что находится за реликтовым излучением
Реликтовое излучение
«Если Вселенная действительно возникла в результате Большого взрыва, то после него непременно осталось бы так называемое «послесвечение», которое можно обнаружить и в наши дни».
*
Исходя из теории Большого Взрыва, вся материя и энергия Вселенной возникла в результате колоссального взрыва.(Сори за повторение). Первые 300-400 тыс. лет после этого пространство представляло собой плазму. Впоследствии из-за расширения температуры стали падать, что дало возможность появиться атомам. Регистрируемое реликтовое излучение – это отголосок тех далеких времен. Лишь после начала образования атомов пространство стало «прозрачным» для волн (Просто плазма непрозрачна для электромагнитного излучения, а, когда Вселенная остыла до 3000 К, электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода и среда стала прозрачной для фотонов). Считается, что реликтовое излучение появилось именно так.
*
В настоящий момент в каждом кубическом сантиметре пространства содержится около 500 первоначальных квантов, правда, их энергия уменьшилась почти в 100 раз. Реликтовое излучение на различных участках Вселенной имеет разную температуру. Это обусловлено расположением первичного вещества в расширяющейся Вселенной. Там, где плотность атомов будущей материи была выше, доля излучения, а значит его температура, уменьшена. Именно в этих направлениях впоследствии образовались крупные объекты (галактики и их скопления).
*
Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру чуть меньше 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А примерно 380 т.л. после Большого взрыва, когда Вселенная была несравненно меньшей, каждая точка (атом) во вселенной имела температуру порядка 3000 К.
С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название
Реликтовое.
*
Вывод:
1) Реликтовое излучение — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение.
2) Возникло в эпоху первичной рекомбинации водорода.
3) Имеет температуру
2,75 К
4) Открыли Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон, за что в 1978 получили Нобелевскую премию.
Ладно, образовалось оно, допустим, 15 млрд лет назад. По идее импульс этого излучения должен быть в 15 млрд световых лет от точки взрыва (с поправкой на отражения). Почему мы его регистрируем? Или оно постоянно чем-то излучается?
Все мы в Матрице
Что, если наш 4D мир станет пятимерным?
Краткая текстовая версия видео:
Мир, в котором мы живем, является четырехмерным. По крайней мере в макро масштабе. В нашем мире 3 пространственных измерения и одно временное. Трехмерность пространства значит, например, то, что мы можем в нем провести три взаимно перпендикулярных координатных осей расположенных под углом 90 градусов. В таком пространстве можно двигаться «влево-вправо», «вперед-назад» и «вверх-вниз».
В трехмерном пространстве мы можем завязать узел. В двумерном пространстве завязать узел невозможно. А еще в трехмерном пространстве стул может стоять только на трех ножках или больше, стул на двух ножках потеряет равновесие и упадет (Речь идет о ножках типа такого, как на фото).
А что будет, если мы добавим еще одно пространственное измерение? То есть представим себе пятимерный мир, 4 пространственных измерения и 1 временное?
В таком мире можно провести еще одну ось перпендикулярную к остальным трем осям под углом 90 градусов. В трехмерном пространстве сделать это невозможно и как-то точно визуализировать я это не могу, так что включайте фантазию.
В пятимерном мире так же добавятся новые направления движения, которые называют «ана-ката», получается: «влево-вправо», «вперед-назад», «вверх-вниз» и «ана»-«ката». Представить себе направление движения ана и ката мы не можем, так же как существо в двумерном мире не может представить себе направления вверх и вниз.
В таком мире можно завязать двумерную сферу на узел, в нашем мире сделать это невозможно, показать, соответственно, тоже нельзя. Ну и стул с тремя ножками не сможет стоять в мире с 4 пространственными измерениями, чтобы он был устойчив потребуется 4 или больше ножек.
Ну хорошо, я понимаю, вы вряд ли Вы читаете это, чтобы узнать о узлах и ножках стула, Вас интересует, что будет с нашим миром, если внезапно в него добавить еще одно измерение, вот так по щелчку пальца «тыц» и добавили еще одно пространственное измерение и вот ты уже в 5 измерении, что с тобой будет?
Если коротко то… умрешь конечно же. А еще Земля станет приплюснутой. Сейчас расскажу как именно умрешь и почему земля станет приплюснутой.
Есть такой закон – закон обратных квадратов, и он тесно связан с размерностью пространства. Возьмем для примера светящий фонарь, интенсивность света в таком случае убывает согласно закону обратных квадратов.
Объект, перемещенный на расстояние в 2 раза большее от источника, получает только четверть той мощности, которую он получал в первоначальном положении. На расстоянии в 3 раза большее от источника – в 9 раз меньше мощности, на расстоянии в 4 раза большее от источника – 16 раз и так далее.
В законе всемирного тяготения сила гравитационного притяжения убывает тоже с квадратом расстояния. В два раза увеличиваем расстояние, сила притяжения уменьшается в 4 раза и так далее. Тоже самое с законом Кулона – сила притяжения или отталкивания заряженных частиц убывает с квадратом расстояния. В 5D мире закон обратных квадратов превращается в закон обратных кубов. Теперь интенсивность света будет падать не с квадратом расстояния, а с кубом расстояния. r^2 в законе Кулона и Законе всемирного тяготения превращается в r^3.
Это все полностью изменит химические элементы из которых мы состоим, некоторые атомы станут нестабильными, радиоактивными, другие наоборот, станут стабильными.
Например, в 5D мире магний был бы благородным газом, а не металлом, то есть некоторые элементы станут менее реактивными, другие более реактивными. Ионизация атомов будет осуществляться при значительно меньших энергиях, да и вообще агрегатное состояние различных элементов будет меняться не так, как в нашем мире, некоторые хим. элементы станут газообразны при комнатной температуре, некоторые затвердеют и такие вот вещи. Думаю, практически бессмысленно вспоминать биологические процессы, благодаря которым мы можем жить, ведь это все поменяется кардинально, мы мгновенно потеряем сознание и умрем, синтез белков, транспортировка различных аминокислот, нейромедиаторов, нервные импульсы, это все либо прекратится, либо изменится до неузнаваемости. Ну и конечно же спектры атомов изменятся, а это значит, что все резко поменяет цвет, что-то станет прозрачным, что-то непрозрачным, да и вообще привычные для нас источники света выглядели бы более тускло из-за r^3, с запахами та же история, правда уже некому будет смотреть и нюхать все это, ведь все живые существа погибнут.
Короче будет происходить полная жесть, что-то будет плавится, что-то превратится в газ, что-то затвердеет, некоторые вещества станут радиоактивными, привычные нам вещи потеряют свои свойства и перестанут работать так, как в нашем мире. Я напомню, что это все в мире, в котором 4 пространственных измерения и одно временное и в котором можно двигаться в направлении ана и ката. Но кроме дополнительного направления появятся также дополнительные степени свободы во вращении. В нашем мире ориентацию тела можно задать тремя углами, в быту это называется «наклон, подъём и поворот», в 5D мире надо представить себе еще 3 дополнительных степени свободы вращения перпендикулярные к 3 вышеупомянутым. Но по идее, на вращение Земли это не должно повлиять, момент импульса сохранится, ведь нужно, чтобы какая-то сила передала момент импульса Земле, чтобы она могла вращаться в какой-то непривычный для нас способ. Конечно Земля изменит свой привычный облик, из-за того, что свойства химических элементов изменятся, но из-за гравитации все должно также удерживаться вокруг центра масс, правда земля довольно быстро вращается, а так как гравитация в 5D мире у нас ослабевает с кубом расстояния, то земля сплюснется и формой будет напоминать что-то типа такого, как на картинке.
Но вообще, появится дополнительное направление, в котором могут двигаться частицы из которых состоит земля, планета начнет превращаться в гиперсферу, представить себе этот процесс, эти метаморфозы которые будут происходить, очень сложно.
Будут ли происходить термоядерные реакции на солнце, тут под вопросом, но изменения явно произойдут. Но вот что забавно – в пятимерном мире нет стабильных орбит. Вот, посмотрите на график, это моделирование классической задачи двух тел, оказывается, что устойчивых орбит в 5D мире нет, тела либо падают друг на друга, либо улетают в бесконечность, поэтому солнечная система, как и все другие системы, разрушится, некоторые тела упадут на другие тела, а некоторые улетят бороздить просторы галактики.
Казалось бы, следуя логике как с законом обратных квадратов, все квадраты в других уравнениях тоже надо заменить на кубы и получается, что формула эквивалентности массы и энергии в пятимерном пространстве будет работать как Е=мс в кубе, но нет, эта формула, как и множество других, не изменятся в пятимерном пространстве, она, как и множество других формул, не зависит от размерности пространства.
Но даже и без этого всего, мир в 5 мерном пространстве изменится настолько, что в нем не сможет существовать жизнь в том виде, в котором существует в четырехмерном пространстве. Вообще, оказывается, четырехмерный мир – самый простой из возможных и одновременно самый оптимальный для существования в нем жизни, стабильных орбит и химии, какой мы ее знаем.
Книга Кипа Торна, «Интерстеллар. Наука за кадром»
Взрыв мозга
Ядерная физика о А до Я. Реликтовое излучение
Экспериментальная рубрика «Ядерная физика от А до Я». Научные сотрудники и преподаватели МИФИ рассказывают термины из ядерной физики, физики элементарных частиц, астрофизики и космологии простыми словами.
Тёмная материя и тёмная энергия
(Текст в соавторстве с А. А. Соловьёвым.)
Астрономы давно поняли, что масса Вселенной должна быть много (примерно раз в 5) больше, чем суммарная масса всех светящихся (то есть наблюдаемых во всех ЭМ диапазонах) в ней объектов. Неизвестное по своей природе вещество, которое никак не светится, не поглощает электромагнитное излучение — вообще никак не взаимодействует с обычным барионным веществом (из которого состоят все известные нам объекты) условно назвали тёмной материей. Именно потому, что эта материя ни с чем не взаимодействует, её «не за что ухватить», нечем зарегистрировать; она проявляет единственное свойство — подчиняется закону Всемирного тяготения. Астрофизики не смогли бы понять механизмы формирования галактик, закономерности и особенности их вращения, если бы не допустили, что «тёмная», неизвестная, но гравитирующая материя действительно существует.
Возможно, некоторую, пусть малую, часть этой тёмной материи могли бы составить так называемые коричневые (или бурые) карлики, «неудавшиеся звёзды». Бурые карлики малы, они очень слабо светятся, их чрезвычайно трудно обнаружить, но всё-таки астрономы их нашли… Так вот, частично на них можно было бы списать загадку тёмной материи — такие попытки были — но на сегодняшний день уже ясно, что эта гипотеза несостоятельна.
Бурые карлики не подошли на роль тёмной материи.
Есть в космологии и куда большая загадка — тёмная энергия. В самом конце ХХ в. выяснилось, что вся энергия-масса Вселенной распределяется следующим образом:
4–5 % — это обычное, привычное и более-менее понятное нам, исходя из стандартной модели элементарных частиц, барионное вещество. Это те атомы и молекулы, из которых состоит и Солнце, и планеты, и мы сами, излучение которых мы можем регистрировать и даже довольно успешно объяснять;
25–26 % составляет непонятная тёмная материя;
70 % остаются на долю того, что астрофизики назвали тёмной энергией.
Это та энергия, которая не только не подчиняется всепроникающей силе гравитации, но и противостоит ей. В больших космологических масштабах (на миллиардах световых лет) она настолько превышает всемирное тяготение, что вызывает ускоренное расширение нашей Вселенной.
В конце 1920-х годов Эдвин Хаббл сформулировал закон расширения Вселенной. Он обнаружил, что она непрерывно расширяется после Большого Взрыва. Все галактики удаляются друг от друга, и скорость их разлёта тем больше, чем больше их взаимное расстояние.
И всё же у астрофизиков была уверенность, что сила всемирного тяготения притормаживает
разлёт галактик. Насколько сильно? Это зависело от определения средней плотности вещества во Вселенной. Если бы она оказалась достаточно велика, то расширение могло бы смениться сжатием, и тогда наш мир через много миллиардов лет схлопнулся бы обратно в точку — возможно, примерно такую же, из которой когда-то и появился в результате Большого Взрыва.
Но в 1998 г., анализируя вспышки очень далёких сверхновых, наблюдаемые телескопом Хаббла, астрофизики обнаружили, что скорость разлёта галактик во Вселенной не только не уменьшается со временем, но даже возрастает. Какая-то сила «раздувает» пространство всё больше и больше. Эту силу и назвали тёмной энергией.
(Природа её, возможно, кроется в необычных свойствах физического вакуума, который, по представлениям квантовой механики, вовсе не является бессмысленной пустотой. Он полон энергии непрерывно возникающих и тут же исчезающих в нём виртуальных частиц.
Похоже, уравнение его состояния (состояния физического вакуума) имеет странный вид:
Точных ответов наука пока не дала.
Тёмная энергия оказывается ещё темнее для понимания, чем тёмная материя.
Кстати, постоянная Хаббла удивительна ещё и тем, что она меняется во времени.
Не будучи узким специалистов в вопросах космологии, прошу писать тех, кто знает больше и глубже.
Вояджер-1 слышит гул межзвездной плазмы
Обнаружение космическим аппаратом «Вояджер-1» постоянных плазменных волн открывает новые возможности в изучении структуры ближайшего межзвездного пространства на расстояниях вплоть до десятков астрономических единиц.
Почти 11 лет назад Вояджер-1 преодолел беспрецедентный рубеж, став первым рукотворным земным объектом, вошедшим в межзвездное пространство. В то время я еще была студенткой, не придававшей значения столь переломному событию и не представлявшая, что буквально через несколько лет стану частью программы Вояджер-1 в качестве приглашенного исследователя из университета. Пока я занималась освоением базовой программы по физике, Вояджер-1 продирался сквозь межзвездную среду, в подробностях раскрыв детали того, как плазма сталкивается с солнечным ветром и взаимодействует на границе гелиопаузы в массивном процессе уравновешивания давления, защищающем нашу гелиосферу от «Великого потустороннего».
Схема, отражающая относительные траектории миссий Пионер и Вояджер, пролетающих через солнечную систему и выходящих за ее пределы. Источник: NASA
Время от времени корональные выбросы Солнца посылают ударные волны, пересекающие гелиопаузу и вызывающие переходные явления плазменных колебаний, которые и обнаруживает система плазменных волн (PWS) Вояджера-1. Эти явления определяются в спектре PWS как радиоволны, что можно увидеть и услышать на видео ниже. До этого Вояджер-1 на основе этих явлений колебания плазмы измерял плотность межзвездного пространства, поскольку частота колебаний напрямую зависит от плотности плазмы.
Около года назад система PWS Вояджера-1 зафиксировала сигнатуру плазменных колебаний на уровне кГц, что позволило команде PWS нанести еще несколько точек на карту плотности межзвездного пространства примерно по одной на каждые несколько а.е. В то же время исследования мелкомасштабной структуры этих явлений показали, как во флуктуациях плотности проявляет себя межзвездная турбулентность, причем в широком диапазоне масштабов – от десятков метров до а.е. и даже более.
Эти результаты привлекли внимание моего научного руководителя примерно через год после моего присоединения к научной группе. Тогда я во всю изучала применение радиоизлучений пульсаров и быстрых радиовсплесков для описания свойств межзвездной плазмы. Когда НАСА объявило конкурс заявок на участие в «Программе приглашенных исследователей внешней структуры гелиосферы» (Outer Heliosphere Guest Investigator Program), мы воспользовались возможностью изучить межзвездную среду с помощью самых непосредственных находящихся там зондов: Вояджера-1 и 2. Одной из наших главных целей стало применение обработки сигналов для поиска их слабых проявлений в данных PWS, которые может быть, всего лишь может быть, скрывались среди и вне уже обнаруженных ярких явлений плазменных колебаний.
Спустя несколько месяцев все более и более тщательного прочесывания данных, я заметила в спектре PWM едва приметную линию, которая шла за плазменной частотой и сохранялась на протяжении почти трех лет, начиная с 2017 года и заканчивая публикацией последних общедоступных данных. Эта линия плазменной волны не была похожа ни на что из ранее виденного мной – чрезвычайно узкополосная и настолько слабая, что обнаружить ее можно было только при отсутствии явлений колебаний плазмы.
В стремлении определить, является ли этот сигнал реальным или же отражает артефакт шума, мы проконсультировались с инспектором PWS Доном Гурнеттом и его помощником Биллом Куртом из Университета Айовы, которые произвели независимую проверку данных и подтвердили действительность нашей находки. После бурных обсуждений с коллегами из Университета Айовы о происхождении этой слабозаметной линии плазменной волны, мы пришли к выводу, что данный сигнал можно использовать для определения плазменной частоты. Впервые мы смогли регулярно отслеживать распределение плазмы в ближайшей межзвездной среде на протяжении почти 10 а.е. космического пространства с пространственным разрешением менее 0.05 а.е.
Постоянство этого узкополосного излучения плазменной волны не только поднимает ряд интересных вопросов, но также дает и потрясающие возможности. Есть вероятность, что Вояджер сможет и дальше обнаруживать этот сигнал, что позволит ему квазинепрерывно отслеживать плотность плазмы до тех пор, пока сигнал не исчезнет.
Пока в точности не ясно, какой физический механизм может стоять за столь узкополосными постоянными плазменными волнами. Обнаружение этого сигнала в отсутствии вызываемых ударной волной явлений плазменных колебаний предполагает, что эта линия волны генерируется не солнечной активностью и может быть связана с внутренними процессами межзвездной среды, такими как термальные флуктуации плотности плазмы. Подобная возможность потрясает, ведь она предполагает, что это обнаружение впервые позволит Вояджеру-1 начать отслеживать неподвижные свойства межзвездной плазмы, а не просто исследовать ее изменение в следствии солнечной активности.
Даже спустя четыре десятилетия космических путешествий и бесчисленное число ошеломляющих открытий, Вояджер-1 продолжает прокладывать новый путь. Кто знает, какие еще невероятные тайны он для нас раскроет?
Эта статья дублирует публикацию из блога на Хабре, где под ником Bright_Translate я регулярно размещаю различные познавательные и околоразвлекательные материалы из мира технологий.
Экзамен по физике
Демон Максвелла | [Невозможные изобретения]
В древние времена самым простым, а иногда и единственным способом для достижения чего-либо невозможного человек считал обращение к помощи потусторонних сил.
Позже, вместе с бурным развитием наук появилась надежда, что технологический прогресс поможет устранить необходимость привлечения сверхъестественного для решения насущных проблем.
Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.
Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.
Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.
При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:
при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.
Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.
Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.
Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.
И раз речь, наконец, дошла до энтропии, то самое время вернуться к нашему демону.
Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».
В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» («finite being»). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.
Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:
Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.
Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.
Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!
Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.
Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.
В 2010 году мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета.
Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один был прикреплен на поверхности стекла, а второй шарик-ротор мог вращаться вокруг первого.
Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики, создавая эффект броуновского движения. Поэтому, ротор мог вращаться с равной вероятностью, как по направлению часовой стрелки, так и против.
Авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (на подъём), а иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле.
Но вот физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.
Так был создан аналог открываемой и закрываемой демоном Максвелла дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.
Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (то есть камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают, что данный опыт впервые на практике доказал реальность так называемого теплового насоса – варианта «демона Максвелла», теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.
В 2016 году Физики из Финляндии, России и США создали электронную версию замкнутого (автономного) демона Максвелла. «Система» представляет собой одноэлектронный ящик, подключенный к внешнему потенциалу. Демон следит за зарядом на коробке. (Слева) Если электрон (синий) входит в ящик, демон немедленно захватывает его, прикладывая положительный заряд. (Справа) Если электрон покидает ящик, демон отталкивает его, прикладывая отрицательный заряд. Это электронный эквивалент того, как демон открывает или закрывает дверь для быстрых и медленных частиц в оригинальном мысленном эксперименте Максвелла.
В 2018 году физики в США упорядочили систему из 50 помещенных в трехмерную оптическую ловушку атомов цезия с помощью реального аналога демона Максвелла, уменьшив при этом энтропию системы почти в 2,5 раза.
В оптической ловушке атомы захватываются с помощью двух поляризованных лазеров, которые создают периодический удерживающий потенциал.
6 апреля 2020 года в журнале Physical Review B была опубликовано исследование, описывающее созданную учеными систему из двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений.
Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования.
Это только самые удачные и поэтому самые нашумевшие эксперименты последних лет по созданию демона Максвелла.
Не стоит сомневаться, что попытки обмануть природу при содействии ловкого демона будут продолжаться и дальше до тех пор, пока они либо увенчаются успехом, либо вся Вселенная достигнет термодинамического равновесия…
Интересно, что случится раньше?
Пару слов о Большом Взрыве
Поговорим об акте творения. Нет, я не вкладываю никакого религиозного смысла в данные слова. Речь пойдёт о Большом Взрыве и времени до формирования реликтового излучения, то есть до того момента, как Вселенная стала прозрачной для фотонов, а вместе с ними для всего излучения.
Наша Вселенная начала своё существование 13,799±0,021 миллиарда лет назад.
Самый ранний момент времени о котором у нас есть информация это Планковская Эпоха, продолжалась она 10^-43 секунды после сингулярности, то есть планковское время, имела энергию среды равной планковской:
1,22*10^19 гигаэлектронвольт (ГэВ), планковскую плотность (
5,1*10^96 кг/м³), плансковский радиус (
1,6*10^−35 м) и планковскую температуру (1,41*10^32 К (Кельвина). Из-за крайне малого размера Вселенной квантовые эффекты гравитации преобладали над физическими взаимодействиями, а сила гравитации была сопоставима с другими Взаимодействиями, для сравнения сейчас гравитация — самая слабая сила во Вселенной и сила гравитационного взаимодействия между протоном и электроном в атоме водорода слабее их электростатического притяжения в 2*10^39 раз. Впрочем сама гравитация ещё не отделилась от других взаимодействий, то есть все четыре взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное были объединены в одно Первичное Взаимодействие. В эту же Эпоху произошёл фазовый переход некоторого количества энергии в материю, и образовались элементарные частицы.
Состояние Вселенной в Планковскую Эпоху из-за экстремальных показателей температуры и плотности было нестабильным, произошло нарушение барионной симметрии (на данный момент мы наблюдаем барионную асимметрию, то есть преобладание вещества над антивеществом) и отделение гравитации от остальных взаимодействий.
С отделения гравитации начинается вторая Эпоха жизни нашей Вселенной — Эпоха Великого Объединения (ЭВО) или Эпоха Суперсимметрии.
В этот период квантовые эффекты начинают слабеть, а более привычные нам законы общей теории относительности, наоборот набирают силу. Разделение первичного взаимодействия на гравитационное и электроядерное привело к нарушению однородности и плотности вещества ранней Вселенной. ЭВО длилась с 10^-43 до 10^-35 секунды и к концу Эпохи Вселенная остыла до 10^27 K, её плотность составляла 10^74 г/см³, а энергия 10^14 ГэВ.
В конце ЭВО от электроядерного взаимодействия отделяется сильное взаимодействие, что даёт начало Инфляционной Эпохе, характеризующейся ускорением расширения Вселенной, вторичным нагревом до температур выше 10^28 K, а так же формированием крупномасштабной структуры Вселенной. Инфляционная Эпоха закончилась 10^-32 секунды от момента Большого Взрыва.
Начинается стадия радиационного доминирования, которая закончится, в Протонную Эпоху.
Первая Эпоха стадии радиационного доминирования — Электрослабая Эпоха, длившаяся с 10^-32 секунды по 10^-12. Температура Вселенной ещё крайне высока для того, чтобы электрослабое взаимодействие распалось на электромагнитное и слабое. За счёт высокой температуры и энергии среды образуются W-, Z- бозоны — переносчики слабого взаимодействия и бозоны Хиггса.
Из-за дальнейшего расширения Вселенной её температура и энергия падали, что привело к разделению электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное, началась Кварковая Эпоха (10^-12 – 10^-6 секунды), именно в ней образовалась кварк-глюонная плазма, которая в следующую Адронную Эпоху (10^-6 – 100 секунд), охлаждаясь, образует адроны: барионы и мезоны. Большая часть адронов, после их образования, аннигилировала с антиадронами, вся материя которую мы видим сейчас из, состоит из тех частиц, которым не хватило пары для аннигиляции. В эту же Адронную Эпоху, спустя 2 секунды после Большого Взрыва высвобождаются нейтрино. А спустя ещё одну секунду, из-за снижения температуры Вселенной перестают образовываться лептоны.
Из-за того что адрон-антиадронные пары проаннигилировали основной массой в ранней Вселенной остаются лептоны, которые тоже аннигилируют со своими античастицами во время Лептонной Эпохи или Эпохи Нуклеосинтеза.
Первичный нуклеосинтез длится всю эпоху в период с 100 секунды до 3-х минут после Большого взрыва, дальше температура Вселенной падает слишком низко для дальнейшего нуклеосинтеза. В результате первичного нуклеосинтеза образовались водород и его изотопы — около 75%, гелий так же с изотопами, около 25% и следовые количества лития, менее 10^-9 от общего количества.
В Протонную Эпоху вещество начинает доминировать над излучением, из-за чего изменяется режим расширения Вселенной и через 70000 лет после Большого взрыва заканчивается стадия радиационного доминирования, начинается стадия доминирования вещества. К концу Протонной эпохи 380000 лет после Большого Взрыва, происходит рекомбинация водорода, то есть замедлившиеся электроны соединяются с протонами в атомы, (до этого в период нуклеосинтеза образовались ядра атомов) и Вселенная становится прозрачной для излучения. То излучение мы и называем Реликтовым Фоном или Реликтовым излучением.
Сноски.
Первичное взаимодействие — взаимодействие объединяющее гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное.
Электроядерное взаимодействие — взаимодействие объединяющее сильное, слабое и электромагнитное.
Электрослабое взаимодействие — взаимодействие объединяющее слабое и электромагнитное.