Category: космос

Category was added automatically. Read all entries about "космос".

Ёросику

Друзья, я вернулась. И не одна. Иногда здесь будет писать мой папа о своих изысканиях в области физики (под аватаркой "панда").
Тем, кто впервые заглянул на огонёк, добро пожаловать! Ёросику, как говорят японцы!

Вот!

И тут вращение пространства: https://hightech.fm/2021/06/15/structures-spinning . Но по-прежнему удивительные явления в космосе учёные пытаются объяснить гравитацией.

А на самом деле это уже "тянет" на экспериментальное подтверждение того, о чём недавно говорилось в моих последних постах https://vida-louca.livejournal.com/47758.html и https://vida-louca.livejournal.com/47912.html .

"Жернова Господни мелют медленно, но неумолимо."

За пределами петлевой квантовой гравитации 21. Чёрные дыры и проблема сингулярности

Начало здесь.


ГЛАВА 10. КВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

"Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает. Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует."

"То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени – пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое – это внешняя область, а будущее – внутренняя. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться. На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет."

[Spoiler (click to open)]

"По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории."

"Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие». Они ведут себя как нагретые тела – испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса – это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются. Это испарение черных дыр – самое значительное открытие, сделанное Хокингом."

Сколько неиссякаемых заблуждений связано со знаменитой формулой Эйнштейна E=mc2. Полученной как поправочный, дополнительный член в ОТО для того, чтобы её формулы были *релятивистски инвариантными*. Член, который сам по себе не имеет никакого физического смысла, как не имеют такого смысла векторный электромагнитный потенциал, используемый в классической электродинамике, прибавление любой константы к потенциальной энергии или выбор для энтропии любого ненулевого положительного значения при абсолютном нуле температуры. У нас наука - всё ещё наука или уже религия? Кроме того, вы видели, чтобы нагретые и светящиеся тела теряли свою массу при излучении? Я - нет, и многие ученые тоже. А вот Хокинг видел…

"Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе."

Опять приходится поправлять Ровелли. "Простая" наука теплофизика говорит, что горячим тело бывает тогда, когда удельный поток тепла от него будет больше, чем направленный к нему. Например, русскую парную баню вы почувствуете гораздо более горячей, чем финскую сауну с одной и той же температурой потому, что водяной пар имеет значительно большую теплоёмкость (а значит, отдаёт больше тепла), чем сухой воздух. В открытом космосе вы встретите удары высокоэнергетических частиц, испущенных источниками очень высокой температуры, но всё равно быстро замёрзнете, потому что будете отдавать больше тепла, чем получать от этих частиц. Для сильно неравновесных систем температура не имеет своего термодинамического смысла, но когда равновесие достигнуто, температура, которая есть T=(∂U/∂S)|V, однозначно скажет, какой удельный поток вы будете получать от этой системы. Но точно такой же поток придётся отдавать и вам, если вы хотите находиться с этой системой в равновесии.

"Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, – это отдельные кванты пространства на ее поверхности. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным. Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации."

Вы понимаете смысл сказанного, что "кванты пространства колеблются и излучают фотоны"? До сих пор свет излучали заряженные частицы, вынужденные двигаться с ускорением. А тут даже не частицы, а элементы пространства - кванты, коими у Ровелли являются планковские объёмы. Даже, если вдруг эти элементы что-то заставит колебаться, откуда взяться периодическому изменению вокруг них электрическому и магнитному потоку, необходимому для рождения фотона?

"Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.) Квантовая неопределенность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру. Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла."

Опять позволю себе лирическое отступление. В Африке есть племя, которое из чего попало построила нечто, похожее на самолёт, и поклоняется ему как настоящему самолёту. А тут Ровелли строит нам свой "самолёт" в виде цепочки "квантовая неопределенность - флуктуации геометрии - вероятность - термодинамика - температура" и предлагает в него поверить. Опять спрошу: "У нас - всё ещё наука или уже религия?"

"Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Общая теория относительности предсказывает, что в центре дыры всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва. При наблюдении извне этот процесс отскока внутри черной дыры может занять миллиарды лет, ведь время там течет намного медленнее, чем снаружи. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается."

"Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрываться сегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами. Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр. В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать…"

Трудно такое обнаружить экспериментально. Мы образование чёрных дыр видим нечасто, если только вообще видим, поскольку даже более-менее четкую фотографию дыры удалось получить совсем недавно. А тут ждать миллиарды лет…

ГЛАВА 11. КОНЕЦ БЕСКОНЕЧНОСТИ

"Когда мы принимаем во внимание квантовую гравитацию, неограниченное сжатие Вселенной в одну бесконечно малую точку, предсказываемое общей теорией относительности для момента Большого взрыва, отменяется. Квантовая гравитация открывает нам, что не существует бесконечно малых точек. Есть нижний предел делимости пространства. Вселенная не может быть меньше планковского масштаба, поскольку не существует ничего меньшего размера. То же самое происходит в центре черной дыры: сингулярность классической общей теории относительности исчезает, как только мы принимаем в расчет квантовую гравитацию."

Мы уже обсуждали, что фермионы при сжатии предпочитают создавать упорядоченные структуры, и в этом мы солидарны с Ровелли.

"Существует и другого рода ситуация, связанная с электромагнетизмом, в которой квантовая гравитация ставит предел бесконечности. Квантовая теория поля, которую начал создавать Дирак, а завершили в 1950-х годах Фейнман с коллегами, хорошо описывает эти силы, но полна математических нелепостей. При ее использовании для расчета физических процессов мы часто получаем бесконечные бессмысленные результаты. Они называются расходимостями. Расходимости потом исключаются из расчетов с помощью странной технической процедуры, приводящей к конечным итоговым результатам. Этот метод работает на практике и дает верные значения, которые воспроизводятся в экспериментальных измерениях. Но почему теории приходится продираться через бесконечности, чтобы прийти к осмысленным числам?"

"Однако бесконечности квантовой теории поля вытекают из лежащего в ее основании допущения о бесконечной делимости пространства. Например, для расчета вероятности различных исходов процесса мы суммируем, как учит нас Фейнман, по всем путям, по которым может разворачиваться этот процесс, а их число бесконечно, поскольку они могут проходить по каждой из бесконечного числа точек пространственного континуума. Именно поэтому мы получаем бесконечные результаты."

"Если же принять во внимание квантовую гравитацию, эти бесконечности исчезают. Причина очевидна: пространство не бесконечно делимо, соответственно, не существует бесконечного числа точек и не нужно суммировать по бесконечному числу вариантов. Зернистая, дискретная структура пространства преодолевает трудности квантовой теории поля, исключая бесконечности, которые так ей досаждают."

Опять соглашаемся с Ровелли.

"Избавление от бесконечностей – это постоянно повторяющаяся тема в современной физике. Суть специальной теории относительности можно выразить как существование максимальной скорости для физических систем. Суть квантовой механики состоит в открытии существования максимального количества информации для каждой физической системы. Минимальное расстояние – это планковская длина Lp, максимальная скорость – скорость света c, а полная информация определяется постоянной Планка h. Выявление этих трех фундаментальных постоянных ставит предел тому, что кажется бесконечными возможностями природы."

А теперь придётся возразить. У Ровелли узкий взгляд на природу, ему достаточно одного "гравитационного" пространства и трёх фундаментальных констант. У нас - много разных пространств, три из которых наиболее важные: электромагнитное, пространство электронных оболочек в атоме и ядерное - внутри атомного ядра. Там нет никакого минимального планковского размера, как у Ровелли. Размер может быть сколь угодно малым, если нам удастся получить сколь угодно большой импульс для области пространства, универсальным элементом которого является квант действия h=p*λ. Этот универсальный элемент определяет не только связь между длиной и импульсом, но и интервалом времени и энергией, зарядом и квантом магнитного потока, массой и потоком кривизны и ещё кое-чем. Мы уже писали об этом. Никакого отношения к информации квант действия h не имеет, но имеет отношение к энтропии в системе частиц, о которой нужно говорить отдельно. У пространства есть не только элементы, но и максимальная скорость возбуждения этого пространства. Скорость света c - максимальная скорость возбуждения элементов ЭМ пространства - фотонов. Скорость света, умноженная на постоянную тонкой структуры α, - максимальная скорость распространения возбуждения электронов в фермионном пространстве. Даже в ядерном пространстве должна быть своя максимальная скорость. Но это для поступательного движения, для вращательного естественным ограничителем является всё тот же квант действия или постоянная Планка h. Не только электрон имеет ограничения на свой собственный момент импульса (постоянная Дирака) ћ=h/2π. Другие элементарные частицы тоже оказываются ограниченными: они не могут вращаться быстрее. Образование вихрей в сплошной среде ограничено этим правилом, когда внутри вихря нельзя заставить отдельную частицу вращаться быстрее. Как видим, окружающий нас мир оказывается гораздо богаче мира петлевой квантовой гравитации Ровелли.

"Есть еще одна бесконечность, дезориентирующая наше мышление, – бесконечность пространственной протяженности космоса. Но, как я писал в главе 3, Эйнштейн обнаружил, что можно представить себе конечный космос без границ. Между планковским и космологическим масштабами – огромная разница в 120 порядков величины. Колоссальная. Экстраординарная. Но конечная. В этом диапазоне – начиная с крошечных квантов пространства и далее проходя последовательно кварки, протоны, атомы, химические структуры, горы, звезды, галактики (каждая из которых образована сотней миллиардов звезд), скопления галактик, вплоть до кажущейся бескрайней видимой Вселенной, содержащей более 100 миллиардов галактик, – разворачивается вся сложность нашего мира. Мира, который мы знаем лишь в некоторых его аспектах. Необъятного. Конечного."

"Древняя система счисления не позволяла простым способом работать с очень большими числами. В книге «Исчисление песчинок» Архимед описывает новую систему записи чисел, похожую на нашу экспоненциальную, которая позволяет манипулировать очень большими числами, и демонстрирует ее силу, подсчитывая (в шутку, конечно), сколько нужно песчинок, чтобы заполнить не только морские пляжи, но и всю Вселенную."

"Несмотря на шуточность «Исчисления песчинок», это глубокая книга. В полете своей фантазии, которая более чем на тысячелетие предвосхитила идеи эпохи Возрождения, Архимед восстает против такой формы знания, которая признает существование тайн, которые принципиально недоступны человеческому мышлению. Он не претендует на знание точных размеров Вселенной или точного числа песчинок. Он настаивает вовсе не на полноте знания. Он говорит о возможных вариантах оценки истинных размеров Вселенной, между которыми не делает определенного выбора. Главная идея Архимеда – декларация веры в познаваемость мира, гордая отповедь тем, кто называет бесконечным то, чего мы не понимаем, и отказывается от своего права на знание."

А тут соглашаемся уже с Архимедом.



"Квантовая гравитация – это одна из многих линий исследования, берущих начало в «Исчислении песчинок». Мы считаем крупицы пространства, из которых состоит космос. Громадный космос, но все же конечный. Единственная подлинно бесконечная вещь – это наше неведение."

Продолжение следует.