Ряд физиков настаивает, что пришло время отказаться от концепта темной материи
MOND вместо классической теории гравитации Ньютона
Мы можем довольно точно смоделировать движение планет в Солнечной системе, используя законы физики Ньютона.
MOND и проблемы с теорией гравитации Ньютона
В начале 1970-х годов ученые заметили, что старые методы не работают для дисковых галактик - звезды, расположенные вдали от гравитационного центра, двигаются гораздо быстрее, чем предсказывает теория Ньютона.
Это обстоятельство заставило физиков предположить, что невидимая субстанция, называемая "темной материей", обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, заставляя звезды ускоряться. И теория мгновенно стала очень популярной.
Однако астрономические наблюдения, - если брать обширные выборки, - гораздо лучше объясняются альтернативной теорией гравитации, предложенной израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1982 году. Модифицированная ньютоновская динамика не требует дополнительной субстанции, тем более невидимой материи.
Основной постулат MOND заключается в том, что когда гравитация становится очень слабой, как это происходит на границе галактик, она начинает вести себя иначе, чем в классической ньютоновской физике. Анализируя массы объектов, можно объяснить, почему звезды, планеты и газ на окраинах более 150 галактик вращаются быстрее, чем ожидается. Но милгромова динамика не просто объясняет кривые вращения; во многих случаях она их предсказывает. А это уже признак верифицированной научной теории.
Философы науки утверждают, что способность прогнозировать уравнивает МОНД со Стандартной космологической моделью, которая предполагает, что во Вселенной больше темной материи, чем видимой.
Согласно Стандартной модели, галактики располагают неопределенным количеством темной материи, которое зависит от деталей ее формирования, естественно, нам неизвестных. Что, в свою очередь, означает: невозможно предсказать, как быстро должны вращаться галактики. Но такие предсказания регулярно делаются при помощи теории модифицированной гравитации, и до сих пор они подтверждались.
Представьте себе, что мы знаем распределение видимой массы в галактике, но еще не знаем скорости ее вращения. В стандартной космологической модели можно было бы лишь с некоторой уверенностью сказать, что скорость вращения окажется между 100 км/с и 300 км/с на окраинах звездной системы. MOND делает более точное предсказание: скорость вращения должна быть в диапазоне 180-190 км/с.
Если наблюдения покажут скорость вращения 188 км/с, искомый показатель будет соответствовать обеим теориям - но очевидно, что модифицированная динамика выглядет предпочтительнее.
Современная версия бритвы Оккама - простейшее решение удобнее сложного. То есть мы должны объяснять наблюдения с помощью как можно меньшего количества "свободных параметров". Свободные параметры - это константы - определенные числа, которые мы подставляем в уравнения, чтобы они работали.
Но они не задаются самой теорией - нет причин, по которым они должны принимать конкретное значение. Поэтому мы их измеряем наблюдательно. Примером может служить гравитационная постоянная G в теории гравитации Ньютона или количество темной материи в галактиках в рамках стандартной космологической модели.
На самом деле хорошая теория делает четкие предсказания, пусть даже подтверждаемые со временем. Проблема в том, что не все теоретические выкладки, не смотря на развитие науки и техники, проверяемы в режиме реального времени.
Плохая теория — это та, которая изначально предполагает свою непроверяемость. Как с Большим Взрывом — чтобы ее проверить, нужно воссоздать «биг-бум». Согласитесь, задача несколько трудоемкая. Но это не значит, что ее отдельные положения не «работают», а значит физика как наука развивается.
Почему галактики так быстро вращаются?
Один из самых поразительных провалов Cтандартной космологической модели связан с объяснением "галактических баров" - стержнеобразных ярких областей, состоящих из звезд, расположенных в ядрах спиральных галактик.
Такие полосы вращаются с течением времени. Если бы галактики были заключены в массивные ореолы темной материи, мы наблюдали бы замедление вращения. Однако "подопытные" галактики вращаются достаточно быстро. Вывод?
Другая проблема заключается в том, что в первоначальных моделях, предполагавших наличие у галактик ореолов темной материи, была допущена большая ошибка - они предполагали, что частицы ТМ обеспечивают гравитацию окружающей материи, но не подвержены гравитационному притяжению обычной материи. Явна манипуляция, чтобы упростить расчеты, но не описать реальность.
Когда ошибку исправили в последующих симуляциях, стало ясно, что ореолы темной материи вокруг галактик не позволяют достоверно объяснить гравитационные свойства звездных систем.
Причина популярности Стандартной космологической модели заключаться в лени: всегда проще объяснить математические ошибки ограниченностью наших знаний.
Сказывается и обычный консерватизм: академическое сообщество не хочет вносить изменения в теорию гравитации, которая вроде как успешна во многих областях физики.
Но та же МOND не отрицает теорию гравитации Ньютона. Она лишь говорит о ее ограниченности и если мы исследуем макрообъекты, то не должны ограничиваться гравитационными привычками Солнечной системы.
ß
Ложные окаменелости на Маре: почему даже ученые могут принять камни за следы древней жизни
Если марсоходы и обнаружат на Красной планете следы окаменелых организмов, эта находка легко может оказаться фейком
Среди многочисленных целей марсохода Perseverance первое подробное исследование Красной планеты стоит в приоритете. Роботу-исследователю было поручено найти признаки древней микробной жизни на пыльном и сухом Марсе. Крошечные ископаемые остатки могут свидетельствовать о том, что эта планета когда-то была обитаема.
Это действительно было бы поразительным, невероятным открытием, но в новой статье ученые призывают к осторожности при интерпретации того, что именно мы находим или можем найти в недрах марсианского грунта. По словам астробиолога Шона МакМахона из Эдинбургского университета и геобиолога Джули Космидис из Оксфордского университета в Великобритании, ученым придется следить за небиологическими месторождениями минералов, которые чертовски похожи на окаменелости.
В своей работе пара описала десятки небиологических или абиотических процессов, которые могут производить псевдокаменелости — структуры, похожие на окаменелости микроскопических организмов, которые, возможно, когда-то в самом деле существовали на Марсе. «На каком-то этапе марсоход почти наверняка найдет что-то, что очень похоже на окаменелость, поэтому возможность уверенно отличить их от структур и веществ, образованных в результате химических реакций, жизненно важна», — отметил МакМахон.
«Для каждого типа окаменелостей существует по крайней мере один небиологический процесс, который создает очень похожие вещи, поэтому существует реальная потребность в улучшении нашего понимания того, как именно они образуются».
В этом нет ничего удивительного. Марс — абсолютный праздник парейдолии, а потому конспирологи торжествуют. Вы знали, например, что на Красной планете уже находили не только лица, но даже змей и насекомых?
Многие физические процессы, связанные с выветриванием и отложением осадочных слоев, могут привести к образованию горных пород, которые устрашающе похожи на окаменелости. Другой механизм появления подобных «фейков» — это смешивание природных химикатов, которое может создавать структуры, очень похожие на окаменелую органику. Многие различные типы минералов на Земле формируют соединения, известные как биоморфы, как раз благодаря поразительному внешнему сходству с реальными окаменелостями. Вот примеры:
Даже текстура камня может выглядеть как слепок некоего древнего организма. Соотношения изотопов различных элементов также могут казаться похожими на соотношения изотопов в биологических веществах.
Поскольку мы не знаем, какая жизнь могла возникнуть на Марсе — она может сильно отличаться от жизни здесь, на Земле — и поскольку, как отметили МакМэхон и Космидис, существует много пока неизвестных процессов, которые могут производить псевдоокаменелости, поиски должны быть предельно осторожными.
Суперклей для космических станций: выдерживает 1000 градусов
В клее, разработанном американскими и китайскими учеными совместно с инженерами ВВС США, взято за основу устройство лап геккона. При этом вещество не теряет своих свойств при температуре, свойственной жидкому азоту, а на жаре становится еще более клейким.
Сухой клей представляет собой двухстороннюю ленту, которая наносится на рабочую поверхность. Он состоит из вертикально расположенных углеродных трубочек, увенчанных узлами, повторяющими микроскопические волоски на лапках геккона. Клей остается стабильным при температуре от -160 градусов по Цельсию до 1000 градусов. Благодаря таким особенностям материал идеально справляется с работой в космосе, где перепад температур особо выражен. Вдобавок клей проводит тепло и электричество, и они даже усиливают его свойства.
Насколько же сильно он склеивает предметы? Соединенные с помощью такой ленты два слоя медной фольги при комнатной температуре обладают силой сцепления равной 37 ньютонам на квадратный сантиметр, что примерно равно показателям обыкновенной двухсторонней клейкой ленты. Вот только в отличие от последней новый клей не теряет сцепления даже при -160 градусах, а при температуре в 420 градусов его сила и вовсе удваивается. Последнее происходит от того, что вертикальные нанотрубки при таком экстремальном нагреве образуют паутиноподобные структуры, которые еще больше проникают в разогретую поверхность материала и удерживают его.
В испытаниях клей выдержал более 1000 циклов резкого изменения температуры от экстремального холода к жаре.
ß
Билет на Марс: когда мы сможем путешествовать в космосе
Еще Циолковский говорил: «Земля – колыбель разума. Но нельзя же вечно жить в колыбели». На данный момент человечество как вид представляет собой ребенка, который только-только научился ходить, но уже делает свои первые шаги в космическом пространстве.
Исследование других планет способно значительно расширить возможности человека. Кто знает, возможно, именно на одной из близлежащих планет находится важный ископаемый ресурс, который изменит нашу жизнь?С другой стороны, масштабные космические миссии требуют создания новых технологий. Нужны материалы прочнее и легче, более эффективная энергетика, топливо помощнее, новые системы жизнеобеспечения. Позже эти технологии придут и в нашу повседневную жизнь, и в другие сферы науки.
Например, американская лунная программа «Аполлон» позволила учёным открыть материалы, которые используются в кардиостимуляторах, огнеупорных элементах одежды, дыхательных масках и т.д. Многие технологии пришли и в повседневную жизнь – беспроводные пылесосы, стельки для обуви, тефлон, сублимированная еда и многое другое.
Плюс ко всему — нам не помешает запасная планета.
Какие проблемы нужно решить человеку, чтобы полететь на Марс?
Прежде всего, это проблемы технологий. Первая проблема – энергетика.Чтобы долететь до Марса, космический корабль нужно разогнать до скорости около 16.2 км/с (около 60 тыс км/ч). Но как достичь такой скорости?
Для того, чтобы разогнать космический аппарат и вывести его на орбиту, ученые используют принцип реактивного движения. По сути, этот принцип ощущал каждый, когда играл с воздушными шариками. После того, как мы надули шарик, в нем находится воздух под давлением. Если мы его отпустим, то воздух полетит в одну сторону, а сам шарик — в другую. Это и есть принцип реактивного движения: частички тела летят в одну сторону, а тело — в другую.
Ракеты летают именно на таком принципе. Из-за особого строения сопла двигателя возникают огромные скорости исходящего топлива, что, в свою очередь, и разгоняет ракету до таких огромных скоростей.
Именно так и летают сейчас ракеты, которые отправляют корабли на МКС на высоту 400 км от Земли (для этого корабль разгоняют до скорости примерно 8 км/с).
К слову, ракета-носитель Союз весит примерно 300 тонн, из них около 270 тонн – топливо. Да, космонавты летают на огромной бочке с топливом.
Разогнать корабль до скорости 60 тыс км/ч и отправить его в путешествие на Марс на 55 млн км нелегко, для этого нужна огромная ракета. Такие сверхтяжелые ракеты уже разрабатываются — например, «Енисей» от Роскосмоса, «Чанчжэн-9» Китайского космического агентства, SLS от NASA и Starship компании SpaceX. Быстрее всего, кстати, продвигаются работы у SpaceX. Уже в 2024 году Маск обещает осуществить беспилотный полёт на Марс.
Космический корабль. Пилотируемый полёт на Марс по оптимальной траектории только в одну сторону составит около полугода. Для такого длительного полёта нужен большой корабль, в котором люди смогут комфортно жить, тренироваться, работать и отдыхать. А ракета внушительных размеров требует еще большей энергетики и топлива.
Решением тут может быть модульность – МКС ведь тоже создавалась по частям из относительно небольших блоков, а сейчас – это грандиозное сооружение в космосе, соизмеримое с размером футбольного поля. Возможно, и будущие космические корабли будут создавать по частям на орбите Земли из небольших блоков на небольших ракетах, а потом уже их начнут отправлять на другие планеты.
Полёты на другие планеты Солнечной системы довольно длительны. Полёт на Марс в одну сторону составит около полугода, поэтому важный момент в таком путешествии — обеспеченность ресурсами. Если экспедиция состоит из 7 космонавтов, и каждый из них требует по 1 тонне еды и воды в год, то только 7 тонн будут весить продукты (корабль Союз, на котором космонавты летают на МКС, весит около 7 тонн, а для отправки на МКС используется ракета массой около 300 тонн).
Возможно, часть продуктов отправят попутным рейсом, чтобы не хранить все на корабле, и часть ресурсов будет ждать на Марсе. Здесь может спасти та же модульность.
Радиация. На Земле нас спасает от радиации сильное магнитное поле. Такого магнитного поля ни во время полёта, ни на Марсе нет (на Марсе магнитное поле гораздо слабее земного). Кстати, на Марсе от радиации может спасти марсианский грунт – согласно исследованиям Института медико-биологических проблем Российской академии наук, слой марсианского грунта глубиной несколько метров снизит уровень радиации до допустимого.
Перегрузки. Область моей научной работы – исследование схем возвращения с других планет. И здесь, оказывается, тоже есть проблемы. Для возвращения на Землю космическому кораблю нужно существенного снизить скорость. Это можно сделать с помощью ракетных двигателей — однако такой вариант сложный и дорогой (нужно тащить кучу топлива на Марс, чтобы использовать его на обратном пути). Для снижения скорости можно использовать естественный физический процесс — торможение об атмосферу. Однако тут появляется еще одна нетривиальная проблема: из-за больших скоростей входа возникают существенные перегрузки (больше 25-30 единиц, которые могут быть смертельны для человека).
Решить этот вопрос может эффект рикошетирования об атмосферу. Космический аппарат при определенных условиях будет отскакивать от атмосферы, как камешек, когда мы кидаем «блинчики» по воде, и постепенно снижать свою скорость на каждом погружении. Подробнее об этом эффекте рассказано в видео.
Все эти технические проблемы решаемы, если ими серьезно и целенаправленно заниматься, если будут вложены деньги на развитие существующих технологий.
Но есть и проблемы биологические – сможет ли человеческий организм выдержать сложную и длительную миссию? На МКС такие длительные годовые полеты уже бывали. Для такой миссии космонавты долго тренировались до полета, а после – проходили процесс реабилитации. Биологические проблемы решаются постоянными тренировками своего организма в процессе полёта и развитием систем жизнеобеспечения кораблей и станций.
Сложность представляет также жизнь в замкнутом пространстве на станции. Что-то похожее мы все ощутили во время карантина на дистанционке.
В отличие от полётов на околоземной орбите вблизи Земли, решения на другой планете придётся принимать самостоятельно из-за задержки связи с Землей. Как мы знаем, радиосигнал в вакууме перемещается со скоростью света, а скорость света ограничена. Из-за этого сигнал не может пролететь расстояние от Земли до Марса, например, быстрее примерно 15 минут в одну сторону.
Поэтому при общении с Землей от момента выдачи сообщения до получения ответа будет проходить примерно полчаса. При нештатных ситуациях столько ждать не получится, и эта задержка сигнала - большая проблема, потому что даже при работе на Международной космической станции практически без задержки связи огромное количество людей поддерживает и сопровождает работу космонавтов.
Но самая главная опасность – неизведанность. Любая космическая миссия крайне сложная и наукоёмкая. Предусмотреть всё практически невозможно, поэтому даже на МКС, которой уже около 30 лет, возникают непредвиденные ситуации. Другие планеты мы знаем еще хуже. Их исследуют с помощью роботов – по сути, высокотехнологичных машинок на пульте управления: какие-то общие знания о планетах мы имеем, но для фундаментальных исследований этого недостаточно (разве можем мы с помощью машинки на пульте управления полностью исследовать новый материк?). В таких условиях космонавтам придется самим принимать решения в непредвиденных ситуациях, не всегда будет хватать средств и оборудования.
Когда же мы все-таки сможем полететь на Марс?
Ряд проблем уже решаются – строятся новые корабли и ракеты. Илон Маск обещает завершить разработки к 2024 году, сейчас продолжаются исследования способов защиты от радиации в полете и на Марсе, я изучаю возможные способы посадки. Также проводятся эксперименты, моделирующие межпланетные полёты для исследования биологических проблем. Работа ведется. И хочется верить, что хотя бы через 15-20 лет, профессиональные космонавты все-таки побывают на Марсе.
С учетом «бума» полёта космических туристов в этом году, можно рассчитывать, что как только полёты профессиональных космонавтов на Марс станут регулярными, сфера космического туризма тоже предоставит услуги полётов на другие планеты, ведь спрос уже велик. Надеюсь, что уже через 30-45 лет полёты на другие планеты станут доступны для каждого из нас, и мы будем летать в отпуск не на море, а на Марс!
Свежие комментарии