Тайны вселенной. Симметрия и взаимодействия

Чт, 07/25/2013 - 21:10

На фотографии изображен дендритный кристалл льда, на простом языке называемый снежинкой. Во время каждого снегопада образуются миллиарды таких кристаллов. Лед является минералом гексагональной сингонии, поэтому все его кристаллы подчинены «шестилучевой» симметрии

Полярные сияния


Взрывы сверхновых

Взрыв (высвобождение энергии) водородной бомбы



Вероятно, величайшим научным открытием человечества следует считать осознание того, что законы природы можно записать с помощью математического кода. Древние астрологи вывели простые числовые соотношения, “управляющие” движением Солнца, Луны и других небесных светил, которые помогали, например, предсказать
затмения.

Но первые систематические попытки расшифровать математический код природы были предприняты только в средние века. Бурное же развитие математического описания физических процессов природы приходится на XVII — XX века. Талантливейшие ученые Земли — Коперник, Галилей, Кеплер, Ньютон, Бор, Эйнштейн и многие, многие другие приоткрыли для человечества завесу тайн создания и существования Вселенной.

Красота — понятие противоречивое и туманное, однако нет сомнений в том, что именно она служит источником вдохновения ученых. Именно математическая красота и изящество ведут исследователей к истине, когда дальнейший путь не ясен.

Однажды Гейзенберг в беседе с Эйнштейном заметил: “Если природа приводит нас к математическим выражениям необычайно простым и красивым … которые ранее не встречались, то мы невольно воспринимали их как “истинные” и считаем, что они открывают то или иное свойство природы”.

Между наукой и искусством существует множество параллелей, которые сразу же бросаются в глаза. Подобно художникам, каждый ученый имеет свой неповторимый стиль. Представления ученых о том, какой должна быть хорошая научная теория, удивительно схожи с аналогичными воззрениями представителей искусства. Корректной считается та теория, которая предположительно допускает экспериментальную проверку. Тем не менее, в некоторых случаях научная интуиция способна предугадать правильность теории еще до проведения ее экспериментальной проверки.

Важную роль в повседневной жизни играет хорошо знакомое понятие симметрии. Многим творениям человеческих рук умышленно придается симметричная форма как из практических, так и их эстетических соображений. К примеру, бильярдный шар симметричен, так как выглядит одинаково, как бы его ни поворачивали вокруг центра. Симметрия также в изобилии встречается в природе. Снежинка обладает поразительной гексагональной симметрией, кубическая форма кристаллов соли, отражающая регулярность атомной структуры. Дождевая капля, падающая на землю, имеет форму идеальной сферы, а, замерзая, превращается в ледяной шарик, называемым градиной.
Другой вид симметрии, наблюдаемый в природе или сотворенный человеком — это зеркальная симметрия.

В зеркале правая и левая рука и другие части тела меняются местами, но видимое зеркальное отображение узнаваемо. Сотворенные руками человека архитектурные сооружения, например, арки, бассейны или соборы, обладают зеркальной симметрией.

Между геометрической симметрией и тем, что в физике принято называть законами сохранения, существует тесная связь. Законы сохранения говорят о том, что некоторые величины не изменяются во времени. В физике существует закон, согласно которому в любой изолированной системе энергия, импульс и момент импульса должны сохраняться. Это отнюдь не означает, что изолированная система не может изменяться, — просто любое изменение, происходящее в системе, должно быть таким, чтобы три названные величины оставались постоянными. Из закона движения Ньютона вытекают законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Более поздняя формулировка этих законов Лагранжем и Гамильтоном позволила обнажить более глубокую и мощную связь между сохранением той или иной величины и соответствующей симметрий рассматриваемой системы.
Например, сферическое Солнце вращается вокруг своего центра, но это никак не сказывается на движении Земли по орбите. Гравитационное поле Солнца симметрично и поэтому не изменяется при простом вращении. Этой геометрической симметрии, открытой еще в XVII веке Кеплером, соответствует физический результат: момент импульса планеты, движущейся по орбите, всегда постоянен. Аналогичные соображения применимы к импульсу и энергии.

Исследуя математическое описание той или иной физической системы, время от времени физики открывают новые и неожиданные симметрии.

Другие материалы рубрики


  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Вращаясь вокруг Солнца, инфракрасная обсерватория НАСА ищет следы молодых звезд и галактик, а также межзвездное пространство, в котором они образовались.
    Космический телескоп имеет очевидные преимущества в изучении инфракрасного теплового излучения, которое испускают объекты, слишком холодные, чтобы сиять в спектре видимого света. Атмосфера Земли - постоянная помеха для инфракрасных приборов, поскольку она не только впитывает слабые инфракрасные лучи из космоса, но и сама выделяет их огромное количество.
    В 1979 году НАСА представило инфракрасный космический телескоп SIRTF. Он не стал первым инфракрасным прибором на орбите, но долгое время оставался самым большим.



  • Давайте вспомним испытание противоспутникового оружия, проведенное 11 января 2007 года Китаем. Почему оно вызвало беспокойство у специалистов космической отрасли? Ведь с 1968-го по 1986-й США и СССР провели свыше 20 таких же испытаний! И с того времени уже было проведено несколько подобных испытаний?! Дело вовсе не в международной безопасности. Или не только в ней.



  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • ...Уходить от Солнца на еще большее расстояние, по подсчетам швейцарского астрофизика, нет смысла. Потому что в стадии красного гиганта Солнце пробудет всего несколько миллионов лет, а затем станет снова быстро сжиматься, превратится в белого карлика и начнет деградировать как источник энергии. И тогда Земле, чтобы получать достаточное количество тепла и света, понадобится орбита меньшая, чем сейчас у Меркурия. Но при таком приближении к светилу силы притяжения довольно скоро остановят вращение Земли вокруг ее оси. Планета будет повернута к Солнцу всегда одной стороной. Значит, жизнь на Земле быстро погибнет: на ночной стороне — от тьмы и холода, а на освещенной — от жары и губительного для всего живого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, идущего от белого карлика.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • ...И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью — один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков. Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».