Петък, Август 31, 2007

Електромагнитен спектър

Всички телескопи са конструирани така, че да улавят част от електромагнитния (ЕМ) спектър на изследваните обекти. Този спектър обхваща всички видове ЕМ излъчвания с дължини на вълните от най-малките (части от атома) до най-големите (хиляди километри). Теоретично най-малката дължина на вълната във Вселената е от порядъка на планковата дължина, а най-голямата — от порядъка на самата Вселена.

ЕМ спектърът може да се представи в зависимост от няколко параметъра:
  • честота на вълната,
  • дължина на вълната и
  • температура на излъчващото тяло.
Уравненията, които свързват тези параметри са две:
  • c = λ.f
  • E = h.f
(с е скоростта на светлината, h — константата на Планк)

ЕМ вълни с висока честота имат малка дължина и висока енергия. Вълни с ниска честота имат голяма дължина и ниска енергия.

Телата във Вселената имат собствени спектри (от излъчена или отразена светлина). Предполага се, че само тъмната материя нито излъчва, нито отразява светлина и съответно няма спектър. От спектъра учените могат да определят състава на телата, дори те да са на много светлинни години от нас.

(клик за по-голям размер)

________
Изображения: Wikipedia, НАСА

Вторник, Август 21, 2007

Пътуване във времето

Често идва ден, когато научната фантастика престава да бъде такава и влиза в учебниците като реалност. Дали това ще се случи и с невероятната идея за пътуване във времето обаче?

Учените дълго време са отписвали този въпрос поради очевидната му абсурдност, но забележителният напредък в областта на квантовата гравитация (теория, обединяваща квантовата механика и теорията на относителността) променя гледната точка на научната общност.

Пътуването във времето е свързано с редица парадоксални ситуации, най-известната от които без съмнение е историята за човека без родители. Ако един човек се върне назад във времето — тогава, когато бъдещите му родители не са се познавали — и направи така, че те никога да не се срещнат, в такъв случай той никога няма да бъде роден, следователно няма как да се върне назад във времето и да промени миналото си. Този парадокс е доста силен, нали?

Пътешествия в миналото и бъдещето винаги са били смятани за невъзможни. Според сър Исак Нютон времето е като стрела: Веднъж изстреляна, тя лети винаги направо и една минута на Земята е равна на една минута на Марс. По-късно обаче Айнщайн коренно променя схващането ни за света около нас. Според него времето е като река, която тече покрай звезди и галактики, забързва се и се забавя като минава покрай масивни тела. Една минута на Земята не е равна на една минута на Марс и часовници, разпръснати из вселената, отмерват свое собствено време.

Преди Айнщайн да умре, той бил изправен пред неприятен проблем. Курт Гьодел — брилянтен математик и негов колега в Принстън — намерил друго решение на уравненията на Айнщайн, според които пътуването във времето е възможно. Решението на Гьодел представлявало вселена, в която времето се върти в кръг и ако човек тръгне по посоката на въртене, то рано или късно ще се върне в миналото си. Сякаш в "реката на времето" имало водовъртежи! Айнщайн отхвърлил това решение.

През 1963 година новозеландският математик Рой Кер открил странно решение на уравненията на Айнщайн за въртяща се черна дупка: За разлика от считаното дотогава, тя не би се свила до една точка, а би станала въртящ се пръстен от неутрони. Частиците биха се въртяли толкова бързо, че центробежната сила няма да им позволи да "паднат" в дупката. Човек би могъл дори да мине през получения пръстен, като това може да го отведе в паралелна вселена. От тогава до сега са открити стотици решения, водещи до теоретичните червейни дупки. Тези червейни дупки могат да свързват не само далечни области от пространството, но и от времето!

Опитите на физиците да обединят квантовата механика с гравитацията и да стигнат до "теория на всичко" са довели до интересна гледна точка относно парадоксите на пътуването във времето. Според квантовата теория всеки обект може да е в множество състояния. Например електрон може да се намира едновременно на различни места в орбиталния си облак, а известната котка на Шрьодингер може да е едновременно в две състояния: жива и мъртва.

Като се връщаме назад във времето и променяме миналото, ние променяме миналото на една паралелна вселена, но нашето минало остава непроменимо.

Това значи ли, че все пак ще можем да се качим в машина, да натиснем няколко копчета и да се пренесем стотици хиляди години напред във времето? Отговорът е: Не и в обозримото бъдеще. Съществуват редица пречки, които засега са непреодолими. За една машина на времето ще са необходими колосални количества енергия, които могат да се добият или директно от някоя звезда, или чрез т.нар. екзотична материя, или ако открием източник на отрицателна енергия*. За реализирането на някой от тези методи ще ни трябват може би столетия!

Друга пречка е стабилността: Една червейна дупка може да загуби стабилност и да се разруши при преминаването на нещо през нея; възможно е дори самите квантови ефекти да унищожат дупката преди през нея да мине каквото и да е. За жалост математиката ни не е достатъчно силна да реши въпросите относно стабилността, защото е необходима "теория на всичко", която да обедини квантовия свят с гравитацията. В момента теорията на суперструните е единственият кандидат за "теория на всичко", но никой не е достатъчно умен, за да я реши напълно.


________
* Подобно на пътуването във времето, отрицателната енергия също е била научна фантастика и физиците са смятали за невъзможно съществуването й. И все пак през 1948 година е открит т.нар. ефект на Казимир, при който мистериозна сила действа на две успоредни метални пластини на много малко разстояние една от друга. По-късно тази сила била измерена.

(постът е написан въз основа статията на Michio Kaku: Is Time Travel Possible)

Неделя, Август 19, 2007

Ентропия

Терминът ентропия има много дефиниции и може да бъде срещнат в много области на физиката. Една от дефинициите е "мярка за неспособността на енергията в една система да върши работа", но аз сякаш предпочитам по-интуитивната "мярка за безпорядък". Колкото по-голяма ентропия има една затворена система, в толкова по-голям безпорядък (хаос) е тя.

Типичен пример за ентропия е чаша с вода и лед в затворена стая. С течение на времето ледът се топи поради изравняването на температурата на водата и стаята, при което ентропията на въздуха в стаята намалява (той изстива, молекулите се движат по-малко хаотично), а ентропията в чашата се увеличава (ледените кристали са по-подредени от молекулите в течната вода). Сумарно ентропията на цялата затворена система обаче се увеличава.

Вторият закон на термодинамиката гласи: Общата ентропия на една изолирана термодинамична система (за каквато можем да приемем цялата вселена) се увеличава с течение на времето и клони към една максимална стойност.

Според Джейкъб Бекенстайн черните дупки също трябва да имат ентропия, защото като поглъщат материя те намаляват ентропията на пространството около тях и ако ентропията в тях не се увеличава (като в чашата с вода), това ще наруши втория закон на термодинамиката. На базата на работата на Стивън Хокинг той доказва, че ентропията на черната дупка е пропорционална на площта на хоризонта на събитията й.

Самият Хокинг пък успява да докаже, че черните дупки не са абсолютно черни и излъчват лъчение, което все още не е засечено. И докато температурата на една черна дупка може да е страшно малко число, то ентропията й е огромна. Учените все още не знаят каква е същността на ентропията на черните дупки (т.е. на какво се дължи безпорядъкът в черните дупки).

През 1995 физиците Стромингър и Вафа правят изчисления на базата на теорията на струните, изследват теоретичен клас черни дупки и получават числена стойност на ентропията им. След това те сравняват получената стойност с площта на хоризонта на събитията и установяват, че Бекенстайн и Хокинг са прави, което в действителност е голям успех за теорията на струните.

________
За повече относно ентропията: Entropy (wiki)
Изображения: интернет, НАСА