Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Квантовый мир давно отделился от мира "классического". Существует две физики, которые во многом противопоставляются друг другу. Не кажется ли вам это нелогичным? Конечно же кажется. Ученые давно ломают голову над Теорией Великого объединения. Что это вообще такое и как оно работает? Давайте разбираться вместе. В этот раз просто анонсирую свой новый ролик. Думаю, что всем понравится.
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.
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:
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.
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!
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.
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:
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
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!
Спагеттификация - процесс, при котором объект вытягивается и удлиняется в длинную, тонкую форму, когда он проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. Этот феномен происходит из-за экстремальных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, что приводит к разрыванию объекта на "спагетти-подобную" форму.
На самом деле гравитационные силы есть у всех объектов, обладающих массой. Даже когда мы стоим на земле, наши ноги "тянутся" к центру планеты сильнее, чем голова. Но эта разница ничтожно мала, поэтому мы остаёмся целы.
Биографию и пр. описывать я не буду, так как всё это есть в вики.
И так. В первую очередь он известен тем, что перевернул "с ног на голову" или наоборот - всё зависит от точки отсчёта ? всю Ньютоновскую механику. Фактически это была "отмена" Ньютона для больших скоростей и масс. Да-да. Ньютоновской механикой мы не перестали пользоваться, для автомобиля и пешехода без GPS - самое то.
Что же он там такого сделал. Во первых ввёл ограничение на распространение на скорость распространения любого сигнала и, соответственно любого физического взаимодействия между объектами (к этому мы ещё вернёмся позже), ограничив скорость света в вакууме ведь до этого считалось, любое взаимодействие происходит мгновенно (Ньютон). Но накапливались "косяки" ньютоновской теории гравитации:
И многое-многое другое. Так сказать, в то время "новая физика" просто стучалась в двери. И он, Альберт, её создал. Сначала СТО связав воедино пространство и время, а потом и ОТО, добавив туда гравитацию (то самое смещение перигелия Меркурия, которое СТО объяснить не могла). Теперь, создав единую теорию пространства-времени-гравитации Эйнштейн окончательно порвал скепктиков его теорий относительности. (А вездесущий эфир до сих пор ищут).
И вот Альберт Эйнштейн получает "нобелевку". За что? За СТО или уже за ОТО?
А вот фиг вам. Он получает нобелевку за то, что дал дикий толчок для развития своим же оппонентам - квантовикам, решив проблему внешнего фотоэффекта (грубо говоря выбывание электронов из атомов внешними фотонами). Его работа в этой теме нехило продвинула квантовую механику (ту, которая работает с тем, что "измерить нельзя").
Тут я немного лукавлю, его неоднократно выдвигали на "нобелевку", но СТО и ОТО не имела большой экспериментальной доказанности, потому врубили в формулировку добавку "и за другие работы в области теоретической физики"....
Думаете это только некоторые его достижения?
Главные достижения великого физика-теоретика:
К тому же он и наизобретал нехило:
Так почему же Эйнштейн оказался "врагом" тех "квантовиков" которым и помогал?
А вот теперь и вернёмся к тому самому - почему введение запрета на скорость распространения любого воздействия не вяжется с ОТО, и почему Эйнштейн проиграл это противостояние? Так это ЭПР-парадокс, названный по первым буквам его основных защитников: Эйнштейн, Подольский, Розен. Фишка в том, что уже экспериментально доказанная и уже эксплуатируемая "квантовая запутанность" умеет превосходить скорость света. Это очень не нравилось Альберту, да и вообще многим квантовикам (а Эйнштейн - он у истоков квантовой физики стоял, между прочим).
Вообще, я, лично, не дорос для понимания квантовой запутанности тех, кто победил, мне более понятна позиция Эйнштейна, но оппоненты, не только математически, но и экспериментально доказали свою правоту.
З.Ы. Как-то я своему отцу в старших классах хотел объяснить понятие "бесконечность" не только в математическом, а и физическом смысле (тогда я не знал в 93-94 годах обо всём, что сейчас написал выше), а он одно твердил - часы когда нибудь остановятся - не будет энергии стрелку двигать... А сейчас уже и сам об этом думаю - ведь когда-нибудь и последний протон во вселенной развалится...
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.
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.
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.
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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:
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 ;)
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.
Что больше всего боятся путешественники во времени? Правильно, встретить самого себя. Ещё страшнее дотронуться до самого себя. Но если сами путешествия во времени худо-бедно имеют некоторые рациональные корни, которые держатся на хоть какой-то физической логике, то этот вечный страх попадания двух объектов в одно время столь очевидного описания не имеет. Давайте вместе попробуем поразмыслить на этот счёт и поищем теоретический смысл.
Напомню, что в зависимости от контекста ожидаемы два похожих события - произойдёт или коллапс пространства-времени и пропадёт буквально всё, или произойдёт только лишь коллапс существующих материальных объектов с одинаковым кодом. Какой именно вариант тут нас ожидает предсказать сложно. Фантасты с удовольствием смакуют этим эффектом и во многих фильмах с путешествиями во времени наблюдаются самые разные последствия.
Чаще всего есть этакий "софт" вариант. Копия объекта просто потихоньку начинает растворяться и пропадает. Но это чаще лишь способ притянуть всё к сюжетной линии. Ведь на практике всё должно было бы быть как раз-таки очень даже ярко и мгновенно.
Есть ещё разновидности этого события. Герой может рассматриваться не как полная копия самого себя, а как существо, прошедшее другой путь и не являющееся тем же самым объектом. Тоже самое будет касаться самого себя в разные возрастные периоды. Во многом разная логика тут напоминает попытки применить разные гипотезы строения Вселенной. Скажем, каждая новая сюжетная линия - это аналог подхода с мультивселенными. Такая логика нам сейчас не совсем интересна, так как подход практически очевиден.
Гораздо полезнее поискать физический смысл в аксиоме путешественников во времени:
Одно и то же тело не может занимать одно и то же место в одно и то время.
На самом деле у этого принципа есть вполне себе разумное описание. Другое дело, что не совсем ясен результат взаимодействия. Яркий и зрелищный коллапс - это скорее яркое и фантастическое преувеличение проблемы.
Любой объект состоит из частиц. Частицы состоят из более мелких частичек и так до квантового уровня. Квантовые объекты описываются функцией состояния.
Вероятность обнаружения конкретной частицы имеет функциональную зависимость от синусов и косинусов. Это не имеет ничего общего с амплитудой в виде энергии, импульса или чего-то еще, полумесяцы и впадины увеличиваются, а вероятности обнаружения уменьшаются при проведении наблюдения. Именно вероятность нахождения определяет положение частицы. Сама теория противоречит логике появления двух объектов в самой точке. При этом что же всё-таки будет при их встрече не уточняется.
При это частицы, обладающие целочисленным спином, называются бозонами и могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время, что означает, что вероятность нахождения одного из них в координатах (x, y, z) увеличивается, чем их больше. Бозоны вообще могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Частицы с полуцелым спином являются фермионами и следуют статистике ферми-Дирака и, следовательно, не могут занимать одно и то же пространство. Вероятность нахождения одного объекта в точке (x, y, z) всегда будет равна вероятности нахождения одной частицы. Только одна может находиться в квантовом состоянии одновременно.
То есть всё приходит к тому, что такая ситуация просто невозможна. Но глубоко в теории, яркие и красочные эффекты тоже могут быть как-то описаны.
Тут можно обратиться к принцип запрета Паули. Он гласит, что два или более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе. Отметим, что появление точно такой же частички в том же месте как раз-таки подразумевает включение принципа.
Если нарушить принцип Паули, частицы с одинаковыми квантовыми числами будут отталкивать друг друга с силой, которая увеличивается по мере их приближения. Скажем, для электронов эта сила называется обменным взаимодействием и отвечает за разделение электронов и создание структуры атомов.
Преодолеть эту силу в обычных условиях невозможно. При попытке это сделать будут проявляться эффект сверхпроводимости. Столкнуть электроны всё-таки можно. При этом возможно рождение новых частиц, однако это возможно только если энергия будет достаточна для рождения других частиц. При этом будут рождаться другие частицы (так называемые глубоко неупругие процессы).
Также при попытке сжать материю возникнет предел, когда электроны не смогут приблизиться, не нарушив принцип запрета. Это создаёт давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию материи, называемое давлением вырождения. Описанные явления вполне себе могут быть причиной красочных фейерверков и некоторой аналогии схлопывания пространства.
Следующий момент можно привязать к "коду Вселенной". Представьте, что у вас есть некоторый программный код, который выводит объекты на экран. Как отреагирует простой компьютер на попытку вывести две точки в одно место одновременно? Скорее всего синим экраном. Хотя современные системы имеют встроенные алгоритмы защиты от таких полянок. Но какой-нибудь 98-ой можно было повесить так абсолютно наглухо.
Если применить эту логику к материи, которая выводится кодом, то тут тоже начнутся всяческие веселые явления. Среди них могут быть и сбои в матрице с красочными эффектами. Понятно, что подобная логика ведёт куда-то в сторону теории симуляции, но сама по себе конструкция атомов и наличие некоторого природного упорядочивания подсказывает, что в этом может быть здравый смысл.
Обязательно посмотрите мой ролик по теме:
Спрайт - удивительное явление из мира разрядов и довольно вкусный лимонад. Но разряд в первую очередь!
Итак, спрайт - разновидность молний. В отличие от обычных молний, которые развиваются на высоте до 20 км, эти товарищи развиваются на высоте около 100 км и могут тянуться на десятки километров как в длину, так и в диаметре. На такой высоте довольно разреженная атмосфера, поэтому требуемое напряжение для пробоя меньше, чем для обычных молний.
Обратите внимание, что спрайт имеет красный оттенок в отличие от обычной молнии - дело в том, что на такой высоте преобладает азот, который и дает красное свечение (в отличие от кислорода, который больше в синие оттенки).
Полноценного физического объяснения я не нашел, скорее всего, его пока и нет. Очевидно, что это форма разряда, но не ясны точные условия, при которых спрайты развиваются. Считается, что спрайты развиваются во время сильных гроз и являются разновидностью разряда в холодной плазме (механизм такой же как свечение в газоразрядных трубках, которые используют в различных лампах).
Спрайт проходит очень быстро - не дольше 0.1 секунды, обычно значительно быстрее.
А вот так спрайты выглядят вкупе с остальной грозой. Увидеть вполне даже можно.
Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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, 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...
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.
Он состоит из частиц, которые не имеют массы, перемещаются со скоростью света, но при этом выступают чем-то наподобие клея для нашей реальности.
Ученые из Китая, России и еще 14 стран объединились для работы с данными, полученными при экспериментах на BEPC II — электрон-позитроном коллайдере, работающим в Пекине. Совместными усилиями им удалось различить частицы, которые могут быть так называемыми глюболами — существование этого типа бозонов предсказано гипотетически, но в ходе экспериментов зафиксировать его раньше не удавалось. Статья о возможном открытии опубликована в журнале Physical Review Letters.
Пекинский коллайдер — единственный, в чьи задачи входит, помимо прочего, получение J/ψ-мезонов, одного из видов элементарных частиц. При их распаде (и только при нем, насколько известно) образуются еще более мелкие частицы, в том числе те, которые называются X(2370). Именно на них и было сосредоточено исследование.
«Измеренная масса и спиновая четность X(2370) согласуются с предсказаниями о легчайшем псевдоскалярном глюболе», — поясняют авторы статьи важность опубликованных расчетов.
При этом поясняется, что зона для поиска глюболов была выбрана неслучайно. Ведь именно радиационный распад J/ψ-мезонов считается идеальной ситуацией для поиска и изучения этих, пока неуловимых, частиц. Дело в том, что во время процесса фиксируется множество бозонов под названием глюоны — а именно из этих частиц, согласно теоретическим расчетам, должны состоять глюболы.
При этом сами по себе глюоны очень необычны: фактически эти кванты представляют собой чистую силу, скрепляя кварки, которые являются фундаментальной частицей материи. То есть, кварки образуют более крупные частицы, размером с ядро атома, а вот глюоны — это своеобразный пробел и одновременно клей между кварками.
При такой своеобразной роли глюоны обладают и своеобразными свойствами. Они не имеют массы (во всяком случае, так предсказывают выкладки современных ученых). А значит, как и все другие безмассовые частицы, должны двигаться со скоростью света (оставаясь при этом «пробелом» и «клеем» между кварками). Кроме того, они имеют нулевой электрический заряд.
Всего существует 8 независимых типов глюонов. Физики говорят, что они разного цвета, но на самом деле это не цвет в нашем понимании слова. Цветовым зарядом в квантовой физике для удобства называют квантовое число, обозначающее характеристику глюонов и кварков, которая напоминает электрический заряд для более крупных объектов. Только если электрических зарядов два (отрицательный и положительный), то цветов — три (их для удобства называют «красный», «зеленый» и «синий»), еще имеется три антицвета («антикрасный», «антизеленый» и «антисиний»), а также два нейтральных варианта.
Считается, что глюоны в естественных условиях невозможно найти в свободном состоянии. Однако, гипотетически, существуют те самые глюболы, в которых есть только глюоны — но нет кварков. Такая составная частица, согласно гипотезе, образуется из глюонов только одинакового цвета, которые удерживаются вместе в так называемом «глюонном мешке». При этом, как уже говорилось, в отличие от составляющих их глюонов глюболы имеют массу.
Ну что за инженеры? Надо один магнит на крышу приклеить, а второй на палочке повыше. Тогда машина вертикально взлетит вверх аки ракета.
Много лет вы просили рассказать о Теории всего Стивена Вольфрама. Я избегала этой темы, не понимая сути его работы. Недавно я осознала, что и сама часто не понимаю, что делаю. Честно говоря, когда я просматриваю новости, мне кажется, что никто не знает, что делает. Поэтому поделюсь своим пониманием его идей.
Вольфрам - известный математик и специалист по информатике, более всего известен как создатель программы Mathematica. Он стремится объяснить устройство мироздания через компьютерный код. Его теория всего переводит гипотезу симуляции на язык математики. Он ищет код, способный воспроизвести известную нам физику с гравитацией и частицами стандартной модели.
Вольфрам выделяется среди других теоретиков глубоким пониманием используемой математики. При этом физики почти не замечают его идеи. У меня есть предположение почему.
По его мнению, вселенная работает как компьютерная программа с простыми правилами, порождающими физические законы. А те в свою очередь определяют наблюдаемую реальность. Это усложненная версия клеточных автоматов, создающих двумерные узоры построчно. Узоры могут быть очень сложными. Возможно, четырехмерная версия объяснит всю вселенную. Такова суть идеи.
Я встречала Вольфрама на семинаре примерно 10 лет назад. Он представлял теорию всего группе физиков. Их реакцию можно описать как вежливый скептицизм - как если бы ваша тётка рассказала о том, что встретила Элвиса [Пресли, вероятно] в метро.
Я понимаю причины скептицизма. Идея физических законов как вычислений противоречит общей теории относительности Эйнштейна, причем существенно.
Любое вычисление происходит пошагово. Иначе это просто иная формулировка известных физических законов. У вычисления есть правило обновления состояний. В клеточных автоматах обновление идет построчно, с определенным шагом во времени и пространстве.
В своей книге 2002 года "Новый вид науки" Вольфрам говорит, что хочет описать пространство как сеть. Математики также называют их "графами". Оба эти термина, сети и графы, относятся к одному и тому же - это точки, соединённые линиями. Если описывать пространство таким образом, это своего рода дискретизация. Затем Вольфрам говорит, что законы физики - это правила обновления связей в сети. Это, по идее, может описывать как пространство, так и материю в нём.
Проблема не только в том, что теории Эйнштейна не используют графы - их нельзя даже приближенно описать графами. Промежутки в графе и шаги обновлений должны быть наблюдаемы. Но мы их не видим.
Возьмем фотон определенной длины волны. Длина волны обратно пропорциональна энергии. Какова энергия фотона?
Если вы не знаете ответа, то вы правы. У вопроса нет ответа. Энергия фотона зависит от того, как вы его наблюдаете. Предположим, вы наблюдаете фотон, скажем, зелёного цвета. Наблюдатель, движущийся к нему, увидит цвет смещённым в синюю область, то есть с более высокой энергией, а наблюдатель, движущийся от него, увидит его смещённым в красную область, то есть с меньшей энергией. Какова "реальная" энергия фотона? На этот вопрос нет ответа. Все эти энергии одинаково реальны. Энергия может быть сколь угодно высокой, а длина волны сколь угодно малой, или энергия может быть сколь угодно низкой, а длина волны сколь угодно большой.
Это происходит потому, что в теории Эйнштейна движение наблюдателя меняет само понимание того, что значит большое или маленькое, или что имеет высокую или низкую энергию.
В этом проблема дискретных подходов к пространству-времени. Если пространство описывается графом с минимальным расстоянием (планковской длиной), для движущегося наблюдателя эта структура окажется намного меньше. Это нарушает лоренц-инвариантность.
Нельзя аппроксимировать общую теорию относительности графом с сохранением симметрий. Можно пожертвовать симметриями, но отклонения всегда будут существенны для некоторого наблюдателя.
Это так раздражало меня, что я написала статью, в которой доказала, что это невозможно. Не существует сетевого подхода к пространству-времени, который был бы совместим с теориями Эйнштейна. Его просто нет. Теперь вы, возможно, понимаете, почему мне не нравились идеи Вольфрама.
Можно возразить: это хорошо, что нельзя воспроизвести общую теорию относительности, потому что тогда мы можем проверить эту идею. Да, и именно поэтому некоторые люди ищут небольшие отклонения от лоренц-симметрии и утверждают, что они проверяют гипотезу симуляции, что создаёт броские заголовки.
Проблема в том, что мы знаем: если серьёзно относиться к квантовой механике, даже малейшие отклонения от этой симметрии привели бы к наблюдаемым явлениям в физике частиц, а они давно исключены. Поэтому я осмеливаюсь сказать, что совершенно неудивительно, что эти эксперименты никогда не находят никаких отклонений от лоренц-симметрии.
На том семинаре 10 лет назад физики тоже указывали на проблему лоренц-симметрии: как согласовать теорию с наблюдениями.
И я думаю, что Вольфрам серьёзно отнёсся к критике. Потому что пару лет назад он опубликовал вместе с несколькими соавторами продолжение работы, в которой они пытались решить эту проблему.
Я прочитала её, когда она вышла, и собиралась рассказать о ней рассказать, но собитие как раз совпало с первыми ковидными локдаунами, и у меня были другие заботы - например, попытаться не сойти с ума.
Не помогло и то, что вместо обычной публикации PR-служба Вольфрама выпустила пресс-релиз о том, что он "возможно, нашел путь к фундаментальной теории физики, и она прекрасна". Отчасти поэтому физики игнорируют Вольфрама - он не следует научному этикету. Я не оправдываю, а объясняю их реакцию: в основном закатывание глаз.
Новый подход Вольфрама использует гиперграфы - коллекции графов вместо одиночных графов для описания пространства-времени и частиц.
Точки в графах описывают пространство-время и материю. Связи в гиперграфах нефизические - у них нет длины, они показывают только отношения между точками. Отсутствие длины решает проблему разных наблюдателей. Умное решение.
В 2020 году я обсуждала это с Джонатаном Горардом из Wolfram Research, видимо, главным автором работы.
Идея работоспособна, но не нова - это подход "причинных множеств" Рафаэля Соркина.
В нем пространство-время - "множество" точек, и эти точки имеют причинные отношения, которые можно изобразить стрелками, тем самым получив граф. Данный подход сохраняет симметрии теории Эйнштейна.
Если посмотреть на то, чем они занимались после 2020 года, они исследовали связь гиперграфов Вольфрама с причинными множествами. Большая часть этих исследований, похоже, была проведена Джонатаном Горардом. Горард также изучал применение к общей теории относительности и устранение сингулярностей - чего не удавалось сделать в причинных множествах.
Теория всего? Пока нет. Во-первых, я не понимаю описание квантовой физики Вольфрама, мне оно кажется несвязным. Также есть много проблем с реализацией квантовой физики с помощью неквантового алгоритма, которые он не рассматривает.
И он не предоставил конкретики о том, как воспроизвести стандартную модель или элементарные частицы. Однако люди, работающие с причинными множествами, уже показали, что возможно поместить дискретизированную версию дифференциальных уравнений на эти графы, так что, может быть, это не так сложно, как кажется.
На сегодняшний день я честно считаю, что данная исследовательская весьма успешна, и я думаю, что физикам пора начать уделять ей немного больше внимания.
Пожалуй, каждый школьник, нахватавшись плохих оценок, слышал от родных и близких подобные слова поддержки:
"Да не расстраивайся ты. Эйнштейн вообще был двоечником!"
Так родители утешают детей, учителя мотивируют отстающих, а в интернете плодятся мемы про "двоечника, перевернувшего науку".
Но тут есть загвоздка: это абсолютная ложь. Эйнштейн не был двоечником. Напротив, он был одним из самых усидчивых, внимательных и умных детей во всей школе.
Откуда же взялся этот устойчивый миф, в который по сей день верят миллионы людей?
Маленький Альберт поздно заговорил — до трех лет он молчал, предпочитая наблюдать за миром. Родители Герман и Паулина даже подозревали, что у них растет умственно отсталый наследник.
Но когда мальчик наконец открыл рот, то он сразу стал формулировать целые предложения. Просто до этого его мозг был занят более важными вещами, чем генерация детского лепета.
В швейцарской школе Арау, где учился Эйнштейн, в то время действовала оценочная система, в корне отличавшаяся от той, к которой привыкли мы с вами. Там высшим баллом была единица, а не пятерка.
Поэтому, когда люди слышали, что у Эйнштейна были сплошные "единицы" по математике и физике, они воспринимали его как ни на что неспособного неуча. По факту же это были замечательные оценки — максимально возможные в той системе.
У Эйнштейна были сложные отношения с некоторыми преподавателями, и дело было не в его неуспеваемости. Наоборот — он все схватывал на лету и быстро разбирался в любой теме, но презрительно относился к педагогам, которые допускали ошибки или говорили глупости.
В порыве гнева один из учителей даже сказал, что Альберт "никогда ничего не достигнет". Ирония судьбы в том, что едва ли кто-нибудь вспомнит имя этого преподавателя, а вот Эйнштейн стал символом человеческой гениальности.
Эйнштейн не смог поступить в Федеральную политехническую школу Цюриха с первого раза. Но завалил он не физику или математику — по этим предметам у него были как всегда блестящие результаты.
Проблемы возникли с гуманитарными дисциплинами, особенно с французским языком, который не был для него родным. Будущий ученый просто не желал тратить время на изучение того, что его не увлекало, предпочитая заниматься физикой, с которой уже тогда планировал связать свою жизнь.
"Я никогда не делал ошибок в математике, а дифференциальное и интегральное исчисление освоил к 15 годам", — писал ученый в своем дневнике.
Разве это портрет двоечника? Скорее гения, который с детства интеллектуально опережал сверстников на годы (или десятилетия).
Стоит отдать дань уважения студенту медицинского вуза Максу Талмуду, который был наставником юного Эйнштейна, познакомившим его с чудесами науки, не связанными с сухой и скучной зубрежкой, принятой в школе.
Люди обожают истории из серии "из грязи да в князи". Многим хочется верить, что великие достижения доступным каждому, даже двоечнику. Легенда про "неудачника Эйнштейна" дает надежду родителям плохо успевающих детей и оправдание тем, кто не желает учиться.
Но не стоит кормить двоечником мифами! Будущее поколение нужно учить тому, что успех требует адского труда и нечеловеческого упорства.
Альберт Эйнштейн — идеальный пример того, как выдающиеся способности, помноженные на страсть к познанию и трудолюбие, привели к революционным открытиям, перевернувшим наши представления об устройстве Вселенной.
Комментарии