. Вся область, где есть атома, отклоняет их движение, а потому выглядит, как горошина или точка.

Часть 1

Часть 2

Белоярская АЭС — единственная в мире промышленная атомная электростанция с реакторами на быстрых нейтронах и, соответственно, жидкометаллическим теплоносителем. Такие АЭС разрабатывали во многих странах с конца 1950-х, но, кроме СССР и позднее России, они нигде надолго в эксплуатации не остались (за исключением исследовательских установок). Реакторы на быстрых нейтронах — один из примеров технологий в атомной энергетике, которые испытывали ранее, но оставили без существенного развития из-за низких экономических показателей. Их очень дорого строить. Новые материалы способны спровоцировать ренессанс подобных пока что экзотических схем

Перспективные проекты атомных электростанций в принципе невозможны без разработки новых материалов. Например, сверхкритические водяные реакторы (как ВВЭР-СКД) — в них роль теплоносителя играет вода в сверхкритическом состоянии. То есть ее давление превышает 22,1 мегапаскаля. Это выгодно, потому что позволяет повысить эффективность всей АЭС примерно до 45 процентов против 30-33 у реакторов нынешнего поколения. Сверхкритическую жидкость можно разогреть до более высоких температур, а любая тепловая машина работает тем эффективнее, чем больше разница температур между ее горячей и холодной частями.

Сверхкритическую воду в качестве теплоносителя давно используют в газовых тепловых электростанциях. Это сравнительно отработанная технология. Для атомной энергетики же это не просто новинка, а изменение, требующее пересмотра всей «начинки» АЭС. Да, конструкция реакторов станет проще, следовательно — дешевле и быстрее в изготовлении. Но есть большие проблемы.

Сверхкритическая вода по-другому замедляет нейтроны, может вызывать коррозию там, где обычная вода практически инертна, а также рискует начать разлагаться на кислород и водород под действием ионизирующего излучения в определенных условиях. Иными словами, перспективы огромные, но и вызов непростой.

В сверхкритических реакторах такое высокое давление внутри активной зоны, что при определенных спектрах им не подходят обычные топливные таблетки. Диоксид урана со всеми имеющимися вариантами покрытий просто не работал так, как требовалось физикам. Возможные материалы — кандидаты топлива тоже не подходили.

Наши специалисты долго думали над этой проблемой и пришли к альтернативному решению. Отказавшись от стандартных таблеток внутрь твэла с топливной композицией добавили компенсатор давления. Таким образом внешнее давление компенсировалось топливом, а избыточное распухание топлива забирал на себя компенсатор. Разумеется важны детали: были рассчитаны форма, толщина, подобран правильный материал компенсатора. Наглядная иллюстрация прикладного подхода: если какую-то задачу не получается решить имеющимися или перспективными средствами, имеет смысл объединить усилия ученых разных специальностей и конструкторов.

Не металлами едиными

В примерах выше почти всегда упоминались металлы либо их оксиды. Но это не единственные материалы, которыми занимаются материаловеды атомной отрасли. Естественно, есть еще керамики, пластики, бетоны и многое другое. Большая часть ресурсов уходит на разработку этих типов материалов.

Внимательный читатель уже, наверное, заметил, что не хватает целого спектра различных материалов, которые часто упоминаются в контексте высокотехнологичных отраслей. Да, мы о мета-, нано- и прочих приставках, а также об аддитивных технологиях.

Это не приоритетные направления, но по ним тоже ведут работу. Большие перспективы видны в печати металлическими порошками. У подразделений «Росатома» есть наработки по печати крупных деталей, вплоть до целой выгородки реактора — внутренних структур активной зоны, которые окружают тепловыделяющие элементы. Тем не менее есть большая проблема со специалистами в области экзотических материалов. Их огромный дефицит. Можно сказать, что экзотика в области материаловедения для атомной энергетики — крайне выгодное направление для выбора нынешними студентами.

Довольно часто это невероятно интересные и «красивые» технологии, уникальные люди, которые создают материалы с нестандартными сочетаниями свойств. Но нам не хватает людей. Причем речь идет не о специалистах в единственном числе, а о командах. Все наши разработки — это долгие проекты, за редким исключением. И мы должны гарантировать выход материала в промышленном масштабе к определенному сроку готовности изделия. В чем риски? Вот мы взяли сотрудника, он перспективный, занимается уникальной и очень многообещающей экзотикой. Но что делать, когда он заболеет? Женится? Поменяет приоритеты в жизни? Немного цинично, но это прагматизм прикладной науки.

Именно поэтому особо ценятся команды специалистов, научные школы, устойчивые кооперации. Да, договориться порой непросто: научные споры — зрелище не для слабонервных. Но и результат учитывает мнение не одного гения, а еще опыт эксплуатации прежних разработок и так далее. Для проверки своих возможностей у нас есть программа аванпроектов — сравнительно небольшое финансирование на перспективные идеи, которые мы поможем проверить с помощью своих ресурсов, главное — ответственно обосновать ожидаемые свойства материала.

В последние годы научная этика поменялась, и теперь в перечень работ по подготовке большого НИОКР принято включать не только аналитические обзоры, но небольшое исследование в обоснование разрабатываемой гипотезы. Все это помогает в реализации НИОКР и получении финансирования.

Какое будущее готовят уже сегодня

Материаловедение в атомной отрасли существует на стыке фундаментальных и практических дисциплин. Это одна из тех сфер человеческой деятельности, где всегда есть место чему-то новому, удивительному и при этом максимально связанному с реальностью, практикой.

Ближайшие десятилетия для ядерной энергетики обещают быть временем множества прорывов и революций, на нее возлагают большие надежды во всем мире. Назревает атомный ренессанс, и российские атомщики прямо сейчас воплощают в реальность проекты, которые наверняка будут востребованы уже завтра.

Особенно впечатляет, насколько сильна и важна кооперация в «атомном» материаловедении. Нет ни одного универсального предприятия или научной организации, слишком сложная дисциплина. За корпуса реакторов отвечает ПАО НПО «ЦНИИТМАШ», внутрикорпусные материалы делает и разрабатывает ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» (Курчатовский институт) — список можно продолжать долго. При этом без постоянного тесного взаимодействия и обмена опытом успех невозможен.

Была у нас забавная история. Материаловеды в лаборатории, как оказалось, не совсем представляли возможности производства. Разработали кандидатный материал, изготовили образцы, подтвердили характеристики — и казалось бы, прямая дорога к масштабированию. Заказали изготовление промышленного полуфабриката на завод. Те посмотрели спецификацию, все сделали, как написано, отправили пробную партию обратно. В лаборатории смотрят, а свойства сильно различаются: чистота слишком высокая, нужных примесей нет. Звонят на завод: как так, куда подевали, всегда же были. Там им и отвечают: в спецификации же указали верхнюю планку, без нижней (обычно материаловеды уточняют, ведь есть привычный минимальный уровень), вот мы для вас выполнили заказ по высшему классу — оборудование позволяет. В итоге, с одной стороны, потратили время, с другой — подтвердили значимость примесей в определенной металлической матрице. Вывод: надо знать все нюансы технологии производства.

Это благодатная почва для развития не только самой атомной отрасли и молодых специалистов как ее части. Новые материалы, инженерные решения и сопутствующие открытия в фундаментальных науках двигают общий научно-технический прогресс в стране.

Помимо энергетики, разрабатываемые атомной отраслью материалы и решения применяют в точном машиностроении, медицине, электронике и космонавтике. Это мощнейший стимулятор роста и развития всех смежных областей экономики и промышленности.

Отсюда

Друзья, не так давно я размещал статью на Вомбате про эффект памяти формы. Явление довольно интересное - фактически мы нагреваем металлический образец, а он мгновенно меняют свою форму. Со стороны выглядит как магия, причём особая и уличная. Таких видео достаточно в интернете, но вот развернутого описания физики эффекта практически нигде нет. Что же, я решил попробовать сделать интересное и информативное обучающее видео по этому вопросу. Смотрите, лайкайте, подписывайтесь! 

Человечество хотело добыть и обуздать ядерную энергию — фундаментальные науки обеспечили для этого теоретическую базу. Потребовалось реализовать теорию «в железе» — это сделали с помощью прикладных дисциплин: инженерного дела и материаловедения. Рассказываем, с какими практическими трудностями сталкиваются инженеры, проектирующие реакторы, почему в атомной отрасли приходится постоянно создавать новые материалы и как современные студенты могут стать баснословно успешными, всего лишь выбрав правильное направление обучения в области экзотического материаловедения.

Пожалуй, в любом рассказе об атомной энергетике автор сразу упомянет количество энергии, которое высвобождается при делении ядра атома. Например, распад килограмма урана-235, самого распространенного топлива в энергетических реакторах, в среднем приносит 83 тераджоуля энергии. Это во впечатляющие полтора миллиона раз больше, чем можно получить от сжигания той же массы природного газа (метан, 55 мегаджоулей) или в целых полмиллиона раз больше, чем от килограмма его «зеленой» замены — водорода (141 мегаджоуль).

Как удержать в узде всю эту энергию, чтобы направить ее на полезную работу? Об этой инженерной проблеме зачастую несправедливо забывают.

Столь внушительная разница в энергетическом потенциале химического и ядерного топлива неслучайна. При сжигании горючего высвобождается энергия, заключенная в химических связях. А они, в свою очередь, — продукт электромагнитного взаимодействия. Ядерная энергетика в качестве фундамента использует еще более мощное взаимодействие, оно так и называется — сильное.

Электромагнетизм удерживает вместе атомное ядро и электронные облака, связывает атомы в молекулах, молекулы друг с другом в некоторых формах материи (например, водородные связи в воде и спиртах). Сильное же взаимодействие удерживает вместе кварки, формирующие адроны — протоны, нейтроны — и связывает сами формирующие атомное ядро адроны друг с другом.

Сила этого взаимодействия на интересующих нас масштабах атомного ядра более чем в сотню раз превышает силу электромагнитного взаимодействия. Поэтому деление атома высвобождает настолько больше энергии, чем его участие в любых химических реакциях.

Что самое важное, эта высвобождаемая при ядерном распаде энергия передается окружающей среде не только в виде кинетического взаимодействия атомов друг с другом. При делении ядер энергию уносят их осколки и отдельные элементарные частицы. Они способны взаимодействовать с другими атомами не только по законам электромагнетизма (сталкиваясь с их электронными облаками), но и напрямую, встречаясь непосредственно с атомным ядром. Проще говоря, энергетический поток не просто мощнее — он сфокусирован на гораздо меньшей площади.

Важная ремарка

Здесь и далее многие физические явления мы опишем в очень упрощенном виде и сознательно не станем затрагивать целый ряд физических феноменов. Почему атомы распадаются и делятся, с какой вероятностью это происходит, что получается в результате и какие законы квантовой механики диктуют их стабильные состояния, а также правила всех протекающих с ними процессов — это несколько больших отдельных тем.

Для целей этой статьи важно отметить, что есть определенные соотношения протонов и нейтронов, при которых атомное ядро будет стабильным. Если они не соблюдаются, такой атом рано или поздно претерпевает самопроизвольный распад (это явление называется радиоактивностью). Кроме того, все химические элементы более чем с 82 протонами в ядре (тяжелее свинца) в принципе нестабильны, но иногда вероятность распада чрезвычайно мал

Выше, на картинке пример цепной реакции U-235. Когда в уран-235 попадает нейтрон, он превращается в уран-236 в возбужденном состоянии и с вероятностью 82 процента делится, как правило, на пару осколков с массовыми числами 95±15 и 135±15, соответственно. На иллюстрации показаны барий-144 и криптон-89. Тройные или четверные деления происходят реже. В 18 процентах случаев энергии нейтрона оказывается недостаточно для деления атома урана-236, и тот переходит в менее возбужденное состояние испуская гамма-квант (фотон). Помимо осколков деления, реакция порождает два или три свободных нейтрона, которые могут встретить на своем пути другие атомы, желательно — урана-235. Тогда процесс повторится, и получится ядерная цепная реакция. Одна из главных задач конструкции реактора — поддерживать такую конфигурацию активной зоны, чтобы высвобожденные во время деления топлива нейтроны не улетучивались, а продолжали делить новые атомы топлива, но при этом процесс происходил с контролируемой скоростью 

Причину распада можно представить как избыток энергии, который атомное ядро получило при образовании и не может удержать в себе из-за того, что его структура не позволяет это сделать. Эта энергия уносится в виде продуктов распада, среди которых важно выделить:

• альфа-частицы, ядра атомов гелия (два протона с парой нейтронов);
• бета-частицы, электроны высоких энергий;
• гамма-частицы, фотоны высоких энергий;
• свободные нейтроны;
• а также фрагменты материнского ядра с заимствованными у него электронами — дочерние химические элементы (осколки деления).

Распад, продукты которого тяжелее альфа-частицы и сопровождающийся высвобождением отдельных нейтронов, называется делением ядра. Его можно спровоцировать, «выстрелив» в атом свободным нейтроном и передав ему тем самым дополнительную энергию. Цепная ядерная реакция возникает, когда высвободившиеся в результате деления нейтроны встречают на своем пути новые, готовые к делению, атомы — и тогда процесс многократно повторяется (так один покатившийся камешек срывает в итоге со склона целую лавину).

Что происходит в реакторе

Начнем с самого сердца реактора — таблеток ядерного топлива (спрессованный порошок диоксида урана, обогащенного по изотопу 235U). Именно в них происходит цепная реакция деления, именно они служат первоисточником тепла в атомных электростанциях (АЭС).

Когда тяжелый атом делится, его осколки разлетаются в стороны и сталкиваются с другими атомами, которые встретились им на пути.

Это кинетическое взаимодействие уносит большую часть высвободившейся в результате деления энергии. А поскольку тепло — сумма кинетических энергий всех частиц системы, то так таблетки ядерного топлива и нагреваются.

Причем нагрев этот может быть очень быстрым. А значит, само ядерное топливо, из которого изготавливаются таблетки, должно иметь высокую температуру плавления. Иначе они потеряют свою целостность еще до того, как успеют передать тепло теплоносителю.

Еще одно важнейшее следствие деления — структура таблеток постоянно претерпевает изменения. Ведь внутри них вместо тяжелых атомов появляются более легкие — их больше, и они, разумеется, занимают больший объем. В редких случаях (с вероятностью 0,3 процента) тяжелый атом делится на три легких, один из которых — атом гелия, а еще два — «обычные» осколки деления с массовым числами около 95 и 135. Еще реже происходит четверное деление, в котором вместе с крупными осколками, как правило, образуется два атома гелия.

Помимо крупных осколков, которые почти сразу становятся дочерними атомами, позаимствовав электроны от материнского, в реакции деления образуются и другие продукты. Во-первых — фотоны высоких энергий, рентгеновское и гамма-излучение. При взаимодействии с электронным облаком встретившегося им на пути атома они передают ему свою энергию. Возбужденный таким образом электрон переходит на более высокий энергетический уровень или вовсе становится свободным. А тот атом, которому он принадлежал, становится положительным ионом — ионизируется. Со всеми вытекающими последствиями: он теперь стремится вступить в химические реакции. Гамма-кванты способны пройти большой путь и выйти далеко за пределы топливных таблеток.

Наконец, ключевой для цепной реакции продукт деления тяжелых ядер — нейтроны. У них есть масса, но нет заряда, поэтому они легко «проскальзывают» между электронными облаками и ядрами соседних атомов. Следовательно, способны пройти большой путь, пусть и меньший, чем гамма-кванты.

Но если они встречаются с ядрами, то практически наверняка взаимодействуют с ними. Видов этого взаимодействия три: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват. Вероятность каждого из них рассчитывается отдельно и называется сечением взаимодействия (ядерное эффективное сечение). У разных материалов разное эффективное сечение для разных энергий нейтронов и разных видов взаимодействия.

При упругом рассеянии и нейтрон, и атомное ядро, с которым он взаимодействует, сохраняют свое внутреннее состояние, но атом может увеличить свою кинетическую энергию (то есть происходит нагрев материи), а нейтрон — изменить направление движения. Правильно подобрав сечение взаимодействия материала для упругого рассеяния нейтронов нужных энергий, можно создать эффективный отражатель нейтронов этих энергий. В таком материале нейтрон с достаточно большой вероятностью будет направлен примерно туда же, откуда прилетел. Это свойство полезно в реакторах для снижения критической массы топливной таблетки.

При неупругом рассеянии нейтрон передает значительную часть своей энергии атомному ядру, с которым взаимодействует. Результатом может стать распад ядра-мишени либо увеличение его энергии — возбуждение.

В последнем случае атом изменит свое положение в пространстве, будто бы отскочит, и может отдать часть энергии в виде фотона. Иногда количество энергии столь велико, что получится высокоэнергетический фотон — так возникает гамма- или рентгеновское излучение от облученных нейтронным потоком материалов (наведенная радиоактивность). «Отскок» атома в материалах с кристаллической решеткой, — например, в металлах — приводит к нарушению ее структуры. Такие материалы теряют прочностные свойства (на сжатие, на разрыв, трещиностойкость, упругость), в них появляются микроскопические полости, они могут даже деформироваться (распухать).

Если взять материал, в котором нейтроны нужных энергий почти не смогут вызывать деление (об этом — ниже), а будут лишь отдавать часть своей энергии, получится замедлитель нейтронов. На выходе из такого материала мы получим нейтроны меньших энергий, чем на входе, при сопоставимом общем количестве частиц. Это полезно, когда делящийся материал производит нейтроны высоких энергий, но имеет высокое эффективное сечение деления для нейтронов более низких энергий.

Выше, на картинке полуфабрикаты таблеток ядерного топлива. Перед тем, как из них соберут тепловыделяющие элементы, таблетки обработают специальным покрытием. Его состав зависит от типа реактора и применяемых технологий. Сама таблетка на фото — спеченный диоксид урана, возможно, с небольшим добавлением связующего, модифицирующего химические свойства топлива. В начале кампании реактора, сразу после загрузки топлива, таблетки состоят практически полностью из диоксида урана, в котором около 96 процентов урана-238 и всего примерно четыре процента урана-235 (степень обогащения по этому изотопу зависит от типа реактора). К концу кампании, когда топливо пора менять, картина иная: урана-238 по-прежнему большая часть, но три процента — продукты деления урана-235 и плутония-239, один процент — плутоний-239 и -240, 0,4 процента — уран-236. Среди продуктов деления — порядка трех десятков химических элементов, часть из которых газы. После двух лет работы в реакторе таблетка может заметно деформироваться и распухнуть

Мне встречались самые разные источники научно-популярного характера, которые утверждали, что подтверждение возможности квантовой телепортации открывает перед нами дорогу и к полноценной возможности перемещения материи в пространстве. Но тут примерно как с квантовыми компьютерами. Не понял о чём, зато есть слово "квантовый"!

Увы, то, что на самом деле называется квантовой телепортацией не имеет никакого отношения к телепортации объекта, как это было, например, в фильме "Муха".

В обычном случае речь идёт о том, что тем или иным (пока ещё не ясно каким) способом мы переносим объект из точки А с определенными координатами в пространстве в точку Б с другими координатами. При этом в одной точки этот материальный объект пропадает, а в другой появляется.

Когда же мы говорим о квантовой телепортации, то всё значительно интереснее. Вспомните как ведёт себя квантовая запутанность. Это странная связь между частицами, которая заставляет одну частиц мгновенно копировать состояние другой частицы. Как это происходит не совсем ясно, зато известно, что насколько не растащи эти частицы друг от друга, они останутся в связанном состоянии.

Теперь представьте, что мы взяли одну такую частицу и умышленно разносим её с основной. Один из способов, который позволяет это сделать - это двигать частичку по волноводу. Получается, что мы искусственно увеличиваем расстояние между частицами, которые остаются запутанными.

Для того, чтобы толкать частичку внутри "провода" используется концентрированный поток энергии или лазер. Если удастся не разрушить связь и сохранить состояние запутанности, то на выходе мы будем иметь две частицы, искусственно разнесенные друг относительно друга.

Процесс перемещения одной из запутанных частиц в системе (при условии сохранения состояния запутанности) и называется квантовой телепортацией. Это не та телепортация, что мы хотим увидеть. Мы работаем с совсем другим физическим процессом. По сути если описать это просто, то квантовая телепортация - это способ увеличения расстояния между запутанными объектами.

Сегодня такая методика может рассматриваться лишь как способ обмена информацией и вариант шифрования. В дальнейшем где-то очень глубоко в теории можно предположить, что подобным образом мы сможем передавать частички некоторого материального объекта. Запутав две частицы друг с другом мы, по сути дела, сделаем нечто типа её эквивалента. Гипотетически, если мы перенесем такую частицу в другую точку, то организовав передачу всех составляющих материи мы сможем создать там новое тело, соответствующее исходному.

Впрочем, это никак не решает базовый вопрос. Мы перенесем частицы и соберем из них как будто бы такое же тело. Но где гарантии, что это будет именно такое же тело? Это будет копия или клон, а ещё сохранится и исходный образец. В этой связи мы можем полагать, что получим что-то из фильм Престиж.

Если помните, главный герой с помощью Николы Теслы смог реализовать фокус с телепортацией. Вот только никакой телепортации не было. Система, собранная Теслой, плодила копии и клоны. Каждый клон после фокус сбрасывался в аквариум с водой и там топился. В некоторой степени таковым будет результат работы квантовой телепортации. Кристофер Нолан как обычно показал великолепную проработку, правда открытым остался вопрос относительно личности клона. Мы как раз-таки его и затронули. Кто из двух человек - клон или оригинал - будет обладать обладать сознанием героя? Оба? Один? А что чувствует второй.

Так или иначе, это лучший пример того, как может повести себя квантовая телепортация применительно к перемещению объектов.

Если ролик на Тубе вам сломали, то он есть тут.

Наверное не станет новостью, что внутри атома таится огромная энергия. Вот только где там она таится?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно хотя бы примерно представлять себе строение атома. Тут стоит отметить, что как таковое реальное устройство атома не известно даже физикам, но есть вполне себе рабочая модель. Её изучают в школе и давайте её вспомним.

Атом состоит из ядра. Вокруг ядра располагаются электроны. По современным представлениям электроны располагаются в атоме не как планеты вокруг Солнца, а находятся в некотором облаке и имеют там вероятностное расположение. Но нас сейчас интересует ядро атома. Та энергия, которую мы получаем из атома, прячется именно в ядре.

Достаточно вспомнить, что ядро атома состоит из нуклонов. Это протоны и нейтроны. Протоны - это положительно заряженные субатомные частицы. Нейтроны - нейтральные.

Внутри ядра атома частицы, из которого оно состоит, удерживаются рядом друг с другом посредством сильного взаимодействия. Это одно из четырёх базовых физических взаимодействий.

Откуда энергия при распаде?

Протоны - это частицы, имеющие заряды одного знака. Мы помним, что одноименные заряды отталкиваются. Причём, отталкивание не то, чтобы слабое. При этом сильное взаимодействие способно удерживать отталкивающиеся протоны рядом и ядро будет вполне стабильным. Эти частицы "слипаются" друг с другом в момент термоядерного синтеза и поэтому силы отталкивания легко компенсируются запредельными температурами и внешним давлением. Это отдаленно можно сравнить с процессом установки пружины амортизатора. Если пружина пожата, то можно схватить её гайкой, а если она выпрямлена на всю длину, то процесс затруднительный. Термоядерный синтез тут - та внешняя сила, которая позволяет преодолевать кулоновское отталкивание и соединять протоны сильным взаимодействием.

В момент, когда ядро атома разваливается, силы кулоновского отталкивания высвобождаются и происходит выброс огромного количества энергии, которую мы потом и можем использовать.

Это, опять-таки, можно вполне успешно сравнивать с механикой. Представьте себе, что у вас есть пружина, которую вы зафиксировали гайкой и сжали. Если гайка оторвётся, то пружина высвободит свою потенциальную энергию, распрямится и может больно стукнуть по лбу. Сжатие пружины тут - это кулоновское отталкивание, которое высвободится при распаде ядра. Фиксация системы гайкой - это сильное взаимодействие между протонами.

Да и зачем так усложнять сравнение - вспомните, как в детстве вы ломали ветку или доску. Тянешь деревяшку на себя, она упруго изгибается. В какой-то момент происходит излом и слышен хруст. Характерный звук излома тут и есть высвобождение энергии, чем-то напоминающее процесс высвобождения силы отталкивания в атоме.

Следующий стандартный вопрос - как так получается, что силы электромагнитного характера (к которым относятся Кулоновские) и которые не являются сильными, порождают такое феноменальное количество энергии? Тут ответ ещё проще. Обратите внимание, что в качестве ядерного топлива используются тяжелые элементы с большим количеством протонов. И не только потому, что они иногда самопроизвольно испускают излучение. Важно количество протонов, которое распадается. Большое количество кулоновского отталкивания, пропорциональное количество протонов, позволяет получить невероятное количество энергии.

Откуда энергия при синтезе?

Интересно, что энергия может выделяться не только при распаде ядра, но и при его "сборке". Мы сейчас затрагиваем тему термоядерного синтеза.

В отличие от расщепления ядра, синтез в лабораторных условиях сейчас выполнить сложно. В научпоп статьях частенько проскакивает, что те или иные ученые запустили токомак и удалось добиться условий синтеза, но на этом пока всё заканчивается.

Основную проблему синтеза мы обозначили чуть выше - нужна невероятная температура и не менее невероятное давление. По сути нужно сжать плазму. Это делается с помощью магнитных полей. Они же удерживают плазму на месте. В этом случае происходит образование сильного взаимодействия.

В природе это обычно случается в результате "работы" звёзд.

Энергия при синтезе (как, в общем-то, и при распаде) обусловлена работой эффекта дефекта масс. Но попробуем обойти это более сложное понятие. Да и объяснение с приведением знаменитой формулы Эйнштейна не то, чтобы сильно понятное.

Наверное самое простое, но не самое корректное объяснение тут - понимание механизма образования связи между частицами. Об этом много говорят в курсе химии.

Протоны, которые сливаются в сильное взаимодействие, состоят из кварков. Соединяет протоны обмен частицами между кварками.

Говорим образно. Для того, чтобы соединить два протона друг с другом нужно израсходовать четыре связи. А у исходных частиц, образующих связь, есть по пять связей. Четыре будут израсходованы на соединение, а одна останется. Количество связей образуется тем, какой элемент мы синтезируем. "Свободная связь" - это и есть источник энергии в термоядерном синтезе.

Куда денется эта связь? Никуда, ведь частички соединяются друг с другом, исходя из расчёта 4 связи на элемент. Эта связь останется свободной и как раз-таки станет источником энергии при термоядерном синтезе. Она уйдёт из системы в виде тепловой энергии.

⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи!

Обычно я встраиваю ролик на Тубчике прямо в статью, но сейчас у некоторых оно тормозит, а потому приглашаю посмотреть моё  новое видео по ссылке. 

Квантовая механика - штука уж точно не очевидная и множество вопросов переворачиваются в ней с ног на голову. Но это ещё половина беды. Сложность ещё и в том, что в терминах квантовой механики нет ни ног, ни головы. Поэтому, бытует мнение, что искать тут хоть какую-то логику бесполезно.

Но всё-таки сделать это очень хочется. Я уже много раз разбирал на канале проблему наблюдателя. Для тех, кто не помнит суть проблемы - у нас есть такая двойственность природы частиц и квантовая система проявляет себя только при взаимодействии с наблюдателем.

Та самая жуткая жуть

Пока мы не измерили фотон, он ведёт себя как волна с характерной для этой сущности природой. После измерения он становится чем-то типа частицы. Это уже прописные истины.

Вот только самый главный вопрос - а что было ДО того, как его измерили? Будет ли выбранное состояние действительно случайным (то есть не будет подразумевать существование конкретного варианта до измерения) или же мы выберем один из возможных вариантов, который прописан в системе?

Этот вопрос занимает меня уже долгое время. В попытках проработать его я записал ролик про истинную суть случайности и обдумал самые разные варианты. Если вы всё ещё не понимаете о чём тут спор, то вот вам пример.

Пример истинной случайности

Представьте себе, что добраться до парка можно тремя различным маршрутами. Пускай это исчерпывающее количество комбинаций, которое только возможно. Опустим тот факт, что порой новый маршрут есть комбинация старых участков пути и так может родиться ещё десяток вариантов маршрута. Допустим, что это технически невозможно по любой причине.

Предположим, что мы измеряем такую систему и результат измерения должен зафиксировать конечный вариант. Один из трёх. Согласно моей логике измерение в квантовом мире должно выбрать вариант случайный, но из трёх обозначенных в обсуждении.

Как пройти в библиотеку

Но появляется специалист, который говорит вам, что не существует ни вариантов, ни маршрутов, ни заведомом проложенного пути. Путь рождается в момент взаимодействия наблюдателя и системы, и он отличается от того, что мы нарисовали на карте. Ни один из исчерпывающих вариантов тут не будет случайным. По-настоящему случайный вариант, отвечающей принципам квантовой механики, будет отличаться от всего сразу.

На это я отвечу ему - эй, дружище, но ведь это ересь! В любой реальной системе невозможно представить себе такую ситуацию, что выбор не будет включать один из уже существующих вариантов. Вопрос в вероятности...

В ответ на это мне скажут, что я сторонник скрытых параметров. И что эта концепция мертва и бессмысленна. Что случайности абсолютно случайны и это не проблема математики, а проблема природы вещей.

Что же, мы подходим к самому интересному.

Скрытые параметры в квантовой системе

По этой теме написано очень много и для её полной проработки нужно написать книгу. Но мы коснёмся только верхушек для формирования общего понимания.

Суть проблемы такова, что вроде как настоящая квантовая физика подразумевает полный отказ от даже зачатков детерминизма. Даже логика, что сама математическая природа случайности должна подразумевать существование вариантов (вероятных и не очень) порицается. Такой подход окрестили скрытыми параметрами.

Скрытые параметры – это свойства объектов, остающиеся за гранью нашего восприятия и измерений, но при этом оказывающие влияние на то, что мы наблюдаем. В квантовой механике эта идея проявляется в гипотезе о существовании внутренних, недоступных для экспериментального определения характеристик систем (например, частиц), которые, тем не менее, определяют исход любого измерения.

Почему скрытых параметров нет?

Логика существования таких параметров кажется более чем правильной.

Ведь если опираться на историю становления научного знания, то множество вещей когда-то описывались как нечто непонятное. Сродни появлению настоящей случайности. Но после более детального изучения системы оказывалось, что существует НЕКОТОРАЯ ВЕЛИЧИНА, которая влияла на явление. Просто этот фактор нельзя было обнаружить.

Само собой, что хотелось бы понять откуда появилась идея о проверенной гипотезе отсутствия этих самых скрытых параметров.

Неравенства Белла как доказательство

Неравенства Белла, появившиеся как следствие разбора ЭПР-парадокса Эйнштейна, Подольского и Розена, стали ключевым инструментом для проверки локального реализма и демонстрации квантовой нелокальности. Они представляют собой решающий аргумент в этом фундаментальном споре о природе реальности.

Скрытый параметр

Стоит отметить, что на заре формирования квантовой физики многие физики, включая Эйнштейна, воспринимали вопрос с позиции классического взгляда на проблема. Эйнштейн даже говорил про игру в кости. По его логике существование абсолютной случайности в науке должно было быть полностью исключено.

Само собой неравенства Белла - это сугубо математический вариант объяснения проблемы. Опять-таки, мы не полезем в сложную математику, но выжимка проблемы будет простой - исходя из математического аппарата и математического анализа следует, что добавление коэффициентов, которые иллюстрируют существование возможных скрытых параметров не меняют систему.

Любители истинно квантового подхода зацепились за этот факт и начали его активно тиражировать...Вот только...

Скрытые параметры - это немного о другом

На самом деле, неравенства Белла не доказывают, что абсолютно никаких скрытых параметров не существует. Они доказывают, что не существует локальных скрытых параметров, которые могли бы объяснить все предсказания квантовой механики. Это очень важное различие.

Джон Белл вывел математическое неравенство, которое должно выполняться, если верен локальный реализм. Эти неравенства связывают результаты измерений различных свойств запутанных частиц (например, спина).

Реализм тут в том, что физические величины имеют определенные значения, независимо от того, измеряем мы их или нет. То есть, у частицы есть какое-то значение спина до того, как мы его измерили.

Локальность в том, что Объект может быть подвержен влиянию только своего непосредственного окружения. Информация не может передаваться быстрее скорости света. Это означает, что если мы измеряем спин одной частицы в запутанной паре, это измерение не может мгновенно влиять на спин другой частицы, находящейся далеко.

Идея скрытых параметров была предложена как способ спасти реализм. Предположим, что у частиц есть определенные значения свойств до измерения, но мы просто не знаем этих значений. Эти “скрытые параметры” определяют результат измерения. Белл показал, что если эти скрытые параметры локальны (то есть, не нарушают принцип локальности), то они должны подчиняться его неравенствам. Поскольку эксперименты нарушают эти неравенства, теория локальных скрытых параметров не может объяснить квантовую механику.

Неравенства Белла многократно подтвердили экспериментально. Например, В 2023 году физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки.

Вот только для меня остаётся вопросом другое. Хорошо, я и не претендую на существование скрытых параметров. Я даже не спорю, что конкретные значения могут быть неизвестны до измерения. Не ясно ещё кое-что - любой вариант всё равно может оставаться случайностью в рамках математической модели. При этом логика Белла может остаться правильной.

Помните добрый мультик про Панду Кунг Фу и "случайности, которые не случайны", как говаривал учитель-черепаха? Похоже он намекал на детерминизм.

В разговорной речи часто встречается понятие "случайность". Говоря более "сухим" языком - это случайное событие. Не столь важно, как правильно называть такое явление. Смысл простой - случайность с физической точки зрения подразумевает событие, которое может произойти, а может и не случиться. И всю философию тут полезно исключить.

Тогда появляется интересный вопрос. Где-то глубоко в теории, любая случайность по всей логике должна быть всё-таки детерминирована. То есть исчерпывающий набор факторов и детальное описание любого процесса должны дать возможность прогнозировать явление с высокой точностью.

Упрощу формулировку: Существование случайности описывается математически. Это событие с низкой вероятностью его существования. Дальше исходим из того, что математический аппарат настолько громоздкий, а явление настолько сложное, что мы, как это говорится "забиваем" и называем всё случайным. Хотя это просто событие с низкой, точно вычисляемой, вероятностью существования.

Отмечу, что лично моё мнение по вопросу всегда строилось на том, что любая случайность - это плохо просчитанная вероятность, где не хватает данных. Что случайность невозможна технически. Ну тут на своём канале в Телеге я обсуждал с уважаемым комментатором принцип работы измерений в квантовом компьютере.

Квантовый компьютер использует логику эффекта наблюдателя. Относительно эффекта наблюдателя у меня тоже было чёткое мнение. Я исходил из того, что существует просто невероятное количество вариантов, которые можно подсчитать согласно методу определения вероятности. Это будет, скажем, 100 (не важно сколько, наверное больше), возможных сценариев. И мы выберем "выпавший" как в лото. Вот только мой собеседник обвинил меня в использовании логики использования идеи "скрытых параметров". И на тот момент, я не мог представить, что случайность не детерминирована. Но такое мнение встречается мне всё чаще. Давайте попробуем ковырнуть глубже.

Случайности и точные науки

Точные науки они на то и "точные". Но возьмем, скажем, математику. Случайность, это такое событие, которое могло бы быть другим, но стало таким.

Теория вероятности делит события на три типа:

• Невозможные - при данных условиях невозможны
• Случайные - могут быть, а могут не быть
• Достоверные - точно произойдут

Случайное событие происходит с некоторой вероятностью. События сравнивают по величине их вероятности. Например, в идеальном случае для монеты вероятность выпадения орла равна вероятности выпадения решки. И эти вероятности почти равны 0,5. Правда тут я бы "доковырялся" к этому классическому примеру и сказал, что с одной стороны монетка тяжелее, чем с другой. Значит, это точно не 0,5. Но это не суть беседы.

Как оказалось, я в своих размышлениях всегда опирался на теорию детерминизма. Она подразумевает, что если бы мы смогли запрограммировать все факторы и имели бы точное расчётное уравнение, то вычислить вероятность того или иного исхода при якобы "случайностях" не составило бы никакого труда. Причём, точность была бы 100%.

Эту логику "кроют" эффектом бабочки.

Дело в том, что большинство дифференциальных уравнений, описывающих реальные процессы, являются нелинейными уравнениями с неустойчивыми решениями относительно начальных условий.

Это подразумевает, что вроде как "точные" формулировки уравнений меняются ещё и сами вместе с изменениями условий.

Математика тут, вроде как, точная. Однако, изобилие решений делают процесс непрогнозируемым. Скажем, этакая задача трёх тел. Правда её сегодня, вроде как, уже смогли детерминировать. Но давайте рассматривать задачу трёх тел с позиции Ньютона, у которого из вычислительных устройств были, разве что счёты (и тех, не было, если серьезно). Каждое новое движение меняет расчётное уравнение.

В науке такое явление получило название "эффект бабочки". Если бабочка махнула крылышками, то где-то прошёл ураган. Таков один из возможных вариантов. Математика "оправдывает" это тем, что решение уравнения процесса будет по экспоненте отклоняться от предыдущего решения.

Два решения с очень близкими начальными условиями очень быстро станут диаметрально противоположны.

Что же...Всё равно не убедили

И всё-таки. Хорошо, многие процессы описываются нелинейными уравнениями. Предсказать что-то в объективном понимании невозможно. Компьютеры банально не умеют работать с некоторыми числами высокой точности, где есть миллионные знаки после запятой, а всё это может сказаться при наложении факторов и сработает эффект бабочки. Пусть так.

Метод Ньютона для приблизительного решения

Но любое нелинейное уравнение - это всё-таки математический инструмент. Невероятно сложно учитывать все факторы. Их невозможно подсчитать и пересчитать. Результаты отличаются взрывным образом. Но всё это точная математика.

Тут я вижу два разрешения проблемы:

• Или математический аппарат в принципе не может работать с высокими точностями. Значит, сколько уравнений не составляй, где-то мы упрёмся в предел вычислений и предел точности, и числа типа 0,56565689 и 0,56565683 будут иметь сходное физическое значение
• Или всё-таки всё упирается в невозможность это подсчитать, а это уже совсем другая история и вся "магия" случайности пропадает и превращается в детерминированные значения

Есть ещё один вариант, о котором не хотелось бы тут писать. Вероятно, я сам не понимаю всю глубину и сложность тем нелинейных уравнений и вижу это излишне упрощенно.

Теория говорит, что в нелинейных системах взаимодействия могут влиять сами на себя: когда воздушные потоки протекают по крыльям реактивного самолёта, поток воздуха изменяет молекулярные взаимодействия, которые, в свою очередь, изменяют воздушный поток, и так далее.

Такая петля обратной связи порождает хаос, где небольшие изменения в начальных условиях позже приводят к крайне изменчивому поведению, что делает прогнозы практически невозможными.

Вот только отругайте меня в комментариях, если так нужно. Но это не исключает точный расчёт. Пускай условия хоть трижды влияют сами на себя. Они делают это согласно закономерности. Сложно не означает "невозможно". Всё упирается в ограниченность самой математики. Но это не отменяет детерминированности случайности.

В одной из статей было отмечено, что:

Эндрю Чайлдс из Университета Мэриленда возглавил работу, в которой учёные пытаются позволить квантовым компьютерам точнее моделировать нелинейную динамику. Алгоритм его команды превратил хаотичные системы в массив более понятных линейных уравнений с помощью метода линеаризации Карлемана. Джон Т. Консоли / Университет Мэриленда

Значит, если упрощение достигнуто, то и логика видимо работает. Правда здесь же отмечено, что квантовый компьютер технически не справится со всей проблемой. Ведь это устройство, которое тоже построено на линейной логической модели и заставить его решать такие вопросы - это как заставить машину летать.

Я так понимаю, что основная и главная проблема - невозможность применить линейность для работы с нелинейностью. Вся логика принципиально другая и дело тут не в философском понимании действительности. И тут я был бы благодарен за хорошие комментарии по теме.

Ведь похоже нелинейность - это не просто закономерность по экспоненте или параболе, а что-то более глубокое. По крайней мере только это может оправдать существование случайности именно в том виде, как её преподносят в статьях про эффект наблюдателя.

Ваши вопросы и море интересного контента ждут в моей телеге ;)

Помните момент появления Кайла или Терминатора? Для путешествия в прошлое они использовали машину времени. Эта машина времени отличалась одной интересной особенностью - она могла переносить в прошлое только органические материалы. И вот тут появляется невероятное количество вопросов к технической части проблемы. Скорее всего это, отчасти, сюжетная дыра (которая, сразу отмечу, не делает фильм хуже).

В 2029 году «Скайнет» создает машину времени и отправляет в прошлое Т-800, терминатора с лицом Арнольда Шварценеггера. Его задача - убить Сару Коннор, чтобы Джон Коннор не родился и не стал лидером людского сопротивления. Сам Джон Коннор отправляет вслед за терминатором Кайла Риза, который должен спасти Сару Коннор.

Но есть один нюанс, как в том анекдоте, который нельзя рассказывать. Для того чтобы переместиться во времени, нужно быть голым. В противном случае машина перенести тебя никак не сможет. Именно поэтому все герои фильма переносятся голыми, а потом гопают окружающих - кому-то достаются бездомные и их штаны, а кто-то забирает косуху. Объясняется это поверхностно - мол машина времени не может работать с неорганическими материалами.

Как именно работает созданная машина времени и чем ей не угодила неорганика предположить весьма сложно. Вероятнее всего, речь идёт о разборке материала в одном пространственно-временном континууме и сборке его в другом. Единственное, что тут напрашивается, что у органики такая модель есть, а у неорганики нет. Так материал, который был разработан в будущем может просто не иметь рецептуры в прошлом и не будет собран.

Но версия со сборкой нового материала по атомам полностью рушится, когда мы видим, что терминатор из жидкого металла спокойно попользовался порталом. Ну...В теории это могла быть металлическая органика. Такое тоже существует в реальности (и если соберем хотя бы 700 лайков, то сделаем про это материал). Но как быть с "пересборкой" скелета Т-800, которого вроде как и облачили специально в тело Арни для того, чтобы машина времени всё это проглотила? Вопрос открыт.

Идея про голые путешествия продолжает тиражироваться из части в часть легендарного фильма. И почему-то техника не совершенствуется. Наверное всем нравится перспектива попасть в прошлое абсолютно без всего и грабить всякого рода маргиналов. Но есть и ещё кое-что.

Поправьте меня, если я не прав, но как я помню, любая ткань (точнее как - большинство тканей) - есть материалы органические. Это органика. Особенно если используются волокна растительного происхождения.

Органические соединения, органические вещества — класс химических веществ, объединяющий почти все химические соединения, в состав которых входят атомы углерода, связанные с атомами других химических элементов. Изучаются в органической химии, и на начальном этапе её развития к органическим относили только соединения углерода растительного и животного происхождения.

Допустим, что с растительностью в таком ужасном будущем дело плохо. Но что мешает при таком уровне развития технология слепить полностью органическую ткань? Хотя бы просто футболку и шорты? Я не вижу тут технических ограничений и скорее всего любая ткань типа Оксфорд, которая активно используется для туристической одежды, тоже полностью синтетическая на базе органики.

Ладно уж, что отправленному в прошлое приходится драться с бомжами за тапки. Это ещё и отнимает силы от основной миссии. В тоге попади Кайл в лютую зиму, ему бы точно настал "кирдык" без одежды. При этом тот же самый вопрос. Я не понимаю, какие технические ограничения не позволяют сделать органическую одежду и нужный эквип.

Может быть у вас есть подробное описание технологии такой машины времени и я что-то не учитываю?

⚡ Не забываем добавляться в Telegram-канал проекта.

Скоро лето, а зима выдалась очень снежной. В этом году велик шанс увидеть настоящее чудо земли русской. Это щитни – древние ракообразные, которые появляются также неожиданно, как и исчезают.

Уникальная особенность этих небольших монстриков заключается в том, что это единственное более менее крупное (до 12 см) животное, которое живёт почти исключительно только в ЛУЖАХ. Реки – нет. Озёра – нет. Болота – нет! Только лужи. Только временные микроводоёмчики после обильных осадков или таяния снега.

Щитни упорно избегают водоёмов, где водится другая живность. Рыбы, амфибии и т.д. только уменьшают шансы их появления, но всё-таки иногда щитни могут быть обнаружены и в обычных водоёмах, но это скорее исключение из правил.

Ещё более удивителен их жизненный цикл. Цисты (микроскопические яйца щитней) могут лежать в земле в случайных местах десятилетиями. Они ждут ведомых только им идеальных условий для пробуждения. Поэтому в один год щитней нет вообще, а в другой они могут неожиданно появиться в любой луже.

После вылупления личинки развиваются с огромной скоростью. Из микроскопических они превращаются в половозрелых особей длиной несколько сантиметров всего за 2 недели. Всё это время они фильтруют органику. В пищу им подходит почти всё. От букашек и головастиков до остатков растений и частичек мусора в воде.

Вскоре щитни начинают бурно размножаться. На данный момент известно, что большинство щитней – девочки, и они размножаются партеногенезом, то есть штампуют своих клонов без участия самцов. Но иногда в популяциях всё-таки появляются мальчики, чтобы внести хотя бы небольшое генетическое разнообразие в популяцию.

И вот, отложив яйца в грунт, щитни исчезают также внезапно, как и появились. Лужа, скорее всего, уже высохла, щитни погибли, а их потомство разнесёт ветер. Быть может, через несколько лет или даже десятков лет новая популяция возникнет здесь же в этой старой луже, или где-то ещё.

Если вы вдруг встретите щитня этим летом, то вам очень повезло. Вы наблюдаете настоящее чудо природы. Они не опасны и не могут причинить никакого вреда человеку. Остается только созерцать и радоваться. 

Рассказывайте о своих встречах с этим загадочным существом! 

Тык

Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.

Обычная суперпозиция

В стандартном случае принцип суперпозиции означает, что если у вас есть несколько решений некоторого уравнения, описывающего физическую систему, то любая линейная комбинация этих решений также будет решением этого уравнения.

Звучит довольно путанно, но поможет простой пример. Представьте себе, что вы бросаете два камня в пруд. Каждый камень создает механические волны на поверхности воды. В тех местах, где волны от разных камней встречаются, они накладываются друг на друга (суперпозиционируются) или... если ещё проще...Складываются.

Можно смело сказать, что итоговая волна, которую вы видите на поверхности пруда, является результатом суперпозиции волн от каждого камня. Это линейная суперпозиция, потому что амплитуда результирующей волны в каждой точке является суммой амплитуд волн от каждого источника. Ну и важно отметить, что складывается оно по всем правилам математической обработки результата - плюс складывается с минусом, учитывается направление вектора и так далее. Некоторые почему-то притягивают сюда логику абсолютного значения.

И тут всё хорошо и логично. Но потом мы сталкиваемся с квантовой физикой. Там есть квантовая суперпозиция.

Определение квантовой суперпозиции и примеры

Это совсем другое понятие, хотя логика суммирования тоже может к нему применяться. Нам важно понимать что это такое, потому что суперпозиция - это база для всей квантовой механики.

Начнём с примера. Процитирую, пожалуй, классическое представление проблемы и не менее классический пример.

Представьте, что у вас есть монетка, которая крутится в воздухе. Пока она не упала, нельзя сказать, орёл там или решка – она как бы “и то, и другое сразу”. Вот это и есть квантовая суперпозиция!

В квантовой физике частицы (например, электроны) могут находиться в нескольких состояниях одновременно (например, иметь разный спин или энергию). Пока мы не измерили, в каком именно состоянии частица, она находится в “суперпозиции” всех возможных состояний. Только в момент измерения частица “выбирает” одно конкретное состояние.

Суперпозиция - это как “квантовая неопределенность” до момента наблюдения.

Осознать это в здравом уме не так-то и просто.

Кот Шрёдингера как пример безумия

Вот и Шрёдингер подумал, что это какой-то бред и привёл легендарный пример с котом. Да, я не устаю напоминать, что кот Шрёдингера был примером того, что квантовая физика - это безумие. Но в историю, как это часто бывает с событиями, он вошёл как милое животное, которое и живое и мёртвое.

Он предложил мысленный эксперимент. В закрытом ящике следует расположить кота и флакон с ядом. Флакон с ядом может быть разрушен, а зависит это от системы срабатывания, которая зависит от вероятности распада частицы. Мы умышленно подбираем такой вариант, когда это фифти-фифти или 50 на 50. Мы сможем узнать, что именно случилось с котом только в том случае, когда откроем ящик. Но до того момента кот сразу и живой, и мёртвый с равно вероятностью. Эксперимент иллюстрирует сразу и эффект наблюдателя, и состояние квантовой суперпозиции.

Квантовую позицию не представить в здравом уме

А теперь прочитайте это ещё раз и попробуйте перенести состояние фифти-фифти на обычную жизнь. Не получается? Именно так! Всё потому, что между квантовой физикой и физикой стандартной (которая нами легко воспринимается) существует серьезный барьер.

По сути любое квантовое событие рассматривается именно как кот в закрытом ящике. Я много раз поднимал эти темы на канале.

Состояние любой квантовой системы описывается квантовой или волновой функцией. Это база. И она не имеет определенного описания конкретного варианта или состояния системы.

Мы получаем результат только в случае наблюдения (парадокс наблюдателя). По сути дела это можно перефразировать, что конкретное состояние из множества вариантов проявляет себя только в момент взаимодействия с системой (это детектирование или что-то аналогичное). Такое взаимодействие принято называть коллапсом волновой функции.

И тут целая вереница интересных размышлений и разбора сопутствующих проблем (например про варианты, которые были у системы или про скрытые параметры). Но не будем пока отвлекаться. Всё это интересно, однако нам нужно познать квантовую суперпозицию.

Квантовая суперпозиция - это МАТЕМАТИКА

Очень важно осознать, что квантовая физика отталкивается от математики. Переносить туда знания о макромире не то, чтобы сильно правильно.

Квантовая суперпозиция - это математика и только потом попытка наложить её на физику.

Для того, чтобы в должной мере понимать проблему, полезно изучать историю физики. Но я упрощу вам задачу и сделаю это за вас. Вывод там один - почти все квантовые явления начинаются с математического анализа. Это не физика, в которой встречается математика, это математика, которую потом пытаются найти в реальности и даже частенько находят.

Пример наблюдения квантовой функции в реальности

Вот, например, в 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать студенческую задачу про частицу в ящике в реальной жизни. Это как раз способ моделирования суперпозиции.

Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности и про это было на канале), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра. Затем они инжектировали электроны в эту яму. Используя сканирующий туннельный микроскоп, который может улавливать отдельные электроны с поверхности, они измерили плотность электронов в разных точках загона.

При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне. Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).

По сути это наблюдение загадочной волновой функции на практике, где электроны вели себя согласно расчёту.

Получается, что как-то доходчиво представить математическую суперпозицию в терминах стандартной физики очень сложно. Механику сюда не притянуть. Лучшим примером остаётся монетка в воздухе, но и тут не всё так просто.

В классической механике объекты всегда имеют определенные значения своих свойств (например, положение или скорость). Суперпозиция просто описывает, как комбинируются значения этих свойств от разных источников.

В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объект не имеет определенного значения свойства до момента измерения. Он находится в “смеси” всех возможных значений. Это принципиальное отличие, которое делает квантовую суперпозицию гораздо более загадочной и контринтуитивной, чем классическую.

Это говорит лишь о том, что не зря квантовые системы отталкиваются от математики, накладывая расчётные состояния на реальность. И можно было бы плеваться и говорить, что это не настоящая физика, но примеров, когда это работает успешно, вполне хватает. Например, в вашем устройстве, на котором вы сейчас читаете текст, есть транзисторы с квантовым туннелированием и это работает.

Дальше нам остаётся спорить про выбор конкретных состояний или про существование истинной случайности, про хаос или детерминированную, но сложную математическую модель и про то, что происходит при детектировании частицы в опыте Юнга. Но это уже совсем другая история.

Международной команде физиков удалось измерить гравитационное притяжение магнитной частицы массой в 200 с лишним раз меньше массы божьей коровки. Авторы надеются, что в скором будущем их изобретение позволит понять, как работает гравитация в квантовом мире.

Гравитация — сила, которая притягивает друг к другу два тела, имеющих массу. А еще это одна из четырех фундаментальных сил Вселенной наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Из четырех сил гравитация самая слабая, но зато и наиболее наглядная. Гравитационная сила позволяет людям ходить по Земле, а планетам — вращаться по орбите вокруг Солнца.

Гравитация любого объекта зависит от его массы и квадрата расстояния до него. Следовательно, чем массивнее тело, тем больше гравитационное притяжение, чем дальше, тем слабее. Один из способов обнаружить гравитацию у объекта в макромире — с помощью искажения света рядом с ним. 

Однако проделать то же самое на микроуровне (в квантовом мире) с частицами, которые находятся друг от друга на маленьких расстояниях и имеют такую же массу, непросто. Отчасти из-за слабости гравитации, которая возникает между этими крошечными объектами, но также и потому, что более крупные тела поблизости могут «зашумлять» гравитацию более мелких тел. Поэтому ученые пока точно не знают, что происходит с гравитацией на микроскопическом уровне, где доминируют квантовые эффекты. Уже давно многие физики ищут способ, который позволил бы провести результативные измерения квантовой гравитации в лабораторных условиях. 

Международная команда физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) из Саутгемптонского университета (Великобритания) разработала устройство, позволяющее измерить гравитационное притяжение в небольших масштабах. О своем изобретении ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science Advances.  

Эти измерения удалось провести с помощью левитирующей магнитной частицы, состоящей из трех «склеенных» магнитов Nd 2Fe14B 0,25×0,25×0,25 миллиметра и массой 0,43 миллиграмма (разумеется, это все еще много для квантового мира). Частица поднималась в воздух под действием магнитного поля, чтобы противодействовать гравитации Земли. Магнитное поле создавали сверхпроводящие устройства — электромагнитные экранированные «ловушки». 

Чтобы исследовать поведение частицы, ученые поместили рядом с ней другой объект, большей (испытуемой) массой — около килограмма, который воздействовал на нее своим слабым гравитационным полем. Ученые смогли измерить это воздействие. Выяснилось, что под действием гравитации крупного тела частица смещалась на нанометры, а сила, действующая на частицу, составила всего 30 аттоньютонов (аттоньютон — одна миллиардная миллиардной доли ньютона). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в экспериментах на сегодняшний день.

Во избежание влияния электрических сил и внутреннего воздействия тепла, ученые охладили частицу почти до абсолютного нуля — до около минус 273 градусов по Цельсию. Также физики использовали систему пружин для изоляции внешних вибраций, создаваемых вторым телом. 

По мнению авторов исследования, результаты их работы в будущем приведут к новым открытиям в науке о гравитации и квантовом мире.

«Наша новая техника, которая использует чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частицы, вероятно, сможет существенно продвинуть измерения в области квантовой гравитации», — пояснил Ульбрихт.

Следующий этап эксперимента — уменьшение испытуемой массы объекта до массы магнитной частицы, чтобы можно было измерить гравитационное притяжение, пока частица показывает квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция. Ульбрихт отметил, что добиться этого будет сложно, поскольку такие малые массы потребуют невероятной точности всех составляющих опыта, например, точного расстояния между частицей и воздействующим объектом. 

Также необходимо учитывать возможные погрешности, связанные с такими факторами, как температура и магнетизм. По словам физика, на достижение этих целей может уйти как минимум десятилетие. 

Отметим, что опыты, проведенные группой Ульбрихта, не первые в своем роде. В 2021 году физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки, а точнее, золотого шарика с аналогичной массой — 90 миллиграммов. На тот момент это была самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.

Если разместить стабилизатор спереди, то он сделает ровно противоположное от своего назначения - дестабилизирует ракету. 

Повод расчехлить графический планшет

Во-первых, идеально симметричных реактивных снарядов не существует. Есть только понятие допустимая погрешность. Так что рано или поздно снаряд начнет лететь криво. Компенсировать это можно, либо задав сильное вращение вокруг продольной оси, как в нарезной артиллерии, либо... Собственно, стабилизаторами.

 Во-вторых, центр тяжести у этих балумб находится ближе к центру, ещё и динамически изменяется по мере отработки топлива. Да, он может сместиться ближе к носу ракеты, но всё равно останется позади носового стабилизатора.

 В-третьих, воздушные потоки тоже не идеально параллельно снаряду направлены. Порой пуски приходится делать перпендикулярно ветру.

И ещё туева хуча фаторов.

Поэтому ракета сразу завалится в какую-то сторону, а давящие в носовые стабилизаторы потоки с удовольствием помогут ей провернуться на 180 градусов.

И это вращение продолжится, пока не закончится топливо. А далее есть реальные шансы, что снаряд стабилизируется в положении задом наперёд и покажет относительно нормальную траэкторию в конце полёта... Только траэктория эта после всех кренделей, что совершит ракета к этому моменту, может указывать куда угодно, хоть обратно в стреляющего.

Почему именно сзади стабилизаторы работают... Потому что теперь центр тяжести спереди, и воздушные потоки, наоборот, своим давлением на стабилизаторы не дают ракете встать боком. Масса, которая тащит их за собой - имеет всяко больше энергии, чем хвост ракеты, поэтому хвост больше не сможет обогнать центр масс. 

Исключения - ракеты с активными аэродинамическими поверхностями стабилизаторов (по сути, стабилизаторы с рулями, управляемые системой наведения) наподобие современных "воздух-воздух" или "земля-воздух", созданные для преследования маневренных целей типа истребителей. Они достаточно прочны, чтобы резко повернуть хоть на 90 градусов и более относительно вектора своего изначального движения, и это при работающем двигателе. Тем самым, хвост на мгновение догоняет центр масс. 

Теория струн. Приходила ли вам в голову мысль, что Вселенная похожа на виолончель? Правильно – не приходила. Потому что Вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн. Поговорим сегодня про Теорию струн.

Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные «резинки», способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады. Все это, однако, не означает, что на них нельзя «сыграть» симфонию Вселенной, ведь из этих «нитей», по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.

Противоречие физики

Во второй половине XIX века физикам казалось, что ничего серьезного в их науке открыть больше нельзя. Классическая физика считала, что серьезных проблем в ней не осталось, а все устройство мира выглядело идеально отлаженной и предсказуемой машиной. Беда, как и водится, случилась из-за ерунды – одного из мелких «облачков», еще остававшихся на чистом, понятном небе науки. А именно – при расчете энергии излучения абсолютно черного тела (гипотетическое тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение, независимо от длины волны – NS).

Расчеты показывали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности.

Суть его сводится к тому, что вопреки всем господствующим до того утверждениям, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Речь, конечно, идет о будущем и настоящем субатомных частиц. Выяснилось, что они ведут себя совершенно не так, как это делают любые вещи в окружающем нас макромире. На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после.

Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства-времени. Частицы на субатомном уровне словно «размазаны» по пространству. Мало этого, не определен и сам «статус» частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других – проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики.

В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут – гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени – то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» – квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн.

Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну.

Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть – даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле.

ОТО описывает одну из самых известных сил Вселенной – гравитацию. Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил.

С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие – но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн – одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной – недаром ее еще называют «Теорией Всего».

Вначале был миф

До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение – легенда.

В конце 1960-х годов молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия – чрезвычайно мощный «клей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел функцию двухсотлетней давности, впервые записанную швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что функция Эйлера, которую долгое время считали не чем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.

Как же было на самом деле? Формула, вероятно, стала результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Функция Эйлера, чудесным образом объяснившая сильное взаимодействие, обрела новую жизнь.

В конце концов, она попалось на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала час­тицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял – формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн.

К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.

Стандартная модель

В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, – не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос – зачем их так много и откуда они берутся?

Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию – они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон – частица света. Чем больше этих частиц-перенос­чиков – тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками – есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.

Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после Большого взрыва, когда Вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы-переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну-е­дин­ственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу».

Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название Стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема – она не включала в себя самую известную силу макроуровня – гравитацию.

Для не успевшей «расцвести» теории струн наступила «осень», уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион – частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим.

К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.

Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило – может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории – струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона – частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн – Майкл Грин.

Субатомные матрешки

Несмотря ни на что, в начале 1980?х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщес­тва взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.

Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц – электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала.

Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются. 

Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти…

Пятое измерение

Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются – прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн – это теория физики или философии?.. Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое – то, что звучит как научная фантастика – подтверждение существования дополнительных измерений пространства.

О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному – времени. Но теория струн предсказывает наличие и других – дополнительных – измерений. Но начнем по порядку.

На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась. Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики.

Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени. Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос – рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении.

Но где оно?

Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн.

Но на самом деле уравнения теории струн требуют даже не одного, а шести дополнительных измерений (итого, с известными нам четырьмя, их получается ровно 10). Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все – невообразимо малы.

Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир? Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки. Это происходит потому, что при нажатии той или иной клавиши или их комбинации, вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте, где циркулирует воздух. Благодаря этому и рождаются разные звуки.

Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам. Ведь если предположить, например, что одна струна вибрирует внутри кувшина, а другая – внутри изогнутого почтового рожка, это будут совершенно разные вибрации. Впрочем, если верить теории струн, на деле формы дополнительных измерений выглядят куда сложнее кувшина.

Как устроен мир

Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме… И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз – последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут.

Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в «мелочах» – именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.

Теория суперструн

В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн – NS), в деталях эти версии расходились значительно.

Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других – напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу Вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова махнули рукой на «сумасбродную» теорию.

Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности (по крайней мере, пока) доказать их наличие экспериментальным путем.

Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро – как минимум через десятилетия, как максимум – даже через сотню лет. 

У каждого физического явления есть некоторая скорость. Электрический ток распространяется по проводу не мгновенно, а за некоторое время. Из этого логично предположить, что и у гравитации тоже есть своя скорость. Но если исходить из наблюдений, то складывается впечатление, что такая характеристика вообще не применима к этому понятию.

Если вы больше любите смотреть, чем читать, то могу предложить посмотреть ролик по этой теме на моем канале. Обычно я просто вставляю ролик в статью, но сейчас  у некоторых туб тупит. 

Ну точно скорость света...

Возьмем, например, яблоко. Да, именно яблоко, ведь этот плод у большинства людей ассоциируется с Ньютоном и гравитацией. Поместим это яблоко в гравитационное поле и заметим, что яблоко сразу поддаётся его воздействию. Как только объект оказывается рядом с другим массивным физическим телом, то они начинают притягиваться. Умозрительно это выглядит как молниеносное проявление взаимодействия. И что-то внутри подсказывает, что иначе просто не может быть.

Поэтому разыграем сценку иначе. В одной далёкой-далёкой галактике, где рядом нет материальных массивных тел, разместим два небесных тел. Насколько быстро они начнут влиять друг на друга и испытывать гравитационное взаимодействие? Настолько быстро, насколько высока скорость гравитации. Ну а все уважаемые читатели моего проекта наверняка помнят, что "мгновенно" себя проявляет только квантовая запутанность и потому оно "чёртово дальнодействие". И то там очень много подводных камней.

В попытке выяснить эту скорость у нас случается казус. Проблема в том, что скорость будет напрямую определяться правильным пониманием явления. С этим есть некоторая напряженка. Давайте обсудим все возможные варианты, а в конце обозначим "самый правильный" с точки зрения современной физики.

Одно из предположений о природе гравитации подразумевает, что гравитационное поле состоит из гипотетических гравитонов. Это квантовый подход. Гравитоны начинают взаимодействовать с гравитонами некоторого другого тела и это проявляется, как взаимное притяжение. В квантовых теориях гравитации под скоростью гравитации подразумевают скорость гравитонов как наименьших частиц (квантов) этого поля. Обычно она очень близка к скорости света или совпадает с ней. Но подход не запрещает ей и превышать скорость света.

Зато при таком подходе гравитация не может работать мгновенно, поскольку сам механизм в гипотезе определяет некоторое время, необходимое для взаимодействия гравитонов. Образно это можно сравнить с чем-то типа диффузии. В традиционном школьном опыте кусочек марганцевки не растворяется в стакане воды мгновенно.

Гравитон

Если обратиться к гравитации Ньютона, то там это самая обычная сила, которая почему-то есть. Ему не столь важно почему она есть, но природа, которая определяет гравитацию как силу, подразумевает некоторое время на проявление взаимодействия. Пускай и не очень большое.

Зато вот с гравитацией Эйнштейна всё совсем интересно. С появлением представления, что пространство искажается в присутствии массивных тел и это воспринимается, как гравитация, стало популярным высказывание - гравитация это не сила. Если гравитация не сила, то это что-то типа свойства. Впрочем, так оно и есть в этой теории. Ведь искажение пространства формирует гравитационное взаимодействие и наоборот. Если это так, то свойство у объекта может существовать всегда.

Через сколько жёлтый банан станет жёлтым? Не через сколько. Мгновенно. И да, относительно цвета тут можно понаписать в комментариях много всего на тему специфики появления цвета. И это будет правильным. Ну придумайте тогда какое-то другое более очевидное вам свойство. Суть простая - такая характеристика уже есть.

Вот только подход напрямую противоречит положению, что ничто не может превышать скорость света. И согласно той же теории относительности, которая постулирует скорость света, скорость гравитации не должна быть выше. Спорный момент в том, что если гравитация есть свойство, то понятие скорости просто неприменимо. И да, тогда она мгновенная.

Но современная теория во главе с теорией относительности видит вопрос немного в другом свете. Я не претендую тут на критику, просто у меня в голове появляется некоторая неоднозначность. Ведь много раз звучало, что пространство не искажается, а формируется "на лету" уже искаженным и уже с конкретной гравитацией вблизи массивного тела. Однако, традиционная логика отталкивается от гравитационных волн.

Скорость гравитации в современном представлении - скорость распространения гравитационных воздействий, возмущений и волн.

Гравитационные волны обнаружены и подтверждены. По логике этого подхода гравитация, как и многое другое в этом мире, распространяется волнами. И если где-то появился гигантский камень, то пространство отреагирует на его появление как вода в пруду. Рядом с камнем будет огромный всплеск, а дальше пойдут возмущения. К слову, такие возмущения и зафиксированы в 2016 году. Видимо всё-таки тут моя ошибка восприятия, если вернутся к рассуждениям выше.

Очень хорошая иллюстрация про волны гравитации

В общей теории относительности в пустом пространстве предельная скорость гравитации равна скорости света. Но при разных условиях скорость гравитации может меняться. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Однако, само по себе существование этого пункта заставляет задуматься о специфике взаимодействия вещества и гравитации. Я разберу этот вопрос в отдельном материале, поэтому оставайтесь на связи и не забывайте добавляться в Телеграм проекта.

Экспериментов с определением скорости гравитации тоже хватает.

Определить скорость гравитации можно по скорости передачи влияния гравитационного поля на результаты каких-либо измерений. Например, в высокоточных экспериментах по измерению времени задержки прохождения света и радиосигналов в гравитационном поле какого-либо движущегося массивного тела

Ну а переменная скорость гравитации тоже была обнаружена. Например, в 2002 году в эксперименте с Юпитером и квазаром изменение метрики гравитационного поля происходило с опозданием, связанным с ограниченной скоростью гравитации. Учёт этого запаздывания при анализе эксперимента дал скорость гравитации, близкую по величине к скорости света, с точностью порядка 20%.

Получается, что согласно современным представлениям скорость гравитации не мгновенная и не может превышать скорости света. При этом замедление гравитации вполне возможно.

⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!

Легенда гласит, что в пятом веке святой Патрик истребил змей в Ирландии, загнав их в море. Видимо, он хорошо поработал, поскольку змеи в Ирландии не завелись до сих пор.

Однако на самом деле змеи никогда не водились в Ирландии. Так почему же Ирландия столь особенна, если змей можно встретить почти повсюду в мире - от Австралии до Арктического круга?

Во-первых, Ирландия - это остров. Ирландское море имеет ширину более 50 миль (80,5 км). Для наземного животного это было бы долгое плавание. Морская змея бы справилась, но морские змеи обитают в теплых тропических водах, а не в холодной Атлантике.

Однако вы можете вспомнить,, что в Великобритании, которая тоже остров, есть змеи. Это верно. Однако долгое время ни в Британии, ни в Ирландии не было змей. Ледниковый период сделал эти острова непригодными для рептилий, которым ввиду их холоднокровности нужны внешние источники тепла. Ледники отступили около 10 000 лет назад, открыв сухопутный мост между Европой и Британией, а также между Британией и Ирландией, благодаря чему стало возможно перемещаться между островами. Тающие ледники затопили сухопутный мост Ирландии 8500 лет назад, в то время как британский просуществовал еще 2000 лет. Таким образом, животные из Европы просто имели больше времени для колонизации Великобритании, и даже при этом там смогли обосноваться только три вида змей. Ни одна из этих трех не почувствовала необходимости двигаться дальше на запад к Ирландии; нет свидетельств наличия этих ползучих рептилий в ирландской летописи ископаемых.

В числе других островов, на которых нет змей, находятся Новая Зеландия, Гавайи, Гренландия, Исландия и Антарктида. Тем не менее, отсутствие змей кажется несколько удивительным, учитывая глобальную торговлю домашними животными и потенциал змей к тому, чтобы стать инвазивным видом.

На Гуаме инвазивная коричневая бойга стала распространилась настолько, что истребила местные популяции птиц и ящериц. Местные власти были вынуждены прибегнуть к отчаянным мерам для того, чтобы попытаться искоренить этих ползучих злодеев. В декабре 2013 года Министерство сельского хозяйства США в четвертый раз сбросило мертвых мышей с вертолетов на Гуам. Мыши были пропитаны достаточно высокой дозой ацетаминофена (основного ингредиента Парацетамола и Тайленола), который убивает съевшую мышь змею в течение 24 часов. "Авиаудары" были успешными, но они истребляли популяцию змей только временно. В 2018 году Министерство внутренних дел США выделило 2,8 млн долларов для борьбы с инвазивной змеей.

Вполне вероятно, что Ирландия однажды может оказаться в подобной ситуации. Хотя коричневую бойгу занесли на Гуам случайно, новые виды змей намеренно завозятся в Ирландию. Содержание домашних змей не запрещено в Ирландии, в отличие от Гавайев, Новой Зеландии и Исландии.

Домашние змеи стали статусным символом во времена ирландского экономического бума в конце 1990-х годов, но во время рецессии 2008 года и после многие люди выпустили своих змей на волю, будучи не в состоянии их содержать. Змей находили в самых неожиданных местах, но пока они, кажется, особо не приживаются в дикой природе.

Будем надеяться, что так оно и останется. Ведь если взять пример Гуама, то если змеи когда-нибудь обоснуются в Ирландии, для их истребления потребуется гораздо больше, чем взмах посоха святого Патрика.

https://www.popsci.com/why-doesnt-ireland-have-snakes/

Почему мы помним прошлое, но не будущее? Почему чашка может разбиться, но ее осколки никогда сами не соберутся обратно? Почему мы стареем, а не молодеем? Все эти вопросы связаны с одной из самых загадочных особенностей нашей Вселенной - направлением времени.

Стрела времени и законы физики

Большинство фундаментальных уравнений физики (законы Ньютона, уравнения Максвелла для электромагнетизма, уравнение Шрёдингера в квантовой механике) симметричны относительно обращения времени. Это означает, что если мы заменим в этих уравнениях t на -t, они останутся верными. То есть теоретически все процессы могли бы идти в обратном направлении, не нарушая базовых законов физики. Однако в реальности мы наблюдаем строгую направленность времени вперед.

Второй закон термодинамики

Ключ к пониманию направления времени лежит в понятии энтропии - меры хаоса в системе. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы может только возрастать. Это фундаментальное ограничение определяет:

• Необратимость теплообмена: тепло самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному;

• Невозможность создания вечного двигателя второго рода;

• Необратимость спонтанных процессов в природе (например, процесс горения дров в костре необратим — продукты горения уже не превратятся обратно в древесину).

Начальные условия Вселенной

Современная космология связывает направление времени с начальным состоянием Вселенной. В момент Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии предельного порядка (низкой энтропии). С тех пор она непрерывно движется к состоянию все большего беспорядка, и именно это движение от порядка к хаосу определяет направление времени во всей Вселенной. Подобно тому, как вода течет только вниз по склону, все процессы во Вселенной "текут" в сторону увеличения беспорядка.

Квантовая механика и декогеренция

На квантовом уровне физическая реальность ведет себя иначе, чем в привычном нам мире. В изолированных квантовых системах время может как бы "течь" в обе стороны — процессы обратимы. Например, квантовая частица может свободно переходить между различными состояниями в обоих направлениях времени.

Однако эта квантовая обратимость времени сохраняется только пока система изолирована от окружающего мира. Как только происходит взаимодействие с окружением (например, измерение состояния частицы), запускается процесс декогеренции — квантовая система теряет свои уникальные свойства и начинает подчиняться классическим законам физики. Этот процесс:

• Создает квантовую стрелу времени — момент необратимого изменения в квантовой системе;

• Определяет переход от квантового мира к классическому через взаимодействие с окружением;

• Делает процессы необратимыми при переходе от микромира к макромиру.

Термодинамические флуктуации

В физике существует понятие термодинамических флуктуаций — это случайные отклонения от равновесного состояния в микроскопических системах. Теоретически в таких флуктуациях возможно временное уменьшение энтропии (беспорядка). Однако:

• Вероятность таких событий ничтожно мала и становится еще меньше с увеличением масштаба отклонения;

• Эти флуктуации происходят только на микроуровне и никогда не достигают заметных размеров;

• На общее увеличение энтропии во Вселенной эти микроскопические события не влияют — время продолжает течь в одном направлении.

Математическое описание необратимости

Физики разработали целый математический аппарат для описания однонаправленности времени. Это описание включает в себя несколько важных направлений:

• Уравнения необратимых процессов, которые описывают явления, происходящие только в одном направлении времени (например, уравнения теплопроводности и диффузии);

• Статистическую механику неравновесных систем, изучающую поведение систем, стремящихся к равновесию, но никогда самопроизвольно не возвращающихся в исходное состояние;

• Теорию динамических систем и хаоса, показывающую, как даже простые системы могут развиваться так, что их возвращение в исходное состояние становится практически невозможным (представьте, что у вас есть новая упорядоченная колода из 52 карт. Вы начинаете тщательно ее тасовать, меняя порядок карт случайным образом. С каждым перемешиванием порядок карт становится все более хаотичным и непредсказуемым).

Подведем итоги

Однонаправленность времени — фундаментальное свойство нашей Вселенной, возникающее из сложного взаимодействия между законами физики, начальными условиями космоса и статистической природой термодинамики. Хотя базовые физические законы симметричны во времени, реальные процессы строго направлены из-за роста энтропии и квантовой декогеренции.

Этот рост энтропии (меры беспорядка системы) начался с момента Большого взрыва, когда Вселенная находилась в состоянии максимального порядка. Именно постоянное увеличение энтропии создает единую космологическую стрелу времени, определяющую ход всех процессов во Вселенной — от квантовых флуктуаций до эволюции галактик.

Интересное по теме:

• Физик Гленн Старкман: «Время началось с Большого взрыва».

• Земля начала вращаться быстрее, и нам, возможно, придется «повернуть время вспять».

• Путешествия во времени: что говорит современная физика?