Содержание

Материя и энергия: ложная дихотомия / Хабр

Частенько, читая статьи о Вселенной или о физике частиц, можно встретить фразу, упоминающую «материю и энергию» так, будто они – две противоположности, или два партнёра, или две стороны одной монеты, или два класса, из которых состоит всё остальное. Это всплывает во многих контекстах. Иногда можно увидеть, как поэтически описывают Большой взрыв в качестве момента возникновения всей «материи и энергии» Вселенной. Можно прочесть, что «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». И конечно, вспомним две величайших загадки астрономии – «тёмная материя» и «тёмная энергия».

Как учёный и специалист, пишущий на научные темы, я испытываю раздражение от такой терминологии, не потому, что она абсолютно неправильная, а потому, что такие разговоры вводят в заблуждение людей, не занимающихся наукой. Для физиков она мало что означает. Эти поэтические эпитеты относятся к тому, что чётко определено в математике и экспериментах, и двусмысленные определения просто коротко выражают длинные точные фразы. Но тех, кто не является экспертом, это очень запутывает, поскольку в каждом из контекстов используется своё определение материи, и своё значение слова «энергия» – иногда даже архаичное или просто неправильное. И любой из способов подразумевает, что всё существующее может быть либо материей, либо энергией – а это не так. На самом деле материя и энергия вообще относятся к разным категориям – это как говорить в одном предложении о яблоках и орангутангах, или о небесах и червях, или о птицах и пляжных мячах.


На этом сайте я постараюсь быть более точным, чтобы помочь читателю избежать путаницы, возникающей из такого способа выражаться.

Вкратце


Поскольку статья длинная, я надеюсь, что она будет информативной и просветит всех, кто любит углубляться в детали. А тут я просуммирую всё, что в ней говорится:

• Материя и энергия не принадлежат к одному классу понятий и не должны образовывать в представлении человека какую-то пару.

• Материя – термин неоднозначный. Для неё существует несколько разных определений, использующихся как в научной литературе, так и в научно-популярной. Каждое определение охватывает определённое подмножество частиц. То есть, материя – это всегда какое-то вещество, но какое именно – зависит от контекста.
• Энергия – термин однозначный (по крайней мере, в физике). Но энергия – это не вещество. Это то, что есть у вещества.
• Термин «тёмная энергия» вносит путаницу, поскольку это не только энергия. Это и не вещество. Какое-то вещество может частично отвечать за её присутствие, но детали нам неизвестны.
• Фотоны не нужно называть «энергией», или «чистой энергией». Все частицы – это возмущение полей, и у них есть энергия. Фотоны ничем особенным не выделяются. Фотоны – это вещество, а энергия – нет.
• Всё вещество Вселенной состоит из полей (простейших составляющих Вселенной) и их частиц. Это точка зрения относится ко времени после 1973 года.

Что такое материя (и энергия)?


Для начала определимся с терминами.

«Материя» – ужасно многозначный термин. Для него нет универсального определения, не зависящего от контекста. В различных местах используются как минимум три определения. Материей могут называть:

1. Атомы, основные строительные блоки того, что мы воспринимаем, как «материал» – стол, воздух, камень, кожа, апельсиновый сок – и те частицы, из которых состоят сами атомы, включая электроны, а также протоны и нейтроны, составляющие ядро атома.
2. Элементарные «материальные частицы» природы: электроны, мюоны, тау, три типа нейтрино, шесть типов кварков – все типы частиц, не переносящих взаимодействия (т.е. кроме фотонов, глюонов, гравитонов, W и Z). Интересно, что частица Хиггса не желает укладываться в эту удобное разделение на частицы материи и частицы взаимодействий, потому, что эта классификация изначально немного искусственная.

3. Классы частиц, которые можно встретить во Вселенной, и которые в среднем двигаются медленнее света.

По любому из этих определений электроны будут относиться к материи (хотя по третьему определению они не были материей в ранние периоды истории Вселенной, когда она была гораздо горячее). По второму определению мюоны – это тоже материя, как и нейтрино, хотя из них не состоит никакой обычный материал. По третьему определению некоторые нейтрино могут быть материей, а могут и не быть, а тёмная материя однозначно будет материей, даже если окажется, что она состоит из нового типа частиц, переносящих взаимодействия. Мне очень жаль, что эти определения настолько запутаны, но если вы хотите знать, что означает «материя» в различных книгах и статьях, вам нужно разобраться в разных способах использования этого термина.

«Энергия», к счастью (в том смысле, в котором её используют физики) – вполне чётко определённое понятие, с которым согласны все физики. К сожалению, у этого слова есть столько значений в английском [и русском] языке, что очень легко запутаться, разбираясь, что имеют в виду физики. Я кратко описывал различные формы физической энергии в статье о массе и энергии. Пока что достаточно сказать, что энергия – это не объект. Атом – объект, энергия – нет. Энергией могут обладать объекты и группы объектов – это свойство объектов, описывающее их поведение и их связи между собой.

Нам же достаточно знать, что частицы, двигающиеся сами по себе сквозь пространство, могут обладать двумя типами энергий: энергией массы (E= mc2, не зависящей от движения частицы) и энергией движения (эта энергия равна нулю у покоящейся частицы и становится тем больше, чем быстрее она двигается).

Аннигиляция частиц и античастиц – это не превращение материи в энергию


Рассмотрим такое представление, как «материя и антиматерия, аннигилирующие в чистую энергию». Проще говоря, это неправда, по нескольким причинам.

Чуть выше я дал вам три разных определения материи. Рассказывая про аннигиляцию частиц и античастиц, докладчик может иметь в виду первое или второе из них. Я хочу обсудить аннигиляцию электрона и антиэлектрона (или позитрона), или аннигиляцию мюона и антимюона. Детали этого процесса описаны в статье про аннигиляцию частиц и античастиц.

Что имеется в виду под «чистой энергией»? Чаще всего так описывают фотоны, и обычно – в контексте электрона и позитрона (или другой массивной частицы и античастицы). Но так делать очень плохо. Энергия – это то, чем обладают фотоны, а не то, чем они являются. У меня есть рос и вес – но это не означает, что я – это рост и вес.

Термин «чистая энергия» – смесь поэзии, краткого описания и мусора. Поскольку у фотонов нет массы, у них нет энергии массы, поэтому их энергия – это «чисто энергия движения». Но это не то же самое, что сказать: «Фотон – это ‘чистая энергия’», что в строгой физике, что в представлении дилетанта. Фотоны – это частицы, такие же, как электроны. И те, и другие – это рябь соответствующих полей, и у обоих есть энергия. У аннигилировавших электрона и позитрона тоже есть энергия – столько же энергии, сколько будет у фотонов, в которые они аннигилировали, поскольку энергия сохраняется (общее количество энергии не изменяется при аннигиляции).

Более того, процесс превращения мюона и антимюона в два фотона происходит точно так же и случается почти с такой же вероятностью, как процесс превращения мюона и антимюона в электрон и позитрон, то есть аннигиляцию материи и антиматерии в другой тип материи и антиматерии. Неважно, какими словами выражаться, всё равно нельзя сказать, что материя и антиматерия всегда аннигилируют во что-то, что можно было бы даже приближённо называть «энергией»; существуют другие возможности.

Поэтому я не использую в статьях выражения «материя и энергия», говоря об аннигиляции. Я просто называю процесс его именем:

частица 1 + античастица 1 → частица 2 + античастица 2

При такой терминологии понятно, почему мюон и антимюон аннигилируют в два фотона, или в электрон и позитрон, или в нейтрино и антинейтрино одинаковым способом. Это всё процессы одного класса. Не нужно создавать несуществующей классификации, запутывающей универсальность процесса аннигиляции частицы/античастицы.

В общем и целом, материя и энергия – это ещё не всё


Почему люди иногда говорят о «материи и энергии», будто всё вокруг – это либо материя, либо энергия? Не знаю, в каком контексте изобрели это выражение. Язык отражает историю, и часто медленно реагирует на новую информацию. Часть проблемы в том, что с 1900 по 1980 происходили огромные изменения в физических концепциях, связанных с миром и с тем, из чего он состоит. Сейчас этот процесс почти остановился. В течение моей карьеры он был удивительно стабильным.

Наше текущее представление о физическом мире сформировалось благодаря широкому кругу экспериментов и открытий, случившихся в 1950-е, 60-е и 70-е. Но предыдущие способы мышления и рассуждения по поводу физики частиц не вымирали вплоть до 1980-х и 90-х, когда я учился и был молодым учёным. И неудивительно – у людей, выросших со старыми представлениями, уходит много времени на то, чтобы перестроится на новые, а некоторые так и не перестраиваются. Новому видению требуется время для того, чтобы оформиться и разобраться со всеми мелкими недостатками.

Сегодня, говоря о мире в контексте современной точки зрения, в первую очередь нужно говорить о «полях и их частицах». Поля – основные составляющие мира, согласно современной доминирующей парадигме. Поля кажутся нам более фундаментальными, чем частицы, поскольку элементарной частицы без поля не бывает, а поле без частицы – бывает.

Но получается так, что у каждого из известных нам полей есть известная нам частица.

Что же общего у «полей и частиц» с «материей и энергией»? Мало чего. Некоторые поля и частицы вы могли бы назвать «материей», но какие из них – материя, а какие – нет, зависит от используемого вами определения материи. Но у всех полей и частиц может быть энергия, при этом они энергией не являются.

Частицы материи и частицы взаимодействий


В своих статьях я разделяю известные частицы на «частицы материи» и «частицы взаимодействий». Мне это не нравится, поскольку такое разделение искусственно. Пока что оно работает; частицы взаимодействий и их античастицы ассоциируются с четырьмя известными нам на сегодня взаимодействиями в природе, а частицы материи и их античастицы – это всё остальное. Во многих случаях такое разделение удобно. Но на Большом адронном коллайдере мы можем открыть частицы, не укладывающиеся в эти категории, и даже с частицей Хиггса есть определённые проблемы.

Существует совсем другое разделение, имеющее смысл: то, что я называю частицами материи, это фермионы, а то, что я называю частицами взаимодействий – это бозоны. Но и это может поменяться после новых открытий.

На самом деле всё сводится к тому, что все частицы в природе – это просто частицы, некоторые из которых служат античастицами друг другу, и не существует уникального способа поделить их на классы. Я использую слова «материя» и «взаимодействие», поскольку это звучит не так абстрактно, как «фермионы» и «бозоны» – но возможно, что я пожалею об этом, поскольку мы можем обнаружить частицы, нарушающие это разделение.

Материя и энергия во Вселенной


Ещё одно место, где мы встречаем эти слова – это история и свойства космоса в целом. Мы читаем про материю, излучение, тёмную материю и тёмную энергию. Использование этих слов космологами отличается от ожидаемого – и на самом деле у них есть два-три разных значения, зависящих от контекста.

Материя и антиматерия: говорящие о них люди имеют в виду первое определение из трёх. Они обычно говорят о превалировании материи над антиматерией во Вселенной – о том, что частиц, составляющих обычное вещество (электронов, протонов и нейтронов) гораздо больше, чем их античастиц.

Материя и излучение: такое разделение подразумевает третье определение из списка. У Вселенной есть температура. Сначала она была очень горячей, а потом постепенно остывала, и теперь она находится на отметке в 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Если у вас есть газ (или плазма) из частиц при заданной температуре T, и вы меряете энергии этих частиц, вы обнаружите, что средняя энергия движения частицы будет k T, где k – знаменитая константа Больцмана. В этом смысле, материя – это любая частица, чья энергия массы mc2 больше средней энергии движения kT. У таких частиц скорость будет гораздо меньше скорости света. Излучение – это любая частица, чья энергия массы мала по сравнению с kT, и, следовательно, она движется со скоростью, близкой к световой.

Получается, что в этом контексте то, что является, а что – не является материей, зависит от температуры, и, следовательно, от времени! В ранней Вселенной, в которой температуры составляли триллионы градусов и больше, электрон был тем, что космологи посчитали бы излучением. Сегодня в холодной Вселенной электрон попадает в категорию материи. В современной Вселенной, согласно этому определению, по меньшей мере, два из трёх типов нейтрино – это материя, а может, и все три. Но в ранней Вселенной все три нейтрино были излучением. Фотоны всегда были и будут излучением, поскольку они безмассовые.

Что такое тёмная материя? Исходя из изучения движений звёзд и других техник, мы можем сказать, что большая часть массы галактик заключается в чём-то, что не светится, и на доказательства того, что за это не отвечают известные нам частицы, ведущие себя обычным образом, было потрачено много сил. Для объяснения этого эффекта было предложено множество теорий, и многие из них были опровергнуты (обычно путём наблюдения за внешним видом и поведением галактик). Из оставшихся теорий одна из ведущих говорит о том, что тёмная материя состоит из тяжёлых частиц неизвестного типа. Но больше о них мы ничего не знаем. Эксперименты могут дать нам новую информацию, хотя это не гарантировано. Отмечу: может оказаться, что нет смысла говорить о тёмных античастицах, поскольку частицы тёмной материи, как фотоны или Z-частицы, могут оказаться своими собственными античастицами.

А тёмная энергия? Недавно было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением, а не с замедлением, как это было в ранние годы. Предположительно, за это отвечает то, что называется «тёмной энергией», но на самом деле это не энергия. Как любит говорить мой коллега Шон Кэррол, это напряжение, а не энергия – комбинация давления и плотности энергии. Почему же её называют энергией? Частично – из-за связей с общественностью. Тёмная энергия круто звучит. Тёмное напряжение звучит странно, как и любое другое более-менее подходящее слово. В каком-то смысле это безобидная вещь. Учёные знают, о чём идёт речь, и терминология не доставляет проблем с технической стороны. Большей части публики всё равно, о чём идёт речь, поэтому можно сказать, что с нетехнической стороны проблемы тоже нет. Но если вам действительно захочется в этом разобраться, важно понимать, что тёмная энергия – это не тёмная форма энергии, но нечто более тонкое. Более того, как и энергия, тёмная энергия – это не объект и не набор объектов, а свойство, которым могут обладать поля или комбинации полей пространства-времени. Нам пока неизвестно, что отвечает за тёмную энергию, о существовании которой мы судим по ускоряющейся Вселенной. И до того, как мы это узнаем, может пройти немало времени.

Кстати, знаете ли вы, что имеют в виду астрономы под «металлами»? Не то, что вы думаете…

По прочтению статьи у вас могло сложиться впечатление, что современные физики не особенно изобретательно, творчески или чётко обходятся с языком. Очевидно, это не наша сильная сторона. Большой взрыв? Чёрная дыра? Поэты всего мира никогда не простят нам выбора таких тупых названий для таких фантастических явлений…

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

Мельчайшие частицы. Насколько они фундаментальны?

Из чего состоит Вселенная на самом базовом, фундаментальном уровне? Существует ли мельчайший из возможных кирпичик или набор кирпичиков, из которых можно построить буквально все в нашей Вселенной и которые нельзя разделить на что-то еще меньшее? На этот вопрос у науки есть много интересных ответов, впрочем, которые нельзя назвать финальными и окончательными.

Потому что в физике всегда есть место для неопределенности, особенно когда речь заходит о том, что мы найдем в будущем.

Если бы вы хотели узнать, из чего состоит Вселенная, с чего бы вы начали? Тысячи лет назад воображение и логика были лучшими инструментами, доступными человеку. Мы знали о материи, но понятия не имели, из чего она состоит. Предполагалось, что существует несколько фундаментальных ингредиентов, которые можно совмещать и объединять — разными способами, в разных условиях — чтобы создать все сущее.

Мы могли экспериментально продемонстрировать, что материя, будь она твердая, жидкая или газообразная, занимает пространство. Мы могли показать, что она обладает массой. Мы могли объединить ее в большие количества или разбить на более мелкие. Но разбить материю и получить доступ к мельчайшим компонентам, которые покажут, насколько «фундаментальной» она может быть, это уже немного другое. Этого мы не могли.

Некоторые считали, что материя может состоять из разных элементов, таких как огонь, земля, воздух и вода. Другие считали, что существует лишь один фундаментальный компонент реальности — монада — из которой все остальное получается и собирается. Другие же, такие как пифагорейцы, полагали, что должна существовать геометрическая математическая структура, устанавливающая правила для реальности, а сборка этих структур привела к появлению известной нам Вселенной.

Идея того, что истинно фундаментальная частица действительно существует, впрочем, восходит к Демокриту Абдерскому, который жил 2400 лет назад. Хотя это была всего лишь идея, Демокрит считал, что вся материя состоит из неделимых частиц, которые он назвал атомами («ἄτομος» по-гречески означает «неделимый»). Атомы, по его мнению, объединяются на фоне пустого пространства. Хотя его идеи содержали много других странных деталей, понятие фундаментальных частиц закрепилось и осталось.

Возьмите любой кусочек материи, который хотите, и попробуйте его разрезать. Затем разбейте его еще на меньшие части. Каждый раз, когда вам это удается, разбивайте и разбивайте, пока сама идея разрезания не потеряет смысл: следующий слой будет толще вашего «ножа». Макроскопические объекты становятся микроскопическими; сложные соединения становятся простыми молекулами; молекулы становятся атомами; атомы становятся электронами и атомными ядрами; атомные ядра становятся протонами и нейтронами, которые и сами делятся на кварки и глюоны.

На самом меньшем из возможных уровней мы можем свести все, что знаем, к фундаментальным, неделимым, подобным частицам объектам: кваркам, лептонам и бозонам Стандартной модели.

Что касается физических величин, они определяются правилами квантовой физики. Каждый квант во Вселенной — структура с ненулевой энергией — может быть описан как содержащий определенное количество энергии. Поскольку все, что существует, можно описать как в виде частицы, так и в виде волны, вы можете установить ограничения и пределы на физические размеры для любых таких квантов.

В то время как молекулы могут прекрасно описывать реальность на нанометровом уровне (10-9 метра), а атомы прекрасно описывают реальность в масштабах Ангстрема (10-10 метра), атомные ядра еще меньше, и отдельные протоны и нейтроны уходят в масштабы до фемтометра (10-15) метра. Частицы Стандартной модели и того меньше. На энергиях, которые мы смогли опробовать, мы можем с уверенностью сказать, что все известные частицы являются точечными и структурно-свободными до 10-19метров.

Лучшие из наших экспериментальных знаний позволяют нам назвать эти частицы фундаментальными по своей природе. Частицы и античастицы, а также бозоны Стандартной модели являются фундаментальными с экспериментальной и теоретической точек зрения. И чем выше энергии частиц, тем острее проявляется структура реальности.

Большой адронный коллайдер позволяет нам ограничить масштабы фундаментальных частиц таким образом, но коллайдеры будущего или чрезвычайно чувствительные эксперименты с космическими лучами могли бы продвинуть нас на много порядков дальше: до 10-21 или даже до 10-26 для самых экстремальных энергетически космических лучей.

При всем этом, эти идеи накладывают ограничения только на то, что мы знаем и можем утверждать. Из них следует, что если мы сталкиваем частицу (или античастицу, или фотон) с некоторым количеством энергии с другой частицей в состоянии покоя, то пораженная частица будет вести себя в фундаментально точечной манере в пределах наших экспериментов, детекторов и достижимых энергий. Эти эксперименты устанавливают эмпирический предел того, насколько большими могут быть мыслимые фундаментальные частицы, и коллективно называются экспериментами по глубокому неупругому рассеянию.

Значит ли это, что эти частицы действительно фундаментальны? Вовсе нет. Они могут быть:

  • и далее делимы, то есть их можно разбить на компоненты поменьше;
  • резонансом друг друга, когда более тяжелые «кузены» легких частиц представляют возбужденное состояние или составные версии легких;
  • вовсе не частицами, а скорее частицами на вид с более глубокой нижележащей структурой.

Эти идеи изобилуют сценариями вроде техниколора (и эти сценарии были ограничены после обнаружения бозона Хиггса, однако не исключены), но наиболее заметно представлены в теории струн.

Нет никакого непреложного закона, требующего, чтобы все было сделано из частиц. Реальность на основе частиц — это теоретическая идея, которая поддерживается и согласуется с экспериментами, но наши эксперименты ограничены в энергии и той информации, которую могут рассказать нам о фундаментальной реальности. В сценарии вроде теории струн все так называемые «фундаментальные частиц» могут быть не более чем струной, вибрирующей или вращающейся с определенной частотой, обладающей открытой (с двумя не связанными концами) природой или закрытой (когда два конца связаны). Струны могут расщепляться, образуя два кванта там, где до этого был один, либо соединяться, создавая один квант из двух ранее существующих.

На фундаментальном уровне нет никакого требования, чтобы компоненты нашей Вселенной были нуль-мерными точечными частицами.

Существует множество сценариев, в которых неразгаданные тайны нашей Вселенной, такие как темная материя и темная энергия, вообще не состоят из частиц, а скорее из жидкости или представлены свойством пространства. Природа пространства-времени сама по себе неизвестна; оно может быть фундаментально квантовым или неквантовым по природе, может быть дискретным или непрерывным.

Частицы, известные нам сейчас, которые мы считаем фундаментальными, могут иметь либо конечный, ненулевой размер в одном или более измерений, либо они могут быть истинно точечными, потенциально вплоть до длины Планка или даже меньше.

Самое важное, что нужно понимать, это то, что все, что мы знаем в науке, это условности. В том числе фундаментальность частиц. Нет ничего, что было бы незыблемо или неизменно. Все наши научные знания — это лишь самое лучшее приближение к реальности, которое нам удалось построить к настоящему времени. Теории, которые наилучшим образом описывают нашу Вселенную, могут объяснить все наблюдаемые явления, создавать новые, мощные, проверяемые предсказания и не имеют альтернатив.

Но это не значит, что правильны в любом абсолютном смысле. Наука всегда стремится собирать больше данных, изучать новую территорию и сценарии и пересматривать себя, если возникнет конфликт. Частицы, известные нам, выглядят фундаментальными сегодня, но это не гарантирует, что природа будет продолжать указывать на существование более фундаментальных частиц, если мы продолжит погружение в суть этих частиц.

Темной энергии не существует? Новые свидетельства, опровергающие принятую модель устройства Вселенной

  • Николай Воронин
  • Корреспондент по вопросам науки

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды ученые используют в качестве «стандартной свечи»

Современная наука утверждает, что наша Вселенная лишь на 5% состоит из «обычной», привычной нам материи. Еще примерно четверть составляет загадочная темная материя, о которой нам известно довольно мало, поскольку она недоступна прямому наблюдению.

Наибольшая же часть — оставшиеся две трети — приходятся на еще более загадочную темную энергию, о которой мы и вовсе не знаем практически ничего, но именно она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Однако недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи, сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах.

Сенсационное заявление прозвучало на собрании Американского астрономического сообщества в Гонолулу и вызвало ожесточенную полемику в научных кругах, поскольку фактически ставит под вопрос принятую на сегодняшний день модель устройства Вселенной.

Критики работы указывают на ее возможные недостатки и напоминают о других косвенных доказательствах устоявшейся теории.

Однако, несмотря на все усилия, ученые уже 20 лет не могут объяснить природу темной энергии (или хотя бы приблизиться к такому объяснению). И сенсационная работа южнокорейских астрономов — не первая попытка опровергнуть само ее существование.

Что такое темная энергия?

В 1990-е годы астрономы обнаружили, что галактики не просто разбегаются в разные стороны, а делают это все быстрее и быстрее — то есть Вселенная расширяется с ускорением.

Это открытие сильно озадачило ученых, поскольку совершенно не укладывалось в принятую модель. Наблюдения телескопов опровергали сам принцип гравитации: ведь силы притяжения, возникающие между любыми материальными объектами, по идее должны замедлять расширение, а никак не ускорять его.

Для того чтобы как-то объяснить это противоречие, и была выдвинута гипотеза темной энергии — некой неведомой силы, которая заставляет галактики ускоряться.

Грубо говоря, ученые обнаружили в существующей теории дыру и наложили на нее заплатку: ввели в уравнение новую переменную, которая позволяла сойтись сделанным ранее расчетам.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Так эффект темной энергии изображают в НАСА

С тех пор наблюдения астрономов принесли еще несколько не вполне объяснимых результатов, однако каждый раз их выручала все та же «математическая заплатка». С ней формулы сходились — а значит, существование загадочной энергии получало все новые косвенные подтверждения.

В 2011 году открытие ускоряющейся Вселенной было удостоено Нобелевской премии по физике, а гипотеза о темной энергии окончательно легла в основу современной космологии.

Как было сделано это открытие?

Один из способов измерить расстояние в астрономии — так называемый метод «стандартных свечей», на основе наблюдения за сверхновыми звездами определенного типа.

Когда звезда из типа белых карликов резко сжимается под действием гравитации и взрывается, этот взрыв сопровождается яркой вспышкой сверхновой. При этом, где бы ни располагалась такая звезда, ее яркость (ученые используют термин «светимость») примерно одинакова — во всяком случае так было принято считать до последнего времени.

Однако при наблюдении с Земли яркость сильно зависит от расстояния: чем ближе взорвавшаяся звезда, тем ярче вспышка. И это позволяет довольно точно рассчитать, насколько далеко произошел взрыв.

Помимо «стандартных свечей», для расчета астрономических расстояний используются и другие способы — например, уравнение Хаббла, составленное для равномерно расширяющейся Вселенной. И когда разные методы дают один и тот же результат, они как бы подтверждают друг друга.

Но в 1998 году астрономы вдруг обнаружили, что в удаленных галактиках разные способы подсчета приводят к разному результату. Расстояние, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается значительно больше, чем рассчитанное ранее по методу Хаббла.

Подпись к фото,

«Карта» темной материи, составленная в 2006 году

Численный анализ заставил ученых предположить, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось ранее, и расширение это происходит с ускорением.

20 лет назад эта гипотеза звучала совершенно революционно, но сегодня в научном мире это общепринятая точка зрения.

Что изменилось теперь?

Команда астрономов из Университета Ёнсе в Сеуле и Лионского университета провела наиболее точные измерения возраста большинства галактик, где наблюдались вспышки сверхновых.

Результаты исследования, на которое ушло девять лет, показали, что яркость сверхновых звезд абсолютно соотносится с возрастом родительской галактики и не требует никаких дополнительных переменных. То есть в галактиках разного возраста светимость сверхновых будет разной.

Другими словами, расхождение измерений, поставившее ученых в тупик в 1998 году, легко объясняется одной лишь эволюцией яркости звезд — и нет никаких оснований предполагать, что Вселенная расширяется с ускорением.

А значит, отпадает и необходимость объяснения этого ускорения — загадочная темная энергия оказывается просто не нужна.

«Как говорил [американский астроном] Карл Саган, экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, а я вовсе не уверен, что у нас есть подобные экстраординарные доказательства существования темной энергии», — заявил руководитель исследования, профессор Ён Вук Ли.

«Наши результаты показывают, что сама гипотеза темной энергии на основе космологии сверхновых, удостоенная в 2011 году Нобелевской премии по физике, может базироваться на ненадежном и попросту ошибочном предположении», — утверждает он.

Ученые 20 лет искали то, чего нет?

Публикация работы южнокорейских астрономов подлила масла в огонь ожесточенной полемики, которая разгорелась в научном сообществе в последнее время.

Дело в том, что в ноябре и декабре были опубликованы сразу две работы, предлагающие альтернативные объяснения ускорению Вселенной.

В одной статье оно объясняется квантовыми свойствами материи (так называемым эффектом Казимира). В другой и вовсе делается предположение, что Вселенная на самом деле не ускоряется: противоречия в измерениях 1998 года объясняются лишь точкой, из которой ведется наблюдение.

«Важно понимать, что непосредственно ускоренное космологическое расширение наблюдать невозможно, — поясняет автор первой статьи Артем Асташенок, возглавляющий лабораторию астрофизики и космологии в Балтийском федеральном университете. — Когда астрофизики говорят об этом, то речь всегда идет об интерпретации тех или иных измерений».

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды

Так или иначе, все три опубликованные в последние месяцы работы объединяет одно: ни одна из них не требует существования темной энергии. Той самой невидимой силы, которую физики и астрономы искали последние 20 лет. Той самой, за «открытие» которой в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Той самой, которая лежит в основе современных представлений о Вселенной.

Возможно, сама гипотеза о ее существовании изначально была ошибкой.

Что все это значит?

Наука постоянно развивается, углубляя наши представления об окружающем мире. Но выдвигаемые теории, объясняющие тот или иной феномен, не так уж редко впоследствии оказываются неточными или даже откровенно ошибочными.

Например, сейчас любой школьник знает, что горение — это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом. Однако этот химический элемент был открыт только в конце XVIII века, а до этого ученые считали, что все горючие вещества наполняет таинственная огненная субстанция — флогистон, который высвобождается при горении и смешивается с воздухом.

Когда выяснилось, что при прокаливании стали масса металла не уменьшается, а наоборот увеличивается, ученые озадачились — но быстро придумали объяснение: очевидно, флогистон обладает отрицательной массой.

Даже открытый в 1774 году кислород поначалу называли «дефлогистированный воздух» — то есть воздух, который очищен от флогистона и потому лучше поддерживает горение.

И темная энергия вполне может оказаться «флогистоном XXI века» — если в итоге выяснится, что на самом деле расширение Вселенной не ускоряется.

С другой стороны, наблюдения последних 20 лет дали ученым немало результатов, косвенно свидетельствующих в пользу ускоренного расширения (1, 2). И не очень понятно, как объяснять эти наблюдения, если отказаться от принятой теории.

«В таком важном вопросе требуется комплексный подход, поэтому рано говорить о том, что ускоренное расширение Вселенной связано просто с ошибочной интерпретацией данных наблюдений, — предупреждает Асташенок. — Но сама по себе возможность объяснить ускоренное расширение без темной энергии весьма интересна».

«Конечно, с точки зрения «бритвы Оккама», обойтись без темной энергии было бы хорошо, — резюмирует эксперт, — это избавило бы от многих проблем. Так что подождем развития дискуссии».

Темная материя и энергия провалились в черную дыру. Не исключено, что на самом деле никакой темной материи и энергии в их привычном представлении не существует

Объяснить черты наблюдаемой части космоса на основании только видимой его части нереально. Что-то невидимое заставляет «края» галактик вращаться с большей скоростью, чем «положено»; другая «невидимая рука», кажется, растягивает пространство-время во все стороны все быстрее и быстрее (ускоряющееся расширение Вселенной). За открытие этих фактов уже успели многажды выписать Нобелевские премии, а на поиски соответствующих «темных сил» ушли миллиарды долларов. Но есть нюанс: вполне вероятно, никаких частиц темной материи на самом деле не существует, а ускоряющееся расширение Вселенной и вовсе может оказаться иллюзией. Невидимая масса, раскручивающая галактики, — это множество черных дыр средних размеров, а кажущееся ускорение расширения обеспечивает гигантская черная мегасверхдыра. Но — обо всем по порядку.

Очень темные дела

Еще в 1884 году лорд Кельвин обратил внимание на странный факт: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем должны были бы, судя по расчетам. Такое возможно, если их «раскручивает» гравитация какой-то массы, лежащей еще дальше, там, где кончаются звезды и начинается межгалактическое пространство. Но что лежит там, где кончаются звезды, понять не удавалось. Известнейший французский математик Анри Пуанкаре, обсуждая этот вывод Кельвина, в 1906 году впервые употребил словосочетание «темная материя». Последующие сто лет подтвердили: практически во всех наблюдаемых галактиках картина та же.

Гипотез о том, что именно составляет темную массу, было много, но большинство из них плохо совместимо с наблюдаемой Вселенной. Со временем была выбрана одна — о «холодной темной материи», теоретически состоящей из массивных частиц (вимпов), не взаимодействующих с фотонами света. Причем в такой гипотезе масса вимпов должна быть в несколько раз больше, чем всего обычного, барионного, вещества. Это хорошо объясняло и невидимость темной материи, и ее мощное воздействие на галактические диски.

При всех позитивных свойствах вимпов у них есть и существенный недостаток: их оказалось абсолютно невозможно найти в экспериментах. Крупные и дорогие ускорители давно показали: если такие частицы и есть, то их размер так мал, что обнаружить их по влиянию на другие частицы нереально. Сечение вимпов, согласно таким экспериментам, не может быть заметно больше 10-45метра, что на десять порядков меньше планковской длины. А планковская длина — это вообще предел расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины перестают иметь какой-либо смысл. Любая попытка исследовать меньший по размеру объект (менее 1,6⋅10-35 метров) потребует столкновения частиц высоких энергий, что неизбежно закончится рождением черной дыры: вместо того чтобы дробить частицы на более мелкие кусочки, это приведет к «слипанию» частиц в ничтожно малую ЧД. А жаль — вимпы выглядели отличной, логичной гипотезой.

Сходная история случилась и с темной энергией. Есть два хороших способа измерения расстояния до галактик: по закону Хаббла (расстояние пропорционально красному смещению, удлинению световых волн, дошедших до нас от далекой галактики) и по «стандартным свечам», сверхновым типа Ia. Такие сверхновые в теории взрываются при достижении одной и той же пороговой массы, то есть их яркость практически одинакова. Глядя на их видимую нам яркость и соотнося ее с положенной такой сверхновой энергией взрыва (прямо связанной с массой), легко высчитать, каково же расстояние до далекой галактики. Но два эти способа, как оказалось, дают противоречащие друг другу результаты. В удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже «положенной»! То есть каким-то образом расстояние, которое прошли фотоны от вспышек этих сверхновых, оказалось больше, чем должно быть, — как будто пространство между нами растянулось, и вместе с ним растянулись (став «краснее», то есть длиннее) и световые волны от этих вспышек. Эти наблюдения интерпретировали как ускоряющееся расширение Вселенной, и за это открытие успешно дали Нобелевскую премию.

Осталось выяснить сущую малость: что именно растягивает пространство-время и заставляет Вселенную двигаться с ускорением. В настоящий момент считается, что это некая расталкивающая все и вся темная энергия с плотностью порядка 10-29 г/см³. Но при такой плотности обнаружить ее в эксперименте не приходится и мечтать. Как же изучать то, что в лаборатории изучать нельзя? Правильно, чисто теоретически. Все попытки ограничить свойства темной энергии наблюдением за крупными структурами Вселенной пока не дали серьезных результатов. Поэтому ее считают то энергией вакуума, то частицеподобным возбуждением некоего динамического скалярного поля («квинтэссенция»), то чем угодно еще. Однако, когда от гипотез переходят к расчетам, получается один сумбур. Если темная энергия суть энергия вакуума (наименее сложная гипотеза), то ее должна предсказывать квантовая теория поля. Но значение энергии вакуума, которое она предсказывает, на 120 порядков больше, чем то, что следует из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной. Это настолько большой разрыв, что даже обсуждать здесь нечего: такое объяснение выглядит нереалистично.

Темная энергия «по-черному»

Около 2003 года физик Николай Горькавый, до того занимавшийся чисто «гравитационными» проблемами — типа колец Урана и его спутников, существование ряда из которых он предсказал по форме колец и до их открытия астрономами, — попробовал подойти к «темным материям» с другой стороны. Отталкиваясь от «гравитационного» видения мира, исследователь решил выяснить, каким может быть влияние черных дыр самых разных размеров на окружающую нас Вселенную. Особенно его заинтересовали процессы слияний ЧД, при которых значительная часть массы их обеих превращается в гравитационные волны (колебания пространства-времени). Если сами ЧД вполне притягивают к себе материю, то гравитационные волны этого не делают. Таким образом, получается, что в слияниях черных дыр масса как бы «исчезает», а на деле превращается в энергию гравиволн.

Исходя из этой модели, ученый обратился к выдвинутой еще создателем термина «Большой взрыв» Георгием Гамовым гипотезе о том, что Вселенная расширяется и сжимается циклически. Согласно расчетам Горькавого и его соавтора Василькова, получается, что при сжатии в конце каждого цикла существования Вселенной черные дыры слипаются во все более крупные объекты, попутно поглощая «мелочь» типа звезд и планет. В каждом таком слиянии лишь считанные проценты их массы превращаются в энергию гравиволн, но поскольку таких слияний очень много, то в конце значительная доля массы Вселенной превращается в энергию гравиволн. В этот момент происходит как бы скачок: в короткое по астрономическим меркам время исчезновение значительной массы сжимающейся Вселенной порождает не воронку гравитационного потенциала, а пик этого потенциала, который и вызывает разлет остальной части Вселенной во всех направлениях.

Со стороны это будет выглядеть именно как взрыв, при котором обломки летят в разные стороны. Именно так, в рамках гипотезы Горькавого и Василькова, цикл сжатия прежней Вселенной сменился циклом расширения нынешней Вселенной.

Казалось бы, при чем тут вообще темная материя и темная энергия? На деле связь самая прямая. Во-первых, в конце серии слияний ЧД из прошлой Вселенной должна была возникнуть самая крупная из всех черных дыр. Естественно, такая дыра имеет огромное влияние на окружающее ее пространство-время. Поглощая энергию гравиволн, она продолжит быстро наращивать свою массу, дополнительно усиливая свое гравитационное поле.

В итоге гравитация от нее будет настолько мощной и быстро усиливающейся, что первые ранние галактики Вселенной, разлетающиеся в стороны, в определенный момент почувствуют нарастающее торможение: те из них, что ближе к древней гипермассивной черной дыре, будут замедляться, а те, что дальше, продолжат лететь с меньшим замедлением. За счет этого фотоны от более далеких галактик будут казаться «краснее», чем они есть, а значит, и красное смещение от далеких объектов будет отличаться от ожидаемого. 

Как известно, расстояние до далеких галактик определяют именно по красному смещению. Так что его «корректировка» гипермассивной черной дырой создаст у земного наблюдателя иллюзию ускоряющегося расширения Вселенной, несмотря на то что на практике такого ускоряющегося расширения не будет. В модели Горькавого Вселенная, разумеется, тоже расширяется, но без реального нарастающего ускорения. Итак, мы нашли неплохого кандидата на роль темной энергии — гипермассивную черную дыру. Что важно, корректность такого сценария — и само существования такой огромной древней ЧД — вполне можно проверить с помощью наблюдений, чего не скажешь о темной энергии в рамках гипотезы о том, что она суть энергия вакуума.

Темная материя «по-черному»

В рамках подобной «космологии отскока» по-другому начинают выглядеть не только дальние дали, но и окрестности нашей собственной Галактики. Если сразу после Большого взрыва почти вся масса прежней Вселенной превратилась в гравиволны, то их энергия должна доминировать в окружающем нас пространстве до сих пор. По расчетам из последней статьи Горькавого, Вселенная примерно на 99% состоит из древних, реликтовых гравитационных волн и на ~1% — из черных дыр, барионов и других частиц. Между тем черные дыры поглощают гравиволны, и при этом энергия таких волн снова превращается обратно в массу ее ЧД-уловителей. Хотя энергичнее всего наращивать массу будет древняя гипермассивная дыра, кроме нее во Вселенной еще от прошлого цикла должен был остаться и набор менее массивных ЧД. Часть из них станет «семенами» для тех черных дыр, что астрономы сегодня называют сверхмассивными и что лежат в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь.

Но будет и много других черных дыр — промежуточных масс, некогда образовавшихся в ходе коллапса звезд, а затем быстро набиравших массу за счет окружающей материи и гравитационных волн. Многие из них окажутся за пределами видимого диска галактик, где скапливался газ, из которого и образуются видимые звезды. Их тяготение будет раскручивать периферийные районы видимых галактических дисков и тем самым играть роль темной материи.

До модели Горькавого предположение о том, что темная материя суть черные дыры на окраинах галактик, уже выдвигалась. Но особой популярностью не пользовалась. Дело в том, что черные дыры должны образовываться из звезд, а вне галактических дисков таких звезд просто не могло быть много — значит, и ЧД там много быть не может. В «космологии отскока» все иначе: черные дыры из прошлых циклов сжатия и расширения Вселенной вполне могут концентрироваться на окраинах галактик, где никогда не было звезд. Ведь такие дыры образовались из звезд не в этом цикле существования Вселенной, а намного раньше.

Плюсы и минусы

Конечно, такая гипотеза по своему размаху куда шире более ранних гипотез о вимпах или темной энергии, поэтому с ее помощью можно объяснить много больше вещей, что, несомненно, плюс.

Возьмем барионную асимметрию Вселенной. Как известно, мы видим вокруг себя много обычного вещества и почти не видим антивещества. Если бы их было поровну, атомы аннигилировали бы с антиатомами и всю Вселенную наполнили бы фотоны без всяких атомов вообще. Очевидно, почему-то обычного вещества с самого начала было куда больше, чем антивещества. Сейчас физика считает это одной из по-прежнему нерешенных проблем.

В рамках модели Горькового ситуация совсем иная. Циклическая Вселенная предполагает большое (или даже очень большое) количество космологических циклов, что значительно упрощает решение проблемы «перевеса» обычного, барионного, вещества над антивеществом. В циклической Вселенной очень много времени: барионы могут потихоньку накапливаться в каждом цикле, а антивещества, исчезающего за счет аннигиляции с обычным веществом, напротив, будет все меньше.

Другой крупный плюс гипотезы — отсутствие нужды в вимпах, которые, честно сказать, никто не видел ни в каком эксперименте, равно как и в темной энергии, которую, благодаря ее низкой гипотетической плотности, никто с самого начала и не надеялся увидеть. Модель Горькавого нуждается только в общей теории относительности, весьма неплохо доказанной на сегодняшний день, да еще в детекторе гравиволн, чтобы зарегистрировать те высокочастотные гравиволны, что в рамках циклической космологии должны составлять основную часть энергии Вселенной. Увы, существующая система детекторов LIGO оптимизирована для улавливания низкочастотных гравиволн и для такого поиска не подходит. Но чем меньше длина и выше частота волны, тем более ее энергия, то есть найти следы прошлого цикла можно будет с помощью более компактных детекторов, чем та же LIGO.

Минусы у гипотезы тоже есть, но во многом они носят не физический, а психологический характер. Модель вимпов, темной материи из неизвестных частиц, равно как и темной энергии неясной природы, слишком сильно укоренилась в сознании многих исследователей, примерно как концепция эфира в XIX веке. К тому же так же, как и с эфиром, считавшимся «неощутимым для вещества», в силу «неощутимости» (недоступности для экспериментального исследования) ТМ и ТЭ настаивать на их существовании можно довольно долго: сложно опровергнуть существование чего-то неосязаемого. Да и слишком много усилий было потрачено на поиски ТМ/ТЭ — психологически будет довольно тяжело признать все это заблуждением по типу того же эфира. К счастью, в конечном счете в физике все довольно просто: если высокочастотные гравиволны, предсказанные моделью Горькавого, будут найдены, похоронить вимпы и темную энергию, следы которых найти так и не удалось, так или иначе, но придется.

 Александр Березин

Полная механическая энергия — урок. Физика, 8 класс.

Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергии.

Полную механическую энергию рассматривают в тех случаях, когда действует закон сохранения энергии и она остаётся постоянной.

Если на движение тела не оказывают влияния внешние силы, например, нет взаимодействия с другими телами, нет силы трения или силы сопротивления движению, тогда полная механическая энергия тела остаётся неизменной во времени.

Eпот+Eкин=const

 

Разумеется, что в повседневной жизни не существует идеальной ситуации, в которой тело полностью сохраняло бы свою энергию, так как любое тело вокруг нас взаимодействует хотя бы с молекулами воздуха и сталкивается с сопротивлением воздуха. Но, если сила сопротивления очень мала и движение рассматривается в относительно коротком промежутке времени, тогда такую ситуацию можно приближённо считать теоретически идеальной.

Закон сохранения полной механической энергии обычно применяют при рассмотрении свободного падения тела, при его вертикальном подбрасывании или в случае колебаний тела.

Пример:

При вертикальном подбрасывании тела его полная механическая энергия не меняется, а кинетическая энергия тела переходит в потенциальную и наоборот.

Преобразование энергии отображено на рисунке и в таблице.

 

 

Точка нахождения тела

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия

Полная механическая энергия 

3) Самая верхняя 

(h = max)

Eпот = m⋅g⋅h (max)

Eкин = 0

 Eполная = m⋅g⋅h

2) Средняя 

(h = средняя)

Eпот = m⋅g⋅h

Eкин = m⋅v22

Eполная=m⋅v22+m⋅g⋅h

1) Самая нижняя 

(h = 0)

Eпот = 0

Eкин = m⋅v22 (max)

Eполная = m⋅v22

 

Исходя из того, что в начале движения величина кинетической энергии тела одинакова с величиной его потенциальной энергии в верхней точке траектории движения, для расчётов могут быть использованы ещё две формулы.

Если известна максимальная высота, на которую поднимается тело, тогда можно определить максимальную скорость движения по формуле:

 

 vmax=2⋅g⋅hmax.

 

Если известна максимальная скорость движения тела, тогда можно определить максимальную высоту, на которую поднимается тело, брошенное вверх, по такой формуле:

 

 hmax=vmax22g.

 

 

Чтобы отобразить преобразование энергии графически, можно использовать имитацию «Энергия в скейт-парке», в которой человек, катающийся на роликовой доске (скейтер) перемещается по рампе. Чтобы изобразить идеальный случай, предполагается, что не происходит потерь энергии в связи с трением. На рисунке показана рампа со скейтером, и далее на графике показана зависимость механической энергии от места положения скейтера на траектории.

 

 

На графике синей пунктирной линией показано изменение потенциальной энергии. В средней точке рампы потенциальная энергия равна \(нулю\). Зелёной пунктирной линией показано изменение кинетической энергии. В верхних точках рампы кинетическая энергия равна \(нулю\). Жёлто-зелёная линия изображает полную механическую энергию — сумму потенциальной и кинетической — в каждый момент движения и в каждой точке траектории. Как видно, она остаётся \(неизменной\) во всё время движения. Частота точек характеризует скорость движения — чем дальше точки расположены друг от друга, тем больше скорость движения.

 

 

На графике видно, что значение потенциальной энергии в начальной точке совпадает со значением кинетической энергии в середине рампы.

В реальной ситуации всегда происходят потери энергии, так как часть энергии выделяется в виде тепла под влиянием сил трения и сопротивления. 

Поэтому для того, чтобы автомобиль двигался с равномерной и неизменной скоростью, необходимо постоянно подводить дополнительную энергию, которая компенсировала бы энергетические потери.

Источники:

E. Šilters, V. Regusts, A. Cābelis. «Fizika 10 klasei», Lielvārds, 2004, 256 lpp.

(Э. Шилтерс, В. Регустс, А. Цабелис. «Физика для 10 класса», Lielvārds, 2004, 256 стр.)

http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕТ МИРОМ – Огонек № 13 (4892) от 03.04.2005

Вселенная большая, горячая, плоская и не одна


ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕТ МИРОМ

Новейшие открытия в физике перевернули наши представления о мироздании. Теперь известно, что миром движет энергия неизвестной природы, вселенных множество, а нашу Вселенную вполне могли сотворить в лаборатории представители сверхцивилизации

В космологии—настоящая революция. Принципиальные изменения в наших представлениях об устройстве мира произошли в последние год-полтора. Главный и уже не подвергающийся сомнению факт состоит в том, что Вселенная на 25 процентов состоит из невидимой Темной материи и еще на 70—из Темной энергии, физические свойства которой и сама ее природа неизвестны. Более того, физики не могут придумать, как ее изучать. Но следствия из этого открытия вывести можно, и следствия эти—самые фантастические.

—Лет пятнадцать назад космология была скорее качественной наукой, чем точной,—говорит главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН Валерий Рубаков.—Но потом начались измерения, а в последние пять лет—просто бум в этой области.

Началось все в начале 90-х годов прошлого века с измерения температуры реликтового излучения.

—Реликтовое излучение было открыто в 1965 году на уровне радиошума,—говорит Владимир Лукаш, заведующий отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.—А сейчас измеряются тонкие детали этого излучения, по которым можно судить и о состоянии Вселенной, и о количестве вещества и энергии в ней.

Реликтовое излучение называют эхом Большого взрыва—самых ранних стадий развития нашей Вселенной. Тогда она из микроскопической стремительно раздулась в привычный нам огромный размер и мгновенно разогрелась до очень больших температур. Остывая, вещество стало светиться, этот свет и есть реликтовое излучение. За 14 миллиардов лет, впрочем, фотоны света, возникшие при Большом взрыве, остыли и превратились в радиоволны с температурой 2,7 Кельвина (всего на 2,7 градуса выше температуры вакуума).

—Это в буквальном смысле фотография Вселенной возраста, когда она была совсем юная,—300 тысяч лет,—говорит Рубаков.—И устройство ее отличалось от современного. Тогда еще не было, разумеется, ни галактик, ни звезд. Но все же Вселенная была не совсем однородная. Фактически в ее веществе ходили звуковые волны. Потом, когда она раздулась, из этих волн образовалось все, что мы видим,—галактики, скопления галактик…

И вот по температуре реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон, удалось измерить величину тех ранних звуковых волн. А потом по этим данным—количество вещества в современной Вселенной. Выяснилась удивительная вещь: обычного вещества, из которого состоят звезды и планеты, не хватает. Его масса составляет всего пять процентов от того, сколько должно быть.

Стали искать недостающие девяносто пять процентов. Оказалось, что они состоят из двух компонентов: Темной материи и Темной энергии. Первой во Вселенной 25 процентов, а второй—70. Темная материя—это пока не открытые частицы. Они тяжелые, очень слабо взаимодействуют с веществом: не имеют электрического заряда, не участвуют в ядерных силах, иначе их бы давно открыли. Они летают вокруг нас и сквозь нас. Но все же слабенько они с веществом взаимодействуют—на уровне нейтрино.

—На нас падает 10 миллиардов штук нейтрино в секунду, и мы этого не замечаем,—говорит Рубаков.—То же самое с тяжелыми частицами Темной материи. Но нейтрино детектируют, значит, есть надежда, что и Темную материю откроют. Думаю, эта проблема будет решена в ближайшие годы.

ЭНЕРГИЯ, ЧЕМ БЫ ОНА НИ БЫЛА

Но откуда стало известно, что Темной материи во Вселенной 25 процентов, если ее не видно? На самом деле ее присутствие можно обнаружить по скорости, с которой вращаются галактики. Если бы в галактиках было только обычное вещество, тогда они вращались бы по-другому. Это, кстати, тоже выяснилось из астрономических наблюдений последних лет. Вычисления показали, что галактики как бы вложены внутрь шаров из невидимого вещества. Причем размеры этих шаров больше, чем размеры видимых частей галактик, а их массы недостаточно, чтобы сошлись вычисления всей энергии Вселенной.

—В последние полтора года появились данные космического эксперимента WMAP, где измеряли реликтовое излучение на разных направлениях,—говорит Лукаш.—Это и расставило все точки. Мы получили информацию о количестве Темной материи. И оказалось, что в сумме с обычной материей это количество составило только треть от всей Вселенной.

В уравнениях Эйнштейна оставалось только одно вакантное место для недостающих 70 процентов Вселенной. Это был так называемый лямбда-член, характеризующий некую энергию, чем бы она ни была. Ее и назвали Темной энергией.

В то же время выяснилась еще более поразительная вещь—Темная энергия действует как антигравитация, то есть заставляет Вселенную расширяться все быстрее. То, что Вселенная расширяется ускоренно, определили по скорости удаления от нас так называемых стандартных свечей—сверхновых звезд. Свет этих звезд был испущен очень давно, миллиарды лет назад. Значит, можно вычислить, с какой скоростью Вселенная расширялась в те времена. А с какой скоростью она расширяется сейчас, тоже известно. Отсюда и обнаружили ускорение, которое вызывает Темная энергия.

—С Темной энергией вообще кабак!—говорит Рубаков.—Это крайне необычная штука. Дело вот в чем. Нормально, если бы расширение Вселенной тормозилось гравитацией. А наблюдения говорят, что в последние несколько миллиардов лет темп расширения увеличивается. Это значит, что оставшиеся 70 процентов энергии должно обеспечивать что-то, что, грубо говоря, антигравитирует. Реально неизвестно, что такое Темная энергия, даже гипотез хороших нет. Некоторые ученые говорят об отрицательном давлении вакуума. В уравнениях теории относительности это может быть. Но есть проблема. Число, которого требуют уравнения, ни в какие ворота не лезет с точки зрения физики частиц. Оно очень маленькое. Порядков на пятьдесят меньше, чем должно быть. С другой стороны, если бы это число соответствовало остальной физике, то пространство растягивалось бы прямо вот здесь, у нас на глазах.

Чтобы избежать противоречий, физики придумали слово для Темной энергии—«квинтэссенция». Означает оно, что это некое новое поле, но на самом деле это пока только еще одни слова. Есть и другие гипотезы, самые экзотические. Например, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить теоретическую модель, непротиворечивую хотя бы внутри себя, не удается. И совершенно не видно способов проверить в лаборатории. Это тоже странная ситуация для физики.

ПЕНА ВРЕМЕНИ

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хоть и не объясняет природу Темной энергии, но само наличие этой энергии предсказала еще двадцать лет назад. Называется она инфляционной. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза стала общепринятой, почему и говорят о перевороте в космологии. Эту гипотезу развивали несколько ученых и у нас, и за границей, но первую работу на эту тему опубликовал в 1979 году Алексей Старобинский, сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау.

—Можно надеяться, что в ближайшие пять—десять лет будет найдено прямое подтверждение инфляционной гипотезы,—говорит Рубаков.—Заключается оно в следующем. Кроме электромагнитных полей есть гравитационное поле. И в нем тоже есть флуктуации. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их тоже можно заметить, наблюдая реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы.

Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии—нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше—мы видим меньше одной сотой ее части.

Немного наивно, но наглядно раздувание пузыря Вселенной можно представить так: если бы мы жили на поверхности воздушного шарика, который надувают, то мы бы стали отъезжать друг от друга. Произошло почти мгновенное растягивание всех масштабов. Неизвестная энергия, вызвавшая раздувание, перешла в тепло. Вселенная разогрелась и началось то, что в старой космологии называлось Большим взрывом.

—В рамках современной космологии нет никакого однократного начала мира,—говорит Алексей Старобинский.—Есть только переход из какой-то пока неизвестной предыдущей стадии. В какой-то момент возникает пузырь, потом он раздувается. Часть этого пузыря—наша Вселенная. Но видно, что и до этого что-то было и после будет. Все это похоже на такую картинку: кипит вода, в ней все время возникают пузыри. Этих пузырей много. Некоторые из них разрастаются. И можно сказать, что это пространственно-временная пена.

После Большого взрыва ускорение Вселенной тормозилось гравитацией, но семь миллиардов лет назад наш мир опять стал расширяться ускоренно. Математически и начало раздувания, и нынешнее состояние описываются практически одинаково. Таким образом, Темная энергия очень естественно ложится в инфляционный сценарий. Другое дело, что мы не можем объяснить, почему она так себя ведет. То есть мы не знаем физическую природу Темной энергии.

—Но это мы не знаем,—говорит Старобинский,—а природа-то знает.

ВСЕЛЕННАЯ МНОЖЕСТВЕННОЕ ЧИСЛО

Вселенная в описании инфляционной гипотезы выглядит совсем иначе, чем в старой космологии (основоположником которой тоже можно считать нашего соотечественника Александра Фридмана). Главное философское следствие—множественность вселенных. Оказывается, что наш «пузырь»—это отнюдь не весь мир, а только маленькая его часть. Можно ли в таком случае выйти за его границы и попасть в «параллельный мир»?

Математически это выглядит так, что между «пузырями» всегда есть инфляционные области. А там пространство расширяется так быстро, что никакой сигнал не может успеть его преодолеть. Практически это и означает, что из одной части Вселенной в другую попасть нельзя. Для этого нужно каким-то образом попасть назад в прошлое, в доинфляционную стадию, и только потом пойти в будущее по новому «пузырю». Это сейчас представляется физикам невозможным.

Из новой космологии также следует, что возможны вселенные с другими свойствами: с большим числом измерений или с другими квантовыми законами. Вы кидаете кубик много раз, и он в конце концов упадет каждой из сторон. В случае со Вселенной никто не знает, сколько сторон у этого кубика.

НЕСКОЛЬКО МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ ВСЕ БУДЕТ СПОКОЙНО

Из всей новой космологии есть очень важное для нашего мира следствие: вариантов будущего Вселенной множество. Можно привести мнение всех трех наших экспертов по этому поводу:

—Все модели связаны с вопросом, стабильна ли Темная энергия,—говорит Владимир Лукаш.—Если стабильна, то все будет разлетаться, другие галактики уйдут за горизонт событий, то есть свет оттуда не прилетит к нам никогда. А наша Галактика будет такой: в центре—черная дыра, а вокруг—мертвые звезды. Но если Темная энергия нестабильна, то возникают и другие варианты.

—За несколько десятков миллиардов лет ничего особенного со Вселенной не случится. Она будет продолжать расширяться,—утверждает Алексей Старобинский.—А что будет потом? Трудно сказать. Мы не понимаем физической природы Темной энергии. Мы не знаем начальных условий уравнений, а что более важно—мы не знаем самих уравнений. Мы ничего не можем сказать о том, устойчива она или нет и как поведет себя со временем.

—Завтра ничего не произойдет,—подытожил Рубаков,—а через 20—30 миллиардов лет у Вселенной могут быть законы, отличные от современных.

Тему номера подготовил
Алексей ТОРГАШЕВ

В материале использованы фотографии: EAST NEWS/MASTERFILE 2 $, масса тоже переменная. Таким образом, это уравнение, которое дает эквивалентность одной переменной другой. Таким образом, как отмечали другие, эта формула представляет собой математическое удобство, она следует законам сохранения, которые налагаются дифференциальными уравнениями, которые описывают все системы в микромире, и должна полностью выполняться. 2 $ или эквивалентно $ m_r = \ gamma \ times m_0 $

, где $ m_0 $ называется массой покоя частицы или системы и является инвариантной величиной относительно четырехмерных преобразований, характеризующей вектор Energy_momentum четыре системы.2 $, где $ E $ — полная энергия системы частиц, а $ p $ — полный импульс.

Когда это одна частица под наблюдением, это масса, которую вы найдете в таблице масс для частиц, и ее можно рассматривать как строительный блок материи в том виде, в каком мы ее знаем, за исключением частиц с пределом $ m_0 = 0 $. Фотон, например, имеет энергию $ E = h \ nu $, но $ m_0 = 0 $

Когда отдельная частица движется, ее релятивистская масса возрастает в соответствии с приведенной выше формулой, таким образом, $ m_r $, подсчитываемый в единицах $ m_0 $, является непрерывной переменной, полученной из переменных наблюдаемой системы.

Теперь, если мы перейдем к сути того, что мы знаем о микромире, мы узнаем, что он состоит из частиц, приведенных в таблице Стандартной модели, которые играют в мяч друг с другом в соответствии с очень конкретными правилами, называемыми диаграммами Фейнмана. Они взаимодействуют друг с другом, бросая калибровочные бозоны и превращаясь в новые проявления частиц с новыми массами $ m_0 $, сохраняющими все необходимые квантовые числа. В вакууме никогда не бывает энергии, плавающей сама по себе. Его всегда несет частица согласно приведенным выше формулам.

Итак, ответ для микромира в двух словах: ни $ m_r $, ни энергия не состоят из чего-либо. Только $ m_0 $ существует , а остальные — математические определения, полезные для вычислений. Поскольку макромир состоит из частиц микрокосма, это верно и для макромира, хотя релятивистские концепции не имеют отношения к повседневным достижимым скоростям.

Из чего состоит энергия? Волны? Частицы? У нас есть новая теория

Материя — это то, что составляет вселенную, но что составляет материю? Этот вопрос долгое время был непростым для тех, кто задумывался над этим, особенно для физиков.Отражая последние тенденции в физике, мой коллега Джеффри Эйшен и я описали обновленный способ размышления о материи. Мы предполагаем, что материя состоит не из частиц или волн, как считалось долгое время, а, что более фундаментально, что материя состоит из фрагментов энергии.

От пяти до одного

Древние греки задумывали пять строительных блоков материи — снизу вверх: землю, воду, воздух, огонь и эфир. Эфир был материей, заполняющей небеса и объясняющей вращение звезд, наблюдаемое с Земли.Это были первые основные элементы, из которых можно было построить мир. Их представления о физических элементах кардинально не менялись почти 2000 лет.

Затем, около 300 лет назад, сэр Исаак Ньютон представил идею о том, что вся материя существует в точках, называемых частицами. Спустя сто пятьдесят лет после этого Джеймс Клерк Максвелл представил электромагнитную волну — лежащую в основе и часто невидимую форму магнетизма, электричества и света. Частица служила строительным блоком для механики, а волна для электромагнетизма — и общественность остановилась на частице и волне как двух строительных блоках материи. Вместе частицы и волны стали строительными блоками всех видов материи.

Это было значительное улучшение по сравнению с пятью элементами древних греков, но все же имело недостатки. В известной серии экспериментов, известных как эксперименты с двумя щелями, свет иногда действует как частица, а иногда как волна. И хотя теории и математика волн и частиц позволяют ученым делать невероятно точные предсказания относительно Вселенной, правила нарушаются в самых больших и малых масштабах.

Эйнштейн предложил лекарство в своей общей теории относительности. Используя математические инструменты, доступные ему в то время, Эйнштейн смог лучше объяснить определенные физические явления, а также разрешить давний парадокс, связанный с инерцией и гравитацией. Но вместо того, чтобы улучшить частицы или волны, он исключил их, предложив искривление пространства и времени.

Используя новые математические инструменты, мы с коллегой продемонстрировали новую теорию, которая может точно описать Вселенную. Вместо того чтобы основывать теорию на искривлении пространства и времени, мы считали, что может существовать более фундаментальный строительный блок, чем частица и волна. Ученые понимают, что частицы и волны — экзистенциальные противоположности: частица — это источник материи, существующий в одной точке, а волны существуют везде, кроме тех точек, которые их создают. Мой коллега и я считали логичным наличие между ними глубинной связи.

Поток и фрагменты энергии

Наша теория начинается с новой фундаментальной идеи — энергия всегда «течет» через области пространства и времени.

Думайте об энергии как о составленной из линий, которые заполняют область пространства и времени, втекают в нее и выходят из нее, никогда не начинаются, никогда не заканчиваются и никогда не пересекаются.

Опираясь на идею вселенной текущих энергетических линий, мы искали единый строительный блок для текущей энергии. Если бы мы могли найти и определить такую ​​вещь, мы надеялись, что сможем использовать ее для точных предсказаний о Вселенной в самых больших и малых масштабах.

Было много строительных блоков, из которых можно было выбрать математически, но мы искали такой, который обладал бы свойствами как частицы, так и волны — концентрировался как частица, но также распространялся в пространстве и времени, как волна.Ответом на этот вопрос был строительный блок, который выглядит как концентрация энергии — вроде звезды — с энергией, которая находится наверху в центре и становится меньше по мере удаления от центра.

К нашему большому удивлению, мы обнаружили, что существует лишь ограниченное количество способов описать концентрацию текущей энергии. Из них мы нашли только один, который работает в соответствии с нашим математическим определением потока. Мы назвали его фрагментом энергии. Для поклонников математики и физики он определяется как A =-/ r , где ⍺ — интенсивность, а r — функция расстояния.

Используя фрагмент энергии как строительный блок материи, мы затем построили математику, необходимую для решения физических задач. Последним шагом было проверить это.

Назад к Эйнштейну, добавляя универсальности

Более 100 лет назад Эйнштейн обратился к двум легендарным физическим проблемам, чтобы подтвердить общую теорию относительности: очень незначительное ежегодное смещение — или прецессия — орбиты Меркурия и крошечный изгиб света, когда он проходит мимо Солнца.

Эти проблемы были на двух крайностях спектра размеров.Ни волновая, ни корпускулярная теории материи не могли их решить, но общая теория относительности решила. Общая теория относительности искривила пространство и время таким образом, что траектория Меркурия сместилась, а свет изогнулся именно на те величины, которые наблюдаются в астрономических наблюдениях.

Если бы наша новая теория имела шанс заменить частицу и волну предположительно более фундаментальным фрагментом, мы также смогли бы решить эти проблемы с помощью нашей теории.

Для задачи о прецессии Меркурия мы смоделировали Солнце как огромный стационарный фрагмент энергии, а Меркурий — как меньший, но все же огромный, медленно движущийся фрагмент энергии. Для задачи искривления света Солнце моделировалось таким же образом, но фотон моделировался как крошечный фрагмент энергии, движущийся со скоростью света. В обеих задачах мы рассчитали траектории движущихся фрагментов и получили те же ответы, что и предсказания общей теории относительности. Мы были ошеломлены.

Наша первоначальная работа продемонстрировала, как новый строительный блок может точно моделировать тела от огромных до мельчайших. Там, где частицы и волны разрушаются, фрагмент строительного блока энергии остается прочным.Фрагмент может быть единственным потенциально универсальным строительным блоком, из которого можно будет математически моделировать реальность — и обновить то, как люди думают о строительных блоках Вселенной.

Ларри М. Сильверберг, профессор машиностроения и аэрокосмической техники, Государственный университет Северной Каролины

Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинальную статью.

Изображение: Reuters.

Есть ли такая вещь, как чистая энергия?

Событие с бозоном Хиггса в детекторе компактного мюонного соленоида на Большом адронном коллайдере.Это … [+] одно столкновение с высокой энергией иллюстрирует силу преобразования энергии, которая всегда существует в форме частиц.

CERN / CMS Сотрудничество

Энергия играет огромную роль не только в нашей богатой технологиями повседневной жизни, но также и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию, которая приводит в движение наши транспортные средства, в то время как электрическая энергия наших энергетических планет преобразуется в свет, тепло и другие формы энергии в наших домах.Но эта энергия всегда, кажется, существует как просто одно свойство независимо существующей системы. Так должно быть всегда? Алексей из Москвы пишет с вопросом о самой энергии:

«Существует ли чистая энергия [существует] незадолго до превращения в частицу или фотон? Или это просто полезная математическая абстракция, эквивалент, который мы используем в физике?»

На фундаментальном уровне энергия может принимать разные формы.

Известные частицы в Стандартной модели.Это все фундаментальные частицы, которые были … [+] непосредственно открыты; за исключением нескольких бозонов, все частицы имеют массу.

Э. Сигель

Самая простая и известная форма энергии выражается в массе. Обычно вы не думаете в терминах Эйнштейна E = mc 2 , но каждый физический объект, который когда-либо существовал во Вселенной, состоит из массивных частиц, и, просто обладая массой, эти частицы обладают энергией.Если эти частицы движутся, у них также есть дополнительная форма энергии: кинетическая энергия или энергия движения.

Электронные переходы в атоме водорода, наряду с длинами волн образующихся фотонов, … [+] демонстрируют эффект энергии связи.

Пользователи Wikimedia Commons Szdori и OrangeDog

Наконец, эти частицы могут связываться друг с другом различными способами, образуя более сложные структуры, такие как ядра, атомы, молекулы, клетки, организмы, планеты и многое другое. Эта форма энергии известна как энергия связи, и на самом деле она равна отрицательному значению . Это уменьшает массу покоя всей системы, поэтому ядерный синтез, происходящий в ядрах звезд, может излучать так много света и тепла: путем преобразования массы в энергию посредством того же самого E = mc 2 . За 4,5 миллиарда лет истории Солнца оно потеряло примерно массу Сатурна из-за простого превращения водорода в гелий.

Солнце, показанное здесь, генерирует свою энергию, превращая водород в гелий в своем ядре, теряя небольшую часть… [+] количество массы в процессе. За время своей жизни он потерял примерно массу Сатурна в результате этого процесса.

НАСА / Обсерватория солнечной динамики (SDO)

Само Солнце дает еще один пример энергии: свет и тепло, которые приходят в форме фотонов, которые отличаются от форм энергии, которые мы рассматривали до сих пор. Существуют также безмассовые частицы — частицы без энергии покоя — и эти частицы, такие как фотоны, глюоны и (гипотетически) гравитоны, движутся со скоростью света.Однако они несут энергию в виде кинетической энергии и, в случае глюонов, несут ответственность за энергию связи внутри атомных ядер и самих протонов.

Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействия кварков внутри … [+] ядра, была удостоена Нобелевской премии Вильчека, Политцера и Гросса.

Пользователь Wikimedia Commons Qashqaiilove

Основной вопрос здесь заключается в том, может ли сама энергия существовать независимо от любой из этих частиц.Была заманчивая возможность, что это могло иметь место в форме гравитации: в течение многих десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звезд: двух коллапсирующих звездных остатков, вращающихся вокруг друг друга. Благодаря измерениям времени пульсара, когда одна из звезд посылает в нашу сторону очень регулярные импульсы, мы смогли обнаружить, что эти орбиты затухают и переходят друг в друга. По мере того, как их энергия связи возрастает, должна быть какая-то излучаемая энергия. Мы могли обнаружить эффекты распада, но не саму излучаемую энергию.

Поскольку две нейтронные звезды вращаются друг вокруг друга, общая теория относительности Эйнштейна предсказывает орбитальный … [+] распад и испускание гравитационного излучения.

НАСА (слева), Институт радиоастрономии Макса Планка / Майкл Крамер

Единственный способ объяснить это было бы, если бы существовал какой-то тип гравитационного излучения: нам потребовались бы гравитационные волны, чтобы быть реальными. Первое обнаруженное слияние черных дыр от LIGO, произошедшее 14 сентября 2015 года, должно было проверить это.В этот день мы обнаружили две черные дыры, спирально переходящие друг в друга, и прямые гравитационные волны, исходящие от этого слияния. Первоначальные черные дыры имели массу 36 и 29 солнечных; окончательная масса после слияния составила 62 массы Солнца.

Важная статистика слияния черных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание на то, что есть три солнечные … [+] массы, которые теряются в результате слияния, но эта энергия сохраняется в форме гравитационного излучения.

Б. П.Abbott et al. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Virgo)

Те, у кого не хватает трех солнечных масс? Они излучались в форме гравитационных волн, и в конце концов, величина обнаруженных нами волн была ровно той, которая необходима для их сохранения. Значение Эйнштейна E = mc 2 и энергия, переносимая как часть какого-либо типа частиц или физического явления, снова подтвердились.

B. P. Abbott et al. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Virgo)

Энергия бывает разных форм, и некоторые из них являются фундаментальными. Энергия массы покоя частицы не меняется со временем и фактически не меняется от частицы к частице. Это тип энергии, присущий всему во Вселенной. Но все другие существующие формы энергии относительны. Атом в возбужденном состоянии имеет больше энергии, чем атом в основном состоянии, и это из-за разницы в энергии связи.А если вы хотите осуществить этот переход в состояние с более низкой энергией? Вы должны испустить фотон, чтобы попасть туда; вы не можете осуществить этот переход без сохранения энергии, и эта энергия должна переноситься частицей — даже безмассовой — для того, чтобы это произошло.

На этой иллюстрации один фотон (фиолетовый) несет в миллион раз больше энергии, чем другой (желтый) …. [+] Данные Ферми о двух фотонах от гамма-всплеска не показывают какой-либо задержки прохождения, показывая скорость движения постоянство света по энергии.

НАСА / Государственный университет Сономы / Аврора Симоннет

Возможно, странность заключается в том, что энергия фотона или любая форма кинетической энергии (то есть энергия движения) в том, что ее значение не является фундаментальным, а скорее зависит от движения наблюдателя. Если вы двигаетесь к фотону, вы обнаружите, что его энергия кажется больше (поскольку его длина волны смещена в синюю сторону), а если вы отойдете от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться смещенным в красную сторону. Энергия относительна, но что интересно для любого наблюдателя, она всегда сохраняется.Независимо от того, каковы взаимодействия, энергия никогда не рассматривается как существующая сама по себе, а только как часть системы частиц, массивных или безмассовых.

Энергия может быть преобразована из одной формы в другую, даже из энергии массы покоя в чисто кинетическую … [+] энергию, но она всегда существует в форме частиц.

Андрей Денищиц, 2017

Однако есть одна форма энергии, для которой частица может вообще не требоваться: темная энергия .Форма энергии, которая вызывает ускорение расширения Вселенной, вполне может быть энергией, присущей ткани самой Вселенной! Эта интерпретация темной энергии непротиворечива и соответствует наблюдениям далеких, удаляющихся галактик и квазаров, которые мы точно видим. Единственная проблема? Эта форма энергии, насколько мы можем судить, не может быть использована для создания или уничтожения частиц, а также не может быть преобразована в другие формы энергии и обратно. Кажется, что это отдельная сущность, отключенная от взаимодействия с другими формами энергии, присутствующими во Вселенной.

Без темной энергии Вселенная не ускорялась бы. Но нет никакого способа получить доступ к этой энергии … [+] через любые другие частицы во Вселенной.

НАСА и ЕКА, возможных моделей расширяющейся Вселенной

Итак, полный ответ на вопрос, существует ли чистая энергия:

  • Для всех существующих частиц, массивных и безмассовых, энергия является лишь одним из их свойств и не может существовать независимо.
  • Для всех ситуаций, когда кажется, что энергия теряется в системе, например, из-за гравитационного распада, существует какая-то форма излучения, уносящего эту энергию, оставляя ее сохраненной.
  • И эта темная энергия может быть самой чистой формой энергии, существующей независимо от частиц, но что касается любого другого эффекта, кроме расширения Вселенной, эта энергия недоступна для всего остального во Вселенной.

Насколько мы можем судить, энергия — это не то, что мы можем выделить в лаборатории, а лишь одно из многих свойств, которыми обладают материя, антивещество и излучение.Создание энергии, независимой от частиц? Это может быть то, что делает сама Вселенная, но пока мы не научимся создавать (или разрушать) само пространство-время, мы не сможем сделать это так.


Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на адрес startwithabang на gmail dot com!

Все энергия, все едино, все возможно | Connect · Все — энергия, все едино, все возможно

Все — энергия, и все связано со всем остальным.Вода в океане и облака в небе. Деревья и животные. Ты, я и мир вокруг нас. Все происходит из одного источника и возвращается к нему. Все едино. Мысли и чувства также являются энергией, поэтому все, что мы думаем и чувствуем, влияет на все и каждого на этой планете. Таким образом мы создаем нашу собственную реальность, потому что разум правит материей.


Все — энергия


Все ли энергия? Все едино? Если я сейчас посмотрю вокруг, то вижу ноутбук и стол, на котором я пишу эту книгу, окно, а за этим окном сад с цветами, кустами и деревьями.Это все индивидуальные формы и вещи. Да, все едино, потому что все состоит из одной и той же материи, но в этой «твердой» истине я вижу бессвязное количество явлений, а не единое целое. В школе я узнал, что материя состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов. Атомы состоят из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Все — части, фракции и частицы, но на первый взгляд нет целого, нет единства. Тем не менее внешность обманчива. Твердая реальность оказывается менее твердой, чем кажется.Наука доказала, что материя на 99,999999999999 процентов пустого пространства. Это двенадцать девяток после десятичной точки! Если вы увеличите ядро ​​атома до размера булавочной головки, первый электрон окажется на расстоянии 160 футов. Между ними есть только пустое место. Это означает, что книга, которую вы сейчас читаете, стул, на котором вы сидите, дом, в котором вы живете, земля, на которой вы живете, эта так называемая твердая реальность состоит по большей части из пустого пространства. Если так много пустого места, что останется твердым веществом? Быстрый расчет показывает нам, что твердая часть атома всего 0.000000000001 процент от массы всего атома. Невозможно представить, чтобы твердые объекты состояли из такого небольшого количества твердого вещества. И на самом деле даже это «твердое» вещество не является твердым.


Конец твердых частей


В течение долгого времени после открытия молекул и атомов в семнадцатом веке ученые предполагали, что молекулы и атомы состоят из твердых частиц. Но согласно квантовой физике, разработанной в начале двадцатого века, «частиц» как таковых не существует: энергия является основой материальной реальности.Каждый тип частицы рассматривается как квантовая вибрация в поле: электроны — это колебания в электронных полях, протоны вибрируют в протонном поле и так далее. Все есть энергия, и все связано со всем остальным через поля. На самом элементарном уровне материя не проявляется как изолированные маленькие частицы; вся материя, по сути, едина и неделима, связанная, динамичная ткань вибрирующих полей энергии. Для получения дополнительной информации по этой теме см. «Поле» Линн МакТаггарт и «Разоблаченный слон целиком» Марджи де Врис.Мало того, что атом и твердое вещество состоят в основном из пустого пространства, то же самое и в космическом пространстве. Во Вселенной столько же звезд, сколько песчинок на земных пляжах вместе взятых. Это почти бесконечно большие числа, но между ними 99,999999999999 процентов пространства пусто. Немного бесполезно, все это неиспользуемое пространство. Не хватало ли Богу воображения, когда он создавал Вселенную, или происходит что-то еще? Исследователи квантовой теории обнаружили ответ: не только частицы состоят из энергии, но и пространство между ними.Это так называемая энергия нулевой точки. Следовательно, это правда: все состоит из энергии.


Энергия нулевой точки


Последние научные открытия все больше указывают на фундаментальную первичную энергию, которая действует во всей Вселенной и связывает все со всем остальным. Это море энергии, пронизывающее все, было впервые измерено доктором Гарольдом Путхоффом. Эксперимент проводился при 0 градусах Кельвина, который называется абсолютным нулем и равен −273 градусам Цельсия.Если вы нагреете что-то, добавив энергии, молекулы будут двигаться все быстрее и быстрее. Например, при нагревании вода начинает пузыриться и испаряться. Когда вы охлаждаете воду, происходит обратное: молекулы движутся все медленнее, а вода замерзает и затвердевает. Согласно старой научной модели, никакая молекула, атом или другая элементарная частица не движется при абсолютном нуле, поэтому при этой температуре невозможно вообще измерить какую-либо энергию. Вместо отсутствия энергии, как и ожидалось, Путхофф нашел то, что он назвал «кипящим« ведьмовским котлом »» энергии.


Немецкий физик Макс Планк в 1911 году первым доказал, что пустое пространство между планетами и атомами действительно переполнено энергией, которую он назвал нулевой энергией. Физик Джон Уиллер из Техасского университета позже подсчитал, что энергия нулевой точки одного кубического сантиметра пустого пространства равна 10¹⁰⁸ джоулей. Это больше, чем энергия во всем веществе Вселенной. Расчеты других исследователей предполагают меньшую цифру. По словам известного американского физика Ричарда Фейнмана, плотность энергии вакуума составляет «всего» 10⁹⁵ джоулей на кубический сантиметр.Это все еще означает, что в стакане, полном пустого пространства, достаточно энергии, чтобы вызвать кипение Атлантического океана. В своей книге «Поле» Линн МакТаггарт дает обзор научных открытий, которые доказывают, что энергетическое поле, содержащее все и соединяющее все со всем остальным, действительно существует. Сознание и материя, человек и окружающая его реальность — по ее словам, все они основаны на одной и той же первичной энергии. Все есть энергия, и, по ее словам, нулевое энергетическое поле — это альфа и омега, начало и конец нашего существования.


Энергия тысячи имен


Если так называемые твердые частицы атома занимают 0,000000000001 процента его объема, а оставшееся пространство заполнено нулевой энергией, мы могли бы сказать, что материя полностью пронизана энергией. И сразу видно, что это старые новости. Наука недавно «открыла» то, что древние культуры знали все это время — энергия проникает в материю. Все исходит из этой энергии и возвращается к ней.Это источник всей жизни. Каждая культура дала ему свое имя. Поэтому она называется «энергия с тысячей имен». О чем мы говорим? Жизненная энергия! Энергия жизни была известна во всем мире с древних времен, и почти в каждой культуре есть название для этой энергии. Китайцы называют это ци, что похоже на греческое пневма, латинское spiritus vitalis, прана йоги, мана каунов на Гавайях, свет христиан, ка древних египтян и ки в рейки.В нашей культуре вы встретите жизненную энергию как флюид месмеристов, эфир антропософии, од Райхенбаха и оргон Вильгельма Райха. Во всех случаях говорят об универсальной тонкой энергии, которая включает в себя все и проникает во все. Эта энергия является носителем жизненных процессов и связывает все со всем остальным. Из него образуется материя. Жизненная энергия обычно упоминается вместе с жизненной силой. Обладает лечебными, магнитными свойствами.


Энергия нулевой точки и жизненная энергия


Действительно ли энергия нулевой точки и жизненная энергия — это одно и то же? В своей книге Tachyonen, Orgonenergie, Skalarwellen (Тахион, оргонная энергия, скалярные пути) Марко Бишоф дает хорошо задокументированный исторический обзор развития различных концепций жизненной энергии, начиная с китайской ци 3000 г. до н.э. и заканчивая с современной квантовой механикой и нулевой энергией.Бишоф описывает, как каждая культура, в зависимости от своего времени и места на земле, имела разные взгляды на жизненную энергию. Из-за этого некоторые аспекты универсальной жизненной энергии были более или менее подчеркнуты, и поэтому он предостерегает нас не объединять ци, ки, ка, прану, ману и т. Д. Вместе, потому что все они основаны на разных концепции. Однако, по мнению Бишофа, существует общий источник, из которого исходит вся жизненная энергия. Бишоф обнаруживает, что жизненная энергия — это действительно другая, более тонкая энергия, чем известные нам формы энергии.Мы можем измерять, например, химическую энергию бензина, энергию ветра или электромагнитное излучение с помощью устройств. Но он заключает, что жизненная энергия — это тонкая форма энергии, которая может быть воспринята только интуитивно; его нельзя измерить с помощью механических устройств. Бишоф описывает множество примеров успешного использования жизненной энергии, что улучшает здоровье людей и животных и урожайность сельскохозяйственных культур. Его совет науке — серьезно относиться к существованию жизненной энергии, поскольку последние открытия западной науки также указывают на фундаментальную первичную энергию, которая работает во всей Вселенной, соединяя все со всем остальным.Согласно Бишофу, нулевое энергетическое поле является основным источником универсальной жизненной энергии, которая описывалась, упоминалась и использовалась каждой культурой по-своему.


Морфические поля


Итак, мы живем в бурлящем море нулевой энергии, в котором все и все качается вверх и вниз. Мир наполнен разнообразной жизнью, которая проявляется в самых разных формах. Существует огромное разнообразие, что делает жизнь интересной, насыщенной, удивительной и интересной.Но откуда берутся эти типы жизни? Что их «образует»? На этот вопрос нет простого ответа, и наука все еще борется с загадкой того, как, например, крошечное семечко вырастает в огромное дерево. Как листья, ветви, цветы и плоды приобретают характерную форму? Наше тело формирует пятьдесят миллиардов новых клеток каждый день, или около пятисот тысяч клеток в секунду. Как клетка узнает, что находится в верхней части нашего тела и что она должна образовывать там волосы? Как клетка узнает, что это часть ногтя на ноге? Кто или что это контролирует? Подобные вопросы связаны с тем, что биологи называют морфогенезом, происхождением формы (греч. Morphe = форма; генезис = происхождение).Это одна из величайших нерешенных загадок биологических наук. Многие годы ученые думали, что это генетически запрограммировано, но теперь оказалось, что это далеко не вся правда. Гены определяют последовательность аминокислот, строительных блоков белковых молекул. Другие гены определяют момент образования особых белков. Таким образом, нужный белок возникает в нужный момент в процессе развития организма. Но остается загадкой, как характерная форма тела возникает из этих строительных материалов.Ваши руки и ноги химически идентичны, но имеют разную форму. В то время как гены обеспечивают строительные блоки для материала тела, план формы или конструкции организма отсутствует. Где план? Где дизайн? С 1920-х годов некоторые биологи придерживались позиции, согласно которой эта информация хранится в «морфогенетическом» поле, которое представляет собой самоорганизующееся поле, содержащее чертежи, которые организуют материю, сравнимо с тем, как поле вокруг магнита организует железные нити.Английский биолог и ученый Руперт Шелдрейк распространил эту идею на области за пределами биологии. Шелдрейк считает, что не только организмы, но и все организации и экосистемы имеют организующее поле. Он называет все эти поля «морфическими полями». Он описал свою теорию в большом количестве книг и публикаций, подкрепив свои идеи результатами научных исследований. Шелдрейк говорит, что существует множество различных видов морфических полей.

У растений и животных поля, ответственные за развитие тела, называются морфогенетическими полями.Формы поведения сгруппированы по сферам поведения. Социальное поле организует и координирует поведение людей в социальной группе. Примером этого является то, как стаи рыб или стаи птиц внезапно меняют направление, как группа. По словам Шелдрейка, морфические поля содержат информацию: сценарии с пошаговыми планами, сравнимые с планом дома, а также инструкции, в которых говорится, с чего начать. Таким образом, сначала начните с фундамента, затем постройте стены и так далее.Прекрасным примером является то, как построены арочные холмы для термитов. Две группы термитов начинают строить в разных местах. В конце концов они встречаются в одном и том же месте, высоко в воздухе. Нет термитов, которые бегают с холма на холм, направляют и координируют свои действия. Обе группы строятся независимо и следуют плану, предписанному морфическим полем. Морфические поля не только содержат старую информацию, но также могут принимать новую информацию. Хорошо известный пример — «феномен сотой обезьяны».Обезьяна макака обитает на японском острове Косима. В 1952 году ученые кормили этих обезьян сладким картофелем, который бросали в песок. Макаки не ели это лакомство из-за грязи. Молодая обезьяна нашла раствор и вымыла картофель в ближайшем ручье, прежде чем отдать его своей матери. После того, как его мать тоже научилась трюку, все больше и больше обезьян стали чистить картофель в ручье. В период с 1952 по 1958 год группа из примерно ста обезьян начала использовать технику мытья.Можно попытаться объяснить это с точки зрения имитации поведения; однако после того, как сотая обезьяна научилась мыть картошку, внезапно все племя на острове начало делать то же самое. Еще более удивительным стало то, что колонии макак на других островах и на материке внезапно начали мыть сладкий картофель. По какой-то неизвестной причине уловка перешла к другим обезьянам в отдаленных местах. Хотя точного подсчета не было, это явление стало известно как феномен «сотой» обезьяны.У каждого вида животных, каждой системы и каждой организации есть морфическое поле и, следовательно, то, что мы могли бы назвать коллективной памятью. Вы можете сравнить это с большой книгой, в которой написано все, в том числе о том, что переживает и встречается вид животных, группа людей или компания. У людей эта коллективная память тесно связана с тем, что психолог К.Г. Юнг назвал коллективным подсознанием. В эзотерике термин «записи акаши» используется для обозначения мировой памяти, содержащей все события с начала времен.В компании все, что когда-либо происходило с организацией, хранится в морфическом поле компании. Эта область является средоточием корпоративной культуры, способом делать вещи, которые важнее, чем все рабочие или служащие, и который влияет на них, обычно без их ведома.


Разница между энергией и информацией


Морфические поля содержат информацию, и их можно сравнить со сценарием, который система может использовать для самоорганизации.Поле как бы информирует материю: ИНФОРМАЦИЯ переходит в ФОРМУ и становится материей. Это похоже на воплощение, где дух проявляется в человеческом обличье. Информация делает то же самое — она ​​становится формой. Однако для того, чтобы прочитать книгу, усвоить информацию, а затем действовать в соответствии с ней, вам нужна энергия. Шелдрейк ничего об этом не говорит. В его формирующем поле мы находим только информацию, но не энергию. И что интересно, Линн МакТаггарт в своей книге «Поле» пишет только об энергии нулевой точки и не упоминает информацию.Тем не менее, Шелдрейк и МакТаггарт часто используют одни и те же примеры в поддержку своих теорий.


Многие авторы относятся к энергии и информации как к одному и тому же, и это вызывает большую путаницу. Как мы увидим позже в этой книге, практическое применение возрастет, если мы будем различать эти концепции. Энергия и информация — это разные свойства. Радиоведущий передает нам информацию. Если мы не слышим его или ее из-за слишком низкой громкости, мы включаем радио.В этот момент мы добавляем энергии, но это не меняет новости, саму информацию. Вам нужна энергия для передачи информации от говорящего к аудитории, но информация остается той же самой, независимо от количества энергии; он только звучит громче или тише. Никто бы не подумал, что вы рассказываете другую историю, если бы просто заговорили громче. Энергия не просто заботится о передаче информации, она также заставляет информацию обретать форму, заставляет что-то происходить с ней. Вы можете купить отличную книгу, которая поможет вам выйти из депрессии, но если у вас нет времени или энергии для ее чтения, вы не сможете усвоить информацию.А после этого вам понадобится время и энергия, чтобы действовать в соответствии с прочитанным.


Формирующая сила


Я хочу вернуться к строкам, о которых я упоминал ранее:


Жизненная энергия плюс информация создают формирующую силу. Формирующая сила плюс материя порождают форму жизни.


С помощью знания нулевой энергии, которая совпадает с жизненной энергией, о которой мы знали много веков, и теории морфических полей, несколько кусочков головоломки встают на свои места.Можно сказать, что все связано со всем остальным бесконечным океаном нулевой энергии, покрытым морфическими полями информации, действующими как своего рода матрица. Из связи между этой жизненной энергией и информацией возникает формирующая сила. Если эта формирующая сила соединяется с материей, возникает форма жизни. Это звучит легко, но существование такой творческой формирующей силы полностью противоречит современным научным знаниям. Термодинамика, раздел естествознания, учит нас, что каждая система стремится к энтропии — к потере порядка и структуры.Каждый организм и каждая система рано или поздно имеет свойство распадаться. Не очень-то приятно ожидать, но, к счастью, вы увидите обратное, если посмотрите вокруг. В природе каждая экосистема развивается в сторону большей сложности и большей степени биоразнообразия, увеличивая количество видов растений и животных. То же верно и в отношении обществ и высокоразвитых культур.


Значение сознания


Эта идея формирующей силы очаровала меня, поэтому я решил узнать, известно ли о ней больше.В то же время я понял, что книга или сценарий, как и информация в морфическом поле, ничего не делают сами по себе; это пассивно. Информация начинает работать, только если кто-то решает прочитать книгу и действовать в соответствии с ней. Чтение книги осуществляется вашим сознанием, иначе вы не сможете воспринять информацию. Степень осознанности также связана со сложностью книги. Например, вы не просите ребенка прочитать о теории относительности Эйнштейна. С другой стороны, каждый взрослый может понять инструкции — сценарий — по сборке шкафа ИКЕА.Наше сознание также позволяет нам выбирать, где поставить шкаф и что в него поставить. Следовательно, за развитие жизни отвечают не два, а три «элемента»: жизненная энергия, информация и сознание. Жизненная энергия имеет свойство принимать форму. Информация имеет способность информировать и создавать форму. Оба нуждаются друг в друге, но ни один из них не формирует связь по собственному желанию.


Сознание объединяет их вместе, и в тот момент, когда это происходит, возникает формирующая сила.Разрешите пояснить дальше … Сознание первично. Энергия и информация вторичны. Формирующая сила исходит из жизненной энергии и информации, но только когда сознание соединяется с ними. Поэтому лучше говорить о «сознательной» формирующей силе. Поэтому мы можем сказать, что когда сознательная формирующая сила соединяется с материей, образуется форма жизни с сознанием.


Достигнув этого понимания, я обратил свои мысли к двум другим строкам:


Осознание ведет к более высокому сознанию.Путь — это цель.


Сознание является инициатором формирующей силы, которая соединяется с материей и проявляет себя как сознательная форма жизни. Это сознание приобретает опыт в течение своей жизни в материальной форме. В человеческой жизни познание внешнего мира и интерпретация этого опыта — это процесс осознания. Если вы сделаете это хорошо, вы чему-то научитесь. Процесс переживания или обучения, другими словами обретения сознания, в конце концов приводит к более высокому состоянию сознания.


Если путь — это цель, это означает, что цель в жизни — это развитие все более высоких уровней сознания. Это означало бы, что не только все состоит из энергии и информации, но также что все имеет сознание и что развитие этого сознания на более высокий уровень является целью Вселенной.


Бесконечное количество возможностей


Поле нулевой энергии — не единственное открытие, пришедшее из квантовой механики.Когда в начале двадцатого века пионеры квантовой физики дошли до сути того, что такое материя, они были ошеломлены увиденным. Они обнаружили, что самые элементарные строительные блоки материи иногда ведут себя как частицы, иногда как волны, а иногда и то и другое одновременно. Они могли появляться во всех видах условий одновременно, пока мы не наблюдали или не измеряли их, и в этот момент они превращались в нечто конкретное.
Оказалось, что исследователь повлиял на результат того, что он измерял.Если он предполагал, что свет состоит из частиц, он воспринимал частицы. Если бы его отправной точкой были световые волны, он бы нашел световые волны. Дуализм волна / частица — одна из самых необычных вещей в квантовой механике. Согласно квантовой механике, существование волны или частицы зависит от вашей точки зрения. Поэтому на самом элементарном уровне нет ничего определенного.


Есть только бесконечное количество возможностей. Намерение наблюдателя «замораживает» что-то в частицу или волну.


Исследователи пришли к удивительному выводу, что сознание создает реальность. Затем Эйнштейн задумался, существует ли еще Луна, если мы не смотрим на нее. Снова и снова эксперименты доказывали, что наше сознание создает мир. Все состоит из бурного моря нулевой энергии и информации. Это все движение и динамика, но в тот момент, когда мы смотрим, оно «замирает» и формируется форма. Как будто фильм внезапно останавливается, и вы можете видеть только застывшее изображение.


Из квантовой механики кажется, что именно мы делаем мир статичным, неподвижным и твердым. «Твердая» правда — это то, что она есть благодаря нашему твердому убеждению. Мы твердо убеждены в том, что стул, на котором мы сидим, состоит из твердого материала и что мы можем безопасно сидеть на нем, не проваливаясь. По сути, реальность полностью отличается от того, что мы видим или, точнее, того, что мы видим как реальное. Мы живем в море возможностей, но мы твердо уверены в своей реальности.


Совпадение


Квантовая механика — одна из наиболее изученных научных теорий. Новые эксперименты каждый раз подтверждают ее правильность, и до сих пор не было экспериментов, подтверждающих обратное. Последствия этого огромны. Если творение создается нашими убеждениями, ожиданиями и намерениями, это означает, что мы несем огромную ответственность не только за то, что мы делаем, но и еще больше за то, что мы думаем.


Каждая мысль влияет на нас и на наше окружение.Отрицательная мысль имеет отрицательный эффект, а положительная — положительный. Это означает, что мы должны проявлять осторожность, потому что именно так мы создаем нашу реальность и будущее. Это то, что мы называем судьбой. То, что происходит с вами и что происходит в вашей жизни, случайно, но это может быть удача или неудача. Если ваше намерение влияет на реальность, можно ли создать позитивное будущее, думая о позитивных мыслях?

Формы энергии — U.S. Управление энергетической информации (EIA)

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это запасенная энергия и энергия положения.


Химическая энергия — это энергия, хранящаяся в связях атомов и молекул. Батареи, биомасса, нефть, природный газ и уголь являются примерами химической энергии. Химическая энергия преобразуется в тепловую, когда люди сжигают дрова в камине или сжигают бензин в двигателе автомобиля.

Механическая энергия — это энергия, запасенная в объектах за счет напряжения.Сжатые пружины и растянутые резиновые ленты являются примерами хранимой механической энергии.

Ядерная энергия — это энергия, запасенная в ядре атома, то есть энергия, которая удерживает ядро ​​вместе. Когда ядра объединяются или расщепляются, может выделяться большое количество энергии.

Гравитационная энергия — это энергия, запасенная в высоте объекта. Чем выше и тяжелее объект, тем больше гравитационной энергии сохраняется. Когда человек едет на велосипеде с крутого холма и набирает скорость, гравитационная энергия превращается в энергию движения.Гидроэнергетика — еще один пример гравитационной энергии, когда гравитация заставляет воду спускаться через гидроэлектрическую турбину для производства электроэнергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия — это движение волн, электронов, атомов, молекул, веществ и объектов.


Энергия излучения — это электромагнитная энергия, которая распространяется поперечными волнами. Лучистая энергия включает видимый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и радиоволны.Свет — это один из видов лучистой энергии. Солнечный свет — это лучистая энергия, которая обеспечивает топливо и тепло, делающие возможной жизнь на Земле.

Тепловая энергия , или тепло, — это энергия, возникающая при движении атомов и молекул в веществе. Тепло увеличивается, когда эти частицы движутся быстрее. Геотермальная энергия — это тепловая энергия земли.

Энергия движения — это энергия, запасенная при движении объектов. Чем быстрее они движутся, тем больше энергии сохраняется.Чтобы заставить объект двигаться, требуется энергия, и энергия высвобождается, когда объект замедляется. Ветер — пример энергии движения. Ярким примером энергии движения является автокатастрофа — автомобиль полностью останавливается и высвобождает всю свою энергию движения сразу в неконтролируемый момент.

Звук — это движение энергии через вещества в продольных (сжатие / разрежение) волнах. Звук возникает, когда сила заставляет объект или вещество вибрировать. Энергия передается через вещество волнообразно.Обычно энергия звука меньше, чем в других формах энергии.

Электрическая энергия доставляется крошечными заряженными частицами, называемыми электронами, обычно движущимися по проводу. Молния — это пример электрической энергии в природе.

Факты, рабочие листы и информация о материи и энергии для детей

Не готовы приобрести подписку? Нажмите, чтобы загрузить бесплатный образец. Загрузить образец

Загрузить этот образец

Этот образец предназначен исключительно для участников KidsKonnect!
Чтобы загрузить этот рабочий лист, нажмите кнопку ниже, чтобы зарегистрироваться бесплатно (это займет всего минуту), и вы вернетесь на эту страницу, чтобы начать загрузку!

Зарегистрируйтесь

Уже зарегистрировались? Авторизуйтесь, чтобы скачать.

Материя — это субстанция, из которой состоит весь материал. Это означает объекты, имеющие массу. Энергия используется в науке для описания того, насколько физическая система может измениться. В физике энергия — это свойство материи. Его можно передавать между объектами и преобразовывать в форму. Его нельзя создать или уничтожить.

См. Файл фактов ниже для получения дополнительной информации о материи и энергии или, альтернативно, вы можете загрузить наш полный пакет рабочих таблиц для использования в классе или дома

  • Все во Вселенной состоит из материи и энергии.
  • Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство.
  • Материя описывает физические вещи вокруг нас: землю, воздух, которым вы дышите, ваш карандаш. Материя состоит из частиц, называемых атомами и молекулами. Атомы — это частицы элементов — веществ, которые не могут быть расщеплены дальше.
  • В настоящее время известно 109 элементов, но очевидно, что во Вселенной более 109 различных веществ. Это потому, что атомы элементов могут объединяться друг с другом, образуя соединения.
  • Существует 4 основных состояния материи: твердое, жидкое, газовое и плазменное.
  • Энергия — это способность вызывать изменения или выполнять работу.
  • Некоторые формы энергии включают световую, тепловую, химическую, ядерную, электрическую и механическую энергию.
  • Есть два основных типа энергии: потенциальная и кинетическая. Потенциальная энергия — это запасенная энергия, а кинетическая энергия — это используемая энергия.
  • Чтобы электрическая энергия могла течь, она должна пройти полный путь через цепь.
  • Темная материя — это материал, который нельзя обнаружить по испускаемому им излучению, но о наличии которого можно судить по гравитационному воздействию на видимое вещество, такое как звезды и галактики. Темная энергия или отрицательная энергия — это энергия космоса.

Для получения дополнительной информации посетите A Level Chemistry.

Рабочие листы по Материи и Энергии

Этот комплект содержит 11 готовых к использованию Рабочих листов по Материи и Энергии , которые идеально подходят для студентов, которые хотят больше узнать о Материи, которая является субстанцией, из которой состоит весь материал.Это означает объекты, имеющие массу. Энергия используется в науке для описания того, насколько физическая система может измениться. В физике энергия — это свойство материи.

Download включает следующие рабочие листы:
  • Факты о материи и энергии
  • Материя и энергия Истина или ложь
  • Tweet Tweet
  • Word Jumble
  • State the State
  • Let’s Play Ball
  • 18 Old to New
  • Художественная литература
  • Да будет свет
  • Энергия на каждый день
  • Next Big Thing

Ссылка / ссылка на эту страницу

Если вы ссылаетесь на какой-либо контент на этой странице на своем собственном веб-сайте, используйте приведенный ниже код для цитирования этой страницы как первоисточник.

Факты и рабочие листы о материи и энергии: https://kidskonnect.com — KidsKonnect, 13 ноября 2017 г.

Ссылка будет отображаются в виде фактов и рабочих листов о материи и энергии: https://kidskonnect.com — KidsKonnect, 13 ноября 2017 г.

Использование в любой учебной программе

Эти рабочие листы были специально разработаны для использования с любой международной учебной программой. Вы можете использовать эти рабочие листы как есть или редактировать их с помощью Google Slides, чтобы сделать их более конкретными в соответствии с вашими уровнями способностей учащихся и стандартами учебной программы.

энергии | Определение, типы и примеры

Энергия , в физике, способность выполнять работу. Он может существовать в потенциальной, кинетической, термической, электрической, химической, ядерной или других различных формах. Кроме того, существуют тепло и работа, то есть энергия в процессе передачи от одного тела к другому. После передачи энергия всегда обозначается в соответствии с ее природой. Следовательно, передаваемое тепло может превращаться в тепловую энергию, а выполненная работа может проявляться в форме механической энергии.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Все формы энергии связаны с движением.Например, любое тело обладает кинетической энергией, если оно находится в движении. Натянутое устройство, такое как лук или пружина, хотя и находится в состоянии покоя, может создавать движение; он содержит потенциальную энергию из-за своей конфигурации. Точно так же ядерная энергия — это потенциальная энергия, потому что она возникает из конфигурации субатомных частиц в ядре атома.

Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую. Этот принцип известен как закон сохранения энергии или первый закон термодинамики.Например, когда ящик скользит вниз по склону, потенциальная энергия, которую ящик имеет от расположения высоко на склоне, преобразуется в кинетическую энергию, энергию движения. Когда ящик замедляется до полной остановки из-за трения, кинетическая энергия движения коробки преобразуется в тепловую энергию, которая нагревает ящик и наклон.

Энергия может быть преобразована из одной формы в другую различными другими способами. Используемая механическая или электрическая энергия, например, вырабатывается многими видами устройств, включая тепловые двигатели, работающие на топливе, генераторы, батареи, топливные элементы и магнитогидродинамические системы.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

В Международной системе единиц (СИ) энергия измеряется в джоулях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *