Бяла дупка

Кое е обратното на черната дупка? Бялата дупка, разбира се!

Бялата дупка е такъв обект, който не позволява на светлината да влиза в него. И досущ като черната, и тя си има хоризонт на събитията. Разликата е, че симулирането му е много лесно (за разлика от хоризонта на събитията на черната дупка).

Както се вижда на снимката, при водната струя се образува гладка кръгла зона, в която водата се движи със скорост по-голяма от тази на вълните, поради което никакви вълни не могат да навлязат там. Вълни се образуват в момента, в който скоростта на водата стане по-малка от тази на вълните. Хоризонтът на събитията е на границата между гладката зона и вълните.

________
От Scientific American

Система SI

SI — международната система единици е най-широко разпространената в света. Тя е известна още като метрична система и се използва официално в науката по цял свят. Мерките в SI не са статични; те подлежат на промяна с усъвършенстването на методите за измерване. Промените се приемат с международни споразумения на Генерални конференции по мерките и теглилките, провеждани през 4 години в Париж. Следващата ще бъде проведена от 12 до 16 ноември 2007 г.

Единици

Системата SI се състои от няколко основни единици, множество производни единици и различни приставки. Основните единици и дефинициите им са:

• за дължина: метър (m) — разстоянието, изминато от светлината във вакуум за 1/299 792 458 от секундата;
  
• за маса: килограм (kg) — масата на специален цилиндър-еталон от сплав на платина и иридий, който се съхранява в Международното бюро по мерки и теглилки (BIMP) в Париж;
  
• за време: секунда (s) — продължителността на 9 192 631 770 периода на лъчението, съответстващо на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома на цезий-133;
  
• за електрически ток: ампер (А) — постоянният ел. ток, при протичането на който през два безкрайно дълги успоредни проводници с пренебрежимо малко напречно сечение, разположени на разстояние 1 метър във вакуум, ще предизвика сила между тях с големина 2×10- нютона на линеен метър;
  
• за термодинамична температура: келвин (К) — 1/273.16 части от термодинамичната температура на тройната точка на водата;
  
• за количество вещество: мол (mol) — количеството вещество на система, съдържаща толкова структурни единици, колкото са атомите в 0.012 kg въглерод-12;
  
• за яркост: кандела (cd) — това е яркостта в дадена посока на източник на монохроматично лъчение с честота 540×10¹² херца и интензитет в същата посока 1/683 вата на стерадиан (стерадиан е допълнителна единица в SI за пространствен ъгъл).
  

Проблеми

От основните единици единствено тази за маса се дефинира чрез материален артефакт. Цилиндърът-прототип и шестте му копия се пазят под стъклени похлупаци в сейф в BIMP. Той е произведен през 1880-те и се състои от 90% платина и 10% иридий. В допълнение са произведени и национални прототипи, които се пазят от други държави. При нужда отделните прототипи се калибрират с основния прототип. Понеже с времето прототипите се замърсяват, то те периодично биват почиствани по специален метод. На Генералната конференция през 1999 г. официално е поставена задача да се работи в посока предефиниране на килограма.

Някои учени предлагат цялата система SI да бъде предефинирана чрез фундаменталните константи в природата: скоростта на светлината, константата на Планк, елементарният електричен заряд, константата на Болцман, константата на Авогадро, и др. С повишаване точността на експериментите ще е нужно повишаване точността и на дефинициите на основните единици.

[Update] Случайно намерих една статия [en] относно дефиницията на килограма в SpaceDaily.com.
________
Източник: Международно бюро по мерки и теглилки (BIMP)

Нобелова награда за физика, 2007

Днес беше присъдена Нобеловата награда за физика на Албер Фер и Петер Грюнберг за откриването на гигантското магнито- съпротивление (giant magnetoresistance), което стои в основата на съвременните твърди дискове. Откритието нямаше да бъде възможно преди напредъка на иновативните нанотехнологии, защото то разчита на квантово-механични свойства на електроните (като тунелиране). Това се счита и за първото реално приложение на нанотехнологиите в света.

За повече информация:

Блог за наука на Капитал
Official Press Release
Information for the Public [en]

________
Снимки: Nobelprize.org
1. Албер Фер (Albert Fert), Франция
2. Петер Грюнберг (Peter Grünberg), Германия

Закъсняли гама-лъчи — доказателство за квантова гравитация?

От време на време астрономите се натъкват на изненадващи открития, които се оказват предизвикателство за съществуващите теории. Когато това стане и някава работа бива публикувана в някое от престижните издания, тогава научната общност започва да работи в новите насоки. Изказват се хипотези, търсят се обяснения, наблюденията се повтарят (ако е възможно) и общо взето бавно, бавно се търси логично обяснение.

През 2005 година екип от астрономи наблюдавали такова събитие. Те насочили телескопа MAGIC към блейзара Markarian 501 и засякли поток от високоенергийни гама-лъчи. След като анализирали данните, те стигнали до странни резултати: според изчисленията им високоенергийните гама-фотони пристигнали 4±1 минути по-късно от нискоенергийните фотони. Въпросът е защо едните фотони са закъсняли (т.е. са се движели по-бавно от скоростта на светлината) и засега няма отговор.

Има няколко възможни варианта:

• Понеже тези лъчи идват от далеч (500 млн св.г.), от недрата на свръхмасивна черна дупка, която не може да погълне всичката материя, падаща върху нея, и понеже механизмите на действие на такива екзотични обекти все още не са ни изцяло ясни, то може високоенергийните лъчи да са се образували 4 минути по-късно. Учените-автори на преработената работа, пусната в arXiv обаче твърдят, че това е малко вероятно.
• Не е изключено разликата да е възникнала по време на дългото пътуване на лъчите из Космоса, защото не се знае през какво са преминали преди да достигнат нашите детектори.
• Едно по-екзотично обяснение е предвиденото от някои теории на квантовата гравитация забавяне в зависимост от енергията (честотата) на фотоните, направено преди десетина години.
  

Докато първите две обяснения са по-обикновени и може би очаквани, то третото е по-особено. Това е така, защото досега няма преки доказателства за която и да е теория на квантова гравитация. Теоретиците се надяват да получат такова доказателство възможно най-скоро, и идеята е, че това може да е дългоочакваното доказателство. Сега, ако наистина е така, то това действително ще предизвика експлозия във физиката. Може би затова редица учени са въодушевени, но само бъдещи наблюдения и изследвания ще покажат каква е истината.

Та да се върнем на "абстрактното" обяснение. (В този параграф ще пропускам изрази като "може би", "предполага се" и т.н. Ясно е, че говорейки за "квантова гравитация" всичко е на ниво непроверени хипотези.) Основната идея е, че високоенергийните фотони причиняват микроскопични флуктуации в тъканта на пространство-времето, които играят ролята на субатомни "лещи". Колкото по-висока енергия има фотонът, толкова по-големи флуктуации ще причинява, т.е. толкова по-трудно ще минава през пространство-времето, следователно ще се забави. Според някои изчисления 4-минутното закъснение за тези 500 млн св.г. се вписват прилежно в тази хипотеза. Четири минути са много, много, много кратко време отнесено към половин милиард години, но не бива да очакваме, че флуктуациите (известни още като "квантова пяна") ще имат голям ефект върху фотоните. По принцип квантовите ефекти действат на субатомно ниво (планкова дължина), което ги прави изключително трудни за откриване. Интересно също е, че от това закъснение може да се определи на какво ниво квантовата гравитация започва да действа. Според някои модели това са около 5×10^17 GeV, според други — 6×10¹º GeV.

Това обяснение на закъсняването на фотоните е по-нестандартно и съответно учените са предпазливи. Самите автори на работата се подсигуряват като твърдят, че са нужни още наблюдения на други мощни източници на гама-лъчи, както и проверка на по-конвенционални хипотези. Едно е сигурно: учените ще имат доста работа.

Относно подробности за използвания телескоп, методите и други неща: статията в блога за наука на Капитал. Допълнително попаднах на интересни нови (за мен) блогове, в които е писано по въпроса, но ще ги прегледам друг път: the reference frame, ars technica.

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

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

Избухване на две свръхнови

По повод текста, публикуван днес в блога за наука на Капитал и възникналия въпрос в коментарите, реших да обясня нещата графично.*

В най-общи линии:

В галактиката MCG +05-43-16 избухват две свръхнови: SN 2007ck и SN 2007co. Необичайното е, че астрономите на Земята наблюдават двете експлозии в разстояние на 16 дни една от друга — нещо невиждано до сега. Действителното разстояние между свръхновите обаче е десетки хиляди светлинни години.

(клик за по-голямо изображение)

Ето какво може би се е случило (за простота приемам, че разстоянието между двете свръхнови е точно 10 000 светлинни години):

1. Първата свръхнова — SN 2007ck — избухва доста време преди втората. Светлината от експлозията й започва да се разпространява във всички посоки със скоростта на светлината**. Лъчът изминава 10 000 светлинни години (разстояние, което светлината изминава за време 1 година) и стига до втората свръхнова — SN 2007co.
2. SN 2007co избухва 10 000 години и 16 дни след SN 2007ck. Когато това става, светлината от първата свръхнова вече е в т. А.
3. Двата лъча се движат към Земята и в даден момент (примерно след 200 милиона години) те се намират в т. В и т. С. Разстоянието между тях е точно 16 дни и тази времева дистанция се запазва постоянна (постоянна за това направление; за друго направление, както ще видим долу, дистанцията пак е постоянна, но е друга). Нашите астрономи виждат точно това: две избухвания през 16 дни.
   
4. Да си представим, че астрономи от Планета Х също наблюдават галактиката MCG +05-43-16 и нека тази планета да се намира на равни разстояния от двете свръхнови. SN 2007ck избухва първа и 10 000 години по-късно светлината от тази експлозия стига т. А'. Шестнадесет дни по-късно избухва и SN 2007co.
5. След време (например 200 милиона години) двата лъча ще се намират в т. В' и т. С'. Астрономите от Планета Х биха засекли просто две избухвания на две свръхнови в една и съща галактика, но през 10 000 години и 16 дни едно от друго. Нищо особено.
   

Най-често в една галактика свръхнова избухва на всеки 25 до 100 години. Това, което е наблюдавал екипът на Стефан Имлер от Goddard Space Flight Center на NASA чрез спътника Swift е чисто и просто съвпадение.

_____________________
* Написаното тук обяснение се базира на елементарна логика и на информацията, която имам от сайта на НАСА. Възможно е и да греша някъде :)

** Скоростта на светлината е крайна стойност, която учените са измерили, че е приблизително равна на 299 792 458 m/s. След това, през 1983 г., те приели тази стойност за точната скорост на светлината по дефиниция и предефинирали понятието "метър": 1 метър вече е разстоянието, което светлината изминава за 1/299 792 458 части от секундата. Дори в бъдеще някой да направи още по-точно измерване на скоростта на светлината, това няма да промени стойността на фундаменталната константа С, а ще промени (пренебрежимо малко) дължината на метъра.