Есть ли у Вселенной более высокие измерения?
Мир, где мы живем — трехмерный. Мы можем перемещаться в нем влево-вправо, вперед-назад и вверх-вниз. Посмотрите в угол своей комнаты. Видите? Взаимно перпендикулярных направлений всего три! Но почему не 7? Или не 26? Ответ на этот вопрос никто не знает. Ладно. Никто не знает, почему пространство имеет три измерения. Но может ли оно иметь их еще больше? Этот вопрос задает себе несколько раз в день каждый усердный школьник🙄. Об этом мы сегодня и поговорим.
Другие измерения
Идея о том, что пространство имеет более трех измерений , может показаться, на первый взгляд совершенно безумной. Однако этот вопрос физики серьезно изучают уже более века.
Давайте, для начала, вспомним, как мы описываем пространство и предметы в нем. В двух измерениях мы можем нанести сетку на плоскость, а затем каждую ее точку описать парой чисел. Это координаты. Зная их, Вы будете понимать, сколько нужно пройти в горизонтальном и вертикальном направлении, чтобы достичь этой точки. Стрелка, указывающая на эту точку, называется «вектором».
Эта конструкция справедлива не только по отношению к двум измерениям. Вы можете добавить и третье направление . И проделать все то же самое. Но зачем останавливаться на достигнутом? А дальше? Дальше все немного усложняется. Вы больше не можете нарисовать сетку для четырехмерного пространства. Но вы определенно можете записать векторы. Это просто ряд из четырех чисел. Хм, это что же получается? Мы можем строить векторные пространства с любым количеством измерений? И даже с бесконечным их множеством? Да. Математика дает нам такую возможность.
Странные фигуры
И когда у Вас есть векторы в этих более высоких измерениях, Вы можете создавать с их использованием любые геометрические фигуры. Например — строить плоскости или кубы более высоких измерений. Или вычислять объемы, или формы кривых. И так далее. И хотя мы не можем напрямую рисовать объекты более высоких измерений, мы можем рисовать их проекции в более низкие измерения. Например — проекцию четырехмерного куба на двухмерную плоскость.
Такие абстрактные математические концепции часто оказываются полезными для физиков. И геометрия высоких измерений очень пригодилась им. Потому что в физике мы часто имеем дело не только с телами, которые находятся в определенных местах, но и с телами, движущимися в определенных направлениях.
Например, у Вас есть некая частица. И Вы хотите описать ее свойства. Для этого Вам понадобятся информация о ее позиции и импульсе, где импульс сообщает Вам направление ее движения. И такая частица описывается вектором в шестимерном пространстве с тремя элементами для позиции и тремя элементами для импульса. Это шестимерное пространство называется фазовым.
Странные пространства
Работая с такими фазовыми пространствами, физики начали задаваться вопросом — может ли реальное пространство иметь больше измерений? Эта идея была впервые предложена финским физиком Гуннаром Нордстрёмом. В 1914 году он попытался использовать четвертое измерение пространства для описания гравитации. Но это не сработало. Потому что другой человек выяснил, как работает гравитация. Этим человеком был Альберт Эйнштейн 😁.
Он считал, что гравитации не нужно дополнительное измерение пространства. Ей хватит трех измерений. Просто нужно добавить еще одно измерение — время. И позволить всем этим измерениям искривляться.
Но тогда, если не нужны никакие дополнительные измерения для гравитации, быть может их можно использовать для чего-то другого?
Немецкий ученый Теодор Калуца именно так и считал. В 1921 году он написал статью, в которой попытался использовать четвертое измерение пространства для описания электромагнитной силы. И сделал он это очень похоже на то, как Эйнштейн описал гравитацию . Но Калуца использовал бесконечно большое дополнительное измерение. И никак не объяснил, почему мы обычно не теряемся в нем.
Эта проблема была решена несколькими годами позже шведским физиком Оскаром Клейном. Он предположил, что четвертое измерение пространства нужно свернуть до небольшого радиуса, чтобы в нем нельзя было заблудиться. Вы просто не заметите, если войдете в него. Настолько оно мало. Идея о том, что электромагнетизм вызван свернутым четвертым измерением пространства, называется сейчас теорией Калуцы-Клейна.
Свернутые измерения
Как же это работает? Примерно так — Вы берете дополнительное измерение пространства, сворачиваете его, и из него выходит гравитация вместе с электромагнетизмом. Вы можете объяснить обе силы полностью геометрически. Вероятно, именно поэтому Эйнштейн в последние годы своей жизни пришел к выводу, что геометрия — это ключ к созданию так называемой Теории всего, лежащей в основе физики нашего мира . Однако, по крайней мере пока, эти идея не подтверждены. Потому, что у теории Калуцы-Клейна есть серьезные проблемы.
Первая проблема заключается в том, что, хотя геометрия дополнительного измерения правильно дает нам описания электрических и магнитных полей, она никак не отвечает на вопрос о природе заряженных частиц. Таких, например, как электроны. Вторая проблема заключается в том, что радиус дополнительного измерения по всем расчетам должен быть нестабилен. И если он вдруг начнет меняться, это может иметь наблюдаемые последствия. Например — изменение гравитационной постоянной . Однако ничего подобного мы не наблюдали. Третья проблема заключается в том, что теория не квантуется. И никто так и не придумал, как квантовать геометрию, не сталкиваясь с серьезными проблемами. Однако, при этом, можно спокойно квантовать старый добрый электромагнетизм.
Одиннадцать друзей супергравитации
Сегодня мы, конечно, знаем, что электромагнитная сила на самом деле спокойно объединяется со слабой ядерной силой в то, что называется электрослабой силой. Что интересно, это вовсе не проблема для теории Калуцы-Клейна. Поскольку еще в 60-х прошлого века физики выяснили, что теория Калуцы-Клейна может применяться не только для электромагнетизма, но и для любых подобных взаимодействий. Включая сильное и слабое ядерное взаимодействие. Просто нужно добавить еще несколько измерений.
Сколько? Для слабого ядерного взаимодействия нужно еще два. А для сильного ядерного взаимодействия еще четыре. Таким образом, что у нас получается? У нас есть одно измерение времени. 3 измерения для гравитации. Одно для электромагнетизма. 2 для слабого ядерного взаимодействия. И 4 для сильного ядерного взаимодействия, что в сумме дает 11. Хм.
В 1981 году американский физик-теоретик Эдвард Виттен заметил, что 11 — это именно то количество измерений, которое является максимальным для теории супергравитации.
Не кажется ли Вам, что это очень странное совпадение?😉
Друзья! Если вам понравилась эта статья, обязательно оставьте комментарий вот по этой ссылке . Это можно сделать с использованием Вашей учетной записи Яндекс, Вконтакте, Фейсбук, Одноклассники.
Ставьте лайк и обязательно поделитесь ей в социальных сетях!
А еще Вам могут понравиться эти статьи:
Источник
Твердотельные аккумуляторы. Революция или.
Только представьте: в настоящее время проходит тестирование технология , которая может стать долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что у нас есть сейчас. Она изменит все, к чему мы привыкли. Электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны, медицинское оборудование, космические корабли — все это станет для нас гораздо удобнее. Эта технология навсегда избавит нас от необходимости использовать ископаемое топливо.
Нет, речь идет не о термоядерной энергии. На самом деле все вышесказанное относится к инновациям в области аккумуляторных технологий. Исследователи называют эти инновации незамысловато — твердотельные аккумуляторы. То же мне прорыв, скажете Вы. Вон у меня в «Москвиче-412» аккумулятор вполне себе твердый стоит. И квадратный. Что они там открыли опять, эти грантоеды-тунеядцы? Что же это за ботва такая? Зачем все это нужно?
Что такое твердотельные аккумуляторы?
Стандартные аккумуляторные батареи — это устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Состоят они, в основном, из четырех стандартных частей. Это катод, анод, электролит и сепаратор. Катод и анод — это электроды. Электрический ток возникает, когда электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль электродов — производить электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это среда, в которой двигается упорядоченный поток электронов. Ну, и наконец, аккумуляторный сепаратор. Он разделяет два электрода и предотвращает короткое замыкание батареи.
Так вот. Есть одно очень важное отличие между обычными и твердотельными аккумуляторными батареями: электролит. Современные литий-ионные батареи содержат жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, допускают появление кристаллических структур , известных как дендриты. Эти дендриты образуют длинные острые «усы», которые могут проткнуть сепаратор. И вызвать короткое замыкание. А это, в свою очередь, иногда приводит к опасным взрывам. А вот твердотельные аккумуляторы содержат твердый электролит. Который препятствует росту этих вредных дендритов.
Твердотельный аккумулятор имеет гораздо более высокую плотность запасаемой энергии. И при этом риск его возгорания или взрыва значительно ниже. Он занимает меньше места и может работать в более широком диапазоне температур. В общем — просто незаменимая в хозяйстве вещь.😁
Давайте представим, например, как такие аккумуляторы могут изменить эксплуатационные характеристики электромобилей.
Запас хода
Самым большим недостатком современных электромобилей является их ограниченный запас хода. В среднем он не превышает 400–450 км при полной зарядке. И эта полная зарядка занимает до 17 часов! Это зависит от того, заряжается ли автомобиль на станции , или от стандартной розетки дома. И все же, несмотря на такое неудобство, популярность электромобилей продолжает расти. И совершенно очевидно, что в конечном итоге они будут доминировать на автомобильном рынке. Потому что нефть, рано или поздно, на этой планете закончится.
Давайте теперь рассмотрим твердотельный аккумулятор.
Запас хода электромобиля при их использовании увеличивается вдвое. Или даже втрое. Время зарядки сокращается до 15 минут. Исследователи из корпорации Samsung, работающие в области твердотельных аккумуляторов, уже смогли разработать устройство , которое можно заряжать и разряжать более 1000 раз! Оно способно обеспечивать электромобиль энергией на дистанции до 805 км! И еще, при всем этом, оно эффективно работает при весьма экстремальных температурах.
Подобные изобретения могут означать близкий конец дымящих и коптящих транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что эти устройства смогут работать несколько суток от одной (очень быстрой) зарядки. А общий срок службы батареи увеличится с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными. А больший температурный диапазон означает, что твердотельные батареи могут найти широкое применение и в космической технике будущего.
Подобный потенциал не ускользнул от внимания крупных автопроизводителей. Такие компании как Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota уже вложили миллиарды долларов в подобные исследования. Компания QuantumScape, поддерживаемая Биллом Гейтсом, создала твердотельные аккумуляторы со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов. Они способны работать при еще более низких температурах. А Toyota планирует выпуск пробной партии автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году.
И все же самый захватывающий прорыв в этом направлении исходит от человека, о котором Вы, вероятно, никогда не слышали.
Аккумулятор из стекла
Группа исследователей во главе с физиком по имени Джон Гуденаф недавно подала патент на твердотельный аккумулятор, сделанный из стекла и керамики. Эти материалы являются стабильными и негорючими. Подобные аккумуляторы позволяют запасать в 3 раза больше энергии , чем обычная литий-ионная батарея. Такие потрясающие характеристики были достигнуты путем добавления в электроды натрия и лития. Не менее важно то, что такой аккумулятор вполне доступен по цене (а ведь именно высокая стоимость производства является самой большой проблемой широкого использования твердотельных аккумуляторных батарей). Он рассчитан на более чем 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур такой стеклянной батареи составляет от -20º C до 60º C.
Гуденаф — очень необычный ученый. Он получил 8 научных наград, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы любого компьютера . А сегодня его работы сделали твердотельные аккумуляторы доступными для всех. Мы можем увидеть массовое внедрение этой технологии всего через 3 или 4 года. Хотя, если честно, трудно сказать однозначно, когда она станет доступной для массового использования.
Аккумулятор — это гораздо больше, чем просто удобство. Это ключевой элемент в спасении нашего мира. Более мощные электромобили могут привести к весьма серьезным изменениям на автомобильном рынке. И переходу на более экологически чистые виды транспорта. Твердотельные аккумуляторы могут производиться из экологически чистых материалов, таких как тот же самый натрий, который в неисчислимых количествах содержится в обыкновенной океанской воде.
Не будет ли дефицита соли через 200-300 лет?😁
Друзья! Если вам понравилась эта статья, обязательно оставьте комментарий вот по этой ссылке . Это можно сделать с использованием Вашей учетной записи Яндекс, Вконтакте, Фейсбук, Одноклассники.
Ставьте лайк и обязательно поделитесь ей в социальных сетях!
А еще Вам могут понравиться эти статьи:
Источник
Что сейчас происходит в точке Большого Взрыва?
Недавно от одного из наших подписчиков поступил следующий вопрос:
Известно ли учёным где находится точка большого взрыва? И что там сейчас происходит?
Вопрос достаточно интересный, поскольку отражает сразу множество заблуждений о Большом Взрыве, которые существуют вокруг данной модели у многих людей. Давайте же разбираться вместе, где произошёл большой взрыв и что там происходит сейчас.
Многие, слыша о Большом Взрыве, представляют его себе как взрыв некой сверхмощной бомбы, в определённой точке пространства (в центре Вселенной), из-за которого по пространству начало разлетаться вещество, как разлетаются осколки гранаты при её взрыве, но такое мнение лишь следствие не самого удачного названия этой модели. Изначально данная модель называлась «динамической эволюционирующей моделью», название «Большой взрыв», придумал один из его ярых противников — Фред Хойл, пытаясь высмеять эту гипотезу на одной из своих лекций, а когда лекцию опубликовали название, само собой, прижилось в научной среде.
В действительности же при Большом Взрыве ничего не взрывалось и не разлеталось в окружающее пространство (его попросту не было), при нём зародилось и начало быстро раздуваться само пространство-время, при этом объекты вселенной остаются неподвижными (если не считать движения связанного с их притяжением), а объём пространства между ними увеличивается, и всё выглядит так, как будто объекты летят в разные стороны. Это увеличение объёма пространства и назвали большим взрывом по аналогии с обычным взрывом, когда стремительно увеличивается объём вещества, и данное раздувание продолжается до сих пор.
Поскольку любая точка Вселенной является продуктом Большого Взрыва, то вся существующая Вселенная является местом, где он произошёл, и у неё нет центральной точки, от которой разлетается вещество. Поэтому ответ на заданный вопрос: в том месте, где произошёл Большой Взрыв, сейчас рождаются и гибнут звёзды, летают чёрные дыры, кто-то читает книгу, кто-то поднимается в горы, а кто-то занят своей работой.
Кстати, Большой Взрыв не является теорией, как его часто называют, в действительности это космологическая модель. Название Теория Большого Взрыва вошло в массовое употребление после выхода одноимённого сериала, хотя оно и является некорректным.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Источник