Строение вселенной общая теория относительности

Общая теория относительности: Простое объяснение

Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы он это сделал. В ответ он создал свое величайшее творение — Общую теорию относительности.

Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжения действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.

Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации всё еще использовались в течение десятилетий, как основа для универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движения планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую теорию тяготения и на то, где она не дотягивает.

Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают», а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.

Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, — это орбиты небесных тел, почему Луна вращается вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца. В конечном счете, ответ Ньютона на это заключался в том, что гравитация — это сила, пропорциональная массе объекта. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.

Но, как мы уже упоминали ранее, проблема ньютоновской гравитации заключается в её действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстояния между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжения, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.

В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью. Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин Общая теория относительности.

В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.

Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый пространственно-временной континуум.

В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.

Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.

Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле. Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.

Откуда мы знаем, что Общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.

Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.

Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву. С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.

Как выразился физик-теоретик Джон Уилер ( John Wheeler), «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться».

Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.

Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.

Источник

Общая теория относительности

На выступлении 27 апреля 1900 года в королевском институте Великобритании лорд Кельвин сказал: «Теоретическая физика представляет собой стройное и законченное здание. На ясном небе физики имеются всего лишь два небольших облачка – это постоянство скорости света и кривая интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Я думаю, что эти два частных вопроса будут скоро разрешены и физикам XX века уже нечего будет делать.» Лорд Кельвин оказался абсолютно прав с указанием ключевых направлений исследований в физике, но не верно оценил их важность: родившиеся из них теория относительности и квантовая теория оказались бескрайними просторами для исследований, занимающих учёные умы вот уже на протяжении более сотни лет.

Формирование теории

3D-модель искривления пространства-времени под действием Солнца и Земли

Так как специальная теория относительности не описывала гравитационное взаимодействие, Эйнштейн вскоре после её завершения приступил к разработке общей версии этой теории, за созданием которой он провёл 1907-1915 годы. Теория была прекрасной в своей простоте и согласованности с природными явлениями за исключением единственного момента: во времена составления теории Эйнштейном ещё не было известно об расширении Вселенной и даже о существовании других галактик, поэтому учёными того времени считалось что Вселенная существовала бесконечно долго и была стационарна. При этом из закона всемирного тяготения Ньютона следовало, что неподвижные звёзды должны были в какой-то момент просто быть стянуты в одну точку.

Не найдя для этого явления лучшего объяснения, Эйнштейн ввёл в свои уравнения космологическую постоянную, которая численно компенсировала гравитационное притяжение и позволяла таким образом стационарной Вселенной существовать без нарушения законов физики. Впоследствии Эйнштейн стал считать введение космологической постоянной в свои уравнения своей самой большой ошибкой, так как она не была необходима для теории и ничем кроме выглядящей на тот момент стационарной Вселенной не подтверждалось. А в 1965 году было обнаружено реликтовое излучение, что означало что Вселенная имела начало и постоянная в уравнениях Эйнштейна оказалось и вовсе не нужна. Тем не менее космологическая постоянная всё-таки была найдена в 1998 году: по полученным телескопом «Хаббл» данным, далёкие галактики не тормозили свой разлёт вследствие притяжения гравитацией, а даже ускоряли свой разлёт.

Основы теории

Процесс движения лучей света по геодезическим линиям под действием массивных тел

«Крест Эйнштейна» (вверху) и «Космическая подкова» (внизу)

Кроме основных постулатов специальной теории относительности, здесь добавилось и новое: механика Ньютона давала численную оценку гравитационного взаимодействия материальных тел, но не объясняла физику этого процесса. Эйнштейну же удалось описать это посредством искривления массивным телом 4-мерного пространства-времени: тело создаёт вокруг себя возмущение, в результате которого окружающие тела начинают двигаться по геодезическим линиям (примерами таких линий являются линии земной широты и долготы, которые для внутреннего наблюдателя кажутся прямыми линиями, но в реальности немного искривлены). Таким же образом откланяются и лучи света, что искажает видимую картину за массивным объектом. При удачном совпадении положений и масс объектов это приводит к эффекту гравитационного линзирования (когда искривление пространства-времени выступает в роли огромной линзы, делающей источник далёкого света намного ярче). Если же параметры совпадают не идеально – это может приводить к образованию «креста Эйнштейна» или «круга Эйнштейна» на астрономических снимках далёких объектов.

Среди предсказаний теории также было гравитационное замедление времени, (которое при приближении к массивному объекту действовало на тело точно также, как и замедление времени в следствии ускорения), гравитационное красное смещение (когда луч света, испущенный массивным телом, уходит в красную часть спектра в следствии потери им энергии на работу выхода из «гравитационного колодца»), а также гравитационные волны (возмущение пространства-времени, которое производит любое тело имеющее массу в процессе своего движения).

Статус теории

Первое подтверждение общей теории относительности было получено самим Эйнштейном в том же 1915 году, когда она и была опубликована: теория с абсолютной точностью описывала смещение перигелия Меркурия, которое до этого никак не могли объяснить при помощи ньютоновской механики. С того момента было открыто множество других явлений, которые предсказывались теорией, но на момент её публикации были слишком слабы чтобы их можно было засечь. Последним таким открытием на данный момент стало открытие гравитационных волн 14 сентября 2015 года.

Теория относительности и квантовая теория

Несмотря на то, что теория относительности замечательно описывает процессы в макромире, но миром микромира всё же правит квантовая теория. Сам Эйнштейн в последние годы жизни пытался объединить две эти теории в одну объединённую теорию, которая уже получила название «теории всего». Однако в этот раз он потерпел неудачу также, как и множество учёных пытавшихся это сделать после него. Примерно до начала 2000-х годов казалось, что с появлением теории струн решение уже почти найдено, однако примирить в ней все виды взаимодействий и элементарных частиц так до сих пор и не удалось: если при одном числе измерений в этой теории хорошо описываются одни частицы, то другие из них никак не вписываются, при другом же их числе теорией замечательно описываются противоположные частицы, но уже не вписываются первые. Таким образом поиски объединённой теории всё ещё продолжаются.

‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Общая теория относительности» title=»Общая теория относительности»>

Теория относительности Эйнштейна: кратко и понятно

Теория относительности была представлена Альбертом Эйнштейном в начале 20-го века. В чем же состоит её суть? Рассмотрим основные моменты и понятным языком охарактеризуем ТОЭ.
Теория относительности практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики 20-го века, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях.
Таким образом, ТОЭ легла в основу всех современных фундаментальных физических теорий. По сути – это мама современной физики!
Для начала стоит отметить, что существует 2 теории относительности:

Специальная теория относительности (СТО) – рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектов.

Общая теория относительности (ОТО) – описывает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение такого явления как гравитация и существование частиц гравитонов.

Понятное дело, что СТО появилась раньше и по сути является частью ОТО. О ней и поговорим в первую очередь.

СТО простыми словами

В основе теории лежит принцип относительности, согласно которому любые законы природы одинаковы отноительно неподвижных и движущихся с постоянной скоростью тел. И из такой казалось бы простой мысли следует, что скорость света (300 000 м/с в вакууме) одинакова для всех тел.
Например, представьте, что вам подарили космический корабль из далёкого будущего, который может летать с огромной скоростью. На носу корабля устанавливается лазерная пушка, способная стрелять вперёд фотонами.
Относительно корабля такие частицы летят со скоростью света, однако относительно неподвижного наблюдателя они, казалось бы, должны лететь быстрее, так как обе скорости суммируются.
Однако на самом деле этого не происходит! Сторонний наблюдатель видит фотоны, летящие 300 000 м/с, как будто скорость космического корабля к ним не добавлялась

Нужно запомнить: относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось.

Из этого следуют потрясающие воображение выводы вроде замедления времени, продольном сокращении и зависимости массы тела от скорости. Подробнее об интереснейших следствиях Специальной теории относительности читайте в статье по ссылке ниже.

Суть общей теории относительности (ОТО)

Чтобы лучше её понять, нам нужно вновь объединить два факта:

Мы живем в четырехмерном пространстве

Пространство и время – это проявления одной и той же сущности под названием «пространственно-временной континуум». Это и есть 4-мерное пространство-время с осями координат x, y, z и t.
Мы, люди, не в состоянии воспринимать 4 измерения одинаково. По сути, мы видим только проекции настоящего четырехмерного объекта на пространство и время.
Что интересно, теория относительности не утверждает, что тела изменяются при движении. 4-мерные объекты всегда остаются неизменными, но при относительном движении их проекции могут меняться. И мы это воспринимаем как замедление времени, сокращение размеров и т. д.

Все тела падают с постоянной скоростью, а не разгоняются

Давайте проведём страшный мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в закрытой кабине лифта и находитесь в состоянии невесомости.
Такая ситуация могла возникнуть только по двум причинам: либо вы находитесь в космосе, либо свободно падаете вместе с кабиной под действием земной гравитации.
Не выглядывая из кабинки, абсолютно невозможно отличить два этих случая. Просто в одном случае вы летите равномерно, а в другом с ускорением. Вам придется угадывать!

Возможно, сам Альберт Эйнштейн размышлял над воображаемым лифтом, и у него появилась одна потрясающая мысль: если эти два случая невозможно отличить, значит падение за счет гравитации тоже является равномерным движением. Просто равномерным движение является в четырехмерном пространстве-времени, но при наличии массивных тел (например, планет Солнечной системы) оно искривляется и равномерное движение проецируется в обычное нам трёхмерное пространство в виде ускоренного движения

Давайте рассмотрим еще один более простой, хоть и не совсем корректный пример искривления двухмерного пространства.
Можно представлять, что любое массивное тело под собой создает некоторую образную воронку. Тогда другие тела, пролетающие мимо, не смогут продолжить свое движение по прямой и изменят свою траекторию согласно изгибам искривленного пространства.
Кстати, если у тела не так много энергии, то его движение вообще может оказаться замкнутым.
Стоит отметить, что с точки зрения движущихся тел они продолжают перемещаться по прямой, ведь не чувствуют ничего такого, что заставляет их повернуть. Просто они попали в искривленное пространство и сами того не осознавая имеют непрямолинейную траекторию.

Нужно обратить внимание, что искривляется 4 измерения, в том числе и время, поэтому к этой аналогии стоит относиться осторожно.
Таким образом, в общей теории относительности гравитация – это вообще не сила, а лишь следствие искривление пространства-времени. На данный момент эта теория является рабочей версией происхождения гравитации и прекрасно согласуется с экспериментами.

Удивительные следствия ОТО

Световые лучи могут искривляться, пролетая вблизи массивных тел. Действительно, в космосе найдены далёкие объекты, которые «прячутся» за другими, но световые лучи их огибают, благодаря чему свет доходит до нас.

Согласно ОТО чем сильнее гравитация, тем медленнее протекает время. Этот факт обязательно учитывается при работе GPS и ГЛОНАСС, ведь на их спутниках установлены точнейшие атомные часы, которые тикают чуть-чуть быстрее, чем на Земле. Если этот факт не учитывать, то уже через сутки погрешность координат составит 10 км.
Именно благодаря Альберту Эйнштейну вы можете понять, где по близости располагается библиотека или магазин.
И, наконец, ОТО предсказывает существование черных дыр, вокруг которых гравитация настолько сильна, что время вблизи просто напросто останавливается. Поэтому свет, угодивший в черную дыру, не может её покинуть (отразиться).
В центре черной дыры из-за колоссального гравитационного сжатия образуется объект с бесконечно большой плотностью, а такого, вроде как, быть не может.
Таким образом, ОТО может приводить к весьма противоречивым выводам в отличие от Специальной теории относительности, поэтому основная масса физиков не приняла её полностью и продолжила искать альтернативу.
Но многое ей и удаётся предсказывать удачно, примеру недавнее сенсационное открытие гравитационных волн подтвердило теорию относительности и заставило вновь вспомнить великого учёного с высунутым языком. Любите науку, читайте ВикиНауку.

Найдены дубликаты

«Все тела падают с постоянной скоростью, а не разгоняются»

Щито?! Ускорение свободного падения Вам ни о чем не говорит?

Относительно земли, естественно. 9.8м/с²

Вот правильно, что я сразу в комменты полез. Теперь можно не читать статью.

Во вы жгете народ. Не комментируйте если не понимаете. Для людей кто не читает хорошие статьи после мысли «эксперта». Я согласен про ускорение, но оно имеет место быть только в момент ускорения. В статье речь идёт если ты в кабине находишься после момента ускорения. И я открою тебе секрет и ты и лифт будете падать с одной скоростью, потому как ты в лифте падаешь вместе с воздухом который в кабине. И я надеюсь ты не думаешь, что спутники у нас над головой находятся в невесомости. Если что они находятся в состоянии постоянного падения под определенным углом (орбита). И надеюсь по твоей логике корабль не летит быстрее экипажа))))

Вот и писал бы тогда не с «постоянной скоростью», а с одинаковой. Разница колоссальная.

если быть еще более точным то 299 792 458 м/с ( и да, скорость света не точная, а средняя)

ИМХО, самое простое объяснение сути теории относительности:

«Длина минуты зависит от того, с какой стороны двери туалета Вы находитесь.»

Химия мозга. Дубынин Вячеслав

Медиаторы. Глицин, кофеин, наркотики.

Это повтор. Но думаю, что многие не видели и будет интересно. Залипательно и познавательно.

Чёрные дыры и расизм

Корнельский университет США инициировал новый учебный курс: студентам объяснят, являются ли расистскими космические черные дыры. А в качестве приглашенных экспертов выступят темнокожие (!) теоретики, художники и писатели-фантасты.

Правда ли, что серебряная ложка обеззараживает стакан воды?

Издревле серебру приписывали очищающие и обеззараживающие способности. Во многом поэтому посуду для знати и для религиозных ритуалов часто делали именно из этого благородного металла. Мы решили проверить, обладает ли он реальными обеззараживающими свойствами.

(Для ЛЛ: неправда, но с оговорками. Концентрация маловата. При определённых манипуляциях серебрянной ложкой можно убить всех микробов в стакане воды, но пить её после этого всё равно не рекомендуется)

Контекст. Истории и даже инструкции по использованию серебряной посуды в дезинфицирующих целях можно встретить не только в блогах и социальных сетях, но и в СМИ. Сайты, посвящённые здоровому образу жизни, советуют применять серебряную воду как профилактическое средство, а также для лечения многих заболеваний: простуды, бронхита, гайморита, гастрита.

О серебре. Самые древние изделия из серебра были обнаружены на территории Древнего Египта и относились ещё к додинастическому периоду (5000–3400 годы до н. э.). До середины II тысячелетия до н. э. серебро ценилось даже дороже золота. Историк Геродот отмечал, что в V веке до н. э. предводитель персов Кир II брал с собой в походы питьевую воду в серебряных кувшинах. Средневековые алхимики относили серебро к одному из благородных металлов и искали способ получения его из других веществ (платину к благородным металлам стали относить только в Новом времени, большое спасибо внимательным пикабушникам @megavoltage и @muravlyansky, которые заметили (1, 2) неточность в формулировке). Знать и особы королевской крови предпочитали использовать серебряную посуду, она же была популярна в христианских обрядах, во многом благодаря приписываемым ей бактерицидным свойствам. В Европе Нового времени коллоидные растворы серебра и его соли прописывали пациентам с различными заболеваниями: простудой, трофическими язвами, эпилепсией и гонореей.

Серебро — ковкий, довольно тяжёлый (тяжелее меди) металл серебристо-белого цвета, имеющий самую высокую электропроводность при комнатной температуре. Как представитель благородных металлов, серебро не растворяется в соляной и разбавленной серной кислоте, однако легко растворяется в ртути, образуя амальгаму. Атом серебра состоит из положительно заряженного ядра, внутри которого находятся 47 протонов и 61 нейтрон, а вокруг по пяти орбитам движутся электроны. При отрыве электрона атом становится электрически заряженной частицей — ионом.

Серебро может быть представлено в виде чистого металла, различных соединений (в основном солей) и коллоидного раствора, насыщенного именно положительно заряженными ионами. Точнее будет даже сказать, что коллоидное серебро со временем становится источником ионов серебра.

Использование в медицине. Современная медицина использует лишь несколько препаратов, в состав которых входят соли серебра. Например, «Протаргол» — противомикробный и противовоспалительный препарат местного действия, применяемый в основном в ЛОР-практике, «Колларгол» — раствор с вяжущим, антисептическим и противовоспалительным свойством, «Аргосульфан» — крем для лечения ожоговых, трофических, гнойных ран, а также пролежней. Важно отметить, что все они относятся к препаратам наружного применения.

Коллоидное серебро представляет собой наночастицы серебра, плавающие в воде или другой жидкости. Существуют и истинные растворы серебра (например, его нитрата), которые представляют собой ионы металла и кислотного остатка. При этом как само коллоидное серебро, так и его ионы действительно обладают антимикробным эффектом — они проникают в микробную клетку и разрушают её. По данным ВОЗ, необходимая концентрация для гарантированного антибактериального эффекта — 0,15 мг/л. В питьевой воде по СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» максимально допустимое количество этого металла составляет лишь 0,05 мг/л, что в три раза меньше необходимого для обеззараживающего действия.

Важно отметить, что при хроническом превышении максимально допустимых уровней потребления серебра у человека развивается аргироз — кожные покровы приобретают серебристый или серо-синий оттенок. Причём изменения цвета кожи необратимо, даже лазерная терапия не оказывает существенного влияния. Одним из самых известных пациентов с этим состоянием был житель Калифорнии Пол Карасон. На протяжении многих лет он пил коллоидный раствор серебра, приготовленный в домашних условиях. Помимо аргироза, чрезмерное употребление серебра может привести к проблемам с почками и ЖКТ, судорогам и головным болям. В некоторых странах даже законодательно запрещено рекламировать коллоидное серебро как имеющее лечебный эффект, так как доказанной эффективности оно не имеет, при этом ионы серебра по токсичности превосходят тяжёлые металлы.

Правда, в случае использования серебряной посуды последствий для здоровья опасаться не стоит. Коллоидный раствор можно получить только с помощью специального инструмента — ионизатора, пропускающего через воду электрический ток, способствующий отцеплению электронов. Слабый коллоидный раствор будет содержать от 1 мг серебра на литр, более концентрированный — до 35. Ложка, просто опущенная в стакан с водой, не насытит воду ни опасной для организма (выше 0,05 мг/л), ни уж тем более необходимой для бактерицидного действия (0,15 мг/л) концентрацией.

Таким образом, просто опущенная в стакан серебряная ложка не создаст необходимую для антимикробного действия концентрацию. Однако при условии, что через воду будет пропускаться электрический ток, она фактически сможет обеззаразить стакан воды. Правда, пить очищенную таким способом воду будет опасно для человека по другой причине.

Ещё нас можно читать в Телеграме, в Фейсбуке и в Вконтакте. Традиционно уточняю, что в сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла), а в день публикуем не больше двух постов.

Почитать по теме:

Как появилось всё

Ответ на пост «Поговорим о «холодном»»

По поводу «криогенной закалки» ножей.

Первое, что должно смутить человека, немного разбирающегося в физике — это фазовый переход при сверхнизких температурах.

Как ты, @Babakin, возможно, помнишь, скорость движения атомов сильно снижается при понижении температуры. Собственно, именно поэтому ты греешь заготовку перед закалкой — при высокой температуре у тебя образуется фаза, которая не может существовать в равновесии при комнатной температуре, а затем ты её резко охлаждаешь, и она уже не может вернуться в равновесное состояние, так как диффузия углерода в железе при комнатной температуре очень невысокая.

Ну и еще один момент — на диаграмме нет горизонтальных линий ниже той, о которой мы говорили. Т.е. сколько не понижай температуру — новой фазы уже не будет.

Закалка напрямую жидким азотом может немного «поджать» аустенит. Если ты делаешь закалку сразу в жидком азоте, то чисто теоретически у тебя может образоваться чуть больше мартенсита, чем при охлаждении до комнатной температуры. Делать криозакалку после отпуска для увеличения количества мартенсита смысла нет.

Второй нюанс. Как ты знаешь, при охлаждении все тела уменьшаются в объёме. Так и тут, кристаллы мартенсита будут обжиматься аустенитом вокруг и немного повреждаться (и аустенит тоже), т.е. в них будут образовываться дефекты. А чем больше дефектов в кристалле — тем выше твердость. Т.е. после окунания в жидкий азот твердость немного вырастет. Но тут всё дело в том, что и аустенит и мартенсит имеют довольно близкие коэффициенты термического расширения, и делать такое «в сторону нуля температур» не очень эффективно. Но вполне можно добиться увеличения твердости на несколько процентов (но далеко не на 10%). Но это если сталь «правильная». Этот эффект теоретически можно получить и при криозакалке уже после отпуска, но тут сильно спорно, будет ли он вообще.

Ну а теперь еще такой момент — есть материалы, у которых действительно есть фазовые переходы при низких температурах. Например, в ниобии при комнатной температуре содержится водород (как и во многих других металлах) и при охлаждении ниже -100С в нем (в ниобии) обрауется фаза гидридов ниобия с другой кристаллической решеткой. В нем прямо вырастают «пирамидки», разрывая основной материал. И для сверхпроводящих элементов это просто головная боль. Поэтому мы долго и упорно изучали и изучаем все эти явления. Но тут нюанс — у водорода очень большой коэффициент диффузии в металлах даже при сверхнизких температурах — он легко и быстро перемещается между узлов кристаллической решетки, ведь ион волорода — это обычный протон. А вот в сталях перемещатся нужно атомам углерода, а они сильно больше водорода.

Вот так вот. Жаль тебя расстраивать, но это всё байка для далёких от науки.

@Babakin, если тебе интересно, я могу промерять микротвердость на кусках стали, закаленной обычным способом и с криозакалкой.

Правда ли, что знаменитый физик Нильс Бор был вратарём сборной Дании по футболу?

Сегодня, 21 июня, состоится футбольный матч в рамках Евро-2020 между Россией и Данией. Это решающая игра за выход из группы. Обсуждая перспективы предстоящего поединка, мы решили напомнить вам наш разбор, непосредственно связанный с историей датского футбола.

Многочисленные биографии и наборы интересных фактов о нобелевском лауреате по физике утверждают, что в молодости Бор защищал ворота сборной Дании по футболу и даже стал вице-чемпионом Олимпийских игр. Мы проверили, так ли это.

(Для ЛЛ: футболом он занимался, но за сборную не выступал)

Обычно в футбольном контексте Нильс Бор упоминается вместе со своим младшим братом Харальдом, впоследствии ставшим довольно крупным математиком. В частности, журнал «Вокруг света» приводит фотографию с подписью: «Финал футбольного турнира Олимпиады-1908: сборная Дании, в составе которой выступают будущий нобелевский лауреат Нильс Бор и его брат Харальд, уступит команде Великобритании и увезёт на родину серебряные медали». В ряде источников говорится о том, что Нильс поехал на турнир резервным вратарём. Также авторы книг любят сообщать, что в моменты затишья у собственных ворот молодой учёный решал на штангах математические задачи.

Во-первых, разберёмся с Олимпиадой-1908 в Лондоне. Согласно официальному отчёту о соревновании, в воротах сборной Дании в течение всего турнира, включая проигранный британцам финал, стоял Людвиг Дрешер. Имени Нильса Бора нет даже в числе запасных игроков. Примечательно, что в те годы медаль могли получить только спортсмены, выходившие на поле, поэтому роль резервного голкипера — если бы эта информация подтвердилась — не могла бы сделать старшего брата призёром Игр. А вот Харальд Бор принял участие во всех матчах олимпийского турнира и даже забил два гола. Надо сказать, что братья были весьма похожи внешне, поэтому неудивительно, что в комментариях ко многим фотографиям той сборной Дании в интернете Харальд ошибочно назван Нильсом.

Далее, имени Нильса Бора нет вообще в списке футболистов, когда-либо выступавших за сборную Дании. Датские СМИ периодически затрагивают эту тему из-за распространённости легенды. Последний громкий случай произошёл в Германии в начале нулевых, когда на телевикторине «Кто хочет стать миллионером» прозвучал вопрос «Какой лауреат Нобелевской премии по физике сыграл несколько матчей за футбольную сборную своей страны?». Участник не смог выбрать между Герцем, Кюри, Беккерелем и Бором и спасовал. Учитывая, что это был вопрос за €500 000, после выхода шоу случился большой скандал.

Но нельзя сказать, что Нильс Бор вообще не занимался футболом. Вместе с братом он выступал за университетскую команду «Академиск» из Копенгагена. Харальд в среде болельщиков был известен тем, что перед каждым матчем доставал из кармана белый платок, чтобы определить направление и скорость ветра. А вот Нильс за свою гораздо более скромную любительскую карьеру запомнился другим случаем.

Однажды в матче против немецкой команды «Текникум» из Матвайды (другие источники гласят, что это был датский «Фремад Амагер») он пропустил нелепый гол с дальнего расстояния, даже не заметив, как мяч влетел в сетку. Позднее вратарь-физик признался, что очень увлёкся решением математической задачи на стойке ворот. Так что эта часть популярной информации о датском учёном подтверждается. Но вот за сборную Дании он никогда не выступал.

Новый выпуск аудиоверсии проверок уже на сайте Коммерсантъ.

Почитать по теме:

Тепловая трубка — быстрейший в мире проводник

Тепловая трубка — элемент системы теплообмена, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Ученые зафиксировали, как соединяются и разъединяются атомы

Жаль, что такого не показывали в школе, когда я учился. Это было бы УХ! 🙂

Ученые из Ноттингемского университета впервые зафиксировали, как соединяются и разъединяются атомы. Для этого они использовали просвечивающую электронную микроскопию.

Исследователи объяснили, что атомы постоянно образуют связи и распадаются — это процесс, который имеет решающее значение во Вселенной. Но из-за того, что действия происходят в крошечном масштабе, их сложно изучать и записывать. Ученым из Ноттингемского университета впервые удалось запечатлеть на видео атомы, формирующие и разрывающие связи.

Группа использовала просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) для получения изображения пары атомов рения, когда они образовывали связи и отсоединялись друг от друга. Связываясь между собой, они образовывали молекулу Re2.

«Было удивительно увидеть, как два атома движутся попарно, ясно указывая на связь между ними, — рассказали ученые. — Важно отметить, что по мере того, как Re2 движется вниз по нанотрубке, длина связи меняется, указывая на то, что связь становится сильнее или слабее, в зависимости от окружающей среды вокруг атомов».

Затем исследователи зафиксировали, как атомы отдаляются, растягиваясь в более эллиптическую форму и в конце концов разрывая связь между собой. Через некоторое время они снова объединились в молекулу Re2.

«Насколько нам известно, мы стали первыми учеными, которые сняли эволюцию, разрыв и образование связи в атомном масштабе, — добавили исследователи. — Сейчас мы раздвигаем границы визуализации молекул, выходя за рамки простого структурного анализа и переходя к пониманию динамики отдельных молекул в режиме реального времени».

Про теорию струн

Электроны. Свойства. Опыты

Наконец смог собрать всевозможные газоразрядные трубки, чтобы поэкспериментировать с ними и продемонстрировать валам, какие же опыты ставили большее 100 лет назад такие ученые, как Уильям Крукс, Вильгельм Конрад Рентген и другие.

В этом видео поиграем с электронами ( будем толкать их магнитным полем), сделаем рентген нокии 3310 и ещё всякое по мелочи.

P.s.: дизайнер обложек занят, сдаёт ЕГЭ, поэтому пока слепил то, что получилось.

Еженедельный выпуск новостей науки: новое про хромосомы и генный драйв

Каждую неделю мы собираем самые интересные, на наш взгляд, новости из мира науки. И в этом выпуске: что мы не знали про хромосомы, почему некоторые люди постоянно щёлкают языком, каков текущий рекорд по управляемому термояду, зачем выпускать на волю диких комаров анофелесов и как враги наших врагов спасают пчёл.

00:00 Лучшие новости науки на QWERTY

01:10 Поставлен новый рекорд удержания высокотемпературной плазмы

02:56 Ученые нашли способ контролировать генный драйв

05:33 Эхолокацию можно освоить

08:13 Масса хромосом оказалась неожиданно большой

09:43 Ученые адаптировали грибок для спасения пчёл

11:59 Лучшая новость предыдущего выпуска

(все ссылки на пруфы и исследования под роликом на ютубе. Короткая текстовая версия ниже)

Поставлен новый рекорд удержания высокотемпературной плазмы

Китайцы на своем токамаке EAST обновили рекорд по времени удержания плазмы. Токамак это тороидальная камера с магнитными катушками, призванная зажечь термоядерное Солнца на Земле, т.е. удерживать раскаленную до сотен миллионов кельвинов плазму в магнитном поле так долго, чтобы энергии от термоядерного синтеза произвелось больше, чем было затрачено на разогрев и удержание плазмы. EAST работает с 2006 года, и это относительно небольшой реактор, большой радиус камеры, в которой происходит реакция, у него всего 1,7м. Он построен на полностью сверхпроводящей системе на ниобий-титановых проводниках, и уже успел поставить несколько рекордов в прошлом. Очередной рекорд заключается в следующем: плазму с температурой в центре плазменного шнура в 120 миллионов кельвинов удерживали в стабильном состоянии на протяжении 101 секунды, ток при этом был более 500 килоампер. А вот плазму с температурой 160 миллионов кельвинов держали 20 секунд. Для промышленного использования, этого, конечно, всё ещё мало. Параметры, при которых получен этот рекорд, т.е. методики контроля плазмы и устранений неустойчивостей, способы нагрева плазмы и использованные материалы, да и вообще вся работа EAST, весьма полезны для проекта ITER во Франции. Напомним, что ITER, при большом диаметре бублика в 19 метров, полной массой в 23 тысячи тонн, целится на 400 секунд плазмы в 150 миллионов кельвинов и 20 с лишним миллиардов евро.

Ученые нашли способ контролировать генный драйв

Одна из причин, по которой ученые массово не применяют технологии генного драйва — это хтонический ужас невозможности сделать CTRL-Z, отмену. Подумайте сами, какие могут быть последствия у замены конкретного набора генов в целой популяции животных в дикой природе? Да любые! В обычной ситуации, измененный при помощи CRISPR ген не распространяется по популяции по законам наследования, потому что существует всего 50% вероятность наследования. Но если ученые применяют метод генного драйва, изменяют ген таким образом, что вероятность наследования становится 100%, то измененный ген вскоре захватывает всю популяцию. Огромный соблазн, конечно, изменить сразу всю пшеницу, чтобы она приносила больше зерна или наградить всех комаров анофелесов геном, препятствующим переносу малярийного плазмодия, и спасать 2,7 млн жизней ежегодно. Для этого достаточно выпустить одного комара-носителя особой генной модификации, это называется мутагенная цепная реакция. Да так можно даже уничтожать целые виды. Но, если честно, поджилки трясутся от возможных последствий побегов лабораторных животных с такими генами или открывающихся возможностей для биотерроризма. В недавней работе ученые представили методику генного драйва со встроенным генетическим ограничителем, который устанавливает контроль над процессом. Статья описывает разработку механизма под названием SPECIES (Synthetic Postzygotic barriers Exploiting CRISPR-based Incompatibilities for Engineering Species) на примере мух дрозофил. Идея проста. В дикой природе если несколько особей окажутся территориально разделенными с основной популяцией, они понемногу могут эволюционировать в новый вид. Но их потомки, вернувшиеся восвояси и спаривающиеся с особями первоначального вида, скорее всего дадут нежизнеспособное потомство. Зовите это постзиготической репродуктивной изоляцией. SPECIES дрозофил создавали при помощи CRISPR как раз на основе этой идеи — спаривание с особями из дикой популяции даёт нежизнеспособное потомство. Т.е. SPECIES дрозофилы могут контролируемо распространяться, отвоёвывая себе пространство и заменяя часть дикой популяции, но в то же время никакого видообразования и распространения их генома в дикую популяцию не происходит. И, например, если такое проделать со SPECIES комарами анофелесами, то всегда есть возможность откатить назад процесс, ограничивая модифицированную пороговую популяцию и удерживая ее на уровне ниже 50%. Как? Да просто добавьте обычных диких комаров в природу в случае необходимости.

Эхолокацию можно освоить

Среди всех курсов и тренингов в этом мире есть один, который, я бы попробовал с удовольствием. Жаль, тренеров маловато.

Эхолокация у животных обычное явление, дельфины и летучие мыши не вызывают какого либо удивления. Чуть более необычно то, что некоторые люди способны на почти такие же достижения. Например Дэниел Киш не только может сказать, что перед ним сооружение с крышей или обнаружить столб, он может ездить на велосипеде, пощелкивая языком и создавая вокруг себя картину на основе отраженного от объектов звука. Картину мира ему создают вот такие щелчки. Да, Дэниел абсолютно слеп. И он не один такой, даже начинающие эхолокаторщики могут обнаружить стену на расстоянии метров в 30. И вот впервые ученые решили разобраться в том, как приобретается это умение. Они набрали добровольцев из числа слепых и зрячих, ранее не занимавшихся эхолокацией, и прогнали их через 10-недельную обучающую программу. Результаты обучения, а все были достаточно впечатляющими, не зависели от возраста или, как ни странно, от зрения или его отсутствия. Но среди слепых отмечалось значительное улучшение мобильности и 83% отметили улучшение качества жизни.

Кстати, ученые на полном серьезе заявили, что некоторые люди неспособны на эхолокацию, потому что считают щелканье на публике неприличным. Святые, конечно, люди.

У добровольцев получалось определять расстояние до близких объектов, их перемещение и размер. Они могли ориентироваться в пространстве. Это возможно благодаря тому, что человеческий мозг удивителен своей нейропластичностью и способностью адаптироваться под необычные обучающие стратегии. Для достижения результатов эхолокации ему приходится значительно меняться, чтобы перерабатывать информацию от органов чувств весьма несвойственным ему образом. В общем, похоже, этот метод вполне подходит для реабилитации пациентов со слепотой или намечающимся ухудшением зрения.

Если найдёте, где записаться в бэтмены, напишите, пожалуйста. Ночью ходить по квартире удобно будет.

Масса хромосом оказалась неожиданно большой

Впервые ученые измерили массу хромосом. Масса ДНК, содержащейся в хромосомах, определяется вполне легко — мы знаем количество пар нуклеотидных оснований, 4 раза по 3,5 миллиарда, и их массу еще с Проекта Геном человека. Но, как неожиданно выяснилось, масса 46 хромосом оказалась в 20 раз тяжелее ДНК. Вес хромосом — 242 пикограмма, а пикограмм это триллионная грамма. Можно подсчитать количество клеток в организме человека и сказать, какая часть нашего веса приходится на хромосомы, но, пожалуй, не в этой рубрике. Такая разница в массе между ДНК и хромосомами объясняется тем, что в хромосомах содержатся разнообразные белки, которые нужны и для чтения ДНК, и для регуляции процессов деления клетки, и для упаковки двухметровой цепочки в компактный объем. Но ученые ожидали, что масса все же будет гораздо меньше, а это значит, что в состав хромосом входят компоненты, о которых мы всё ещё не знаем и которые предстоит найти. Измерение проводили при помощи рентгеновской птихографии, как раз в прошлом ролике мы рассказывали об этом методе. Хромосомы находились в состоянии метафазы, т.е. перед тем, как разделиться.

В общем, ученые открыли потенциальное белое пятно в карте нашего организма. Дальнейшее изучение может найти что-то полезное для человеческого здоровья.

Ученые адаптировали грибок для спасения пчёл

Учёные уже пару десятилетий бьют тревогу — пчёлы вымирают. Виноваты тут люди, распыляющие пестициды неоникотиноиды, губительные для пчёл, и паразитические клещи варроа, обожающие тепло пчелиных ульев. Травить клещей особо не получается, потому что химикаты действуют и на пчёл, да и сами клещи умеют адаптироваться к ним.

Клин по идее можно было бы выбить клином, натравив на паразитов их собственных паразитов. Такие есть — это грибок метархизиум.

В видеоролике выше можно увидеть как он разбирается с тараканом. С клещём он тоже мог бы справиться, если бы не одно но. Он ненавидит тепло пчелиных ульев. Как оказалось, это не проблема. Нужно просто заставить грибок адаптироваться к 35 градусам. Для этого нужно дать грибку пероксид водорода, потому что он повышает вероятность изменений генома, это мутаген наряду с колхицином, большим зелёным мутагеном, нитратами и многими другими. А затем нужно постепенно повышать температуру окружающей среды и отбирать те клетки грибка, которые выжили. И так несколько раз. Хватило 7 итераций, чтобы поднять их выживаемость в тепле до 70%.

Вот только эти грибки стали очень плохо заражать клещей. Только 4% клещей погибли. Все труды насмарку… нет, ведь у нас уже есть алгоритм!

Нужно взять те грибки, которые убили этих клещей, и продолжать их терроризировать мутагенами, отбирая лучших из лучших в каждом раунде мутаций. В общем, таким образом смертоносность грибка для клещей подняли до 60%. В итоге эффективность этого метода сравнялась с эффективностью щавелевой кислоты — одного из биопестицидов.

Враг моего врага в конце концов. Грибок для моего клеща. Так что до состояния мира Интерстеллара мы доберёмся не из-за гибели пчёл, наверное, а из-за чего-то другого.