Если бы (гипотетически) существовала область во Вселенной, в которой отсутствовало любое движение на атомном уровне, какие бы свойства имела материя?

Немо Инкогнитович
  ·  
317
Susanna Kazaryan  ·  14,8K
Сусанна Казарян, США, Физик

При очень низких температурах молекулярные процессы описываются только квантовой механикой. Молекулы не сталкиваются и не вибрируют в обычном смысле. Их волновые функции растягиваются и перекрываются, образуя т.н. Бозе-Эйнштейновский (Б-Э) конденсат, в котором все атомы действуют одинаково, как один "суператом". 

В вопросе упоминается Вселенная. Самое холодное известное место во Вселенной — Туманность Бумеранга в 5000 св.л. от нас в созвездии Центавра. Как правило, газовые облака в космосе согреты до не менее 2,7 К реликтовым излучением. Но специфическое расширение Бумеранговой туманности создает своего рода космический холодильник, позволяющий газам сохранять свое необычное охлаждение с температурой ~1 K.

Человечество давно победило Вселенную в соревновании холодильников.
Первый чистый БЭ конденсат был создан в Колорадо в 1995 г. с использованием облака (газа) атомов Рубидия, охлажденного до менее 1,7×10⁻⁷ K. Рекордно низкая температура —  450±80 pK (4,5×10⁻¹⁰ K) BЭ конденсата атомов натрия, была достигнута  в 2003 г учеными MIТ.

27 июня 2018  ·  < 100
Комментировать ответ...
Реклама
Вы знаете ответ на этот вопрос?
Поделитесь своим опытом и знаниями
Войти и ответить на вопрос
Читайте также

Что является началом все начал ? Ещё до большого взрыва , откуда взялась материя . Откуда взялось вообще что-то ?

Alm  ·  171

"Большой Взрыв" - это метафора, которая хорошо звучит, но не совсем точно отражает суть. Для того чтобы что-либо взорвалось, действительно уже должно быть что-то. В данном случае, под большим взрывом подразумевают просто начало пространства-времени. Исходя из этой модели, спрашивать "Откуда взялось?" и "Что было до этого?" бессмысленно. Это всё равно что спрашивать, "Что севернее северного полюса?". Ответ будет одинаковый.

24 октября 2018  ·  1,4 K
Прочитать ещё 1 ответ

Согласно теории блоковой вселенной, будущее, настоящее и прошлое существуют одновременно. Тогда почему мы не видим умерших людей сейчас?

ВК  ·  81

Ну, во-первых, в этой теории одновременно существует только прошлое и настоящее, а будущее лишь возможно.

Во-вторых, это просто теория, одна из многих, которая пытается описать концепцию времени.

В-третьих, времени, как такого, не сущесвтует, это понятие было введено для удобста. Процесс изменения материи, некая последовательность событий - вот это в физике и называется временем.

Поэтому ответом на то, почему мы не видим умерших людей, является то, что их состояние (был живой - стал нет) и сопутсвующие этому физические и химические процессы, происходящие с телом человека, являются необратимыми.

7 марта  ·  819
Прочитать ещё 1 ответ

Есть ли в современной физике признанные ученые, которые являются противниками или, хотя бы, критиками квантовой механики, теории относительности и т.п.?

Susanna Kazaryan  ·  14,8K
Сусанна Казарян, США, Физик

Вот позиция ректора МГУ,  Логунова А.А.:  "Эйнштейн в ОТО отождествил гравитацию с метрическим тензором риманова пространства, но этот путь привел к отказу от гравитационного поля как физического поля, а также к утрате фундаментальных законов сохранения. Именно поэтому от этого положения Эйнштейна нам необходимо полностью отказаться."  — Лекции по теории относительности и гравитации: Современный анализ проблемы (1987), стр. 240 (взято отсюда: ru.wikipedia.org ). По поводу этой позиции, ученый с мировым именем, Я.Б. Зельдович многократно выступал и публиковал в УФН доказательства некорректности критики ОТО А.А. Логуновым. Все безрезультатно. Академик, вице-президент Академии наук СССР, Член ЦК КПСС, Ректор МГУ до 1992 года,  А.А. Логунов, до конца своей жизни не признавал ни ОТО, ни экспериментальные свидетельства в пользу ОТО. Казалось бы ну и черт с ним. Но из-за позиции Логунова в СССР, да может и до сих пор, ОТО не было профилирующим предметом на физических факультетах. В основном, это был факультативный курс только для желающих. Не публиковались хорошие учебники по ОТО. Интересно, что ни в одном зарубежном реферируемом журнале Логунов так и не смог опубликовать свою "Релятивистскую Теорию Гравитации". Но зато эта теория удобрялась в ЦК КПСС грантами и поощрениями, и публиковалась в многочисленных изданиях МГУ. 

До тех пор, пока руководить наукой и образованием будут назначенцы из Кремля, в России не избежать Лысенких, Логуновых, Кашпировских, Петриков и результатов их работ - гравицап.

21 января 2017  ·  3,6 K
Прочитать ещё 5 ответов

Как атеисты объясняют появление материи и Вселенной?

Студент-физик. Веб программист  ·  vk.com/todd_barry

Вопрос несколько некорректен - атеисты бывают разными. Есть и те, которые никак не объясняют, а просто отрицают божественное вмешательство. В то же время множество верующих людей не связывают появление Земли с божественным вмешательством.

Вообще, физика не касается вопросов существования бога

Наука же объясняет появление вселенной при помощи квантовых флуктуаций. В данный момент гравитация не проквантована по хорошему, но тем не менее мы уже знаем к каким следствиям будет приводить квантовая гравитация. Флуктуации гравитационного поля - это флуктуации геометрии пространства-времени. На планковских масштабах расстояния между двумя точками четко не определяются, а постоянно меняются несмотря на то, что обе точки покоятся - грубо говоря, сантиметры между этими точками то увеличиваются, то уменьшаются. Точно так же время движения например фотона от одной точке к другой хаотично меняется в последовательно проведённых экспериментах.

Флуктуации электромагнитного поля приводят к непрерывному рождению и уничтожению фотонов - такие вещи постоянно происходят в вакууме. Флуктуации же гравитационного поля будут приводить к появлению пузырьков пространства-времени планковских размеров.

Итак. у нас родился такой пузырёк. Что дальше? Астрономические наблюдения в наши дни показывают ускоряющееся расширение вселенной. Если "экстраполировать" эти наблюдения в прошлое - мы попадём в момент, когда вселенная была сжата до очень маленьких размеров. При этом возникает трудность с причинностью - вселенная изотропна (одинакова по всем направлениям) и мы не можем на космологических масштабах выделить в ней различающихся друг от друга участков. (Пока может быть проблему с причинностью плохо видно, поэтому я вернусь к этому моменту немного ниже)

Двигаясь в прошлое - вселенная будет сжиматься. В конце концов, когда мы достигнем планковских размеров вселенной - внутри нашего "видимого" пространства окажется некий участок новорождённой вселенной с некоторыми заданными первоначально параметрами - назовём его гранулой.

Расширение вселенной предсказывается уравнением Эйнштейна. Если переписать это уравнение через переменную, определяющую масштаб вселенной (масштабный фактор), зависящую от времени, мы получим уравнения фридмана - описывающие эволюцию вселенной.

По мере сжатия вселенной, она становится горячее. Сейчас вселенная находится на стадии доминирования нерелятивистской материи (низкоэнергетичной материи) (MD-стадия). В прошлом, когда вселенная была меньше, вещество было более высокоэнергетичным (RD-стадия). Низкоэнергетичное вещество и релятивистское подчиняются различным уравнениям состояния. (Уравнение состояния для идеального газа проходится ещё в школе на уроках физики. Вот у вещества разбросанного по пространству тоже есть уравнения состояния)

Уравнения фридмана, упомянутые выше, принимают в качестве аргументов плотности вещества. А плотности вещества определяются уравнениями состояния. Поскольку раньше доминировала релятивистская материя (RD-стадия), то и доминирующим уравнением состояния было не то, которое описывает материю во вселенной сейчас (MD-стадия). Следовательно, расширение вселенной подчинялось немного другому закону. Подстановка уравнений состояния для нынешней эпохи и для релятивистской стадии говорит о том, что раньше (на релятивистской стадии) вселенная расширялась несколько медленнее.

Скорость расширения вселенной на RD стадии медленнее скорости увеличения горизонта вселенной, поэтому в видимую область попали другие гранулы со своими первоначально установленными параметрами. Однако взглянув на небо, мы видим, что в самых крупных масштабах ни один участок вселенной не отличен от любого другого. Как же так? У этих участков просто не хватало времени на первых этапах зарождения вселенной на то чтобы успеть обменяться информацией друг с другом и стать одинаковыми (перемешаться). Какая-то проблема с причинностью... Получается, что все гранулы в первый момент существования вселенной были идентичны друг другу?  Это очень сомнительно. 

Теперь посмотрим на расширение вселенной под несколько другим углом. Долгое время после появления уравнения Эйнштейна, расширение вселенной описывалось наличием в этом уравнении константы - называемой космологической постоянной. Спустя много лет - после появления квантовой теории поля и переосмысления физики микромира, люди поняли, что у любых полей есть состояния с минимальной энергией. Эти состояния называются вакуумами. Вакуум окружает нашу вселенную. Поле Хиггса повсюду находится в своём наименее возбуждённом - вакуумном состоянии, другие вакуумные поля точно так же.

Уравнение эйнштейна связывает динамику (изменение со временем) геометрии пространства времени с динамикой движения вещества в нём. Это проявляется в том, что в уравнении присутствует метрический тензор с одной стороны - он отвечает за геометрию. И тензор энергии-импульса с другой - он отвечает за вещество, находящееся в гравитационном поле. Ранее, до появления квантовой механики и квантовой теории поля тензором энергии-импульса описывали только макрообъекты - планеты и т п. Так например посчитали прецессию орбиты меркурия, предсказали гравитационное линзирование и т п.

Но квантовая теория поля подарила нам возможность описывать тензором энергии импульса так же и квантовые поля. И оказалось так, что если подставить в уравнение Эйнштейна тензор энергии импульса поля в наинизшем состоянии (вакуума), которое так же называют полем инфляции, то мы увидим невероятные эффекты - во первых мы получим решения, описывающие экспоненциально быстрое расширение вселенной. (Ни при нашей эпохе, ни на стадии доминирования релятивистского вещества такого быстрого расширения не было). Во вторых - при расширении плотность энергии распределённой в расширяющейся вселенной остаётся постоянной! Чуть позже я напишу к чему это приводит.

На первых этапах существования вселенной не было ни атомов, никакой другой материи. Поскольку боровский радиус, радиус электрона и любых других частиц на много порядков больше планковских масштабов. А вот вакуумное состояние поля инфляции вполне могло быть. То есть вакуум был. Это вауумное состояние поля инфляции внутри родившегося пузырька пространства-времени согласно уравнению Эйнштейна привело к экспоненциально-быстрому расширению этого пузырька - это ещё одна стадия в эволюции нашей вселенной. Её называют эпохой инфляции. Поскольку вселенная расширялась так быстро - мы решаем проблему с причинностью, о которой я написал выше - При достаточной длительности инфляционной стадии весь охваченный наблюдениями объём Вселенной оказывается результатом расширения единственной причинно-связанной области доинфляционной эпохи.

Далее - Если записать уравнение этого поля инфляции, мы увидим, что в нём присутствует компонента, отвечающая за диссипацию энергии. Такая же, как например в уравнении описывающем колебании при учёте трения. Трение при колебаниях маятника приводит к постепенному превращению энергии колебаний в тепловую энергию нити маятника за счёт трения. В случае с полем инфляции эта компонента возникает из-за того, что состояние такого поля имеет положительную энергию и отрицательное давление (оно как бы распирает вселенную). Такое состояние неустойчиво - отсюда диссипация энергии.
Более детальное изучение динамики развития событий при расширении вселенной показывает, что энергия поля инфляции переходит в энергию электромагнитного поля - начинают рождаться фотоны ("Да будет свет, сказал господь" (c)), которые затем, согласно принципам квантовой электродинамики, начинают повсюду рождать частицы за счёт энергии поля инфляции. Вспомним, что при расширении вселенной плотность энергии поля инфляции оставалась постоянной - а значит суммарная энергия вселенной росла. Затем эта энергия перешла в энергию фотонов и рождающейся материи.

Таким образом идея инфляции очень элегантно решает столько вопросов, возникающих в различных местах. Как будто являясь недостающей деталью в сложной мозайке.

Формирование галактик и планет - это уже гораздо более поздние этапы нежели инфляция. Говоря простыми словами - на первых этапах существования вселенной квантовые флуктуации сделали структуру вселенной сильно неровной. Инфляция как бы сгладила эти неровности, растянув их при этом.

Если записать уравнения гидрогазодинамики, учитывающие эти неровности - можно получить решения ввиде увеличения плотности вещества в районах этих неровностей. Эти решения описывают формирование галактик и скоплений галактик. Наиболее наивной из моделей, описывающих это является теория ДЖинса. Она же ещё и наиболее простая.

Ну а про формирование солнечной системы и планет можно прочитать в любой детской энциклопедии.

UPD: Нашёл хорошее описание этого процесса вот тут: http://www.astronet.ru/db/msg/1188458

10 февраля 2018  ·  1,0 K
Прочитать ещё 11 ответов

Объясните чайнику: если до Большого взрыва Вселенная была бесконечно мала, то как называлось то пространство, которое ее окружало?

Nikolay Ivankov  ·  5,4K
PhD, senior scientist AI, неандерталец

Разум цепляется за привычное. Например, мы привыкли, что все тела падают вниз. Привыкли настолько, что в Англии, на родине Ньютона, еще в девятнадцатом веке огромной общественной популярностью пользовалась книга, в которой «доказывалось», что Земля — плоская, ведь иначе мы бы с нее упали. Раз она плоская, у нее должен быть край. Однако, путешествие Магеллана показало — если плыть все время на запад, то снова приплывешь в Европу, только уже с востока. Итак, Земля — шар, а с тем, что люди на другой стороне ходят «вверх ногами», придется смириться, хоть это и противоречит «здравому смыслу».

Ну, «здравый смысл» с тех пор кое-как примирился с законом всемирного тяготения, но теперь есть новая задача — понять, как Вселенная может быть ограниченной в объеме и при этом не иметь «краев» и чего-то «вне». Что ж, лучшая аналогия — это старые игры, где, выходя за конец экрана, какой-нибудь пэкмен, или диггер, или змейка, или Марио оказывались с противоположного. Для них, таким образом, края экрана не существовало.

Ограниченная по объему трехмерная вселенная — это нечто подобное. Представьте себе: вы находитесь в комнате, у которой как будто две двери в противоположных стенах. Вы открываете дверь и видите такую же комнату и себя со спины, открывающего дверь в следующей стене, за которой видна еще одна комната и еще один вы, и так далее. И за спиной у вас скрипнула дверь — на самом деле та же самая, потому что дверь — одна. И происходит это не потому, что существует бесконечное число вас, а потому что вселенная зациклена сама на себя — просто свет делает несколько кругов по этой вселенной прежде чем достичь ваших глаз. Если в этой нашей вселенной сделать скорость света, к примеру, один метр в секунду, то вы будете видеть себя в другой комнате уже с задержкой в несколько секунд. Теперь добавим еще двери, точнее, одну дверь двум другим стенам комнаты. А теперь — люк в полу и потолке с теми же эффектами.

А теперь — уберем стены, пол и потолок! И увидим многократные копии себя же через равные промежутки пространства. Хотя на самом деле эти копии настолько же реальны, насколько ваше отражение в зеркале — то, что мы видим в зеркале отраженную комнату, отнюдь не значит, что есть еще одна комната.

Поздравляю! Вот вы и очутились во вселенной с ограниченным объемом, но без краев и чего-то «вне». Это лишь один из вариантов, тороидальный. В сферической вселенной вы бы видели размытый образ себя во всем поле зрения — причем, считая, что угол обзора у нас 180°, вы бы видели в упор свой затылок, а в нижнем краю зрения — макушку, в верхнем — подошвы обуви, а по бокам — уши. Но это уже мелочи.

Почему так не происходит в нашей Вселенной? Дело в том, что она расширяется, и достаточно удаленные ее участки улетают от нас быстрее скорости света. В общем, даже если вселенная конечна, свет, испущенный нами или отраженный от нас, просто не имеет возможности к нам возвратиться. Это — большой вариант комнаты.

А теперь рассмотрим противоположный сценарий. Будем сжимать нашу комнату без стен. Вот нам уже в ней неуютно. Вот вы в нее уже не помещаетесь, вас прижимает носом к своему собственному затылку, который вы видите перед собой, и вы чувствуете затылком, как к нему прижало ваш же нос. Вот комната становится размером с атомное ядро... И вот мы приходим в состояние «сразу» после Большого Взрыва. «Сразу» заключено в кавычки, потому что время — это тоже лишь измерение пространства. Так что нет не только «вне» вселенной, но и «до» Большого Взрыва. Ну, то есть, в одной из моделей.

Вот, как-то так.

11 февраля 2016  ·  25,9 K
Прочитать ещё 25 ответов