С помощта на Големият адронен ускорител учените от ЦЕРН доказаха съществуването на нова елементарна частица, наречена „пентакварк“, съобщават в прес съобщение от ЦЕРН. Статия с материал за откритието е публикувана в списание Physical Review Letters и в сайта на библиотеката на Университета в Корнуел – http://arxiv.org/abs/1507.03414

С това откритие, предричано от теоритичната физика отдавна, се устаноява е просто нова елементарна частица (от елементарни частици са изградени протоните и неутроните на атомите), но изцяло нов и напълно различен механизъм на обединение на кварките.

„Според нас експериментът ни има всички характеристики на откритие. Нямаме друго обяснение на това, което видяхме. Но науката изисква да публикуваме резултатите и да изчакме мненията и обсъждането на научната общност. Изучаването на новата частица може да помогне да се научи много повече за обикновената материя, от която всички ние се състоим“, казва за „Ройтерс“ ученият Гай Уилкинсън,

Засега пентакварките не са изследвани в достатъчна степен, но още през 1997 съществуването им е предсказано от русите учени Дмитрий Дяконов, Максим Поляков и Виктор Петров. В статия на Петров от 26 март 2013 г., публикувана в сп.“Елементи“ („Элементы“) ученият разказва как е възникнала хипотезата.

Самото наименование подсказва, че новоткритата частица се състои от пет „кварки“. Кваркът е „най-малката“ позната на учените частица, за която към момента няма данни да се дели на по-малки от нея съставни части. Етимологията на термина е интересна – всъщност той няма определено смислово значение и е взет на шега от романа на Джеймс Джойс „Бдението над Финеган“ чийто герой в съня си чува безсмислена фраза „Три кварка за мистър Марк”. Терминът е въведен от учения Мъри Гел Ман.

Автор: Стефан Михов

Снимка: TU Wien

“Холографският принцип” – идеята, че вселена с гравитация може да бъде описана от квантовата теория на полето в няколко измерения, се използва от години, като математически инструмент при странни извити пространства. Нови резултати предполагат, че холографският принцип може да се използва и при равни повърхности. Всъщност, нашата вселена може да е двуизмерна и само да изглежда като двуизмерна – точно като холограма.

На първо четене, няма ни най-малко съмнение: на нас вселената ни изглежда като триизмерна. Но една от най-плодовитите теории на теоритичната физика през последните две десетилетия поставя това твърдение под въпрос. Холографският принцип твърди, че математическото описание на вселената всъщност изисква по-малко измерения, отколкото ни се струва. Това, което възприемаме като триизмерно, може би е просто образ на двуизмерни процеси, разположени на голям космически хоризонт.

Досега, този принцип е бил изучван в екзотични пространства с негативно изкривяване. Това е интересно от теоретична гледна точка, но тези пространства са доста по-различни от познатите ни в нашата вселена. Резултатите, постигнати от учени от Виенския технически университет, предполагат, че холографският принцип важи дори при плоско пространство-време.

Холографският принцип

Всеки е чувал за холограмите от кредитните карти и банкноти. Те са двуизмерни, но на нас ни изглеждат като триизмерни. Вселената ни може да наподобява това: “През 1997, физикът Хуан Малдасена предлага идеята, има връзка между гравитационните теории в изкривени анти-де-Ситер пространства и квантовите теори на полето в пространства с по-малко измерения”, каза Даниел Грумилър, от Виенския технически университет.

Гравитационните феномени са описани в теория с три пространствени измерения, поведението на квантовите частици е изчислено в теория със само две измерения – резултатите от двете пресмятания могат да бъдат представени заедно. Такава зависимост е много изненадваща – като да откриеш, че уравнение от учебник по астрология може да бъде използвано за поправка на CD-плейър. Но този метод се оказва много успешен. Повече от 10 000 работи, засягащи теорията на Малдасена са били публикувани до този момент.

Зависимост, дори в плоски пространства

За теоритизните физици, това е много важно, но не изглежда да засяга до голяма степен нашата вселена. Очевидно, ние не живеем в такова анти-де-Ситер пространство. Тези пространства имат особени свойства. Те са негативно изкривени и всеки обект, хвърлен по права линия, рано или късно ще се завърне. “Нашата вселена, за разлика от другите, е доста плоска и на астрономически дистанции, има позитивно изкривяване”, казва Даниел Грумилър.

Въпреки това, Грумилър отдавна подозирал, че този принцип на кореспонденция може да се окаже верен за нашата вселена. За да бъде тествана тази хипотеза, трябва да бъдат създадени гравитационни теории, които не изискват екзотични анти-де-Ситер пространства, но работят при плоски пространства. През последните три години, той и неговия екип от Виенския технически университет работят върху това, заедно с Единбургския университе, Харвард, Масачузетски технологичен институт, Индийския научен институт в Пуна и Университета в Киото. Сега Грумилър и колегите му от Индия и Япония публикуваха статия във вестница Physical Review Letters, потвърждавайки валидноста на  принципа на кореспонденция в плоска планета.

Два пъти изчислено, един и същ резултат

“Ако квантовата гравитация в плоско пространсто дава възможност за холографско описание, чрез стандартна квантова теория, значи трябва да има физични стойности, които могат да бъдат изчислени и в двете теории и резултатите трябва да си отговарят”, каза Грумилър. Най-вече една черта на квантовата механика – квантовото заплитане – трябва да присъства в гравитационната теория.

Когато квантовите частици се заплетат, те не могат да бъдат описани по отделно. Те са от един квантов обект, дори да са разположени далеч една от друга. Има мярка за количеството на заплитане в квантова систем, наречена “ентропия на заплитане”. Заедно с Архун Багчи, Рудранил Базу и Макс Риглър, Даниел Грумилър успя да покаже, че ентропията на заплитане има същата стойност при плоска квантова гравитаци и в квантова теория на полето с по-малко измерения.

“Това пресмятане потвърждава нашето предположение, че холографичният принцип може също така да е верен и за плоски пространства. Това е доказателство за валидноста на тази кореспонденция в нашата вселена”, каза Макс Риглър. “Фактът, че дори можем да говорим за квантова информация и ентропия на заплитането в теория за гравитацията е поразителен и бе много трудно дори да си го представим, преди няколко години. Впечатляващо е, че може да използваме това средство за да тестваме валидноста на холографичния принцип и също така, че този тест се получи”, казва Даниел Грумилър.

Въпреки всичко, това не доказва, че живеем в холограма. Но, очевидно има все повече и повече доказателства за валидноста на принципа на кореспонденцията в нашата вселена.

Източник: Виенски Технически Университет

„Хъбъл“ показа пред света едно от най-впечатляващите си космически изображения

Учените го нарекоха „ключово научно откритие, наподобяващо пищно небесно шоу от фойерверки“

България бе една от 60-те държави в цяла Европа, в които бе разкрито дълго пазеното в тайна мистериозно изображение, направено и представено от космическия телескоп (КТ) „Хъбъл“ в чест на своята 25-годишнина.

Изображението беше показано на специално събитие на 23 април т.г.(четвъртък) в големия салон на Българската академия на науките. То предизвика небивал обществен интерес, като успя да събере близо 400 гости, повечето от които млади хора.Инициативата събра представители на научната общност, студенти, ученици и много любители на астрономията. Поради големия интерес, за правостоящите гости беше поставен проектор във фоайето.

проф.дфн. Илиан Илиев

Директорът на Института по астрономия-БАН доц. д-р Таню Бонев, проф. д.ф.н. Илиан Илиев и младите учени от Института впечатлиха с изчерпателна лекция, изложба на едни от най-популярните космически кадри, направени от КТ „Хъбъл“, и разбира се, с мистериозното изображение, показано на финала на събитието.

Проф. Илиев започна лекцията си с възхищение и благодарност към присъстващите младежи: „Вие сте бъдещето! Никога не бях виждал толкова млади хора в салона на БАН. Това е изключително щастие за мен“, възкликна професорът.

Младите учени от Институра по Астрономия към БАН

След официалното представяне в София, изображението ще бъде изложено на територията на Националната астрономическа обсерватория-Рожен, където ще може да бъде видяно от посетители през целия летен туристически сезон.

Още за Изображението:

Дългоочакваното изображение, направено от КТ „Хъбъл“,  се оказа необикновен астрономически обект на възраст от 2 млн. години.

Огромният звезден куп Westerlund 2 впечатли научния свят с това, че въпреки крехката си възраст, в сравнение с доста по стари и мащабни космически образувания, съдържа някои от най-ярките, горещи и масивни звезди, които някога са били откривани.

Този звезден куп носи името на шведския астроном Bengt Westerlund, който го открива през 1960 г. Намира се в област на активно звездообразуване, наречено Gum 29, на разстояние от около 20 000 светлинни години от нас, в съзвездието Carina. Част от тези мощни масивни звезди прорязват дълбоки кухини в заобикалящата ги материя чрез излъчване на огромно количество ултравиолетова светлина и звезден вятър – високоскоростни потоци от заредени частици. Действията на тези процеси върху родителската обвивка от водороден газ, от която звездите се раждат, са причина за причудливите и възхитителни форми на облаците от газ и прах.

Изображението разкрива приказен пейзаж от стълбове, хребети и долини. Стълбовете, които се състоят от газ и прах, устояват наразрушителната сила на силното лъчение и мощните звездни ветрове. Тези газови монолити са високи само няколко светлинни години и сочат към центъра на звездния куп. Около стълбовете се намират други плътни области, включително тъмни нишки от прах и газ.

Освен че оформят газовия облак, блестящите звезди спомагат и за успешното създаване на следващото поколение звезди. Когато звездните ветрове достигнат до плътните стени от газ, те създават ударни вълни, които генерират нов процес на звездообразуване по дължината на тези кухини. Разхвърляните из пейзажа червени точки са богато население от формиращи се звезди, които все още се намират в пашкулите си от газ и прах. Тези звездни фетуси все още не са започнали да горят водорода в ядрата си, за да заблестят като истински звезди. Въпреки това, погледът на КТ “Хъбъл” в близката инфрачервена област, позволява на астрономите да идентифицират тези млади звезди. Блестящите в синьо звезди, които се виждат на изображението, са предимно на преден план.

Това изображение е свидетелство за изключителната наблюдателна способност на “Хъбъл” и показва, че дори след 25 години експлоатация, историята на му в никакъв случай не е приключила. КТ “Хъбъл” вече е подготвил сцената за своя наследник James Webb Space Telescope, чието извеждане в околоземна орбита е планирано за 2018 г., но този „нов инженерен подвиг“, няма веднага да замени, „Хъбъл“, а известно време ще работят съвместно. Сега, 25 години след извеждането му в орбита, е време празнуваме забележителната история на „Хъбъл“ и бъдещия му принос за астрономическата наука.

На 24 април 1990 г. космическият телескоп “Хъбъл” на NASA/ESA беше изпратен в околоземна орбита на борда на космическата совалка Discovery, като първи апарат от този вид. Той носи името на Едуин Хъбъл – забележителен учен, открил съществуването на други галактики и тяхното разбягване, което е в основата на теорията за Големия взрив. „Хъбъл“ предостави нов поглед към Вселената и за 25 години надмина всички очаквания, разкривайки огромно количество данни и изображения, които промениха разбирането на учените за Вселената и възприятието на хората към нея.

Други изображения, посветени на годишнини на „Хъбъл“:

Всяка година се разкрива по едно ново изображение от КТ “Хъбъл” в чест на поредната негова годишнина. Миналата година КТ “Хъбъл” засне ефирната мъглявина Monkey Head Nebula (heic1406). През 2013 г. беше показано изключително детайлно изображение на мъглявината Horsehead Nebula (heic1307). А 22-рата годишнина на КТ “Хъбъл” беше отбелязана чрез огромна мозайка от небесен паяк (heic1206). Други изображения от КТ “Хъбъл” са многоцветно изображение на Сатурн (opo9818a), Tolkien-esque изображение на мъглявината Carina Nebula (heic1007a), красива космична роза, получена при сливането на галактики  (heic1107a). Повече изображения, показани в чест на годишнините на КТ “Хъбъл”, могат да бъдат видяни тук here.

Снимка на астрономическото избражение от КТ „Хъбъл“:

Image Formats:

Large JPEG

22.7 MB

Publication TIFF 4K

19.5 MB

Publication JPEG

7.3 MB

Screensize JPEG

358.4 KB

Сайт на Института по астрономия към БАН:

 Институт по астрономия с Национална астрономическа обсерватория, БАН

 Фейсбук страницата на Инситута по астрономия към БАН:

 Институт по астрономия с Национална астрономическа обсерватория, БАН

 Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), and the Westerlund 2 Science Team

Шансът това да е щастлива случайност е 5 на 10 милиона. Това е достатъчно за физиците да заявят, че бозонът Хигс – най-търсената частица в света, е открит. Възторжени овации, свиркания и поздравления изпълват аудиторията в ЦЕРН, близо до Женева, Швейцария.

Почти 50 години след първото предсказване на съществуването му, този пробив означава, че стандартният модел на физиката на елементарните частици, която обяснява всички познати частици и сили, които влияят върху тях, сега вече е завършен.

Бозон Хигс с маса около 125-126 гигаелектронволта (GeV) е засечен от всеки от детекторите близнаци CMS и АТЛАС в Големия адронен колайдер самостоятелно. Всеки от тях го е засякъл с точност в степен 5 сигма или 5 стандартни отклонения. Това обявиха ръководителите на експериментите в ЦЕРН.

Дори по стандартните на физиците, занимаващи се с елементарни частици, статистически това е достатъчно показателно, за да се смята за откриване на частица.

„Мисля, че го открихме” – това  каза Ролф Хойер, генерален директор на ЦЕРН, в края на многоочаквания семинар, който се проведе на 4 юли 2012 година.

По света резултатите бяха наблюдавани по време на Международната конференция по физика на високите енергии в Мелбърн, Австралия.

Патици в строй

Пиер Одон, директор на „Фермилаб” близо до Чикаго, Илинойс, дом на вече неработещия ускорител Теватрон, изрази своите разбирания за откритието по друг начин: „Ако изглежда като патица и ходи като патица, то значи е патица”.

Джо Инкандела от CMS и Фабиола Джианоти от АТЛАС съобщиха, че са видели голям брой частици, отговарящи на профила на Хигс с маса от съответно 125 и 126 GeV. И двамата обявиха точност от 5 сигма за резултата и двете обявления бяха посрещнати от овации на крака.

Този резултат е в съгласие с предишни, по-малко статистически значими предположения за бозона Хигс от декември, принадлежащи на същите два екипа.

Хората започват да се редят на опашка още от 11 вечерта в деня преди семинара. Много от тези, които пристигат сутринта, трябва да бъдат отпратени, тъй като няма достатъчно места.

Имайки предвид вихрушката от слухове и преувеличения от дните преди откритието, както и факта, че откритието беше принципно възможно (въз основа на обема събрана информация), положителният резултат за наличието на бозон Хигс не е пълна изненада, макар че увереността в откритието е най-добрият от дългоочакваните резултати.

Елементарно е

Бозонът Хигс дава маса на всички елементарни частици, като по този начин прави възможно съществуването на материята. Той е фундаменталната единица, или квант, на полето на Хигс. Той  е всеобхватна единица, през която всички частици трябва да преминат.

Някои, като фотона например, преминават през него безпрепятствено и са безтегловни. Други обаче трябва да се борят като муха в петмез. Стандартният модел изисква наличието на бозонът Хигс и неговото поле, но те не са били откривани със сигурност никога до този момент.

Семинарът от юли 2012 е пълен с емоционален заряд. Питър Хигс, който предполага наличието на съименника си бозон през 1964, каза: „Това е едно невероятно събитие в моя живот”. Разбира се, на събитието не липсва и малко хумор: „Много е мило от страна на бозона от стандартния модел, че е точно с тази маса. Благодарение на това, ние можем да го измерим. Благодарим на природата” каза Джианоти.

Все пак физиците се въздържат от това да нарекат откритието си „бозонът Хигс”, вместо това предпочитат да го наричат „нов бозон”.  Това е така понеже все още не са запознати с характеристиките му и няма как да потвърдят до колко съвпада с бозона Хигс от стандартния модел. „Това е началото на дълго пътешествие в разкриването на всички качества на тази частица” каза Хойер.

Едно от качествата, които трябва да бъдат проучени, е спинът на частицата. Според стандартния модел той трябва да е от нулева величина, докато един по-екзотичен бозон би бил с величина 2.

Знаем, че стандартният модел не е пълен – като за начало, той не съдържа тъмна материя или гравитация. Това прави съществуването на един нестандартен модел на Хигс много вълнуваща възможност.

„Всички сме развълнувани не само от откритието, но и от възможностите, които това откритие предлага” каза Хойер.

 Източник: www.newscientist.com

Малки, тъмни и тежки. Но дали това са наистина черни дупки? Вярвай, но проверявай!

Автор: доц. Пламен Физиев

Това малко дълго заглавие е компилация от заглавията на две чисто научни статии, публикувани в реномирани научни списания.
Авторът на първата статия се казва Мат Висер. Той e известен теоретик в областта на съвременната теория на гравитацията, сънародник и ученик на знаменития новозенландец  Рой Кер – откривателят на носещите неговото име точни решения на уравненията на Айнщайн.   Много учени предполагат, че решенията на Кер биха могли да oписват въртящи се черни дупки. В статията си Мат Висер отбелязва, че  невинният въпрос дали черните дупки съществуват реално в Природата е доста по-сложен, отколкото може да се очаква. Особено ако съдим за това по не особено компетентните, а често и откровено преднамерени коментари на средствата за масова информация. Понякога в посока на необосновано опростяване на проблемите работят и някои специалисти.

Отговорът зависи съществено от това, дали разсъждавате като астроном  наблюдател, като математик – специалист по общата теория на относителността (ОТО), или като специалист по теоретична физика – наука, призована да търси законите на Природата на базата на постиженията на експерименталната и наблюдателната физика и астрофизика.

• Астрономите,  без съмнение, наблюдават стотици малки, тъмни, компактни обекти с необикновено големи за размерите си маси и силни гравитационни полета.
• За хората, занимаващи се с математична физика и изучаващи решенията на ОТО, съществуват математични решения, наричани „черни дупки“. Тяхната характерна особеност е съществуването на затворена, достатъчно малка област в пространство-времето, която по дефиниция не комуникира с външните области. Тази ненаблюдаема по самия замисъл вътрешност на черната дупка е отделена от околната област чрез затворена повърхнина, наречена хоризонт на събитията. Хоризонтът на събитията  притежава малко странното на пръв поглед свойство да пропуска физични сигнали и обекти само навътре в черната дупка, без да позволява  на никакви, намиращи се вътре обекти или физични сигнали да излязат навън, където, слава Богу, се намираме ние. Оттам и названието „черна дупка“, предложено на масовата публика като „търговска марка“ в края на 1967 г. и популяризирано в течение на десетилетия от Джон Уилър. Неговият авторитет, опит и огромно влияние в САЩ, където преди това ръководи теоретичните отдели и на двете успешни американски програми по създаване и на атомната, и на водородната бомба,  изиграват решаваща роля и за успешната  многогодишна професионална пропагандна кампания в полза на черните дупки.
• Ако попитате обаче един физик-теоретик, какъвто е и авторът на настоящата статия, той ще ви каже, че самото понятие „черна дупка“ крие множество вътрешни противоречия и теоретични трудности, които и до днес не са преодоляни, а заедно с това и ред противоречия с добре установените закони на физиката. Освен това до момента ние не разполагаме с безспорни и достоверни факти и доказателства за това, че наблюдаваните от астрономите обекти наистина могат да се описват чрез намерените от математиците решения на уравненията на Айнщайн от ОТО.

Вярата в такава, чисто теоретична възможност е необоснована.  Известни са редица случаи на съществуващи решения на уравненията на много по-прости от ОТО математични теории, които нямат физичен смисъл и се отхвърлят от физиката като несъответстващи на законите на Природата. Добре известен пример се дава от уравненията Максуел, описващи с голяма точност наблюдаваните електромагнитни явления. На някои решения на тези уравнения се базира целият ни съвременен живот, който не можем да си представим без електричество и електроника. Независимо от това, повечето решения на уравненията на Максуел не удовлетворяват изискванията на физиката и се отхвърлят като нефизични. Както казва един известен математик, чудото се състои в това,  че въобще съществуват решения, които имат физичен смисъл и приложения. Така че не е никакъв аргумент фактът, че някои математични решения на уравненията на Айнщайн са способни да опишат части от реалността с голяма точност.  Изискванията към физически смислените решения на уравненията на която и да е добре проверена  теория, като ОТО, са много по-сериозни и разнообразни от простия математичен факт, че сме решили някаква, макар и сложна математическа задача. Само сравнението с ДОСТАТЪЧНО ТОЧНИ експерименти, както и наличието на РЕШАВАЩИ тестове и наблюдения, могат да ни покажат дали дадени математични решения имат връзка с реалността и представляват приемлив математичен модел на Природата, или са просто поредният математичен куриоз, несъществен и неинтересен за физиката.
Оттук и заглавието „Вярвай, но проверявай“ на статията на известния  млад американски физик  теоретик  Скот Хю от Масачузетския технологичен институт.

Поради горните съображения  коректните  учени, и в частност, прецизните астрономи, наричат наблюдаваните тежки, компактни и тъмни обекти „кандидати за черни дупки“.
Самият Рой Кер в излезлия наскоро сборник от научни статии, посветени на 50-тата годишнина на неговото знаменито математическо откритие, казва:„…решението на Крускъл за невъртящи се черни дупки няма отношение към реалността. Същото се отнася и до решението на Кер…“То има два хоризонта – външен и вътрешен. Именно вътрешният хоризонт е един от източниците на физическа несъстоятелност на черните дупки на Кер. Доказани са доста математични теореми за съществуване на математичните черни дупки, обаче в техните доказателства се правят предположения, които могат да се окажат неверни, продължава Кер. Самият аз, пише той през 2007 г., вярвам, че е по-вероятно вътрешен хоризонт да не може да се образува никога. Но това означава несъстоятелност на цялото решение на Кер, или поне на онази му част, която описва вътрешността на „черната дупка на Кер“. А в същото време разполагаме с теорема, че това е единствената възможна незаредена черна дупка на ОТО.
Приема се, че е възможно да се образуват черни дупки на Кер в резултат от гравитационния колапс на извървелите до края еволюционния си път достатъчно тежки (над 40 слънчеви маси) звезди. Причината е, че когато изтощят напълно енергийните си запаси, тежките звезди губят способността си да се съпротивляват на гравитационната сила, която се стреми да ги свие безгранично, и тогава започва  неудържим процес на гравитационно свиване на веществото на звездите, наречен гравитационен колапс.  По някакъв неясен начин веществото на звездата трябва да изчезне, като се преобразува в чисто изкривяване на самото пространство-време, загубвайки почти всичките известни на физиката свойства. Математичните черни дупки, като специален вид изкривено ПРАЗНО пространство-време, в което няма материя,  могат да притежават само три от известните ни характеристики на веществото:  маса,  механичен момент на въртене и електричен заряд. Всички други характеристики, известни на физиката, например барионен заряд, лептонен заряд и т.н., трябва тайнствено да изчезнат в хода на  хипотетичния процес на гравитационен колапс.

От друга стана,  всички експерименти във физиката на елементарните частици с огромна точност  демонстрират запазване на тези основни характеристики на материята. Така че имаме две алтернативни възможности: или да се откажем от тези добре проверени физични закони в името на идеята за образуването на черните дупки, или да кажем, че образуването на черни дупки противоречи на добре установените физични факти и следователно е невъзможно.Тази малко позабравена  алтернатива се е обсъждала, без да се намери решение, през 60-те и 70-те години на XX  век от много изследователи.  Въпросът беше повдигнат наскоро отново от руските учени Анатолий Логунов, Мариан Мествиришвили и Семьон Герштейн, които застъпват непопулярната в момента теза, че образуването на черни дупки, описвани от решенията на уравненията на ОТО, е физически невъзможно.

Забавно е, че горната  алтернатива не беше отчитана при обсъждане на очевидно нефизичната идея за раждане на мини-черни дупки на LHC в CERN. Нейната физическа несъстоятелност е ясна: При изследването на космични лъчи се наблюдават частици с енергии милиард пъти по-големи от планираните енергии на частиците в LHC. Знаем добре, че тези лъчи, идващи от космоса, не раждат черни дупки. Независимо от това, раздуханата от средствата за масова информация и други заинтересовани среди истерия по „опасността за поглъщане на Земята от създадена в LHC мини-черна дупка“  доведе до смехотворното обсъждане на въпроса, дали да се разреши  пускането на LHC, от Европейския съд в Страсбург.

Е, LHC заработи, макар засега с половината от планираната мощ поради технически проблеми, а Земята си е цяла и невредима, както е била през последните около 4,5 млрд. години, т.е. от момента на образуването си, въпреки че през цялото това време е била облъчвана от космоса с много, много повече от произведените в LHC частици, и то с много, много по-високи енергии, които ще си останат съвършено непостижими за земните ускорители, дори и в произволно далечно бъдеще. При това прецизните измервания показаха ясно, че мини-черни дупки не се образуват, а законите за запазване на физичните характеристики на елементарните частици продължават да се спазват с голяма точност при достигнатите досега от LHC високи енергии.
И ето тук е „вратичката за измъкване по терлици“ на любителите на черните дупки: а дали те не се раждат само при още по-високи енергии?  Или, както казваше един мой бивш докторант, направил кариера с черните дупки, когото ми се наложи да изгоня от кабинета си заради редица «блестящи изпълнения» от този род: „Един добър специалист винаги може да замота нещата така, че да не могат да го хванат“…

Но да се върнем към сериозната наука, която като всяка човешка дейност неизбежно се преплита със спекулациите. Често се посочва, че идеята за съществуване на невидими много тежки обекти,  които се откриват САМО по силното им гравитационно поле, е много стара и е изказана независимо от английския учен Джон Митчел през 1783 г. и от по-известния френски учен Пиер-Симон Лаплас през 1793 г. И двамата отбелязват, че ако светлината се състои от частици, които, макар и извънредно леки, все пак имат малка маса, то би могло да съществуват свръх звезди с достатъчно голяма  маса M от НОРМАЛНА МАТЕРИЯ, гравитационното поле на които е толкова силно, че дори светлината да не може да се измъкне от него.

На малко по-строг език това означава, че изстреляни от повърхността на звезда с радиус R _star в радиално направление частици със скорост, по-малка от т.нар. втора космическа скорост, не  могат да се отдалечават произволно далече, а само до някакво разстояние R _star .  До това заключение се стига на базата на Нютоновата теория на гравитацията с гравитационна константа G. За достатъчно тежки свръхзвезди втората космическа скорост може да се окаже по-голяма от скоростта на светлината –c. При това за светлинните частици   , където, , е т.нар. радиус Шварцшилд, въведен от него през 1916 г. в рамките на ОТО. И  понеже светлинните частици се движат с максималната съществуваща в Природата скорост, то никакви обекти, дори и светлината, не могат да се измъкнат от гравитационното поле на  свръхзвездата на разстояния, по-големи от  (вж. фигурата по-долу). В класическата физика не е изключено радиусът на звездата  да е по-малък от радиуса на Шварцшилд , макар че за известните ни реални тела това не е така. В оригиналния модел на Карл Шварцшилд  въобще не става дума за черни дупки, а за гравитационното поле на нормалните тела в пространството, извън самите тях. Днес този модел е добре проверен и потвърден  експериментално с добра точност. Свръхзвездите на Митчел-Лаплас са също нормални тела и нямат нищо общо с «дупки» в пространство-времето.
Както вече беше посочено, черните дупки са  предложени от Джон Уилър едва в края 1967 г. като нова интерпретация на оригиналното решението на Шварцшилд, която самият Шварцшилд  е отхвърлял в анализите си. Така че сравняването на свръхзвездите на  Митчел-Лаплас с черните дупки от ОТО, които представляват изкривено ПРАЗНО пространство, и не съответстват на представите на самия Шварцшилд, е само подвеждаща и повърхностна спекулация.

Естествено възниква въпросът, а не са ли наблюдаваните от астрономите обекти, наричани напоследък често и „астрофизични черни дупки“, по-скоро нещо по-близко до свръхзвездите на Митчел-Лаплас, отколкото до интерпретацията на Джон Уилър на математичните решения на Шварцшилд и Кер? Груба грешка, корените на която са в някои недостатъчно коректно написани учебници и статии, е да се смесват тези два съвършено различни физични модела на наблюдаваните в Природата обекти.
Приемащите хипотезата за съществуването на  черни дупки в Природата  (разбирай математичните черни дупки!) разделят наблюдаваните астрофизични черни дупки  (Колко объркваща за  непосветените хора е тази неслучайно избрана терминология!)  на четири основни типа: първични черни дупки, родени по време на Големия взрив и възможно изпарили се и вече изчезнали; черни дупки със звездни маси от около 4÷25 слънчеви маси; междинни черни дупки с маси около 100÷10 000 слънчеви маси и свръхмасивни черни дупки с маси от няколко милиона до 10÷20 милиарда слънчеви маси, които се намират в центъра на болшинството, а може би и на всички галактики.  (Защо не, щом вече сме тръгнали по този път, да стигнем до края, пък там ще видим…)

• От астрофизичните наблюдения знаем с голяма точност, че първичните черни дупки, ако въобще са съществували в началото, т.е. при самото възникването на Вселената, трябва да са били толкова малко, че тяхното присъствие да не се забелязва. Иначе отдавна бихме ги открили.
• Обекти с 4÷25 слънчеви маси се наблюдават наистина, но тяхната връзка с математичните черни дупки не е доказана по безспорен начин. Всъщност астрономите, след години на натиск от страна на  математични теоретици-гравитационисти, приеха да считат за черни дупки всички обекти с маси, по-големи от 4 слънчеви маси, за които е ясно, че не са обикновени звезди, вървящи по пътя на добре изучената нормална звездна еволюция.

След приключване на звездния им цикъл за нормалните звезди  са ни известни  няколко варианта на финал в зависимост от тяхната маса. Най-леките преживяват сравнително слаб гравитационен колапс и се превръщат в бели джуджета с малки маси. По-тежките започват да колабират, но експлодират като свръхнови и ако началните им  маси са до 20÷30 слънчеви маси, те образуват бързо въртящи се неутронни звезди с маса около 1,4 слънчеви маси, като изхвърлят  останалото вещество в околното пространство. До скоро се считаше, че ако началната маса на „умиращата звезда“ е над 30÷40 слънчеви маси, в резултат от гравитационния колапс  тя задължително образува въртяща се черна дупка.
Като основна причина за неизбежното образуване на черна дупка се приемаше, че не познаваме други свръхкомпактни  обекти, освен неутронните звезди, а при определени допълнителни математични  предположения от ОТО следва, че тяхната маса не може да е много голяма. И досега не знаем каква е евентуалната горна граница на масата на неутронните звезди, но изглеждаше, че няма как тя да е над 2-3 слънчеви маси.  Поради това астрономите лека полека свикнаха да наричат „астрофизични черни дупки“ всички остатъци от загинали звезди, които имат маса над 4 слънчеви маси. При това НИКОГА не сме разполагали с доказателство, че тези обекти наистина притежават  хоризонт на събитията, което е ЕДИНСТВЕНИЯТ безспорен признак за черна дупка.
Формалният и не много убедителен критерий за маса, по-голяма от 4 слънчеви маси, възниква и заради това, че по неясни засега причини не се наблюдават никакви остатъци от колабирали нормални звезди с маси в интервала от 3 до  4 слънчеви маси. Така се оформи „обществено мнение“, приело на вяра, че групата наблюдавани обекти с маси в интервала от 4 до около 20-25 слънчеви маси няма какво друго да бъде освен черни дупки, без да имаме сериозни доказателства за това.
Достоверността на това мнение става все по-съмнителна, поради нови наблюдателни факти от последните години, а също и поради конструирането  на нови теоретични модели на наблюдаваните тежки, компактни и тъмни обекти.

• Част от новооткритите теоретични възможности са:  
• Нов модел – т.нар. гравазвезди. Това са  компактни обекти, изградени от „тъмна енергия“, съществуването на която се подсказва от космологични данни, свързани с ускоряващото се разширяване на Вселената. Тези нови обекти биха изглеждали отвън точно като черните дупки, но нямат хоризонт на  събитията. Те са една съвременна версия на свръхзвездите на Митчел-Лаплас.

• Модел на нов тип кваркови звезди, подобни на неутронните, но съставени директно от кварки.  Ако искаме по-детайлно разбиране, трябва да си представим неутронните звезди като едно гигантско атомно ядро, съставено от неутрони, колкото има в нормална звезда, а кварковите звезди – като един-единствен гигантски неутрон от кварки, колкото има в цяла нормална звезда. Масите на кварковите звезди са в диапазона до 20-25 слънчеви маси, т.е.  точно в областта на наблюдаваните обекти, считани за черни дупки със звездни маси.  Това също са обекти от типа на свръхзвездите на Митчел-Лаплас.

Засега теорията на такива обекти не е разработена толкова детайлно, колкото теорията на черните дупки, обмисляна повече от 40 години от много специалисти. Освен тези, са предложени и се разработват цели класове от други модели на материални тела, притежаващи външните свойства на черните дупки, но без мистериозния хоризонт на събитията и без дупка в пространство-времето.
Все пак астрономите, вече посвикнали с модела на черните дупки, го приемат като една от възможните  хипотези, нуждаеща се от сериозна проверка. А новите модели често наричат „имитатори на черни дупки“, макар че по-естествено и исторически обосновано би било черните дупки да се наричат „имитатори на свръхзвездите на Митчел-Лаплас“.

• Съществено ново развитие получи теорията на гравитационния колапс. В частност, беше опровергана хипотезата на известния английски математик Роджер Пенроуз за така наречения „космически цензор“ – ключов елемент от теорията на черните дупки, разработвана активно от него и Стивън Хокинг през сдемдесетте години.

Тази хипотеза има за цел да прикрие съществените физични затруднения при третирането на вътрешността на черните дупки, и в частност, забелязаното от Хоукинг още през 1972 г. нарушаване на почти всички известни физични закони там, особено в близост до така наречената сингулярност, задължителното съществуване на която двамата доказват математически. „Изходът“ от тези ФИЗИЧНИ трудности, предложен от Пенроуз,е показателен за един математик: да ги представим като невидими за реалната физика, като предположим, че в хода на гравитационния колапс ЗАДЪЛЖИТЕЛНО възниква хоризонт на събитията, зад който на нас ни е все едно какво става – и без това физиката не може да го изследва и провери ПО ДЕФИНИЦИЯ. Ако такъв хоризонт не се образува, ще трябва да говорим за „гола сингулярност“ – нещо недопустимо от гледна точка на нормалната физика, понеже това ще направи видимо нарушаването на известните физични закони. Математическото изследване на тази хипотеза се оказа трудна задача и едва през последните няколко години се получиха убедителни ОБЩИ примери за нейната несъстоятелност, главно от индийския учен Панкай Джоши, работил и в Оксфорд, както и от няколко други независими учени.

Тези изследвания легитимираха голите сингулярности – пренебрегван преди това подклас решения на Кер, допълнителен към черните дупки, и поставиха на дневен ред въпроса за сериозното им изследване като потенциално интересни за физиката, възможно дори по-интересни от черните дупки.
Резултатите на Джоши поставят под сериозно съмнение и развиваната дълги години т.нар. „термодинамика на черните дупки“, базираща се съществено на хипотезата на Пенроуз. Показателна и леко учудваща е реакцията на хората, занимаващи се с математичната теория на черните дупки: те заеха позицията на щрауса, заровил глава в пясъка, въпреки че резултатите са публикувани в най-реномираните физични списания и в монография, издадена от издателството на университета в Оксфорд … Освен това сходни и много близки резултати са получени и публикувани в най-реномирани физични списания и от редица други автори.

• От новите наблюдателни факти, получени през последните години и  засягащи въпроса за съществуването на черните дупки, ще посочим  няколко:
• Активното наблюдение чрез множество космически апарати на т.нар. гама-избухвания – една от големите загадки на съвременната астрофизика, показа убедително, че реалният гравитационен колапс не протича съгласно учебниците от шестдесетте и седемдесетте години на миналия век, а представлява доста по-сложно явление, в което присъствието на черни дупки е твърде съмнително. Вместо тях беше въведен терминът „централен двигател“, природата на който е напълно неизвестна, но за разлика от черните дупки се проявява чрез многократни избухвания, свързани и с образуването на космически струи със сложна динамика.

•  Феноменът Уестерлунд 1.  Това е млад звезден куп в южното полукълбо:

в който един млад астроном най-неочаквано откри неутронна звезда, посочена със стрелка на снимката. Какво от това? Работата е там, че звездите извървяват жизнения си път със скорост, пропорционална на тяхната масата. За да се получи неутронна звезда в толкова млад звезден куп, е необходимо създалата тази звезда свръхнова да има над 40 слънчеви маси. Но в такъв случай старата теория за гравитационния колапс твърди, че ще се получи черна дупка, а не неутронна звезда. Така че самото присъствие на неутронна звезда в такъв звезден куп поставя под въпрос теорията за гравитационния колапс на масивните звезди до черна дупка.

Схема и истинска снимка на CygnusX-1: двойна система, възможно съдържаща черна дупка (или със сигурност – поне тежък, тъмен и свръхкомпактен обект):

Обаче по данни от 2009 г. малкият компактен обект, считан за една от първите установени черни дупки със звездна маса, се върти прекалено бавно за такава. Може би е получен в резултат на твърде необикновен колапс? Не се знае със сигурност… А има и по-нови данни за по-бързо въртене на свръхкомпактния обект. Все пак това са само косвени признаци.

• Измежду предполагаемите астрофизични черни дупки с междинни маси няма нито една, която да е пряко наблюдавана поне като видим компактен обект. Хипотезата за тяхното съществуване е основана само на измерването на скоростите на движение на видимите звезди в някои звездни купове. От резултатите се прави изводът, че наблюдаваните скорости и пространственото разпределение изискват присъствие на централно тяло с маса от 100 до 10 000 слънчеви маси. И понеже няма други предложения, не ни остава нищо друго, освен да се съгласим, че там трябва да има астрофизична черна дупка. За каквито и да е други доказателства или признаци, и в частност, за доказателство за съществуване на хоризонт на събития на предполагаемия централен обект,  изобщо и дума не може да става.

• Накрая да скицираме ситуацията с „най-безспорните“ черни дупки – свръхмасивните черни дупки в  центъра на галактиките или в квазарите. Там наистина се наблюдават свръхкомпактни и свръх-масивни обекти с маси от няколко милиона до десетина милиарда слънчеви маси.

Големият въпрос е: КАКВО Е ТОВА?
Работната хипотеза–отговор: Ами какво друго, ако не черна дупка. Друго не можем да си представим, или по-точно, някои други възможности, като огромни бозонни звезди (друг вид съвременни хипотетични модели на обекти от типа на свръхзвездите на Митчел-Лаплас) или куп от близки неутронни звезди, не удовлетворяват данните. Например времето на живот на такива хипотетични образувания е недостатъчно в сравнение с живота на галактиките.
Какво пък, може и да са черни дупки. Само че никой не може да си представи как са възникнали, каква е еволюцията им, защо масите им са такива, каквито ги наблюдаваме, и няма още по-големи, какви са връзките им с нормалните звезди от дадената галактика. Няма отговори  и на още куп въпроси за наблюдаваните различни излъчвания от тези обекти, образуването на огромни космически струи, излизащи от тях и т.н. Не че няма опити за построяване на модели… Липсват приемливи решения!

Аргументи в полза на хипотезата за черни дупки в центъра на галактиките и против нея:

• Огромни компактни маси:
• Най-добри са данните за свръхмасивния обект в центъра на нашата Галактика, получени през последното десетилетие, благодарение на развитието на рентгеновата астрономия. С нейна помощ се наблюдава движението на двадесетина близки до центъра на Галактиката звезди (наречени S-звезди) и се получава следната впечатляваща картина.

Напълно основателно и не без гордост учените, поучили тези резултати, ги коментират като аналог на опитите на Ръдърфорд,  довели до откриването на атомното ядро. Само че да не се увличаме. Резултатите не доказват, че в центъра на нашата Галактика наистина има черна дупка, въпреки че почти всички в един глас го твърдят и повтарят многократно.

• Днес разполагаме и с голямо количество приблизителни данни за масите на откритите в центъра на над сто други галактики свръхтежки и свръхкомпактни обекти. Тези маси са в интервала от милиони до почти 10 милиарда слънчеви маси.
• За известна част от тези обекти е определено и тяхното въртене. Те наистина се въртят. Това показва, че ако това са черни дупки, може да става дума само за математическите черни дупки на Кер. Но в никакъв случай не го доказва. Всяка свръхзвезда от типа на тези, за които вече стана дума, би могла да има същите параметри – маса и въртене.  Какво още ни трябва, за да сме сигурни, че имаме наистина работа с решенията на Кер?
• За съжаление, ако вървим по този път на търсене на доказателство ще ни е необходима буквално безкрайно много допълнителна информация. Теорията показва, че  гравитационното поле на произволно тяло се задава чрез безброй много характеристики, определени от неговата истинска природа. Това са така наречените мултиполни моменти. За решенията на Кер те са пресметнати. Резултата не е сложен, но няма да го привеждаме тук, за да не претрупваме текста с детайли. Така че ако искате да се уверите, че имаме работа с решението на Кер, не е достатъчно да измерите масата и въртенето на обекта. Трябва да измерите и безкрайно голям брой допълнителни характеристики. Това е практически невъзможно.

 Миналата година, по данни от асрономически наблюдения на квазар, натрупани за повече от сто години, беше определено, че третият параметър на неговото гравитационно поле е вероятно близък до предсказания за решението на Кер:

• Чрез внимателен анализ на данните може да се стигне и до извода, че тези обекти не са черни дупки:

В отделна публикация Кундт привежда 5 други аргумента, твърдейки, че централният обект в нашата Галактика не може да бъде черна дупка. В интрес на истината трябва да се каже, че доста изследователи пренебрегват тези аргументи, без да казват защо…

• Компактността на централните обекти на галактиките. За нашата галактика знаем, че централният обект има размер, не по-голям от 8-10 радиуса на Шварцшилд, т.е. от размера, който би имал, ако е наистина черна дупка. Дори да има точно необходимия размер, това също не е доказателство. Например, грава звездите имат същия размер, като черните дупки, но нямат хоризонт на събитията.
• Малкото излъчване, наблюдавано че идва от централните обекти на галактиките, изключва някои от моделите. Ако имаме работа с черна дупка, то се обяснява не с излъчване от нея самата, а с излъчването на падащото в нея вещество, поради което тя не изглежда съвсем черна, обратно на наивните очаквания на художниците, някои от които дори са от NASA.

Как всъщност трябва да изглежда една черна дупка? Отговорът се дава от следната компютърна симулация на светлинни лъчи, минаващи край черна дупка (отляво):

Отдясно е показана снимка на истинска галактика, в центъра на която има нещо подобно. Обаче разделителната способност на телескопа е недостатъчна, за да се види дали има две малки черни петънца, както на компютърната симулация отляво, показваща „истинското лице“ на черна дупка. То изглежда така заради изкривяване на светлинните лъчи от силното гравитационно поле. Наскоро започнаха работа няколко космически мисии, руска и на NASA, които в различни диапазони на електромагнитния спектър биха могли да видят действителния образ  на черната дупка. Чакаме с нетърпение резултата!
Както става ясно, в изучаването на тежките компактни и тъмни обекти през последните години има сериозен напредък, но неясните въпроси са повече от известните добри отговори. Ние все още не знаем какво представляват тези обекти и трябва да сме готови за всякакви изненади.
Не е възможно да се отмине  още един много сериозен и важен проблем, свързан с черните дупки – гравитационните вълни, предсказани от теорията на Айнщайн като  разпространяващи се изкривявания на пространство-времето (схематично показани отляво), за регистрирането на които днес работят в синхрон 6 много скъпи (по около 1 милиард долара всеки) детектора (снимката отдясно) в разни страни на света (два в САЩ, два в Европа, по един в Япония и Австралия, а се строят и други).

Може да се смята, че гравитационните вълни са открити косвено още при наблюденията на пулсара на Хълс-Тейлър (отляво), за което беше дадена Нобелова награда през 1993 г.

Теорията предсказва, че най-мощните гравитационни вълни се биха излъчили при сливане на две черни дупки или при поглъщане на някаква звезда (неутронна, бяло джудже или обикновена) от  черна дупка.

Ако заподозрените тежки тъмни компактни обекти в нашата Галактика са наистина черни дупки, трябва да наблюдаваме и техни сливания, констатирайки мощни гравитационни вълни. Броят на такива кандидат-черни дупки в нашата  Галактика се оценява на около 10 милиона. Може да се оцени честотата на техните сливания. Чувствителността на съвременните гравитационни детектори позволява да се регистрират такива сигнали, идващи от разстояние до около 25-27 мегапарсека. В този обхват влизат хиляди галактики като нашата. Поради това се очакваше, че гравитационни вълни, получени от описаните сливания, ще се наблюдават достатъчно често – поне по едно-две на месец, или в най-лошия случай – по едно-две годишно. Обаче след 6 години безупречна работа на 6-те детектора досега не е наблюдавано НИТО ЕДНО такова събитие.
Най-смущаващото е, че се наблюдават десетки къси гама избухвания, моделът за които беше сливане на две черни дупки или поглъщане на неутронна звезда от черна  дупка.

Някои от тях изглеждат много близки – имаше едно в М31 (мъглявината Андромеда – най-близката до нас съседна галактика, само на  2,5 милиона светлинни години), но детекторите не регистрираха никакви сигнали от гравитационни вълни.

Загадката е пълна, както и разочарованието на хората, работещи за ПРЯКО наблюдаване на гравитационни вълни. Каква е причината да не ги виждаме въпреки прогнозите? Засега не е ясно.
Най-простата би могла да бъде липсата на очакваните източници на такива вълни, т.е. на черните дупки, с които свързвахме досегашните надежди да наблюдаваме директно гравитационни вълни. Дали е така? Никой не знае… Но проблемът се изостри почти до крайност!
В близките няколко години се планира десетократно увеличаване на чувствителността на детекторите. Тогава очакваме да видим със сигурност гравитационни вълни от други източници. Може пък да се разбере и още нещо за съществуването на черните дупки…
Орехът излезе много костелив. Има ли начин да решим проблема? Как да видим невидимите по дефиниция хоризонти на черните дупки? А може би последната дума в гравитацията няма да е на Айнщайн? Това е заглавието на публикация на известни в гравитационната физика хора: Бернард Шутц – един от директорите на института по гравитационна физика „Алберт Айнщайн“ в Голм,  Джоан Центрела – NASA, Курт Кълтер – MIT и NASA, и  Скот Хю – MIT. В нея те задават много въпроси, между които: „Дали наистина централните обекти в галактиките са черни дупки на Кер?“, „Могат ли да се образуват голи сингулярности?“, „Къде в края на краищата ще се провали теорията на Айнщайн?“ и т.н.
Ако видим гравитационни вълни, бихме могли да получим ясен отговор на някои от тези въпроси. С тяхна помощ може да „видим“ невидимия по дефиниция хоризонт на събитията на черните дупки, разбира се, ако те наистина съществуват.
Как така???
Принципът е прост. Теоретичните изследвания (в това число и на автора) показаха, че в зависимост от наличието или отсъствието на хоризонт на събитията гравитационните вълни имат определени спектри!  Това е „отпечатъкът от пръст“, по който черните дупки могат безпогрешно да бъдат идентифицирани! Остава само малко да почакаме, докато видим гравитационните вълни от съмнителните тежки, компактни и тъмни обекти! А това се планира да стане до няколко години!
Така че – още малко търпение и повече работа! Чакат ни изключително интересни времена!
Естествено възниква и въпросът:  Ама как така? Може ли толкова много образовани и опитни хора да излъжат сами себе си, а заедно с това да подведат и останалите. Би ли могло да се окаже изведнъж, че  няма черни дупки?!?  Не е за вярване, нали?
Но да си припомним добре известната история на „откриването на Америка” от Христофор Колумб.

Запитвали ли сте се защо континентът не се казва „Христофория“, а Америка. Ами Колумб просто не е разбрал какво е открил, търсейки път за Индия! Като образован за времето си човек, той е искал да използва неевклидовата геометрия, т.е. това, че Земята е кръгла и че от Европа до Индия може да се стигне, пътувайки на запад, а не на изток!  Направил необходимите пресмятания, организирал експедицията си и открил наистина нещо, което приел погрешно заедно с останалите хора за Индия!
Един от резултатите на неговата експедиция е, че и до ден-днешен наричаме „индианци“ хора, които никога през живота си не са виждали Индия!
Истината е открита от скромния картограф Америко Веспучи след упорит многогодишен труд и две експедиции. Той пръв е разбрал, че не става дума за Индия, а за нещо МНОГО ПО-ГОЛЯМО – нов континент – АМЕРИКА, и даже два – Северна и Южна!!!

Дали тази историята няма да се повтори и с „черните дупки“ ?
По ирония на съдбата те също са родени от неевклидовата геометрия! А работата с нея е коварна и не влиза в ежедневните ни навици.
Ще видим…

Източник: nauka.bg

Изследователи от Nocera Lab към Масачузетския технологичен институт са създали изкуствено листо, което може да разделя водата на водород и кислород, използвайки слънчевата светлина по икономичен начин. Става дума за изкуствено листо, което може да превърне слънчевата светлина и водата в енергия. Това е като откриване на философския камък за алхимията.

Изкуственото листо е изработено от стабилни и евтини материали. То изобщо не прилича на природно листо, макар че го имитира,  но нейните входове и изходи са едни и същи. Изработено е от силикон, електроника и съдържа различни катализатори, които стимулират химическите реакции в устройството, чрез които изкуственото листо използва слънчевата светлина, за да раздели водата на водород и кислород, които след това могат да бъдат използвани за създаване на електроенергия и в отделна горивна клетка. Разположено в един литър вода и оставено на слънце, изкуственото листо може да осигури електроенергия на едно жилище за един ден.

Концепцията за създаване на изкуствено листо не е нова. При предишните опити изкуствените листа са били пълни с нестабилни материали, които са скъпи и имат кратък живот. Първото изкуствено листо е разработено преди десет години от Джон Търнър от американската Национална лаборатория за възобновяема енергия в Боулдър, Колорадо. Въпреки че е много ефективно при извършване на фотосинтезата, устройството на Търнър е неприложимо за по-широка употреба, тъй като е съставено от редки и скъпи метали и е със срок на действие едва един ден.

Листото на Nocera преодолява тези проблеми. То е изработено от евтини материали, които са широко достъпни и много стабилна. При лабораторните изследвания се оказва, че прототипът на изкуственото листо може да работи непрекъснато в продължение на 45 часа, без спад в активността.

Ключът към този пробив е скорошното откритие на Nocera Lab на няколко нови мощни и евтини катализатори, изработени от никел и кобалт, които са в състояние ефективно да разделят водата на водород и кислород. Листото на Nocera е около 10 пъти по-ефективно при фотосинтезиране от листо, създадено от природата. То обаче може да повиши още своята ефективност.
При евентуално масово производство на изкуствени листа изкуствените листа може да се окажат ключов компонент, необходим за прехода към икономика, базирана на екологично чистата водородна енергия.

„Природата се захранва чрез фотосинтеза, и аз мисля, че в бъдеще технологиите ще се захранват също чрез фотосинтезата, чрез изкуствени листа“, казва Даниел Носера, ръководител на лабораторията, която носи неговото име.
Лабораторията Nocera изучава основните биологически, химически и физически механизми за преобразуване на енергията. Там се синтезират различни съединения и материали, например – органометали. Учените в лабораторията решават важни социални проблеми, най-големият от които е проблемът за създаване на въглеродно-неутрални и устойчиви енергийни източници.

По материали от:
http://www.popsci.com/
http://www.sciencedaily.com/
http://web.mit.edu/chemistry/dgn/www/index.shtml

Когато Джон Карди (John Cardy) предложил важния принцип за да ограничи всички възможни теории за квантови принципи и полета (www.sciencedirect.com), той очаквал бързо принципа му да бъде опроверган. Почти 25 години това не се е случило, напротив, изглежда, че по-рано тази година теоремата му е била доказана.

Ако доказателството издържи, най-вероятно ще насочва бъдещите опити за обяснение на физиката извън сегашния стандартен модел. Със сигурност ще може да се приложи за преди непознати частици, които може да се открият с Големия адронен ускорител (ГАУ).

„Ще съм доволен ако доказателството се окаже вярно.“ – казва Карди, теоретичен физик от Университета Оксфорд. Той е доста изумен, че предположението, което е направил през 1988г. се е задържало до момента.
Неговото предположение се нарича а-теорема, която гласи, че броя начини, по които квантови полета могат да бъдат енергийно възбудени винаги е толкова по-голям, колкото енергията е по-силна.

Доказателството предложено през Юли 2011г. (http://arxiv.org/) от Зохар Комаргодски и Адам Шуимър от Научния Институт Вайцман в Реховот, Израел (Zohar Komargodski and Adam Schwimmer of the Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel), малко по-малко започва да се приема  от останалите физици, след като са имали възможност да го проверят.
Много теории за квантовите полета, още не могат да се използват за да се предвиди как ще се държат частиците. Един пример е квантовата хромодинамика – теорията за силата, която действа между кварките и глоуните. Това оставя учените в опити да свържат физиката на  високоенергийна на малки разстояния скала (кварки) с физиката на по-нискоенергийна на по-големи разстояния скала (протони и неутрони).

Въпреки, че доста работа е отишла в доказването на връзка между двете скали, съществуват относително малко генерални принципа, които го доказват за всички възможни теории.  Но а-теоремата на Карди може да е един от тези принципи.  Нейна версия е доказана в двуизмерно пространство, но Карди предполага, че тя що може да устои и в четириизмерно такова.  Доказателството не е идеално, някой части от него изискват пояснение, както и на няколко стъпки трябва да се обърне повече внимание. Но Робърт Майърс(Robert Myers), теоритичен физик от Инситута Периметър във Ватерло, Канада (Perimeter Institute in Waterloo, Canada) мисли че доказателството е вярно. Ако това е цялостно доказателство тогава това става един много силен принцип, ако не е – е идея, която удържа на почти всичко.

Източник: http://www.nature.com

Генериране на геомагнитното поле от ядрен геореактор

От 1939 година се счита, че геомагнитното поле произлиза механизъм динамо, но не в течното ядро на земята, както дълго се е смятало, а в генерирания от атомно делене подслой на геореактора, естествено произлязъл реактор за атомно делене, за който се смята, че съществува в центъра на Земята.

Никоя друга проява на Земята не изглеждала толкова необяснима, колкото нейното магнитно поле. Твърдят, че Алберт Айнщайн е считал неговия произход за един от най-важните неразрешени проблеми във физиката.

Преди повече от хиляда години хора в Китай пускат в купи вода тънки резени от минерала, който днес наричаме магнетит, и откриват, че резенчетата се подреждат в една определена посока. Това наблюдение води до разработването на така наречения магнитен компас. През 1600 година Уилям Гилбърт публикува De Magnete (За магнита), базиран на обширната му колекция от магнитни измервания от цялото земно кълбо. Книгата показва, че самата Земя е като огромен магнит и магнитните сили не произлизат от извънземен източник, както бива предполагано от други. През 1838 г. математикът гений, Йохан Карл Фридрих Гаус, доказва, че източникът на магнитното поле е в центъра на земята или близо до него (Фигура 1).

Фигура 1. Схематично представяне на земното магнитно поле, както се е смятало, че изглежда, преди да бъде открит ефектът на слънчевия вятър.

 Земята действа като огромен магнит с магнитно поле, простиращо се в междупланетното пространство, защитава планетата, отразявайки частици от слънчевия вятър, но не е постоянен магнит (Фигура 2). Във вътрешността на Земята температурата е прекалено висока (над точката на Кюри) за постоянен магнит да остане магнетизиран. Освен това магн. поле трябва постоянно да бъде захранвано с енергия: в противен случай взаим. му със слънчевия вятър и с земната материя биха го накарали да се руши и в крайна сметка да изчезне. Следователно на Земята или близо до центъра и трябва да съществуват механизъм за генериране на електромагнитно поле и енергиен източник за захранването му.

Фигура 2: Схематично представяне на слънчевия вятър, безопасно отклоняван от Земята от геомагнитното поле. Забележете настъпващото като следствие изкривяване на формата на полето.

През 1911 г. Лармо предполага, че магнитното поле на Слънцето бива поддържано от механизъм, подобен на самозадвижващо се динамо. Еласе и Булар първи приспособяват концепцията за слънчевото динамо, за да обяснят, че геомагнитното поле бива генерирано в течното ядро на Земята от действие, подобно на това на динамото.

Механизмът на динамото в общи линии е магнитен усилвател. От 1939 година се вярва, че геомагнитното поле произлиза от конвективни движения течното, електропроводимо ядро на Земята. Идеята е, че конвективната течност взаимодейства със силите на Кориолис, образувани от въртенето на планетата и действат като динамо, което е магнитен усилвател. Идеята изглежда толкова логична и смислено обясняваща произхода на наблюдаваното магнитно поле, че до скоро никой не поставя под въпрос дали дългосрочна, стабилна конвекция може да протече в течното ядро на Земята.

Учените прекалено често подхвърлят термина конвекция без да спрат и да помислят какво означава и предполага. Нобеловият лауреат Субраманян Чандрасекар определя конвекцията по следния начин: „Най-простият пример за термално предизвикана конвекция се появява, когато хоризонтален слой течност бива нагрят отдолу и неблагоприятна температура бива поддържана. Прилагатеното „неблагоприятен“ за преобладаващата температура, тъй като, поради термалното разширяване, течността на дъното става по-лека от тази отгоре, и това е тежка в горната си част подредба, която е потенциално нестабилна. При тези обстоятелства течността ще опита да се преразпредели и да компенсира тази слабост в подредбата си. Така произтича темп. конвекция: Тя представлява усилията на флуида да си възвърне стабилността до известна степен.“

От проучвания на магнетизма на скали се знае, че геомагнитното поле съществува поне от 3.5 милиарда години. С изключение на обръщанията на полярността, геомагнитното поле е удивително стабилно за дълги периоди от време. Всъщност геомагнитното поле понякога е оставало без обръщания за 40 милиона години. И така, ако геомагнитното поле е произвеждано от механизъм динамо, то тогава дългосрочна, устойчива конвекция трябва непременно да преобладава във Функционалната течност на динамото. Но може ли стабилна конвекция да съществува дълго време в рамките на течното ядро на Земята. С това се занимава Дж. Марвин Херндън.

За да съществува стабилна конвекция за дълго време в течното ядро на Земята, е необходимо неблагоприятната температура да бъде поддържана дълго време, така че получената под течното ядро топлина да накара долната част на ядрото да стане по-лека, с по-голяма плаваемост, и затова да се издигне до горната част на ядрото, носейки топлина със себе си. За да бъде поддържана тази „неблагоприятната температура“ за дълго време се изисква температурата в горната част да бъде поддържана по-ниска от тази в долната. Това може да стане, само ако топлината, пренасяна в горната част чрез конвекция и топлопроводимост, бива ефективно премахната. И в това се състои проблемът.

Течното ядро на Земята е обвито в изолиращо покривало, скалист пласт, мантията, което е дебело 2900 км и има значително по-нисък топлинен капацитет и по-ниска топлопроводимост от течното ядро. Така топлината, пренасяна в горната част не може да бъде ефективно премахната чрез провеждане на топлина. Дебелият скален пласт също така има значително по-голяма вискозност от течното ядро, което означава, че топлината в горната част не може да бъде отведена в скалистия пласт и чрез конвекция. С други думи, в течното ядро неблагоприятна температура не може да бъде поддържан дълго и поради това конвекция не може да бъде поддържана за големи времеви периоди. Следствието от това е ясно: или геомагнитното поле е генерирано от процес, различен от този на механизма на динамото, или съществува и друг течен регион, в който може да протича продължителна конвекция. Изглежда второто твърдение е вярното.

През 1993 г. Херндън публикува първата от серия научни статии, разкриващи произхода, възможностите и доказателствата за реактор за атомно делене, наречен геореактор, в центъра на Земята като източник на геомагнитното поле. Тази статия, както отбелязва Рао с обширните си споменавания за нея, може да предложи решението на загадки около променливостта на геомагнитното поле и образуването на хелий в земните недра. Изчисленията, лежащи в основата на Херндъновата концепция за геореактора вече са потвърдени и множество цифрови симулации са проведени в националната лаборатория Оук Ридж…

През 1996 г. в статия, публикувана в Протоколи на Националната академия на науките на САЩ, Херндън описва геореактора като състоящ се от ураново подядро, обградено от подслой, съставен от продукти на атомно делене и радиоактивен разпад, които е възможно да са „каша или течност“, както е показано на фигура 3.

 Фигура 3. Схематично представяне на под-структурата на геореактора във вътрешното ядро на Земята (A) и вътрешната структура на Земята като цяло (B).

През 2007 г. Херндън представя доказателства в подкрепа на идеята си, че подслоят е каша или течност, и че магнитното поле на Земята бива произвеждано от механизъм динамо, действащ в подслоя на геореактора. Забележително е, че в него няма пречка за дългосрочна, устойчива конвекция; топлината, генерирана от атомното делене в подядрото прави течността на дъното на подслоя по-лек, с по-голяма плаваемост и я кара да се издигне до върха на подслоя, където влиза в контакт с вътрешното ядро, относително добър проводник на топлина. То от своя страна се допира до друг такъв – течното ядро на Земята. Така няма пречка за дългосрочна, стабилна конвекция в подобвивката на геореактора.

Фигура 4. Схематично представяне на вътрешността на Земята и геореактора.

Очаква се конвективните движения в електропроводимото течна (или кашеста) подобвивка ще взаимодействат със силите на Кориолис, произвеждани от въртенето на планетата около оста си, и ще действат като динамо, магнитен усилвател (фигура 5). И, за разлика от течното ядро на Земята, подобвивката на геореактора съдържа големи количества богати на неутрони елементи, получени от деленето. Те претърпяват бета разпад и дават електрони за генерирането на малки магнитни полета за усилване. По този начин геореакторът действа и като енергиен източник, и като функционална течност за генерирането чрез действието на динамото на земното магнитно поле.

Фигура 5. Схематично представяне на геодинамично действие в под-обвивката на геореактора.

Концепцията за геомагнитно поле, произведено от ядрен геореактор във вида описан по-горе, се отнася за Земята. Същата концепция и принципи са приложими към генериране на планетарно магнитно поле като цяло.

Произход на магнитното поле на Земята:

Най-добре е да се гледа с високо качество, тъй като съдържа експериментална демонстрация, обясняваща защо дългосрочна конвекция и следователно действието на динамо е невъзможно в ядрото.