Альберт Эйнштейн + Наука

Привет, друзья! Сегодня мы окунёмся в мир фантастики и физики, поговорим о загадочных частицах, которые теоретически могут двигаться быстрее света. Их называют тахионами. Но что это такое? Как они работают? И что бы было, если бы их существование подтвердилось?

Что такое тахионы?

Тахионы — это гипотетические частицы, существование которых предсказано теоретической физикой. Их особенность в том, что они должны двигаться быстрее скорости света с момента своего появления. В отличие от обычных частиц, таких как электроны или протоны, тахионы никогда не смогут замедлиться до скорости света — они живут "по ту сторону" светового барьера.

Скорость света в вакууме, как известно, составляет около 300,000 км/с, и согласно специальной теории относительности Эйнштейна, для обычных частиц требуется бесконечное количество энергии, чтобы достичь этой скорости. Однако для тахионов всё наоборот: они "замедляются" при увеличении энергии и "ускоряются" при её уменьшении!

Почему тахионы — гипотеза?

Идея тахионов возникла как попытка расширить рамки специальной теории относительности. В 1967 году физики Джеральд Файнберг и Армен Алабердиан предложили, что уравнения Эйнштейна допускают существование таких частиц.

Суть в том, что тахионы могут обладать мнимой массой — не путайте с воображаемым понятием, речь идет о корне из отрицательного числа в математике. Это открытие заставило физиков задуматься: а возможно ли, что во Вселенной существуют такие экзотические объекты, нарушающие привычные законы?

Но где загвоздка? В том, что пока никто не обнаружил ни одной тахионной частицы. Это гипотеза, основанная на математических выкладках, но в реальном мире такие частицы могут и не существовать.

Что было бы, если бы тахионы существовали?

Проблемы с причинностью
Движение быстрее света порождает парадоксы времени. Например, тахион мог бы "прилететь" в место назначения раньше, чем был послан. Это разрушает привычную нам связь между причиной и следствием: вы, условно говоря, могли бы узнать о будущем до того, как оно случится.

Энергетический парадокс
Если тахионы замедляются при увеличении энергии, это означает, что их скорость стремится к бесконечности при низкой энергии. Представьте себе "бесконечно быстрые" частицы, которые почти мгновенно перемещаются по всему космосу! В таком случае физика столкнулась бы с проблемой описания таких состояний.

Новые технологии?
Если бы мы могли использовать тахионы, то, возможно, появились бы технологии мгновенной передачи информации. Привет, сверхсветовой интернет и квантовые компьютеры нового поколения!

Проблемы и скептицизм

Современная наука относит тахионы к области спекулятивной физики. Одна из причин — отсутствие доказательств. Большинство экспериментов с элементарными частицами не выявили никаких следов тахионов. Кроме того, тахионы могут противоречить фундаментальным принципам термодинамики и квантовой механики.

Существует даже мнение, что тахионы — это математический артефакт, не имеющий отношения к реальности. То есть, они "существуют" только в уравнениях, а не в физической природе.

Полезное:

— Статья про тахионы на Википедии

— Gerald Feinberg, "Possibility of Faster-Than-Light Particles" (1967) — доступно в библиотеке arXiv.

В 2015 году ученые впервые в истории "услышали", как сталкиваются черные дыры. Это стало возможным благодаря открытию гравитационных волн — колебаний самого пространства-времени, которые распространяются со скоростью света и разбегаются по Вселенной подобно ряби на воде.

Эти волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году в рамках его общей теории относительности, но понадобилось почти сто лет, чтобы ученые, вооружившись самыми точными и чувствительными приборами в истории человечества, смогли их наконец обнаружить.

Природа гравитационных волн

Чтобы понять природу гравитационных волн, представьте пространство-время как огромный натянутый батут. Массивные объекты, такие как звезды и планеты, создают в нем углубления. Когда эти объекты движутся, сталкиваются или взрываются, они вызывают колебания, которые распространяются во все стороны, искажая геометрию окружающего пространства. Эти искажения и есть гравитационные волны, несущие информацию о породивших их космических событиях.

Наиболее мощные гравитационные волны рождаются при грандиозных космических событиях — слиянии черных дыр, столкновении нейтронных звезд и взрывах сверхновых. Энергия этих процессов настолько колоссальна, что буквально заставляет пространство-время "дрожать".

Как мы их обнаруживаем?

Эффект от прохождения гравитационных волн настолько мал, что его можно сравнить с изменением расстояния между Землей и Солнцем на толщину человеческого волоса. Именно поэтому для их обнаружения необходимы невероятно чувствительные приборы.

Для первой в истории регистрации гравитационных волн ученые создали специальные детекторы – интерферометры LIGO в США и VIRGO в Италии. Это гигантские L-образные туннели длиной в несколько километров, внутри которых с помощью сложной системы лазеров и зеркал измеряются мельчайшие колебания пространства. Работая вместе, эти детекторы не только улавливают гравитационные волны, но и помогают определить, из какой области космоса они пришли.

Почему это важно?

Обнаружение гравитационных волн открыло новую эру в астрономии. Теперь мы можем "слышать" Вселенную! Если раньше мы могли только наблюдать космос с помощью различных видов излучения (свет, радиоволны, рентгеновские лучи и другие), то теперь у нас появился совершенно новый способ изучения космических явлений, происходящих на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли.

Первый зарегистрированный сигнал, получивший название GW150914, пришел от слияния двух черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет. В этом грандиозном событии участвовали черные дыры массами 29 и 36 солнечных масс, которые, слившись воедино, образовали новую черную дыру и отправили по Вселенной мощную гравитационную волну. Этот исторический сигнал стал первым прямым доказательством существования и гравитационных волн, и двойных систем черных дыр.

Будущее исследований

Сейчас ученые планируют создавать еще более чувствительные детекторы гравитационных волн, в том числе космические. Это позволит нам "услышать" еще больше космических событий и лучше понять устройство Вселенной.

Читайте также:

• Из чего состоят электроны?

• Откуда мы знаем, что Млечный Путь — спиральная галактика?

• Вокруг чего вращается Млечный Путь?

В 2015 году мир науки получил подтверждение тому, о чём Альберт Эйнштейн говорил ещё в 1916 году в рамках общей теории относительности: гравитационные волны существуют. Давайте разберёмся, что это за явление, как их "поймали" и почему это открытие стало прорывом.

Что такое гравитационные волны?

Представьте гладкую поверхность пруда, на которой вдруг появляются круги от брошенного камня. Подобным образом массивные объекты, например, сливающиеся чёрные дыры, создают "волны" в ткани пространства-времени. Эти искажения пространства называются гравитационными волнами.

Как их обнаружили?

До 2015 года существование гравитационных волн было лишь теоретическим. Их впервые зафиксировали на детекторе LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Два гигантских лазерных интерферометра в США смогли уловить слабейшие изменения расстояний, вызванные проходом волны.

Вот так выглядело это историческое событие (график сигнала):

Событие GW150914: первый зафиксированный сигнал был вызван слиянием двух чёрных дыр массами 29 и 36 масс Солнца на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет.

Что мы узнали благодаря гравитационным волнам?

— Слияния массивных объектов. Теперь мы знаем, как сливаются чёрные дыры и нейтронные звёзды. Это помогает изучать эволюцию звёзд.

— Независимое измерение расстояний. С помощью гравитационных волн можно измерять расстояния до далёких объектов без оптических наблюдений.

— Прямое доказательство существования чёрных дыр. Ранее они наблюдались лишь косвенно, теперь мы видим их взаимодействия.

Почему это открытие важно?

Гравитационные волны открывают новую главу в астрономии. Мы привыкли изучать Вселенную через свет (радиоволны, оптические телескопы), но теперь мы "слышим" Вселенную. Это как внезапно открыть слух после долгих веков тишины.

Для углубления:

— Книга Кипа Торна "Интерстеллар: Наука за кадром", где он объясняет и гравитационные волны, и общую теорию относительности.

— Документальный фильм "Черные дыры и гравитационные волны".

— Научные статьи в журнале Physical Review Letters.