Заумно-научная всячина

Солнечная система вовсе не заканчивается на орбите Плутона. В настоящее время астрономы выделяют целый класс так называемых транснептуновых объектов – то есть небесных тел, которые находятся за орбитой Нептуна, но гравитационно связаны с нашей звездой.

Огромную область (от 4,5 до 8,2 млрд км от Солнца) занимает пояс Койпера – целый класс транснептуновых объектов, состоящих из вещества, сформированного на заре Солнечной системы.

Объекты пояса Койпера представляют большой интерес для ученых. Они состоят в основном из летучих веществ вроде аммиака и метана. Помимо астероидов среди них встречаются карликовые планеты – Плутон тоже относится к поясу Койпера вместе с планетами Хаумеа и Макемаке. Некоторые ученые надеются обнаружить в поясе Койпера и более крупные планеты.

Этот термин довольно многолик. Чаще всего его употребляют при описании физики черных дыр. Согласно выводам Общей теории относительности (ОТО), в космосе могут быть такие объекты (сейчас мы их называем «черные дыры»), искривление пространства-времени в которых достигает бесконечных значений, что делает невозможным физическую интерпретацию процессов, происходящих внутри такого объекта. Другими словами, при помощи стандартных физических теорий узнать то, что происходит в черной дыре, мы не можем – только предполагать, и со времен Эйнштейна так и не было осуществлено ни одного фундаментального прорыва в этой области.

Впрочем, существуют исследования, которые исключительно математическими методами показывают, что гравитационных сингулярностей в нашей Вселенной может вообще не быть. Узнать это наверняка мы, видимо, сможем только тогда, когда удастся провести непосредственные наблюдения объекта, который по внешним признакам будет относиться к черной дыре.

Термин, возникший на блестящем фундаменте Общей теории относительности, объединил три пространственных измерения и одно временное в единую динамическую систему.

Эйнштейну удалось показать, что пространство и время неразрывно связаны друг с другом и представляют собой единое целое, а все взаимодействия с материей этого пространства-времени и являются гравитацией.

Согласно ОТО, пространство-время меняет свою кривизну в зависимости от массы объекта, который в нем находится. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривляется ткань пространства-времени вокруг него, что заставляет другие, менее массивные объекты, находящиеся поблизости, притягиваться к нему.

В эту ловушку, кстати, попадает даже свет. Преломление света вблизи массивных астрономических объектов называется гравитационным линзированием.

Довольно часто в популярной фантастике электромагнитное излучение представляется загадочной силой, которая убивает, трансформирует героев в супергероев, либо перемещает их во времени. Что же это такое на самом деле?

ЭМИ – это потоки фотонов, элементарных частиц, из которых состоит свет. Длина и частота волны фотонов сильно разнится, что привело ученых к необходимости классификации фотонов по отдельным электромагнитным диапазонам.

Человеческий глаз так устроен, что способен видеть лишь очень малую часть всего электромагнитного спектра – так называемое видимое излучение или оптический диапазон. Большая часть ЭМИ оказывается для нас невидимой. Сюда относятся, к примеру, радиоволны (да, это тоже фотоны), рентгеновское излучение, инфракрасное излучение.

Из-за того, что каждый химический элемент по-своему поглощает свет, ученые научились применять анализ спектральных характеристик вещества для определения его состава.

Это один из фундаментальных прорывов, который позволил человечеству сделать огромный скачок вперед во множестве областей – от судебной медэкспертизы (анализ улик) до астрофизики (способность по характеристикам поглощения света определить химический состав объекта, который находится в сотнях миллионов световых лет от Земли).

Метод масс-спектрометрии позволяет даже «взвесить» исследуемое вещество, взаимодействуя с ним только при помощи ионизации.

В астрофизике световой год – это расстояние, которое свет преодолевает за год беспрепятственного пути в вакууме. Поскольку абсолютная скорость света, то есть скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, является константой (постоянной величиной), то не трудно подсчитать, что световой год составляет приблизительно 9,46 триллионов км.

Для наглядности: солнечный свет достигает поверхности Земли за 8 световых минут и 20 световых секунд, а расстояние до ближайшей к нам звезды – Альфы Центавра – 4,37 световых лет.

Метод определения расстояния до объекта, в котором по направлению к объекту посылают звуковую или радиоволну, а затем анализируют, через какое время волна вернется, называется эхолокацией.

Эту технологию мы позаимствовали у летучих мышей, которые используют ультразвуковую эхолокацию для ориентации в пространстве. К примеру, даже если летучую мышь ослепить, она все равно будет в полете огибать все предметы.

Эхолокация имеет широкий ряд применений – к примеру, исследование рельефа морского дна. По тому же самому принципу действуют радары.

Кирпичики, из которых состоит материя и силы, которые приводят к взаимодействию между материей, называются элементарными частицами. В самом буквальном смысле элементарные частицы – это фундамент нашего физического мира. Практически каждый объект во Вселенной, согласно современным представлениям, состоит из них. В настоящий момент существует разветвленная классификация элементарных частиц. Основных классов два: фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий между фермионами.

Уже долгое время физикам не удается прийти к единой теории гравитации. Положения ОТО, довольно точно (судя по наблюдениям) описывающие динамику пространства-времени, попросту не согласуются с другой фундаментальной теорией – квантовой механикой. До сих пор не найдена элементарная частица, ответственная за гравитационное взаимодействие.

По этим причинам физики-теоретики со всего мира уже долгие годы пытаются построить новую теорию гравитации, которая «проквантовала» бы гравитационное взаимодействие. Эта разрабатываемая теория называется квантовой гравитацией.

Конкурентом Стандартной модели на поприще становления Теории всего является Теория струн. Это очень сложная по своему математическому аппарату теория, правильно понять которую, как утверждают ученые, могут только опытные физики-теоретики.

В приблизительном изложении теория струн гласит, что все пространство нашей Вселенной не состоит из точечных частиц, а пронизано невероятно крошечными нитями энергии, или струнами, колебания которых в столь же крошечных десяти (а в теории суперструн даже 26!) измерениях (условно говоря, «сосудах») и представляют собой материю и фундаментальные взаимодействия.

Несмотря на то, что современные технологии не дают никакой возможности доказать существование струн, теория считается весьма перспективной, так как именно благодаря ей появляется возможность объединить ОТО и квантовую механику.

Помимо обычной материи, из которой мы с вами состоим, есть еще и антиматерия. Ее существование обусловлено существованием симметричных пар частица-античастица. Например, электрон-позитрон, протон-антипротон и т. д. Когда частица и ее античастица сталкиваются, происходит аннигиляция – взаимное уничтожение частиц с высвобождением значительного количества энергии.

Теория гласит, что в момент Большого взрыва, когда Вселенная только родилась, появилось равное количество материи и антиматерии. Сейчас во всем наблюдаемом космосе мы видим абсолютное превосходство обычной материи. Почему? Ответ на этот фундаментальный вопрос является предметом теоретических изысканий уже очень давно. Пока ученые не могут ответить наверняка.

Однажды Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную константу, чтобы результаты теоретических изысканий сошлись на желаемом результате. Впоследствии он стыдился этого несколько отчаянного шага и считал его самой большой ошибкой в своей жизни.

А затем, получив более совершенные астрофизические данные, ученые ввели в физику понятие темной энергии – неведомой силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением, которая по своим свойствам как раз описывается «подставной» эйнштейновской константой.

Консенсуса по поводу того, что из себя представляет темная энергия, пока нет. Однако все больше ученых склонны думать, что это неизменная энергетическая плотность, равномерно распределенная по Вселенной.

Темная энергия никак не взаимодействует с обычной материей за исключением гравитации. Также она составляет примерно 68,3% всей наблюдаемой Вселенной – намного больше, чем любой другой вид материи или энергии.

Квантовый мир – то есть мир взаимодействия элементарных частиц, микромир – известен явлениями, которые невозможны или не имеют никакого эффекта в привычном нам макромире, состоящем из крупных объектов. Одним из самых любопытных таких явлений можно назвать квантовую запутанность.

Квантовая запутанность проявляется так: две (и более) частицы – к примеру, фотоны – оказываются взаимозависимыми, даже если их разделить на большие расстояния. Когда наблюдатель измеряет какую-либо квантовую характеристику одной частицы, то изменяется состояние и другой. Это явление можно использовать для создания невзламываемых шифров – квантовой криптографии, чем занимаются сейчас очень многие ученые по всему миру.

Значительно упрощая принцип неопределенности, открытый одним из отцов квантовой механики Вернером Гейзенбергом, можно описать так: невозможно определить, как будет двигаться любая частица, потому что это зависит от множества равнозначных вероятностей. Другими словами, явления квантового мира – как и, впрочем, всей физической Вселенной – не предопределены, а представляют из себя набор различных возможностей. Этот принцип – фундамент всей квантовой механики.

По этому поводу хорошо известны споры Альберта Эйнштейна с Гейзенбергом и Нильсом Бором. Эйнштейн не верил в квантовую механику, ответив как-то на аргументы относительно принципа неопределенности фразой «Бог не играет в кости». На что Бор, в свою очередь, ответил «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».

Научные новости относительно часто пестрят заголовками про новые рекорды квантовой телепортации. Но не стоит путать квантовую телепортацию с «обычной» телепортацией из научной фантастики. В первой перемещают информацию о квантовом состоянии отдельных элементарных частиц, а во второй с помощью фантастических, еще не изобретенных приспособлений, физически перемещают крупные объекты, включая человека, целиком.

Практическая осуществимость квантовой телепортации и эксперименты в этой области прямо сейчас приближают к нам эру полезных квантовых технологий, вроде все той же квантовой криптографии.

Громкие споры о том, принесет ли Большой адронный коллайдер апокалипсис, закончились еще где-то в самом начале 2010-х, но многие до сих пор не знают, что же это за зверь такой – коллайдер. Отвечаем: фактически это труба, прямая или зацикленная, в которой элементарные частицы разгоняют по направлению друг к другу и сталкивают в определенной точке. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Разгон заряженных частиц происходит за счёт электромагнитного пля.

Цель довольно проста: в высокоэнергетических столкновениях частицы распадаются на более мелкие частицы, и в этот момент ученые аккуратно детектируют все, что из них «высыпалось». Так ученые открывают новые элементарные частицы и углубляют наши представления о квантовом фундаменте Вселенной.

В 2012 году было подтверждено, что на Большом адронном коллайдере, наконец, смогли обнаружить недостающее звено Стандартной модели – бозон, отвечающий за присутствие у элементарных частиц массы. Существование бозона Хиггса было предсказано в 1960-х годах, а сам Питер Хиггс после обнаружения частицы на БАКе получил в 2013 году Нобелевскую премию. Открытие бозона было так важно потому, что является еще одним (и довольно серьезным) аргументом в пользу Стандартной модели.

Также стоит сказать, что к осени 2014 года в прессе все чаще стали появляться сообщения о том, что некоторые ученые открыто сомневаются в обнаружении бозона в 2012 году. На данный момент, все же, не представлено ни одного полноценного опровержения того, что частица, открытая на БАКе, является тем самым бозоном.

В 2005 году физик Хорхе Хирш предложил новую систему оценки продуктивности ученого, основанную на количестве публикаций и цитирований его статей в рецензируемых научных журналах.

Метод прижился и довольно быстро получил международное одобрение. Сейчас Индекс Хирша широко используется для оценки научной «плодовитости» не только отдельных ученых, но и организаций, а также целых стран.

Если хотите узнать, насколько близко ученые подобрались к созданию искусственного интеллекта, то тема искусственных нейронных сетей – то, что вам нужно. Фактически это крайне упрощенный аналог мозга, помещенный в компьютер. Система из виртуальных «нейронов» и динамических связей между ними – «синапсов», которые способны решать определенные задачи – примерно тем же самым способом, как это делают биологические нейроны.

Искусственные нейронные сети используют там, где классические компьютерные алгоритмы бессильны, но где у человеческого мозга явное преимущество. К примеру, в распознавании образов, лиц.

Такие сети, конечно, не являются искусственным интеллектом в предсказанном писателями-фантастами смысле слова – они не мыслят, а послушно решают поставленные перед ними задачи «биологическим» методом. Потрясающим свойством ИНС является способность к обучению: прежде чем дать ИНС задание, ее сначала «учат», как ее решать. Из этого выросло целое научное направление (причем крайне перспективное), которое называется «машинное обучение».

Этот метод позволяет неинвазивно (то есть без вскрытия) проникнуть под череп человека (или животного) и воздействовать на его нейроны при помощи быстро меняющихся магнитных полей – по сути, при помощи нескольких электродов. Это позволяет «включать» и «выключать» определенные нейроны и группы нейронов, одновременно наблюдая за тем, какой эффект на испытуемого эта стимуляция имеет. Есть также трансчерепная электрическая стимуляция – общая схема такая же, но воздействие происходит уже посредством электрических токов.

Что ТМС, что ТЭС обладают огромными перспективами не только в общенаучном, но и в медицинском контексте. Магнитную/электрическую стимуляцию используют для того, чтобы изучать и лечить болезни (Паркинсона, депрессию), а также, что особенно любопытно, повышать когнитивные способности людей. Например, в 2010 году было показано, что магнитная стимуляция зоны Брока (отвечает за речь и язык) заметно повышает способности испытуемых к обучению грамматике и синтаксическим связям.

Теоретически такая стимуляция может вызвать в человеке и определенные эмоции, однако современные технологии пока не позволяют ТМС/ТЭС забраться настолько глубоко в мозг.

В 2004 году российский и британский физик Константин Новоселов вместе со своим руководителем Андреем Геймом впервые получил в лаборатории графен, или «чудо-материал», как некоторые его называют.

Графен представляет собой двумерный одноатомный слой углерода, который обладает удивительными свойствами: потрясающей прочностью, а также очень высокими теплопроводностью и электропроводностью. Все это делает графен крайне перспективным материалом в области электроники будущего: его часто называют основной для наноэлектроники и наиболее подходящей альтернативой кремнию, который пока что единолично царствует в качестве полупроводниковой основы для современной электроники.

За прошедшие годы графен был получен во множестве лабораторий по всему миру, где его замечательные свойства были многократно доказаны. В 2010 году Новоселову и Гейму дали Нобелевскую премию по физике как раз «за передовые опыты с двумерным материалом – графеном», а дополнительные полезные свойства «чудо-материала» продолжают открывать и по сей день. Ведутся (уже принесшие технологические плоды) исследования по применению графена в таких областях, как медицина и космические технологии.

С появлением радиоизотопного датирования стало возможно определять точный возраст практически любых объектов, содержащих радиоактивный изотоп. Работает это так: ученые берут образец – геологический, палеонтологический или археологический – и ищут в нем радиоактивный элемент. Поскольку период полураспада всех радиоактивных изотопов, встречающихся на Земле, известен уже очень давно, ученые смотрят, какая доля обнаруженного изотопа успела распасться за время существования образца, и вычисляют при помощи этого реальный возраст самого образца.

Существует несколько разновидностей радиоизотопного датирования, каждый из которых применим к различным изотопам и, соответственно, различным временным эпохам: это радиоуглеродный, калий-аргоновый и уран-свинцовый метод.

Именно радиоизотопной датировке мы обязаны тем, что знаем точный или абсолютный возраст ключевых исторических событий.

Около 540 млн лет назад в Мировом океане произошел резкий рост биоразнообразия, получивший название Кембрийского взрыва. За относительно короткий период появились абсолютно новые виды существ – хордовые, моллюски, членистоногие, иглокожие. Также именно тогда укрепилось разделение на хищников и жертв, а многие животные обросли твердым внешним скелетом.

Эволюция, которая в любую другую точку своей истории была очень медленным и постепенным процессом, вдруг значительно ускорилась. Даже Чарльз Дарвин упоминал в своих работах, что Кембрийский взрыв не вписывается в его представления об эволюции.

Сейчас однако известно, что многие виды животных, появление которых раньше ассоциировали с Кембрийским взрывом, появились еще во времена докембрия. Главный вопрос постепенно сместился с «откуда взялось столько новых видов» на «почему у очень многих животных появился твердый минеральный скелет». По этому поводу существует много гипотез, и точного ответа пока нет.

Технологии секвенирования позволяют расшифровать в текстовом виде последовательности нуклеотидов или аминокислот участков генов, целых генов и даже всего генома организма, то есть всей совокупности наследственной информации, заключенной в молекуле ДНК.

Для этого используют особые устройства – секвенаторы, которые со временем становятся все более компактными, мощными и быстрыми.

Доступная расшифровка генома открывает большие возможности: вы не только можете узнать, какие гены у вас присутствуют (а какие – нет), но и использовать эту информацию для более эффективного лечения, к примеру, онкологических заболеваний, или просто для профилактики.

Сейчас секвенаторы уже выпускает ряд частных компаний, правда, стоят они недешево – в среднем около полумиллиона евро. Есть, однако, и революционный «настольный» секвенатор PGM (Personal Genome Machine, машина персонального генома), не очень мощный, но недорогой – он стоит всего 50 тыс. долларов и обладает габаритами около полуметра. Рано или поздно, считают эксперты, цены на подобные устройства упадут настолько, что люди начнут секвенировать свои геномы просто из любопытства.

Противостояние хаоса и порядка – на самом деле нечто большее, чем философия. В термодинамике – разделе физики, который изучает динамику теплоты, понятием энтропия описывается степень «хаотичности», беспорядочности системы. Это же понятие широко применяется в теории информации.

Поскольку любая система стремится к полному равновесию, ее энергия, то есть тепло, постепенно рассеивается. В замкнутой системе – к примеру, в герметичной комнате – это постепенно приведет к ситуации, когда теплота будет одной и той же в любой точке комнаты.

По этой причине второе начало термодинамики гласит, что энтропия в замкнутой системе не может уменьшаться. На деле это означает, что она только увеличивается – рассеивается тепло, исчезают любые неравномерности.

В свое время из-за хорошей доказуемости второго закона термодинамики даже была предложена довольно пугающая версия конца света. Согласно этой гипотезе, известной как «тепловая смерть Вселенной», температура нашей Вселенной когда-нибудь станет одной и той же в любой ее точке. То есть любые упорядоченные энергетические системы, будь это звезда или человек, постепенно перестанут существовать, а механическая работа в таком мире станет попросту невозможна – ведь тепло будет рассредоточено по пространству с абсолютной однородностью. Никаких событий или явлений в такой Вселенной уже по определению происходить не может.

Но жизнь на Земле, как и прогресс человечества, бросают вызов хаосу в лице энтропии: вся наша история свидетельствует о локальном уменьшении энтропии, то есть об усложнении системы, будь это эволюция видов или научно-технологический прогресс.

Ученые объясняют это тем, что Земля является открытой, а не замкнутой системой, и она постоянно подвергается внешнему воздействию – в виде метеоритов, космической радиации и т. д.

Что касается всей Вселенной, то единого мнения о том, замкнута это система или открыта, нет: слишком уж ограничены наши знания о ней – мы видим лишь ее часть, так называемую наблюдаемую Вселенную.

С уверенностью можно сказать только одно: по крайней мере, на нашей планете вселенский порядок пока все-таки побеждает вселенский хаос.