Как возникает гравитация Ускорение и время a_gorb LiveJournal

Как возникает гравитация. Ускорение и время — a_gorb — LiveJournal

Я, конечно, не могу объяснить, что такое гравитация, т.к. в настоящее время не имеется более общей теории, из которой гравитация получается как следствие. Речь пойдет о гравитационном поле в рамках Общей Теории Относительности А.Эйнштейна (в меру моего разумения).

Сначала разберем, что мы испытываем, когда говорим, что нас притягивает Земля. Мы испытываем действие ускорения, интерпретируемое в данном случае как действие гравитации Земли. Тут надо различить два разных случая: первый – двигаться с ускорением, второй – испытывать ускорение. Первый случай чисто кинематический – в какой-то системе отсчета некое тело движется с переменной скоростью. Кинематическое ускорение есть изменение скорости (как по величине, так и по направлению) в единицу времени. Поэтому тело, движущееся с переменной скоростью, движется с ускорением.

Другое дело испытывать ускорение. Это значит, что телу, что бы оставаться в покое приходится прикладывать какую-то силу, и, соответственно, к телу также прикладывается сила обычно называемая силой реакции опоры. Именно это ускорение измеряется акселерометром, который в простейшем случае представляет собой грузик на пружинке. Если ускорения нет, то пружинка не растянута. Если тело испытывает ускорение, то грузик, оставаясь неподвижным относительно этого тела, растянет пружинку. Фактически, пружинка создает силу, которая тянет грузик так, что он испытывает тоже ускорение, что и тело. Такое ускорение, измеренное акселерометром, будем называть собственным ускорением.

Приведем примеры. Возьмем ракету, которая движется с включенными двигателями далеко от всяких масс, создающих гравитационное поле. Рассмотрим движение в инерциальной системе отсчета (ИСО). Напомним, что ИСО является такая система отсчета (СО), в которой выполняется закон инерции, т.е. тело на которое не действуют силы сохраняет свою скорость (в т.ч. состояние покоя). В данном случае в качестве ИСО подойдет СО связанная, например, с ракетой с неработающими двигателями. В этой ИСО кинематическое ускорение ракеты будет совпадать с собственным ускорением, рисунок 1. Но, например, в СО ракеты с работающими двигателями, другая ракета будет иметь кинематическое ускорение, но ее собственное ускорение останется равным нулю, рисунок 2.

Рассмотрим тело, которое неподвижно в СО, связанной с Землей. Оно испытывает силу тяжести и имеет собственное ускорение, равное ускорению свободного падения. Тогда как его кинематическое ускорение отсутствует. Наоборот, тело, свободно падающее на Землю, имеет кинематическое ускорение (снова равное ускорению свободного падения:)), но не имеет собственного ускорения.

На сознательно внесенной путанице между различными ускорениями была построена ранее предложенная загадка:
«Возьмем две машины, скажем Порше 911 и ЗАЗ 965 (горбатый), машины одинаковые: багажник спереди, двигатель с воздушным охлаждением сзади, задний привод, две двери. На обе машины поставим по акселерометру, который измеряет ускорение. Сразу убедимся, что Порш способен развить большее ускорение, чем Запор. Если они начнут играть в догонялки, то Порше уедет далеко вперед от Запорожца. А если их связать ниточкой, то они эту ниточку порвут. Это присказка.

Возьмем два тела, на каждое тело опять поставим по акселерометру. Свяжем тела ниточкой. Обнаружим, что акселерометры показывают ускорение, направленное вдоль ниточки в одну и ту же сторону, но разное по абсолютной величине. Однако ниточка не рвётся. Как такое может быть?»

В первой части задачи речь идет о кинематическом ускорении, а во второй части о собственном. Они равны в ИСО. Но ведь нигде не сказано, что второй случай непременно должен быть в ИСО. Возьмем к примеру два тела прикрепленные вдоль радиуса на вращающемся диске и натянем между ними ниточку. Они оба имеют собственное ускорение вдоль ниточки, причем разное, но ниточка, разумеется, не порвется. Или можно взять два тела закрепленных друг над другом по вертикали. Ускорение свободного падения уменьшается с высотой, поэтому собственные ускорения этих тел различны, но они неподвижны друг относительно друга, как и тела на вращающемся диске.

Поэтому, когда мы говорим, что испытываем силу тяжести, то это значит, что мы имеем собственное ускорение. А если мы свободно движемся под действием силы тяжести (падаем или летим по баллистической траектории), то мы не имеем собственного ускорения и, как говорят, находимся в состоянии невесомости. Хотя, в последнем случае мы имеем кинематическое ускорение относительно Земли.

Таким образом, собственное ускорение возникает либо под действием гравитации, либо в результате ускорения тела в ИСО. Принцип эквивалентности Эйнштейна утверждает, что невозможно отличить одну причину ускорения от другой, если рассматривать область достаточно малых размеров.

Если различные тела неподвижны друг относительно друга и двигаются с одинаковым ускорением в ИСО, то каждое из них движется под действием силы, пропорциональной их массе (ускорение ведь одно и тоже). Если тела неподвижны в некой СО, в которой существует гравитационное поле, то действующая на них сила тяжести пропорциональна их массе. Первая из упомянутых масс связана с инерцией тела (чем больше масса, тем большую силу надо приложить, что бы создать тоже ускорение) и называется инертной массой. Вторая связана с гравитацией и есть коэффициент пропорциональности между величиной силы тяжести и гравитационным полем, подобно тому, как электрический заряд есть коэффициент пропорциональности между величиной электрического поля и силы действующей на заряженное тело. Такая масса называется гравитационной массой. Из принципа эквивалентности немедленно получается, что эти массы равны (точнее пропорциональны, но выбором единиц измерения их всегда можно сделать равными). В настоящее время их равенство установлено с очень высокой точностью. А часто, особенно в «школьной» физике об этой разной природе массы даже не задумываются и везде используют просто массу.

Рассмотрим теперь, как ускорение влияет на ход часов. Будем считать, что наличие собственного ускорения одинаково влияет на часы различной конструкции, т.е. в одном месте неподвижные друг относительно друга часы остаются синхронизованными независимо от величины собственного ускорения. Разумеется, большие ускорения могут повлиять на ход часов, в том числе и таким драматическим образом, как разрушение этих часов:). Но мы тут будем рассматривать часы, которые не ломаются и не портятся под действием ускорения. Тогда такие «хорошие» часы как раз и отмеряют то, что мы обычно называем временем*. Учитывая вышесказанное, под часами здесь можно понимать любое изменение во времени, в т.ч. и, например, изменения в организме человека.

Почти все специально сконструированные часы основаны на подсчете числа периодов некого периодического процесса. Пусть два наблюдателя**, которых мы по традиции назовем Боб и Алиса, снабжены идентичными часами и обмениваются сигналами в виде электромагнитных (ЭМ) волн, период которых совпадает (для простоты) с периодом колебаний в часах. Если они неподвижны в некой ИСО и, следовательно, неподвижны друг относительно друга, то они ничего интересного не обнаружат. Сигналы, которые они посылают друг другу остаются синхронизованными с ходом их часов. Если они движутся друг относительно друга, то такая синхронизация нарушается и замечательно описывается формулами Специальной теории относительности.

Иная ситуация получается, когда Боб и Алиса имеют собственное ускорение, но при этом остаются неподвижными друг относительно друга. Рассмотрим ее с обеих эквивалентных сторон. Пусть собственное ускорение вызвано гравитацией. Пусть Алиса находится сверху и посылает ЭМ сигнал вниз к Бобу. Но фотон, падая в гравитационном поле, приобретает энергию. (Если бы энергия фотона не менялась, то на основании этого можно было бы создать вечный двигатель.) А энергия фотона пропорциональна его частоте, поэтому Боб примет сигнал на более высокой частоте, рисунок 3.

Пусть Боб и Алиса находятся на разных концах некого ящика, который движется с ускорением в ИСО (например, в ракете с работающими двигателями). Тогда Боб встретит сигнал, посланный Алисой, при большей скорости, чем была у Алисы, когда она этот сигнал посылала, рисунок 4. Поэтому, в силу эффекта Доплера, он примет сигнал на большей частоте.

В общем, в любом случае сигнал, принятый Бобом, будет иметь большую частоту и будет для него короче, чем то, что послала Алиса. И, разумеется, наоборот, если Боб посылает сигнал Алисе, то она его примет на меньшей частоте. Для оптических сигналов это соответствует смещению в красную область спектра. Поэтому говорят о гравитационном красном смещении, которое возникает, когда излучение идет от массивного объекта.

Предположим, что Боб с Алисой договорились, что она будет начинать посылать сигнал, когда будет садиться завтракать, и выключать его, когда будет начало обеда. И время между завтраком и обедом у Алисы всегда одно и тоже, скажем один миллиард колебаний в сигнале. Боб принимает эти миллиард колебаний, но видит, что частота сигнала стала выше, и по его часам прошло меньше, чем миллиард колебаний. Боб тоже по своим часам обедает через миллиард колебаний после завтрака. Он связывается с Алисой, и она ему подтверждает, что между обедом и завтраком у нее проходит по ее часам также миллиард колебаний. На всякий случай они встречаются в одной точке и убеждаются, что их часы исправны и по-прежнему ходят в одном темпе. Но как только они разойдутся, то снова видят, что у Алисы с точки зрения Боба время между обедом и завтраком меньше чем у него. То, что взяли в качестве примера временной интервал между завтраком и обедом, есть условность. Понятно, что и любые другие процессы у Боба и Алисы будут протекать в разном темпе. Если у Боба и у Алисы нечто происходит за одно и тоже время по их собственным часам, то у Боба это происходит медленнее. Это и означает, что собственное время у Боба течет медленнее, чем у Алисы. С

Получается, что если тела испытывают собственное ускорение и находятся в разных местах в направлении этого ускорения, то у каждого тела будет свое собственное время. При этом у тела, которое находится ниже (с точки зрения ускорения, создаваемого гравитацией), время течет медленнее. Т.е. часы, связанные с телом и показывающие его собственное время будут идти у нижнего тела медленнее, чем у верхнего.

Таким образом, под гравитацией можно понимать следующее. Некая масса так искажает около себя пространство-время, что теперь время зависит еще и от пространственных координат, т.е. «течет» в разных местах по-разному. Поэтому еще говорят о местном времени, т.е. о времени, которое отсчитывается часами, расположенными в данном месте. Вот такое искажение (искривление) пространства-времени соответствует тому, что тела имеют собственное ускорение. Наличие этого ускорения воспринимается нами как сила тяжести. Что бы этого собственного ускорения не было, тело должно свободно двигаться в этом гравитационном поле.

Читайте:  Тест по теме В мире живой природы окружающий мир 2 класс 2 вариант

Вообще говоря, массы так возмущают пространство-время, что искривленным становиться и пространство само по себе, а не только 4-мерное пространство-время.

Наличие местного времени для каждой точки пространства делает важным выбор системы координат. Например, необходимо рассчитывать положения во времени космических тел и космических аппаратов в Солнечной системе. Вопрос, а какое время использовать в результатах этих расчетов, если при наличии гравитационных полей оно в разных местах разное. Сейчас договорились, что в качестве координатного времени можно использовать, например, время в центре масс Солнечной системы (Barycentric Coordinate Time, Барицентрическое координатное время, TCB). Это время идет несколько быстрее, чем на поверхности Земли, примерно на 0,5 секунды за год.

Современный атомные часы достигли столь высокой точности, что для сравнения их показаний приходится вводить поправку, учитывающую положение часов в различных лабораториях над уровнем моря, и, следовательно, разницу в местном времени, вызываемую гравитацией Земли.

В следующей части планирую проиллюстрировать здесь сказанное с помощью формул.

* Это тонкий вопрос, что же измеряют часы. Ведь ни одни часы не обладают абсолютной точностью. Поэтому мне остается лишь согласиться с Ньютоном по поводу той физической величины, которая используется в физике и называется временем: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год. … Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении за равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенной точностью.»

** Необходимо отметить, что привлечение антропоморфных наблюдателей, да и наблюдателей вообще, здесь и в подобных рассуждениях не является необходимым. Это обычно делается для придания образности и популярному изложению, т.к. человеку проще воспринимать человеческую точку зрения. Однако это может и вводить в заблуждение, что впрочем возможно для любого популярного изложения.

Источник



Цепные реакции жизни

Александр Бутюгин Все знают о существовании двух видов цепных реакций: ядерной и горения (окисления). Все знают, как они выглядят схематически. А существуют ли цепные реакции в живой природе? Существуют! Если мы представим схематически, хотя бы один, достаточно продолжительный, цикл развития любого вида или живого в целом, то у нас получиться схема цепной реакции. Поясню это на примере двух персонажей из известного парадокса про яйцо и курицу. Яйцо дает курицу, которой «заложено» уже множество будущих яиц. Петух играет роль источника «тепловых нейтронов», запускающих цепную реакцию. Курица за свой жизненный цикл откладывает определенное количество яиц, из которых появляются новые курицы с зародышами яиц. И так далее. С момента появления курицы 1-го поколения уже начинаются параллельные реакции. Таким образом, от одного яйца идет разветвленная цепная реакция образования куриц и яиц.

На основании всего вышесказанного, позволю себе утверждать, что цепные реакции – это характерное свойство Материи.

И цепная реакция – это возможность множественного параллельного развития!

После или в результате «Большого взрыва» также началась своеобразная цепная реакция развития Материи. Это видно, если схематически изобразить получившуюся картину мира. На каждой ветви цепной реакции должны существовать параллельные линии развития.

ВОПРОС: если Вселенная существует, например, 15 млрд. лет (земных?), то могли ли 5-10 млрд. лет назад где-то возникнуть условия для появления живой природы и разума?

Это к тому, что мы всерьез предполагаем существование космических цивилизаций, которые старше нас на 5 и более млрд. лет. Если вдруг они и существуют, то они остались где-то очень далеко, так как мы сегодня оперируем расстояниями в сотни, тысячи, миллионы и более световых лет. При этом Вселенная продолжает расширяться с определенной скоростью. Есть ли у них шансы догнать нас? В параллельных же нам линиях развития вероятность появления жизни и разума более высокая, так как близка и вероятность одинаковых условий. Но уровень развития жизни и разума в параллельных линиях едва ли выше нашего (в чем могли бы быть причины их резкого ускорения?).

Рассмотрим теперь следующий вариант. Назовем его условно эстафетным. За модель возьмем солнечную систему. Предполагается существование жизни и разума на 2- планетах – Земле (сегодня) и Марсе (вчера). Марс дальше Земли от Солнца и там, естественно, раньше возникли подходящие условия (очевидно, главная роль принадлежит температуре или энергии). Цивилизация на Марсе должна была возникнуть намного раньше высшей жизни или вообще жизни на Земле, чтобы достаточно развиться и заранее засеять Землю семенами «жизни» и чтобы позднее переселиться на нее, когда условия на Марсе изменятся. По мере остывания Солнца, третьей планетой для жизни вероятнее всего может стать Венера. Может стать, если мы сохраним и разовьем нашу цивилизацию.

Почему исчезла жизнь на Марсе? Если мы потомки марсиан, то причина этого вполне понятна. Развитие цивилизации, которая нерационально использует ресурсы и, особенно, энергию, неизбежно должно было привести к экологической катастрофе планетарного масштаба. Марсианская цивилизация просто не нашла способа своего дальнейшего разумного развития на Марсе. Чтобы сохранить устойчивость своей цивилизации и оттянуть время ее гибели, они просто вынуждены были начать экспансию по солнечной системе. Ближайшая для них планета с благоприятными условиями – это Земля. Жизнь на Земле они посеяли, но свои нравы и привычки изменить не смогли. То, что досталось нам от них по генетической памяти, есть и наше наследие. Но мы продолжаем их практику, которая привела к гибели Марса. Подспудно мы это понимаем, поэтому и готовим дальнейшую космическую экспансию. Понимая уровень готовности условий Венеры по принятию жизни, мы попытаемся превратить Луну в перевалочную базу. Вероятно, что и марсиане использовали мифическую планету или спутник Фаэтон в таком же плане. Вполне возможно, что Луна – искусственное сооружение, которое должно было бы повлиять на ускорение необходимых процессов на Земле. И именно на Луне могли быть первые поселения марсиан.

Представленная выше гипотеза – это, по сути, один из вариантов гипотезы панспермии.

Почему же они не выжили на Земле, не сохранили цивилизацию? На этот вопрос возможны минимум два ответа:

1. Им пришлось слишком долго ждать в космосе (например, на Луне), когда условия на Земле станут достаточно для них благоприятными. Слишком долгое пребывание в невесомости – вот одна из причин, почему многие из них не могли долго оставаться в условиях гравитации. Возможно, это также повлияло и на способность размножаться. Это объясняет мифы с периодическими прилетами-улетами «богов».

2. Часть других, которым удалось адаптироваться, стали жертвами собственной цивилизации: они не захотели пожертвовать благами цивилизации. Поддержание высокого уровня жизни требует больших затрат энергии. Ради этого они могли поселиться в местах высокой сейсмической и вулканической активности, где почти дармовые выбросы энергии. Или применили технологии получения энергии из мантии Земли (сверхглубокое бурение). Или что-то иное, но в том же духе. Миф об Антлантиде вполне вписывается в этот вариант. Природный катаклизм, естественный или стимулированный, привел к катастрофе.

Откуда могли появиться сами марсиане. Естественно, с тех планет, что за Марсом. Мы же уже подозреваем существование жизни или следов жизни на каких-то планетах и их спутниках (Европа, например). Но одно ясно, что экспансия жизни в солнечной системе идет в сторону Солнца.

Так как Вселенная также остывает, то продвижение жизни (в той форме, что на Земле) во Вселенной должно идти в направлении противоположном ее расширению.

Все вышесказанное имеет определенный смысл при условии, что отсутствует некий Высший разум. Однако именно этого не могут отрицать ученые, занимающиеся вопросами мироздания. Хотя одно может и не противоречить другому, если исходить из существования Закона о единстве противоположностей.

Источник

Земля ускоряет свое вращение: какими будут последствия?

Появилась еще одна новость, которая подтверждает, что и 2020 год был одним из самых необычных, и наступивший 2021-й тоже может оказаться не менее неожиданным. Если раньше считалось, что вращение Земли замедляется, то теперь ученые зафиксировали ускорение, благодаря которому прошлый год оказался короче. Ненамного, но все же. Речь идет о миллисекундах. Но даже эти минимальные значения могут серьезно повлиять на нашу жизнь. Например, если не откорректировать атомные часы, начнут неверно работать системы навигации и прочие сверхточные приборы.

«Некоторые ученые считают, что изменение циркуляции в жидком ядре вызывает аномальное ускорение и иногда замедление вращательного движения Земли, изменение геомагнитной активности и даже изменение климата. Другие считают, что эти изменения могут быть связаны с вариацией солнечной активности», — отметил завкафедрой астрономии СПГУ Сергей Петров.

«Вращение заметно меняется только на огромных промежутках времени. Например, полмиллиарда лет назад Земля вращалась намного быстрее. Тогда в сутках было наших 18 часов. Постепенно Земля тормозит свое вращение, сутки будут удлиняться», — заявил старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. Штернберга Владимир Сурдин.

«Даже когда происходили гораздо большие изменения, когда речь шла даже о минутах или даже в какие-то времена миллионы лет назад даже в часах бывала разница скорости вращения Земли, длительности, соответственно, суток, длительности года. Тем не менее каких-то особых изменений на поведение живых существ это не оказывало. Поэтому в принципе каких-то катаклизмов из-за этого точно не произойдет», — считает психолог, доктор психологических наук Андрей Зберовский.

Источник

В 2020 году Земля вращалась с повышенной скоростью. Чем это опасно?

В обществе принято считать, что в одних сутках 24 часа. Именно за это время Земля совершает полный оборот вокруг своей оси и проходит один цикл утра, дня, вечера и ночи. Но с научной точки зрения дела обстоят не так просто. Дело в том, что ученым известно сразу несколько видов суток и самыми близкими к привычным 24 часам являются средние солнечные сутки. Примерно с 1970-х годов для определения точного времени ученые используют атомные часы, которые способны измерять время с точностью до миллисекунд. Если смотреть на эти часы, то в сутках далеко не всегда оказывается 24 часа. Обычно наша планета крутится медленно и для совершения круга требуется чуть больше времени. Иногда ученые даже приходили к выводу, что с каждым годом Земля кружится все медленнее. Но 19 июля 2020 года Земля совершила оборот вокруг своей оси за рекордное время. Точная причина этого явления пока неизвестна, но оно может стать причиной возникновения некоторых проблем.

Читайте:  Короткие сказки о любви к природе

Вращение Земли вокруг оси

О необычном явлении было рассказано в издании The Telegraph. Впервые за историю наблюдений Земля вращалась не медленнее обычных 24 часов, а быстрее. Так, 19 июля 2020 года оказался одним из самых коротких дней в истории. Он оказался на 1,4602 миллисекунды короче, чем обычно. Многим может показаться, что тысячная доля секунды это ничтожный показатель. Вот уж действительно — даже при моргании человек закрывает глаза на 400 миллисекунд, что гораздо больше этого показателя. Но ученые считают, что у внезапного ускорения вращения Земли вокруг своей оси могут быть неприятные последствия.

Смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли

Оно не должно сказаться на здоровье людей и состоянии природы. Но за всю историю человечество создало множество устройств, работа которых строго зависит от времени. В качестве примера можно привести спутниковую навигацию GPS, которая на момент своего изобретения в далеком 1973 году использовалась только в военных целях. Но на данный момент от него зависит движение автомобилей и просто передвижение людей. Если Земля вдруг начнет крутиться быстрее, точность определения местоположения может заметно ухудшиться. А это может стать причиной серьезных последствий, вплоть до возникновения аварий.

Почему меняется скорость вращения Земли?

Из-за чего именно в прошлом году Земля совершила рекордно быстрый оборот вокруг своей оси, ученым до сих пор неизвестно. Они они прекрасно знают, что на это может повлиять огромное количество различных факторов. Иногда скорость изменяется из-за притяжения Луны. Но на этот показатель также может повлиять такие неочевидные факторы, как количество выпавшего снега в полярных регионах планеты. Более того, скорость вращения Земли может измениться даже из-за листопадов в лесах России и Канады.

На скорость вращения Земли может повлиять даже листопад

Ученые пока не пришли к единому мнению насчет того, как им нужно реагировать на необычное явление. Возможно, это действительно разовое событие и беспокоиться совершенно не о чем. Ведь в прошлом году наша планета действительно претерпела множество изменений. Как минимум, из-за связанного с пандемией коронавируса карантина, многие люди сидели дома и воздух в городах стал чище. Это тоже могло стать весомым фактором, повлекшим за собой внезапное ускорение вращения Земли. Свой вклад могли внести и пожары, которые в 2020 году особенно сильно полыхали в Калифорнии. Ведь, если вы помните, из-за огня даже небо окрашивалось в красный цвет и все происходящее было похоже на конец света.

Пожары в Калифорнии действительно выглядели как конец света

Также есть вероятность, что Земля периодически сама по себе ускоряется и это для нее совершенно нормально. Такие ускорения могли происходить и раньше, просто люди не замечали этого. Ведь, внимание, речь идет о миллисекундах. Большую часть времени мы не замечаем даже когда моргаем. А тщательное слежение за временем началось только во второй половине XX века. И нам предстоит многое узнать о нашей планете и времени, которая на ней протекает.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш Telegram-канал. Там вы найдете анонсы свежих новостей нашего сайта!

Источник

Эпоха Ускорения

Прежде чем стать директором британского научно-исследовательского института, бывший выпускник физфака Новосибирского государственного университета Андрей Серый прошел немалый путь. Сначала работа в Новосибирском Академгородке, в Институте ядерной физики СО РАН, затем в филиале ИЯФ в Протвино. До того, как А. Серый в 1999 г. был приглашен на работу в Стэндфордский центр линейных ускорителей (Калифорния, США), он успел поработать в Центре атомной энергии под Парижем и в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми около Чикаго. В 2008 г. за вклад в разработку линейного коллайдера он был избран членом Американского физического общества, а через два года возглавил Институт ускорительной физики, названный в честь известного британского физика Джона Адамса, бывшего одним из генеральных директоров ЦЕРНа. Свои исторические и научные «корни» Андрей Серый не забывает, проявляя в своей заботе порой и юмор: в часности, вместе с женой, выпускницей ФЕНа НГУ, они учредили стипендию для успешных студентов университета, но только для женатых пар с двух факультетов – ФФ и ФЕН

Одним из самых зрелищных явлений, наблюдаемых невооруженным глазом, является метеорный поток – широкий пылающий след, оставляемый мельчайшими крупинками вещества. Еще более удивительно полярное сияние, вызываемое столкновением с атмосферой субатомных элементарных частиц, разгоняемых Солнцем. Космические лучи – элементарные частицы крошечной массы, которые входят в земную атмосферу с энергией крикетного мяча, – наблюдать гораздо труднее, да и механизм их ускорения пока остается загадкой. Однако в земных условиях люди научились разгонять элементарные частицы в искусственных ускорителях, что дало возможность не только изучать фундаментальные основы мироздания, но и открыло перспективы для создания новых технологий.

На сегодня энергия элементарных частиц, получаемая в ускорителях, не достигает и миллионной доли самых «энергичных» космических частиц, однако физики и инженеры не отстают от природы: они создали методы одновременного ускорения многих и многих миллиардов частиц, при этом научившись фокусировать их поток и сжимать его до крошечных размеров. Так, одна из самых амбициозных современных ускорительных установок – Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе – ускоряет протонные пучки до энергии, эквивалентной энергии Боинга-747 в момент взлета, при том что эта энергия сосредоточена в «точке» диаметром тоньше человеческого волоса.

Тот факт, что мы, следуя примеру великой эпохи Возрождения, готовы в настоящее время посвятить столько усилий изучению самых фундаментальных основ природы и вкладывать огромные средства в ускорители и другие машины, делающие подобные исследования возможными, служит признаком цивилизованного общества. Безусловно, существует также множество практических задач, которые требуют внимания «ускорительных» ученых. И в данном случае наука и практика вполне совместимы: поддержка фундаментальных исследований обеспечивает создание установок и технологий, пригодных для широкого использования, в то же время стимулируя обучение специалистов, способных вести исследования, нацеленные на будущее.

Ежегодно десятки миллионов людей пользуются диагностикой и лечением с помощью ускорителей заряженных частиц, а рыночная стоимость всей продукции, произведенной за год с их помощью, составляет более 500 млрд долларов (Accelerators for America’s Future, DOE, 2009). Ускорительная техника использовалась и в трети всех исследований, удостоенных Нобелевских премий по физике (Chao et al., 2010)

К исследовательским центрам Великобритании, в которых занимаются подобными работами, относятся Институт ускорительной физики им. Джона Адамса (JAI) и его аналог на северо-западе Англии Институт ускорительной физики и технологии им. Кокрофта (CI), созданные в 2004 г. Оба эти института являются достаточно уникальными организациями, так как они созданы на базе нескольких университетов. Так, Институт им. Джона Адамса был первоначально организован Оксфордским университетом и Лондонским университетом Ройял Холлоуэй, а с 2011 г., благодаря усилиям нынешнего директора JAI, партнером центра стал и Имперский колледж Лондона.

«В нашем институте работает 25 профессоров, остальные – “постдоки” и аспиранты. Все вместе (около 80 человек) мы составляем большую “ускорительную” команду; администраторов, конструкторов и других технических работников предоставляют Оксфордский университет, Имперский Колледж и Ройал Холлоуэй. Университеты берут на себя и все заботы по патентованию, публикациям, грантам и т.д., поэтому сами ученые освобождены от рутинной работы по поддержке своих исследований. Однако такая академически свободная атмосфера не означает, что мы делаем то, что пожелаем, – мы прислушиваемся и к советам независимых экспертов.
Периодически, раз в несколько лет, создается комиссия приглашенных экспертов, которой мы предоставляем отчет о том, что сделано и что планируется сделать. Есть разные критерии оценки работы ученых, и это не только число публикаций. Кстати сказать, в ускорительной физике не бывает очень уж много публикаций. Есть даже такая шутка: “мы публикуемся в железе и бетоне”. Наши установки – это и есть наши публикации. И комиссии, которые нас оценивают, это понимают.
Что же касается финансирования института, то примерно треть его составляет зарплата профессоров – это постоянная стабильная часть. Еще одна треть – это базовое финансирование от британского аналога российского Министерства образования и науки, и для его продления требуется один раз в несколько лет предоставлять отчет и планы на будущее. Последнюю треть финансирования составляют гранты, проекты, договоры, сотрудничество с компаниями и т.д. – и за эти деньги нам приходится бороться почти ежедневно, преодолевая большую конкуренцию, естественную для современной науки»

Институт им. Джона Адамса работает в тесном сотрудничестве с известными британскими и международными исследовательскими организациями, в том числе с ЦЕРНом, Резерфордовской лабораторией и синхротронным центром «Даймонд», а также с промышленными предприятиями. Новые ускорители для фундаментальных наук разрабатываются здесь одновременно с системами, имеющими медико-биологические и промышленные приложения. JAI получил международную репутацию также в качестве центра подготовки следующего поколения физиков-ускорительщиков для национальных исследовательских лабораторий и промышленных производств.

«Перекрестное опыление»

Не всегда возможно предугадать, какие из инновационных результатов, полученных при разработке новых ускорителей частиц для фундаментальной физики элементарных частиц, могут иметь практические приложения в других областях науки, медицины или техники. Кто бы мог предвидеть, к примеру, что попытки наладить информационную коммуникацию в рамках такого глобального научного проекта, как ЦЕРН, могут привести к созданию «всемирной паутины» – Интернета, который сейчас буквально захватил весь мир? А на основе самых продвинутых детекторов элементарных частиц удалось создать лучшие масс-спектрометры для химических и биологических исследований.

Читайте:  Классификация комнатных папоротников и сколько видов существует на земле

Примером современной научно-технической проблемы является создание, накопление и фокусировка пучков таких короткоживущих элементарных частиц, как мюоны. Эти частицы нестабильны по своей природе, однако в будущем они могут быть использованы для создания относительно компактных ускорителей следующего поколения. А методы фокусировки мюонных пучков, которые сегодня активно исследуются в Институте им. Джона Адамса, как оказалось, могут иметь интересные приложения и в медицине.

Так, идеи, возникшие в ходе разработки мюонного коллайдера, вдохновили исследователей на разработку новой конструкции устройства для антираковой терапии. В наши дни для этого чаще всего используются ускорители электронов, которые и генерируют рентгеновское излучение, направленное на уничтожение клеток опухоли. В более современном методе терапии вместо электронов используются протоны или даже легкие ионы, что позволяет вести по опухоли более «прицельный огонь» и облучать как можно меньший объем окружающих здоровых тканей, сводя к минимуму поражение чувствительных органов. С помощью методов, разрабатываемых сегодня в JAI, эти ионные пучки могут быть направлены более точно и действовать более эффективно.

Степень «перекрестного опыления» между научными исследованиями в JAI и в промышленности можно проиллюстрировать еще массой примеров. В частности, исследования когерентного излучения электронных пучков стимулировали создание компактных терагерцовых источников с потенциальными приложениями в области информационных технологий, в биологических и медицинских науках. А методика измерения абсолютного расстояния, разработанная в ходе конст­руирования линейных коллайдеров, сейчас интегрируется в метрологический инструмент, которым будут пользоваться не только для калибровки станков с ЧПУ и геодезических инструментов, но даже для контроля деформации корпусов авиалайнеров.

Рентгеновский «взгляд»

Все более важную роль в ускорительной физике начинают играть лазеры. Разработанные в JAI лазерные методы диагностики электронного пучка позволят измерять его свойства, не разрушая ни пучок, ни сам детектор. Но еще более интересные результаты ожидаются при использовании лазеров, которые будут управлять самим процессом ускорения.

Сегодня обычные лазеры видимого света с длиной волны излучения около полмикрона можно встретить почти везде – от проигрывателя компакт-дисков до магазинных сканеров. Но ускорительная физика и техника позволяют создать рентгеновские лазеры с длиной волны субнанометрового диапазона: их излучение из-за малой длины волны незаменимо для анализа структуры биологических макромолекул, новых материалов, анализа быстропротекающих процессов. Источником таких высокоэнергичных фотонов служат релятивистские электроны, получаемые в ускорителях. И основными препятствиями, которые сдерживают широкое использование таких рентгеновских лазеров, являются их размеры и высокая стоимость (например, LCLS, запущенный в калифорнийской ускорительной лаборатории SLAC, имеет длину около километра и стоимость – около 500 млн долларов).

Обычные ускорители, как известно, основаны на механизме ускорения частиц в резонаторах – металлических сосудах определенной формы, способствующей возникновению условий для создания ускоряющих полей. Но способность металлов выдерживать сильные электромагнитные поля ограничена из-за возможных электрических пробоев и разрушения стенок резонатора. Однако в плазме, возникающей в потоке газа под воздействием интенсивного пучка частиц или лазерного импульса, можно создать подходящую для ускорения волну, амплитуда которой не будет ограничена пробоями, ведь плазма – это материал, который сам по себе уже «разрушен». Сильное электрическое поле в плазменном «кильватерном» следе (подобном тому, что оставляет корабль на поверхности моря) позволит ускорять частицы до высоких энергий на гораздо меньших расстояниях, чем в обычном ускорителе. Прямое столкновение пучка частиц и лазерного света открывает еще одну возможность в отношении создания рентгеновских источников света благодаря использованию эффекта Комптона (когда фотоны видимого света отражаются от релятивистских электронов, уменьшая длину своей волны до субнанометрового уровня).

Самый очевидный результат взаимодействия ускорительной физики с лазерной и плазменной физикой – создание новых компактных рентгеновских лазеров и источников света. Первый, более простой тип комптоновских рентгеновских источников в настоящее время уже активно разрабатывается, а для более сложного потребуется сверхпроводящий ускоритель с рекуперацией энергии, который обеспечит значительно более сильный поток электронов и, соответственно, более высокую рентгеновскую яркость. Наконец, наиболее сложной, но и самой перспективной задачей является создание лазера на свободных электронах на основе лазерно-плазменного ускорения. Сложность этой задачи очень высока, но и возможный выигрыш от ее решения огромен, что вдохновляет и JAI, и другие исследовательские группы во всем мире работать над этим многообещающим направлением.

Вопросами взаимодействия лазерного света, плазмы и пучка ускоренных частиц сегодня занимаются в различных научных организациях по всему миру. В том числе с участием сотрудников Института им. Джона Адамса уже удалось достичь темпа лазерно-плазменного ускорения, превышающего темп ускорения в стандартных ускорителях в тысячу раз, и начать использовать ускоренные пучки для генерации излучения для медицинских приложений.

Уже первые полученные результаты свидетельствуют, что плазменные ускорители являются очень яркими источниками рентгеновского излучения, которое характеризуется такими уникальными свойствами, как сверхкороткая длительность импульсов (несколько фемтосекунд) и чрезвычайно малый размер излучающей области (доли микрона). Все это дает возможность достижения гораздо более высокой точности временного и пространственного разрешения по сравнению с существующими источниками.

Появление нового семейства компактных плазменных ускорителей даст возможность и университетам, и промышленным лабораториям самостоятельно проводить исследования в биологии, медицине и материаловедении, которые доступны сегодня только в крупных технологических центрах.

Да будет свет!

Одна из важных функций Института Джона Адамса – просветительская. Донести восхищение наукой и понимание ее, пусть и на простом уровне, до широкой аудитории – это не просто одна из многих задач института, но одна из основных официально прописанных целей его работы.

В мире науки и инноваций «долиной смерти» называют трудно преодолимый барьер между самой наукой и промышленностью. Суть проблемы и противоречия здесь в том, что, с одной стороны, для производства нужен готовый образец, так как воплотить на практике «сырую» идею трудно, да и коммерческий риск может в этом случае оказаться слишком высок. Но, с другой стороны, создание образца, готового к производству, как правило, не входит в задачу ученых. Поэтому путь от идеи и экспериментальных демонстраций до коммерческих приложений очень тернист. Трудность представляет собой наведение «моста», т. е. продвижение технологиче­ски готовых научных идей от научно-исследовательских институтов до промышленных предприятий. Для решения этой общемировой проблемы применяются разные подходы, чтобы привлечь инвесторов и довести какое-то интересное решение до промышленного использования. В частности, в нашем институте мы пытаемся преодолеть эту проблему, работая одновременно над несколькими вариантами компактных источников излучения

Сотрудники института постоянно стремятся к тому, чтобы сделать ускорительную физику доступной и привлекательной для самой широкой публики, прежде всего для детей, школьных учителей, представителей других наук и промышленности. Ведь мало кто знает, что ускорители частиц встречаются в нашей повседневной жизни гораздо чаще, чем можно было бы подумать. Их широко применяют в областях, весьма далеких от физики: от уничтожения раковых опухолей, дезинфекции медицинских средств и продуктов питания до выявления подделок произведений искусства!

Среди популяризаторской деятельности JAI стоит отметить уникальное захватывающее шоу для школьников «Ускоряйтесь!» с использованием пляжных мячей, жидкого азота и огромных огненных шаров, с помощью которых проводят демонстрацию работы ускорителей; ежегодный музыкальный фестиваль, на котором концерты совмещаются с научными лекциями, а также «Призыв» – ежегодная летняя школа для учителей физики старших классов, где они получают представление о работе Большого адронного коллайдера и других подобных ускорителей и даже могут иметь возможность изготовить простую модель ускорителя либо пузырьковой камеры из подручных средств.

Сотрудники института периодически читают лекции в школах, готовят научно-популярные публикации, и все это при относительно небольшом штате, большую часть которого составляют аспиранты. К этому нужно добавить, что институт выпускает в научную жизнь ежегодно около 5—8 специалистов квалификации PhD (доктор философии) – примерно столько же, сколько признанный мировой центр в области ускорителей – новосибирский Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера, где работает около 3 тыс. человек. «Производство» высококвалифицированных специалистов с глубокими теоретическими знаниями, практическими навыками и гибким умом – важнейшая задача JAI.

Мир ускорительной физики должен работать как единый организм, в котором фундаментальные и прикладные компоненты находятся в равновесии. Физик, который думает о кварках и космических лучах, может в следующую минуту стать инноватором, обдумывающим создание настольного рентгеновского аппарата для больниц или промышленности.

Следуя этому принципу, Институт ускорительной физики Джона Адамса полон решимости довести свои фундаментальные исследования до промышленного применения уже в ближайшем будущем. Мы надеемся, что наши исследования помогут создать компактные источники синхротронного излучения, основанные на принципе синергии лазеров и новых ускорителей, которые будут способны революционизировать всю область ускорительной физики и ее приложений, подобно тому, как это случилось с лазерами видимого света, подстегнувшими науку и промышленность в XX в. В частности, создание очень компактных источников рентгеновских импульсов – первое практическое приложение плазменных ускорителей – может стать вдохновляющим примером преодоления «долины смерти», лежащей между ускорительной наукой и технологическими инновациями.

«Как научный результат превратить во что-то вещественное и полезное? Этим вопросом я серьезно заинтересовался совсем недавно. Раньше, когда занимался чисто фундаментальной наукой, меня это волновало гораздо меньше. Может быть, этот вопрос пришел с возрастом, может быть, вместе с ответственностью в связи с теперешней должностью.
Пройти весь путь от научной идеи до реализации – это вызов. Хочется понять, как правильно выбрать те проекты, которые стоит довести до логического завершения и как этого добиться.
Мы стараемся ориентировать своих сотрудников на такие практические задачи, мотивировать их. Например, есть идея создать новый рентгеновский источник, но его параметры могут варьироваться в широком диапазоне – он может работать на материаловедение, на медицину. Какие параметры выбрать и как сделать его более компактным? Или, к примеру, как сделать, чтобы он лучше прочих смог диагностировать какой-то вид рака? И после того, как сама идея созрела, начинается тот длинный путь, который требует и времени, и сил, и ресурсов. Для начала нужно найти один, наиболее выигрышный вариант. И если он заработает, можно будет делать различные версии этого инструмента. Но все же сначала нужно эту первую тропинку протоптать.
А вообще у нас есть сильная мотивация и от правительства, и от университетов: пытаться в первую очередь смотреть на те вещи, которые можно осуществить на практике, искать реальные приложения и возможности их реализовать»

Источник