Почему стабилизаторы ракет находятся сзади

Часть 1

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

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

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

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

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

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

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

Как разрабатывают новые материалы для атомной отрасли

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Почему нельзя стоять на месте

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

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

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

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

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

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

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

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

Часть 1

Часть 2

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

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

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

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

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

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

Не металлами едиными

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

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

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

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

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

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

Какое будущее готовят уже сегодня

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

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

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

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

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

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

Отсюда

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

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

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

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

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

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

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

Важная ремарка

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

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

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

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

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

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

Что происходит в реакторе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

🧲 Есть два интересных и довольно распространенных вопроса:

- Что будет, если сломать магнит на две части? Сохранятся ли его полюса такими же?

- И что это за такая волшебная зона между двумя частями магнита, где синяя часть отделяется от красной? Может быть там какая-то хитрая точка с интересной структурой?

Ответить на эти вопросы совсем не сложно, если знать классическую теорию формирования магнитных свойств. Про неё и поговорим в новом ролике. И в процессе беседы внезапно придём к... магнитному монополю.

🧲Смотрим ролик на ДЗЕНе, если вам сломали Тубчик (https://dzen.ru/video/watch/6730abb25c020758f9832ec4)

Рассмотрим конкретную модель обр. XII века из рогов коровы хайленд.

Рог свежезабитой коровы кипятили в воде, чтобы проще было отделить его от кости.

Затем рогу давали затвердеть обратно и распиливали вдоль.

Далее рог вновь размягчали, но теперь на паровой бане, после чего распрямляли его в специальных тисках.

После затвердевания роговая пластина обрезалась по размеру и обстругивалась до нужной толщины. Сторону под склеивание грубо опиливали, чтобы клей проник глубже. В итоге получалась очень упругая пружина.

Основа дуги изготавливалась из клёна. Его аналогично распаривали и изгибали в нужную форму.

Уже к этой основе приклеивались рога. 

Кристаллики рыбьего клея (изготавливается из рыбных плавательных пузырей) полчаса вымачивали в воде, после чего эту массу нагревали до 60 градусов и 20 минут держали при такой температуре. Полученный клей наносили в 6-8 слоев на все склеиваемые поверхности рогов и деревянных плеч, причем каждому слою сначала давали полностью высохнуть.

После этого склеиваемые поверхности смачивали водой и прикладывали друг к другу, плотно приматывая их веревкой к шаблону. Затем эту конструкцию вновь нагревали, чтобы клей клей растопился, и вбивали клинья под оплетку, дабы еще сильнее придавить рог к дереву.

В середине дуги приклеивалась дополнительная деревянная планка, чтобы увеличить толщину материала в этом месте.

После высыхания клея деревянную основу дуги дорабатывали, оставляя плечи очень тонкими, но ближе к центру толщина нарастала, как у лука. Это утолщение как раз достигалось засчет приклеенной планки.

После обработки дерево покрывали кроликовым клеем (готовится из кроличьей шкуры, разводится примерно так же, как рыбий) и приклеивали к нему выделанные сухожилия животных.

В данном случае сухожилия страуса.

Процесс выделки выглядел так:

Сначала высушенные сухожилия отбивали молотком, а затем распускали их на волокна.

Затем вычесывали их гребнем, аки шерсть для пряжи.

Из волокон собирали пучки нужного размера и вымачивали их в воде, после чего разглаживали на доске и вычесывали гребешком. В процессе вычесывания наносили кроликовый клей, дабы он полностью покрыл хрящи. Клею давали застыть до желеобразного состояния, дабы материал оставался податливым, но заготовка не разваливалась

Получившиеся полоски приклеивали в один слой к дуге. Кроликовый клей тоже водорастворимый, поэтому мастер работал мокрыми руками, размягчая полоску и максимально плотно притирая её к дереву. И, наоборот, нагревал заготовку, чтобы сделать клей более вязким, в зависимости от потребности.

Далее с дугой ничего не делали два дня, давая клею подсохнуть. Затем снова размягчали водой и проходились по сухожилиям круглой палкой, чтобы уплотнить волокна и сделать поверхность однородной.

Наконец, дугу оставляли в покое на две недели. За это время кроликовый клей набирал прочность.

Затем поверх хрящей наклеивался еще один такой же слой, после чего следовала финальная сушка длиной 2 месяца.

Концы дуги затем фигурно опиливались под двойную тетиву, а наиболее нагруженные части для пущей прочности обматывались льняной бечевкой.

Лимит мультимедиа блоков исчерпан, так что продолжение следует.

По материалам:

Making a historical crossbow - with the HIGHEST arrow speed?

Вся теория прочности материалов строится на поиске какого-то дефекта в его структуре. Если материал, например, начал ломаться под нагрузкой, то это означает, что какое-то несовершенство в его строении оказало фатальное влияние и произошло разрушение.

Процессы тут описываются довольно разнообразно, но я предлагаю акцентировать внимание на металлических кристаллических материалах. Там всё линейно и легче представить, а общая идея будет одинаковой во всех системах и типах конструкций материалов.

Кристаллический - это значит, что атома металла упорядочены некоторым стандартным образом и картинка их пространственного расположения повторяется с некоторым периодом. Тут хорошо вспоминать "кубик" с уроков химии.

Теперь представьте, например, что на раме вашего любимого велосипеда образовалась макротрещина. Макро - потому что мы уже видим её глазами и предполагаем, что дальнейшая эксплуатация рамы может привести к неожиданной поломке в самый неподходящий момент.

Трещина обычно появляется или из-за превышения допустимой нагрузки, или из-за усталостного износа. Причин на самом деле тут может быть больше, но мы опять-таки всё упрощаем. При этом металл, из которого сделана велосипедная рама, имеет кристаллическое строение.

Во всём виноват дефект

Как материаловед опишет вам причину появления трещины и по сути произошедшее разрушение? Ну поскольку мы условились, что это металлический кристаллический материал, то отталкиваемся от дислокаций.

Дислокациями называется линейный дефект, который образуется из-за того, что (теперь внимательно!) в какой-то момент упорядочивание атомов в структуре оказалось дефективным. Скажем, всегда у нас получался стандартный кубик, а тут оказалось, что вместо 4 атомов на ячейку пришлось всего 3. Система при этом всё равно образовалась и металл получился. Но при этом появилась "слабая" плоскость. Если нагрузка придётся на эту точку, то дислокация "поедет" по всей структуре и в итоге образуется сначала микротрещина, а потом и макро.

Тут можно сломать голову над тем, какую ассоциацию должен использовать человек, мало знакомый с азами материаловедения. Но я предлагаю представить вам самодельный мостик через ручеёк.

Пусть он состоит из трёхметровых досок и имеет длину 3 метра. Пускай 7 досок у нас будет нужной длины, а восьмая доска короче на 10 сантиметров. Она вроде как выполняет свою функцию и кое-как лежит на своем месте. Но если наступить именно на эту доску, то она провалится, тогда как остальные доски выдержали бы.

Эта дефектная доска и будет дислокацией в случае кристалла.

Процесс упрочнения металлического изделия обычно строится на попытке играться с такими дефектами. Например, дислокациям создаются разные барьеры из других дефектов и невозможность перемещения приводит к упрочнению системы. Примерно так работает наклёп. Это когда механически воздействуют на образец с целью его упрочнения - можно бить по нему молотком или обрабатывать дробью.

Ну и как промежуточный итог отмечу, что дефектов в строении бывает невероятное множество. Примесные атомы, дислокации, вакансии, атомы замещения и куча других.

Так вот вся эта длинная речь была подводкой к нашему основному вопросу. Однажды меня спросил: Если все проблемы от этих дефектов, то почему нельзя пойти простым путём и сделать материал без таких дефектов? И вот тут начинается самое интересное.

Идеальный материал - это мечта

Сделать бездефектный материал физически невозможно.

Это примерно как попытаться в реальности создать абсолютный вакуум. Сколько не старайся, а всегда там что-то да будет болтаться. Это может быть квантовая пена и результаты квантовых флуктуаций или обрывки обычных частиц. Но пустоты не получится никогда и абсолютный вакуум всегда будет чем-то из серии физической идеализации для упрощения расчёта.

Вот такая дичь творится в якобы пустоте. Частиц рождаются и пропадают, всё время что-то булькает

Точно также и идеальный кристалл для материаловеда будет чем-то типа недостижимого абсолюта.

Само собой, такие работы проводились, но их провал был ожидаемым и объясняется физикой строения материи. Например, очень активно прорабатывалась тема создания монокристаллов. Это кристалл без границ зерен. Но полноценное их использование так и осталось чисто гипотетическим.

Монокристалл удалось получить, но было не ясно, как это использовать. В лабораторных условиях система росла идеальной, да и то до некоторого предела. А дальше у нас получался "кусок материала" из которого нужно было вырезать, например, шестерню. При попытках обработки идеальная структура начинала плыть. В итоге монокристаллы стало возможным использовать только в электронике и прочих аналогичных системах. Да и то удалось лишь избавиться от сугубо "механических" неточностей конструкции.

Почему же всё так печально?

Причин неудачи в поиске идеального материала очень много. Давайте опишем самые очевидные и простые.

Представьте себе процесс формирования металлических кристаллов. Один атом присоединяется к другому и образуется связь. Я тут всегда привожу в пример неокуб. Он очень хорошо позволяет визуализировать такие вещи.

Силы взаимного притяжения заставляют атомы сближаться и они входят в электростатическое взаимодействие. Но этому процессу препятствует взаимное отталкивание электронных оболочек. Получается этакое равновесие - атомы достаточно сблизились и притягивают друг друга с достаточной силой, чтобы не оторваться, но не сталкиваются друг с другом потому что ещё и отталкиваются.

Такая пара частичек болтается в пространстве и встречает ещё один атом металла.

При подходящих условиях этот атом тоже "приклеится" к уже существующей системе. Силы взаимодействия перераспределятся и получится, что у нас есть баланс сил уже между тремя атомами металла, которые не могут оторваться и не могут окончательно сблизиться.

Процесс повторяется множество раз и выстраивается как раз то, что мы называем кристалликом.

И теперь представим, что болталась эта конструкция из группы атомов металла в пространстве, а потом атомы металла вдруг кончились.

Конструкция из группы атомов летает свободно и ничего больше не происходит. Но рано или поздно она встретит такую же другую конструкцию. Они начнут притягиваться друг к другу посредством гравитационного и электростатического взаимодействий и в какой-то момент образуют группу. Получится два кристаллика, что в микроскопе будет выглядеть как два зёрнышка.

В идеальных условиях эти зёрна бы объединились абсолютно идеально. Но мы-то с вами в реальной Вселенной. Там происходит что угодно.

На атомы и системы из атомов влияют самые разные силы: могут подействовать магнитные силы, может повлиять простая механика, может оказать воздействие солнечный ветер. Факторов бесконечно много. Это приводит к тому, что кристаллики срастаются не идеально, а криво-косо.

Это как представить, что на лету встретились два абсолютно идеальных снежка. При том, что форма их правильная, множество воздействий всё равно не позволят слипнуться им абсолютно ровно и идеально.

Примерно также это работает и с формированием самого единичного кристаллика или ячейки, если правильно. Атомы будут выстраиваться идеально ровно до тех пор, пока что-то не произойдёт.

Мимо может пролететь комета или какой-то электрически заряженный объект. Более того, влияет и сама внутренняя энергия атомов. В каких-то случаях у атома она высокая и он находится в активном тепловом движении. Когда-то атомы наоборот практически неподвижны. И когда такие противоположности сталкиваются, то образуется дефект. Не хватит у группы атомов энергии и вместо 4 атомов на ячейку получится три. Просто потому, что мимо пролетающий атом был настолько быстрым, что оторвался от системы, которая его притягивала.

Ну а потом эта этажерка из трёх атомов встретила в пространстве этажерку из пяти атомов и всё это соединилось. Согласитесь, получившаяся система далека от идеала.

Всё есть хаос

Самая важная мысль тут, что не стоит рассматривать взаимодействия атомов и их групп как идеальный процесс, который существует в изолированной системе. На частиц действует невероятное количество факторов. Мы разобрали лишь один и самый простой.

Мир частиц только на бумаге красивый и идеальный. На практике это хаотичный бульон в котором кое-как происходит некоторое упорядочивание. Поэтому удивительно было бы увидеть идеальный кристаллический материал, нежели чёрти-что с кривой структурой и неимоверным количеством дефектов. Все эти красивые ровные линии и упорядоченные картинки - результат очень сильного упрощения и идеализации. В реальности такого нет.

Даже на уровне макромира все машины едут по дороге не идеально, а каждая как может. Вот кто-то стоит на обочине, а вот машина летит быстрее потока. Ну а что, если посмотреть на муравейник? Там всё ещё интереснее. Тьма существ, которые управляются непонятно какой логикой.

Всё это сводится к логике хаоса. В невероятном хаосе из постоянных флуктуаций в какой-то момент формируется упорядоченная система, но влияние хаоса настолько сильное, что не о каких ровных линиях говорить нельзя.

И да, если вам нужны дополнительные занятия по физике материалов, то пишите на почту или в телегу проекта.

Обязательно подпишитесь на Telegram

Пространство-время – это математическая модель, которая объединяет три измерения пространства (длина, ширина, высота) с одним измерением времени в единый четырехмерный континуум. Вместо того, чтобы рассматривать пространство и время как отдельные и независимые сущности, мы рассматриваем их как взаимосвязанные и взаимозависимые аспекты единого целого. Это связанное состояние является чем-то типа сцены, на которой творится вся физика и вся наша жизнь. Но откуда оно взялось и как сформировалось?

Ну и да, я буду рад, если вы посмотрите мой ролик на YouTube по этой теме. Там всё разложено по полочкам и много чего интересного. Каждый просмотр важен.

Вопрос о происхождении пространства и времени – один из самых фундаментальных и завораживающих в физике. Это не просто вопрос “когда” и “где”, это вопрос о самой ткани реальности, о тех нитях, из которых сплетен наш мир. Ответить на него полностью мы пока не можем, но существующие теории и модели дают нам некоторое представление о проблеме. И проблема эта точно не самая простая.

Вообще теорий существует просто невероятное количество. Вот только если говорить именно про научные, да ещё и на сугубо физические подходы, то я насчитал их всего три. Давайте их и разберём.

Для начала отмечу, что особняком стоит взаимоотношение пространства и времени с информацией. Будет ли информация являться частью пространства-времени или это разные сущности? Правильного ответа нет, как нет и полного описания понятия "информация". Но в одном случае уместно полагать, что информация описывает ещё и пространство-время и становится его основой, а в другом - что информация появляется внутри пространства-времени. Вдумайтесь в этот момент.

Некоторые физики полагают, что пространство-время формируется в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной доли метра. Другие сводят всё к взаимодействию кварков. Сложность лишь в том, что ни те, не другие не могут точно сказать, что именно происходит.

Не было никакого “ДО”

Одна из самых "хитрых" теорий построена на том, что пространство и время существуют вечно. Сама идея “до” теряет смысл, ведь “до” предполагает наличие времени, а его, как такового, вероятно и нет. Можно представить это как вопрос о том, что находится севернее Северного полюса. Понятие просто не имеет никакого смысла в данной системе координат.

Если сюда добавить разные подходы, связанные с зацикливанием поведения Вселенной и её физического состояния, то сам вопрос о формировании пространства-времени теряет всякий смысл.

Квантовые флуктуации

Эта теория построена на том, что в физике не может существовать пустоты. До формирования Вселенной (всё равно по какой причине) не было пустоты. Был набор квантовых флуктуаций. Они каким-то образом (опять-таки не важно каким) получили энергию и стали раскручиваться. Этот процесс позволил говорить о формировании не просто материи, а пространства и времени вместе с ней. Очень грубая аналогия - это как театр приехал на гастроли и привёз с собой всё необходимое. Сцену, актёров, декорации.

Но тут сама квантовая теория тонет в изобилии гипотез. Среди них можно выделить самые известные:

• Теория струн: Представляет собой радикальный подход, заменяющий точечные частицы одномерными струнами, вибрирующими в многомерном пространстве. Пространство и время, в этом случае, возникают как эмерджентные свойства этих струн.
• Петлевая квантовая гравитация: Подход, который квантует само пространство-время, представляя его в виде дискретной сети “спиновых сетей” и “спиновых пен”. В этой модели, пространство и время не являются непрерывными, а состоят из фундаментальных, квантованных “атомов”, а они появились после Большого взрыва.
• Теория причинно-следственных множеств: Предполагает, что пространство-время состоит из дискретных элементов, связанных причинно-следственными связями. Время, в этом случае, является фундаментальным аспектом реальности, определяющим порядок этих связей. Они тоже сформировались когда-то при Большом взрыве.

Пространство-время как эмерджентное явление

В некоторых моделях, пространство и время не являются фундаментальными, а возникают как эмерджентные свойства более фундаментальных объектов или состояний. Это подобно тому, как температура возникает как усредненное значение кинетической энергии молекул, хотя сами отдельные молекулы не имеют “температуры”.

Этот взгляд часто обыгрывал Эйнштейн. Когда он рассуждал на тему искривления пространства-времени для формирования гравитации, часто звучала мысль, что ни в коем случае нельзя рассматривать пространство и время как что-то уже существующее и искажающееся как простынь. Он склонялся к мысли, что массивные тела формируют вокруг себя некоторое окружение пространством, которое на фоне других точек является искаженным.

Одной из интересных идей является то, что пространство-время может быть связано с квантовой запутанностью. Квантовая запутанность – это явление, когда две частицы оказываются неразрывно связаны, независимо от расстояния между ними. Некоторые теории предполагают, что пространство-время “сшивается” благодаря запутанности между фундаментальными элементами реальности.

Ну и свежая не-физическая теория

Есть теория, которая сейчас довольно активно обсуждается в сети. Я бы не стал относить её именно к физической теории. А потому в заголовке упомянуты только три теории, а не четыре. Но просто считаю нужным про неё упомянуть. Это теория космического генома. Она чем-то похожа на теорию симуляции и превалирование космического программного кода.

Представьте себе, что Вселенная – это не хаотичный взрыв, а тщательно запрограммированный организм, управляемый космическим геномом. Это не просто набор чисел, а фундаментальная информационная матрица, существующая вне пространства и времени, содержащая “Кодоны Вселенной” (KVU).

KVU – это квантовые состояния, как инструкции, определяющие свойства и отношения. Пространство рождается как эмерджентное свойство, когда KVU взаимодействуют, сплетаясь в сети. Близость в пространстве – это степень их информационной связанности. Время – это последовательность активации KVU, создающая причинно-следственные связи. Квантовая запутанность - это нелокальная связь KVU, имеющих общего “родителя” - родительский KVU, связь вне пространства и времени.

Эволюция Космического Генома, мутации, ведут к изменению физических законов, создавая разнообразие вселенных в мультивселенной. Теория предлагает рассматривать Вселенную как колоссальный информационный процесс, где информация первична, а пространство и время – лишь её голографические проекции. Проверяемость пока сложна, но идея открывает двери для нового понимания фундаментальной природы реальности.

Вместо заключения

Происхождение пространства и времени всё равно остается открытым вопросом. Развитие теории квантовой гравитации и дальнейшие исследования в области космологии и теоретической физики, возможно, приблизят нас к пониманию этого фундаментального аспекта нашего существования. Какая ситуация в физике сейчас? Всё просто, никто в полной мере не понимает, откуда взялось пространство-время.

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

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

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

Та самая жуткая жуть

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

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

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

Пример истинной случайности

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

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

Как пройти в библиотеку

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

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

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

Что же, мы подходим к самому интересному.

Скрытые параметры в квантовой системе

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

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

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

Почему скрытых параметров нет?

Логика существования таких параметров кажется более чем правильной.

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

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

Неравенства Белла как доказательство

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

Скрытый параметр

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

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

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

Скрытые параметры - это немного о другом

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

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

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

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

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

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

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

Как вы наверное помните, основным выводом Гейзенберга было, что нельзя одновременно точно определить положение частицы и её импульс. На этом представлении строится вся современная физика.

Волночастица в работеВпервые введенный в 1927 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом принцип гласит, что чем точнее определено положение некоторой частицы, тем менее точно ее импульс может быть предсказан из начальных условий, и наоборот.

Утверждение это довольно сложно проанализировать, если воспринимать частички только лишь как физические тела, похожие на мячики, но мы-то с вами знаем, что в квантовой физике всё кверху ногами и логика упирается в волновую природу. Коротко и понятно - это значит только одно. Вся квантовая физика держится на вероятности и не может быть точной в подразумеваемом нами смысле.

Пару слов про аттосекундную физику

Между тем, недавно нобелевская премия в области физики была вручена за разработку методики, способной работать с минимальными временными интервалами или аттосекундами.

Какой-то дурацкий комикс, но есть величина аттосекунды

Аттосекундная физика интересна тем, что при рассмотрении минимального интервала в поведении частичек (да и при рассмотрении прочих процессов) появляются детерминированные (строго определённые состояния).

В конечном итоге, любую прямую можно описать как набор точек, которые расположены друг за другом вдоль одной линии, а любая волна в море может быть рассмотрена как положение конкретной молекулы в строго обозначенной точке с конкретными характеристиками.

Догадались к чему идёт дело?

Нобелевская премия сломала принцип Гейзенберга?

Если раньше Гейзенберг исходил из того, что волна есть некоторый непрерывный интервал и где-то там проявляются свойства частицы, которые ещё и не возможно точно измерить, то тут картина резко меняется.

Довольно неплохая иллюстрация логики происходящего

Ученые в области сверхбыстрой «фотографии» субатомного мира научились фиксировать мгновенное состояние системы.

Энн Л'Уилье из Франции придумал как создать ультракороткие лазерные вспышки, а Пьер Агостини из Франции и Ференц Крауш из Австрии независимо друг от друга применили эту технологию на практике.

В обычных случаях это означает, что систему можно "заморозить" и получить такие состояния частицы, которые раньше мы не могли себе даже и представить. Варианты можно ожидать тут самые разные и да, это совершенно неизведанная для физиков территория.

Значит ли это, что теперь и принцип Гейзенберга не имеет никакого смысла? Всё относительно.

Логика аттосекунд и Гейзенберг

Да, систему теперь и правда можно зафиксировать. Да, из волны, которая описывает состояние электрона (теоретически) можно теперь выделить конкретное состояние и представить это как точное описание частицы в конкретный момент. Но важно правильно понимать это физически.

Гейзенберг действительно вряд ли ожидал, что аттосекундные периоды для длин волн в нанометрах будут когда-нибудь технологически разрешимы.

Но, вероятнее всего, такие технологии его скорее бы порадовали. Говорить о том, что новая физика опровергает его идеи не совсем правильно.

Даже если Гейзенберг не прав сейчас, то он прав был тогда

Во-первых, интервалы хоть и короткие...Но насколько они короткие? Далеко не факт, что сверхбыстрые фотографии опять-таки фиксируют не интервал времени, а "единичное квантовое состояние". Это утверждение в корне ломает все доводы о неправоте Гейзенберга. Поэтому, если это всё-таки интервал, то говорить о возможности измерить всё сразу опять нельзя.

Во-вторых, смею предположить, что Гейзенберг и не стремился особенно сильно упираться в свой же постулат. Вероятнее всего, главная ценность этой системы - обозначить, что на момент времени (!!!), когда работал Гейзенберг, физика не может точно измерить и координату, и импульс, а вся квантовая логика принципиально отличается от классической физики. Само собой, что если бы Гейзенберг на тот момент знал про аттосекунды, то он, вероятно, строил бы логику совсем иначе.

Собственно, мне не доводилось пока видеть авторитетные научные работы, где логика принципа неопределенности проверялась бы по новым методикам, поэтому если у вас есть ссылки на такие статьи, то оставляйте их в комментариях.

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

Наверняка вы слышали эту байку. Лист бумаги можно сложить только 7 раз. Почему именно столько и откуда такое число? Да и правда ли это? Попробуйте провернуть это мероприятие с обычным офисным листочком и опишите результат в комментариях!

Но мне уже знаком ответ. Поэтому, продолжу повествование для тех, кто уже увидел результат теста.

Обычная офисная бумага имеет толщину около 0,1 мм и быстро увеличивается в размерах и "толстеет" при сгибании. Давайте прикинем процесс математически.

Складываем бумагу 7 раз: без сгиба - 0,1 мм, первый сгиб - 0,2 мм, второй сгиб - 0,4 мм, третий сгиб - 0,8 мм, четвертый сгиб - 1,6 мм, пятый сгиб - 3,2 мм, шестой сгиб - 6,4 мм, седьмой сгиб - 12,8 мм. Согласитесь, что 12,8 - это не так-то и много. Последняя складка соответствует 128 листам бумаги. Достаточно сложно сложить лист даже уже в 5 раз.

Но проблема на самом деле даже ни в этом. Проблема в том, что радиус сгиба в конечном итоге будет слишком большим, чтобы лист можно было сложить еще больше, не разорвав бумагу.

Представьте себе систему, которая состоит из слоёв. Например, тут очень хорошо подойдёт панель из вспененного материала, облицованного ПВХ. Такие панели активно используются для облицовки и утепления. Нам подойдёт любой аналогичный вариант, поэтому если этот материал вам не знаком, то представьте, что нечто относительно мягкое зажимается между жёсткими слоями.

Когда такую конструкцию пытаешься согнуть, то происходит интересный процесс. Слой ведут себя неравномерно и это более, чем очевидно. Тот слой, который оказывается снаружи угла будет не просто изгибаться и складываться. Он будет стремиться к растяжению.

Пока внутренней слой тонкий, то система будет изгибаться. Но когда внутри толщина слоя всё увеличивается, в какой-то момент наступит предел, где для получения складки нужно будет интенсивно растягивать внешний слой. Если материал податливый, то это не будет проблемой. Он просто деформируется. Примерно так повёл бы себя лист алюминия. Но бумага - это другой материал. Она практически не растяжима.

Соответственно, пока у бумаги хватает пластичности, она образует складку. Когда складка уже формироваться не может - она рвётся.

С механической точки зрения сложить бумагу уже не получится. Это действительно невозможно физически. Потому что бумагу нужно не складывать, а рвать. И рвать нужно по сути кусок фанеры, толщиной 12,8 мм. Сможете порвать такой кусок руками? Скорее всего нет.

Полезно отметить, что размер листа играет роль. Это оказывает влияние на минимальный радиус изгиба. Чем больше лист, тем меньше можно растягивать внешний слой. Поэтому 7 раз -это предел для листа офисного размера.

Лист бумаги большего размера можно сложить более 7 раз. Разрушители мифов однажды сложили лист бумаги размером с футбольное поле 11 раз.

Ну а как антипод тут поведёт себя какой-нибудь полимерный материал. Лист спасательного одеяла (одеяло из термомайлара) можно сложить минимум 12 раз руками. Толщина этих одеял всего 15 микрон. Пластичность этого материала высока и предел излома, который будет требовать порвать внешний слой, будет достигнут гораздо позже.

Такой простой процесс, а внутри спрятана столь интересная физика.

Помните фильм Чужой? Главная опасность для героев заключалась во встрече с ксеноморфами и противостоянии им. При этом инопланетные существа показаны невероятно опасными и способны "выедать" целый космические колонии. Отбиваться от них очень сложно. Но есть одна методика, которая сразу приходит на ум.

По сюжету ксеноморфы и прочая инопланетная живность в фильме обладают одним отличием - их кровь состоит из кислоты и если такая капля падает на металлический пол корабля, то мгновенно его проедает. Вероятнее всего, это какая-то неорганическая кислота, но тут сложно делать однозначные выводы.

Герои фильма борются с агрессивными инопланетянами самыми разными способами - начиная от попыток отбиться арматурой и кончая использованием всех видов современных систем на станции. При этом не скажешь, что это успешно получается. Существа довольно стойкие к внешним воздействиям и выдерживают серьезные испытания.

И тут на ум приходит школьная лаборатория химии. Помните, что там было? Где-то на видном месте всегда стояло несколько ёмкостей с надписями "при ожогах кислотой" и при "ожогах щёлочью". Поговаривали, что в них находились соответственно щёлочь и кислота. Впрочем, их концентрация, скорее всего, была минимальной.

Позже мне расскажут, что эта школьная логика не то, чтобы правильная - ведь если кислоту высокой концентрации смывать такой же концентрированной щёлочью, то весьма вероятно интенсивное выделение тепла, что приведет к ожогам поврежденной зоны. Ну и наоборот. Происходит реакция нейтрализации.

Реакция нейтрализации - это взаимодействие кислоты и основания с образованием соли и воды. Суть нейтрализации состоит в том, что кислота и основание, обмениваясь активными частями, нейтрализуют друг друга. В результате образуется новое вещество (соль) и нейтральная среда (вода).

Этот простой пример возвращает нас к логике взаимодействия кислот и щелочей. Тут неизбежна бурная реакция, которую вполне можно использовать и с ксеноморфами.

На борту обязательно должна быть пищевая сода. Она есть буквально везде и на космической станции, скорее всего, тоже. Стоит где-то под мойкой на кухне.

Если ксеноморфы - это форма жизни, которая состоит из кислоты, то эту кислоту можно нейтрализовать. Для этого нужно придумать способ перемешать их с пищевой содой. Это гарантированно будет довольно эффективно работать. Ведь также, как они способны растворять всё вокруг слюной, их самих поглотит химическая реакция.

⚡ Друзья мои, прошу вас помочь набрать 1500 подписчиков и поддержать мой проект в Телеграм, где я коллекционирую схемы и гифки, поясняющие физические процессы. Будет полезно и интересно!

Представьте себе, что вы хотите описать вселенную. Каким бы огромным ни был ваш словарь, каким бы подробным ни было ваше описание, вы столкнетесь с пределом. Этот предел, определяемый как предел Бекенштейна, говорит, что количество информации, которое может содержаться в заданном объеме пространства с ограниченной энергией, конечно. Это означает, что даже для идеального описания физической системы, занимающей конечный объем и обладающей конечной энергией, потребуется ограниченное количество информации.

Но что это значит для самой информации? Ведь многие относят эти сведения исключительно к термодинамике и энтропии. Я же смею предположить, что смотреть на такой предел нужно шире.

Если информация имеет предел, то она должна быть физической сущностью. Мы неоднократно приходили к этому выводу, исследуя масштабы материи, и каждый раз мы убеждались, что все сводится к информации и энергии. Те, кто следят за моим научпоп-творчеством это хорошо знают.

Предел Бекенштейна ставит перед нами загадку: является ли пространство просто “таблицей данных”, или это “хранилище для информации”? Как бы мы ни отвечали на этот вопрос, мы приходим к одному и тому же выводу: информация, ранее считавшаяся эфемерной сущностью, на самом деле является реальным физическим объектом со своими характерными параметрами. Или же никакого бы предела попросту не было. Пусть изначально рассуждения относились к сугубо термодинамическим параметрам. Но на мой взгляд всё куда интереснее. Если есть пустой шкаф и нечто, что может влезть в этот шкаф, а может и не влезть, то это не метрика, как многие пытаются утверждать.

Этот вывод отвергает традиционное представление о пространстве как пустом холсте, на котором разыгрываются физические явления. Вместо этого, пространство предстает перед нами как “хранилище” информации, с ограниченной емкостью, которое влияет на физические процессы и определяет пределы всего существующего. Ну а информация тогда - РЕАЛЬНЫЙ физический объект.

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

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

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

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

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

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

Случайности и точные науки

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

Теория вероятности делит события на три типа:

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

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

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

Эту логику "кроют" эффектом бабочки.

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

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

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

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

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

Что же...Всё равно не убедили

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

Метод Ньютона для приблизительного решения

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

Тут я вижу два разрешения проблемы:

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

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

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

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

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

В одной из статей было отмечено, что:

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

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

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

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

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

Про сокращение длины при увеличении скорости сегодня широко известно. Во всех статьях упоминается это интересное явление и при построении описания той же теории относительности это явление чуть ли не самое главное.

Вот только нет ответа на главный вопрос - а что такое это сокращение длины с физической точки зрения и чем оно является? Ну и есть ещё более интересный вопрос про возможность измерить такое сокращение.

Само по себе явление, которое мы привыкли видеть в объяснениях, "растёт" из преобразований Лоренца. Не все знают, но преобразования эти существовали ещё до того, как Эйнштейн начал работу над теорией относительности. Он просто использовал эту логику в работе и ссылался на такие явления.

Пару слов про преобразования Лоренца

Преобразования Лоренца описывают те изменения, которые происходят в системе при увеличении её скорости. Там вам и длина сокращается, и время идёт иначе. Но вот что там про длину? Что происходит физически? Удивительно, но этот вопрос довольно широко обсуждается и не имеет однозначного ответа.

Обычно с таких картинок начинается путаница. Да не сжималась машина - это её проекция.

Что такое сокращение длины для простого обывателя? Взять гидравлический пресс, положить под него банку из Пепси и сжать её. Физически её длина уменьшается в несколько раз. Но будет ли такое "физическое сжатие" происходить с ракетой в космосе? Даже сам Лоренц говорил, что нет. Более того, в теориях отмечено, что все инерционные системы отсчёта равноправны, а значит и материальное сокращение длины есть неправильное понимание процесса.

Явление сокращения длины описывается преимущественно как специфика пространства-времени. Такие изменения связаны с относительностью.

Если мы стоим неподвижно на станции, а мимо пролетает поезд, то нам кажется, что поезд короче. Относительно нас поезд и правда короче. Но физически он не деформируется. Было бы забавно, если бы электричка уменьшалась пропорционально скорости.

Никто не сжимается?

Речь тут про изменения пространства и остальное относится скорее к мистификации процесса и явлений.

Наверное будет уместно привести пример. Представьте себе, что у вас есть клетчатый листок бумаги. Вы нарисовали на нем две клетки. При этом клетка имеет размер 1 см х 1 см. Вы сжали этот листок бумаги и клетка уменьшилась. Сам объект не претерпел материального сжатия. Просто изменились параметры координатного пространства. Это хорошо описывается в примере Эйнштейна про грозу и поезд.

Впрочем, тут можно сказать, что сжалось пространство вместе со всеми объектами. Подобно тому, как расширяется Вселенная, объем мог пропорционально и уменьшаться. Лоренц рассуждал об этом явлении в таком ключе.

Или всё-таки сжимается?

В одной из его заметок упоминается мысль, что в материальных объектах уменьшается расстояние между частичками без их непосредственного изменения. Но тогда это означает и материальное уменьшение в размерах?

Не совсем так. Всё-таки, даже если длина тут бы и реально уменьшилась, причиной было бы не сжатие объекта прессом, а изменение параметров пространства.

И тут мы, как практики, хотим измерить такое явление. Измерял ли кто-нибудь Лоренцово сокращение или нет? Тут нас ждёт отличный сюрприз.

Измерение Лоренцова сжатия

Измерить его невозможно. Если взять линейку и пойти измерять ракету, которая мчится по Вселенной, то сразу окажешься в системе отсчёта этой ракеты. В единой системе отсчёта пространство одинаково и никакого измерения сделать не получится. Значения будут такими же, как и при простом замере.

Измерить Лоренцово сжатие можно только из внешней системы отсчёта, а там мы сталкиваемся с проблемой изменения самого пространства из-за относительности. Как измерить длину поезда, который пролетел мимо пассажира на станции? Практически никак! Только разными косвенными способами.

Это приводит к одной единственной мысли. Сжатие материи при увеличении скорости есть скорее фигура мысли, чем реальный физический процесс. Прикладную ценность имеет не измерение сжатия материи, а умение описать специфику поведения пространства-времени. В процессе дальнейшего изучения вопроса вполне может оказаться, что Лоренцово сжатие есть просто удобный математический приём, который позволяет связать всё хоть в какую-то единую логику. Ведь даже сам Эйнштейна писал, что никакого реального физического сжатия нет, а пространство-время есть простая математическая модель.

Мораль простая - из-за излишней мистификации вопроса мы все неверно понимаем Лоренцовы преобразования и их истинную суть.

⚡ Поддержите пожалуйста проект и помогите собрать 2000 подписчиков на моём Telegram-канале про Изобретения. Там много интересного по теме науки, познания и ТРИЗ.

К сожалению, мы никогда не достигали ядра Земли (и, скорее всего, никогда не достигнем), но мы многое знаем о его строении, так как располагаем замечательной наукой под названием сейсмология, а также данными гравиметрии, геомагнетизма, геохимии и лабораторных экспериментов при экстремальных давлениях.

Помимо этого, часть важных знаний о внутреннем устройстве нашей планеты мы получили благодаря подповерхностным ядерным испытаниям в период Холодной войны, которые снабдили ученых "спровоцированными" сейсмическими сигналами.

Сегодня мы можем с уверенностью сказать, что внешнее ядро Земли расплавлено, а внутреннее — твердое. Кроме того, исходя из наших знаний о распространенности химических элементов во Вселенной и о том, что с ними происходит при определенных условиях, мы знаем, что ядро состоит преимущественно из железа, которое находится под гигантским давлением.

Имеющиеся данные указывают на то, что температура земного ядра составляет примерно 6 000 градусов (тут и далее температура в градусах Цельсия), что делает его даже горячее солнечной поверхности (около 5 500 градусов). От поверхности Земли ядро отделяют порядка 3 000 километров — если бы наше светило оказалось так близко, оно тут же бы испепелило планету.

Почему же тогда более горячее ядро Земли за 4,6 миллиарда лет не расплавило ни планету, ни ее обитателей?

Ядро изолировано от поверхности огромной толщей мантии, состоящей в основном из твердых горячих горных пород, которые "текут" (мантийная конвекция) со скоростью в несколько сантиметров в год.

Несмотря на огромную температуру ядра, тепло из глубин поднимается к поверхности крайне неэффективно, так как породы плохо проводят его, а перенос за счет медленной мантийной конвекции занимает колоссальное время. Поэтому в данном случае важна не только температура ядра, но и то, сколько тепловой энергии может быть передано наружу и с какой скоростью.

В результате до поверхности доходит слишком маленький "поток" тепловой энергии, чтобы прогреть всю планету до температур плавления: Земля просто медленно теряет тепло (оно уходит в космос), а не "закипает" изнутри. При этом мантия не "плавится снизу" так, чтобы расплав постепенно поднимался все выше. В глубине давление повышает температуру плавления пород, поэтому даже при высоких температурах нижняя мантия в основном остается твердой. А там, где расплав все же появляется, он обычно не накапливается: поднимаясь, он попадает в более холодные области и частично кристаллизуется. В итоге в недрах Земли не существует "роста" океана расплава снизу вверх — возникают лишь отдельные зоны частичного плавления.

Искра бенгальского огня может иметь температуру в 1 500 градусов, но если она случайно попадет в вас, то вы, скорее всего, даже не почувствуете этого. А вот погружение в ванну с кипятком (каких-то 100 градусов) стало бы фатальным для большинства обитателей Земли, потому что у воды большая масса и теплоемкость — она успевает передать много энергии.

Тот же принцип и с Землей: "печка" спрятана очень глубоко, и тепло наружу просачивается постепенно — через конвекцию в мантии и теплопроводность пород. Поэтому планета не плавится, а медленно остывает.

В музейных запасниках и частных коллекциях военной техники порой встречаются устройства, назначение которых с первого взгляда остается загадкой. Одним из таких артефактов является массивная камера в деревянном ящике, маркированная как "A.A. Close Range Attack Camera" или "A.A. Verifying Camera". За этими техническими обозначениями скрывается увлекательная история о том, как фотография стала инструментом военной подготовки в самые драматичные моменты Второй мировой войны.

Появление авиации в Первой мировой войне поставило перед военными специалистами принципиально новую задачу. Если тренировка стрельбы по наземным целям не представляла особых сложностей — достаточно было установить мишени на полигоне, — то подготовка зенитчиков требовала кардинально иных подходов. Воздушные цели движутся с высокой скоростью, меняют направление и высоту, а использование самолетов в качестве мишеней было крайне рискованным предприятием.

Первые попытки решения этой проблемы выглядели довольно экзотично. Военные экспериментировали с воздушными змеями, оснащенными рулевым управлением и системой двухлинейного контроля. Оператор мог маневрировать таким змеем, имитируя движения вражеского самолета. При ветре силой не менее 10 узлов змей быстро поднимался на высоту около 250 ярдов, предоставляя стрелкам возможность отработать навыки наведения и определить результативность попаданий по видимым повреждениям конструкции.

Также существовало более радикальное и в то же время более опасное решение: буксировака мишени самолетом. Стрельба велась боевыми снарядами, без защиты от дурака, поэтому вся надежда была на то, что расчёт не перепутает буксир с мишенью или не даст слишком большое упреждение.

Качественный прорыв в методах подготовки произошел с появлением камеры Hythe — устройства, которое полностью имитировало пулемет Льюиса, но вместо боеприпасов использовало фотопленку. Конструкция камеры в точности повторяла габариты, вес и органы управления настоящего оружия. Когда стрелок нажимал на спуск, срабатывал фотографический затвор, фиксируя изображение цели в момент "выстрела".

Эта концепция позволила инструкторам проводить детальный анализ ошибок курсантов после завершения тренировки. Проявленные снимки наглядно демонстрировали точность прицеливания, правильность взятия упреждения и общее качество работы стрелка. Камера Hythe использовалась как в наземных установках противовоздушной обороны, так и на борту самолетов для отработки воздушных боев.

В 1934 году появилась камера Williamson G.22, предназначенная для установки на крыльях истребителей. Пилот мог дистанционно активировать устройство через кабельную систему, фотографируя цели в момент стрельбы из бортового вооружения.

С началом Второй мировой войны и угрозой германского вторжения в Великобританию потребность в эффективной подготовке зенитчиков приобрела критическое значение. Британская промышленность быстро переориентировалась на военные нужды. Компания Houghton-Butcher, известная производством фотоаппаратов серии Ensign, адаптировала конструкцию Williamson G.22 для нужд сухопутных войск.

Результатом этой работы стала учебно-контрольная зенитная камера, которая устанавливалась непосредственно рядом с орудием, а не заменяла его, как в случае с камерой Hythe. Такая компоновка открывала дополнительные возможности: устройство могло документировать не только учебные стрельбы, но и реальные боевые действия, фиксируя попадания по вражеским самолетам.

Учебно-контрольная зенитная камера представляла собой высокотехнологичное для своего времени устройство. Конструкция использовала стандартную фотопленку типа 120, на выходе получались квадратные кадры 6х6см. Объективы использовались производства фирмы Dallmeyer, в частности модель "Dallon".

Особого внимания заслуживает система спуска и продвижения пленки. Массивный металлический тросик, выполненный в форме пистолетной рукояти, соединялся с камерой через систему тросов Bowden — тот же принцип, что применяется в велосипедных тормозах.

Вращение механизмов внутри камеры при натяжении тросов обеспечивало как срабатывание затвора, так и перевод пленки на следующий кадр. Рукоять оснащалась счетчиком кадров для контроля расхода пленки.

Затвор камеры имел уникальную конструкцию, напоминающую венецианские жалюзи. Четыре отдельные лопасти одновременно поворачивались в горизонтальное положение.

Камера предлагала три режима работы затвора: выдержка 1/50 секунды для стандартной съемки, режим ручной выдержки и режим фиксации затвора в открытом положении до повторного нажатия на спуск. Автоматическая крышка объектива, связанная с механизмом затвора, защищала оптику между снимками.

В камере была встроенная система записи метаданных — функция, редко встречавшаяся в фотоаппаратуре того времени. Устройство содержало отдельный отсек с батареей, питавшей небольшую лампочку в боковом отделении камеры. При срабатывании затвора лампа на мгновение вспыхивала и подсвечивала белую табличку.

Через специальную оптическую систему изображение этой таблички проецировалось на край фотографического кадра. Операторы могли заранее написать на табличке необходимую информацию: дату съемки, имя наводчика, позицию орудия или другие служебные данные. Эта информация автоматически экспонировалась на негатив, создавая неразрывную связь между изображением и обстоятельствами его получения.

Однако при одинарном срабатывании лампочки метаданные обычно получались недоэкспонированными.

Благо, конструкция фотоаппарата допускал мультиэкспозицию метаданных: если в основной камере затвор то пропускает то преграждает световой поток, то в отсеке с лампочкой затвора нет. Просто там полная темнота, кроме тех моментов, когда лампочка мигает. Также спусковой механизм не имеет механической связи с затвором до тех, пока он не взведён; и не связан с транспортировочным механизмом. Однако связан с работой лампочки - она вспыхивает на каждое нажатие на спуск независимо от статуса затвора и плёнки. Тем самым можно сильнее и сильнее экспонирновать тот угол кадра, в котором отображается текстовая информация.

Непосредственно перед плоскостью пленки располагалась стеклянная пластина с координатной сеткой.

Центральная сетка-прицел и градусные деления по краям кадра позволяли точно определять угловое отклонение цели от оси прицеливания. Анализ таких снимков давал инструкторам объективную информацию о качестве наведения орудия и помогал выявлять систематические ошибки в работе расчета.

Камера поставлялась в прочном деревянном ящике, общий вес 11 килограммов. При этом переносная ручка ящика сделана из верёвки.

Внутренняя сторона крышки содержала металлическую табличку с выгравированными инструкциями по эксплуатации устройства. 

Появление столь сложных тренировочных устройств отражало общую тенденцию к научному подходу в организации противовоздушной обороны. Битва за Британию превратила зенитную артиллерию в высокотехнологичную отрасль военного дела. Артиллерийские расчеты использовали сложные аналоговые компьютеры для определения параметров цели и расчета упреждения.

Женщины-операторы обслуживали приборы, измерявшие высоту, скорость и направление движения вражеских самолетов. На основе этих данных вычислялись углы наведения орудий и время срабатывания взрывателей снарядов. Учебно-контрольная зенитная камера дополняла эту систему, обеспечивая подготовку персонала к ближнему бою, когда расчеты орудий полагались на механические прицельные приспособления.

Британские военные разработали целую экосистему тренировочных устройств. Купольные тренажеры представляли собой передовые для того времени симуляторы: внутри больших куполообразных строений на стены проецировались кинокадры с атакующими самолетами. Курсанты размещались в центре с макетами орудий и "вели огонь" по движущимся проекциям, а специальная система оценивала точность "попаданий".

Учебно-контрольная зенитная камера стала частью комплексной многоуровневой системы подготовки, направленной на максимальное повышение квалификации зенитных расчетов. Хотя эффективность зенитной артиллерии в плане непосредственного уничтожения вражеских самолетов оставалась относительно низкой, она оказывала психологическое воздействие и принуждала бомбардировщики к выполнению противозенитных маневров, чем существенно снижала точность бомбометания.

Современные испытания сохранившихся экземпляров камеры подтверждают, что она может оставаться пригодной к использованию на протяжение десятилетий даже при отсутствии обслуживания. Несмотря на некоторое замедление работы затвора на стандартной выдержке, а в холодную погоду - застревание его "жалюзей" в открытом положении, получить нормальные фотографии с камеры возможно. Производителем заявляется, что объектив сфокусирован на бесконечность, но фактически глубина резкости находится где-то на отметке 200 метров, что, вероятно, камера унаследовала от своего авиационного предка - самолеты в среднем открывали огонь по цели как раз с такого расстояния.

Сей фотоаппарат является наглядным примером того, как гражданские технологии адаптировались для решения специфических задач военного времени. В эпоху, когда выживание нации зависело от эффективности противовоздушной обороны, даже фотокамера являлась оружием.

По материалам: 

• Shooting with an Anti-Aircraft Camera from 1940 - YouTube

• This WW2 camera has an interesting shutter release cable : r/AnalogCommunity - Reddit

• Royal Air Force A.A Close Range Attack Camera & A.A Verifying Camera - LIVE Auctions

• Dome Gunnery Trainers - Air Gunner Bob Gill DFM - WordPress.com

• The Dome Teacher's ongoing legacy - Langham Dome

И видео:

В повседневной жизни мы даже не задумываемся о том, что постоянно участвуем в грандиозном космическом движении. Наша планета не только вращается вокруг своей оси, но и движется по орбите вокруг Солнца, а вместе с Солнечной системой — вокруг центра Млечного Пути. Почему же мы не ощущаем этого движения? Давайте разбираться.

Механика вращения Земли

Земля вращается вокруг своей оси со скоростью около 1675 км/ч на экваторе. В средних широтах скорость вращения меньше — чем ближе к полюсам, тем медленнее движение, так как точки на поверхности Земли описывают окружности меньшего диаметра за те же 24 часа. При этом мы совершенно не замечаем этого движения.

Почему мы не чувствуем движения

Основной принцип, объясняющий наше спокойное существование на вращающейся планете, — это равномерность движения и отсутствие изменений в ускорении. Все на Земле, включая нас, атмосферу и океаны, движется с одинаковой скоростью относительно оси вращения планеты. Это похоже на то, как мы не чувствуем движения в плавно летящем самолете или едущем поезде - пока скорость постоянна, наши органы чувств не регистрируют перемещение. Они реагируют только на изменения скорости или направления движения: ускорение, торможение, повороты.

Роль гравитации

Гравитация играет ключевую роль в том, что мы не улетаем с поверхности вращающейся планеты. Она удерживает не только нас, но и атмосферу Земли, которая вращается вместе с планетой как единое целое. Это создает стабильную среду, в которой мы живем.

Эффекты вращения Земли

Хотя мы не чувствуем вращения планеты напрямую, его влияние проявляется во многих явлениях:

• Смена дня и ночи;

• Сила Кориолиса, влияющая на движение воздушных масс;

• Экваториальная выпуклость Земли;

• Приливы и отливы (в сочетании с влиянием Луны).

А если бы Земля остановилась?

Если бы Земля внезапно прекратила вращение вокруг своей оси, последствия были бы катастрофическими. По закону инерции все на поверхности Земли сохранило бы скорость движения: на экваторе — 1675 км/ч, а ближе к полюсам — немного меньше. Люди и все незакрепленные объекты были бы мгновенно сметены этим движением, а здания разрушены чудовищными перегрузками. Кроме того, резкая остановка вращения вызвала бы:

• Разрушительные ураганы;

• Гигантские цунами;

• Масштабные землетрясения;

• Катастрофическое изменение климата.

Роль вращения в жизни планеты

Вращение Земли - это не просто механическое движение. Оно создает условия, необходимые для жизни:

• Равномерное распределение солнечного тепла;

• Магнитное поле, защищающее от космической радиации;

• Стабильный климат;

• Циркуляция океанов и атмосферы.

Вращение Земли - удивительный пример того, как грандиозные космические процессы становятся частью нашей повседневной жизни. Мы не замечаем этого движения благодаря его равномерности и постоянству, но именно оно создает условия, делающие нашу планету пригодной для жизни.

Читайте также:

• Вокруг чего вращается Млечный Путь?

• Открытие «Джеймса Уэбба»: землеподобная атмосфера у потенциально обитаемой экзопланеты.

• Самые старые кристаллы в мире поведали о дождях и океанах на ранней Земле.

Водород традиционно считается первым элементом периодической таблицы, потому что его атом содержит всего один протон и один электрон. Это делает его самым простым химическим элементом. Любые элементы «левее» водорода, если пытаться представить их в привычном смысле, не могут существовать — ведь половины протона или частицы без протонов в природе не встречаются. Протоны устойчивы, их время жизни практически бесконечно при нормальных условиях, поэтому атом, состоящий меньше чем из одного протона, просто невозможен с научной точки зрения.

Тем не менее в истории науки и популярной литературе периодически встречается концепция «элемента номер ноль», иногда называемого ньютонием или эфиром.

Эта идея возникла из попытки понять, что предшествовало водороду или что может лежать в основе самой структуры атома. Теоретически, элемент 0 представляли как частицу без протонов — то есть атом без ядра. Такой объект не мог бы образовывать химические связи и был бы крайне нестабилен. Нейтрон, например, вне ядра живёт всего около 15 минут, а элемент, состоящий из «ничего», имеет скорее философский или математический смысл, чем реальный химический.

Интересно, что сам Дмитрий Менделеев в своих поздних версиях таблицы действительно рассматривал гипотетические «нулевые элементы». После открытия инертных газов он ввёл их в нулевую группу, считая, что они могут быть аналогами аргона, но без массы. Позднее он даже предложил нулевой период, в который включал элементы эфира — такие как нейтроний и короний. Эти конструкции были чисто теоретическими и должны были объяснять физические явления того времени, например распространение света через эфир, который в начале XX века считался средой для межатомных взаимодействий.

Позже, в 1926 году, немецкий химик Андреас фон Антропов предложил собственную версию «элемента 0», который он назвал нейтрониумом. В его модели атом такого элемента состоял исключительно из нейтронов без протонов. Он поместил его в начало своей таблицы, обозначив специальным символом, но идея не получила научного подтверждения и не была признана химическим сообществом.

Сегодня мы уже знаем, что стабильного химического элемента с номером 0 не существует. Без протонов ядро не может образоваться, а значит, нет структуры, способной формировать химические соединения. Все попытки включить элемент 0 в таблицу Менделеева были историческими или теоретическими конструкциями, отражающими состояние науки того времени. В современной химии первым остаётся водород, а любые рассуждения о «нулевом элементе» имеют скорее познавательный и философский характер, чем практическое значение.

«Элемент номер ноль» — это интересная гипотеза и исторический курьёз, который показывает, как учёные пытались расширить понимание атома и его места во Вселенной. Но в реальной таблице Менделеева и современной науке его нет и быть не может: первый реальный химический элемент всегда остаётся водородом.