Что показывает маятник Фуко
Маятник Фуко – это устройство, используемое для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли, которое ответственно за постепенный поворот плоскости колебаний маятника. Впервые данный эффект продемонстрировал французский физик и астроном Леон Фуко 8 января 1851 года в своём доме. Для этого был использован маятник длиной два метра, а в феврале он повторил опыт в Парижской обсерватории, удлинив маятник до 11 метров.
Первая публичная демонстрация прошла в марте 1851 года в парижском Пантеоне: под куполом Фуко подвесил металлический шар массой 28 килограммов с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 метров. Крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, а по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки.
Период колебания маятника при такой длине подвеса составлял 16,4 секунды, при каждом колебании отклонение от предыдущего пересечения песчаной дорожки составляло около трёх миллиметров. За час плоскость колебаний маятника поворачивалась более чем на 11° по часовой стрелке, то есть примерно за 32 часа совершала полный оборот и возвращалась в прежнее положение.
Маятник Фуко является математическим маятником, плоскость колебаний которого медленно поворачивается относительно земной поверхности в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Смещение маятника, установленного в произвольной точке на Земле, можно объяснить действием силы Кориолиса, которая максимальна на полюсе и отсутствует на экваторе — чем меньше широта местности, тем меньше скорость отклонения маятника.
На грани возможного: стекло, замораживающее свет
Даже в алмазе, который превосходит все природные материалы по величине коэффициента преломления, скорость света равна 125 000 км/с. Ученые полагали, что снизить ее еще больше вряд ли возможно. Однако за последние годы физики смогли замедлить свет... вплоть до полной остановки. В 1999 году гарвардские исследователи произвели мировую сенсацию, сообщив, что облучение лазером почти непрозрачного сверххолодного газа из атомов натрия в состоянии бозе-эйнштейновского квантового конденсата заставляет его пропускать свет со скоростью в 17 м/с.
До полной остановки
Руководитель эксперимента Лене Вестергаард Хау назвала это достижение результатом на грани возможного, но вскоре пошла еще дальше. В 2001 году ее группа на короткое время сначала полностью заморозила свет внутри такого же конденсата, а потом высвободила его для дальнейшего движения. Задержка составила лишь одну миллисекунду, но спустя восемь лет гарвардские физики смогли задержать свет дольше, чем на секунду.
В этом нет никакой мистики. В вакууме световые волны невозможно ни остановить, ни даже чуточку замедлить. Однако профессор Хау и ее коллеги измеряли скорости миллисекундных лазерных вспышек, скомпонованных из монохроматических волн разной частоты. При наложении друг на друга эти волны частично гасятся и частично усиливаются, в результате чего формируется короткий световой импульс, или, как говорят физики, волновой пакет. Если он движется через вакуум, все его компоненты имеют одинаковую фазовую скорость, которая есть скорость самого пакета. Однако внутри любой среды фазовая скорость зависит от частоты (известное из школьного курса физики явление дисперсии). В итоге пакет перемещается со своей собственной скоростью (ее называют групповой), которая совсем не обязана совпадать с фазовыми скоростями составляющих его волн. Бозе-эйнштейновский конденсат принадлежит к числу сред с очень сильной дисперсией и потому может замедлить световые импульсы во многие миллионы раз. Аналогичной способностью обладают некоторые менее экзотические среды, такие как горячий атомный пар и оптические волокна, допированные атомами эрбия.
Замороженный свет может хранить и переносить информацию, что также доказали Лене Хау и ее сотрудники. В 2007 году они пленили лазерную вспышку в бозе-эйнштейновском конденсате, а потом перенесли его атомы в другой такой же конденсат. Когда его облучили лазером и сделали оптически прозрачным, он породил световой сигнал — точную копию исходного лазерного импульса.
Экзотические среды, замедляющие свет, хороши для лабораторных исследований, однако если всерьез вести разговор о световых компьютерах, требуется нечто иное – компактное и работающее при комнатных температурах. Этим условиям удовлетворяют наноматериалы, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях, то есть представляющие собой трехмерные дифракционные решетки. Они называются фотонными кристаллами (ФК). Показатель преломления ФК для какой-либо длины волны определяется не материалом, из которого он сделан, а зависит от параметров наноструктуры. Изменяя эти параметры, можно, по аналогии с электроникой, получить для света ФК-проводники, изоляторы (отражающие свет) или даже полупроводники. Показатель преломления ФК может быть огромным — 100-1000 и выше, и во столько же раз можно замедлить в нем скорость распространения световых импульсов.
Фантастика
Методы получения медленного света давно уже опробованы научной фантастикой. Пионером в этом деле был американский классик Лайон Спрэг де Камп. Профессор Айра Метьюэн, герой опубликованной в 1940 году новеллы The Exalted (в русском переводе «Медведь в колледже»), смог с помощью электромагнитного излучения (!) в квадриллионы раз увеличить коэффициент преломления стержня из оптического стекла. Метьюэн даже был способен в течение часов собирать световую энергию внутри стержня и высвобождать ее за малую долю секунды — это уже что-то вроде твердотельного лазера с оптической накачкой. Еще один пример — удостоенный премии «Небьюла» рассказ Боба Шоу «Свет былого» (Light of Other Days, 1966), где «медленное стекло» с еще большим коэффициентом преломления пропускает изображения, задерживая их в себе на долгие годы. К сожалению, оба автора не обратили внимания на то, что стекло со столь исполинским коэффициентом преломления было бы совершенно непрозрачным, поскольку практически полностью отражало бы падающий свет. Фантастам не повезло и со снижением этого коэффициента. Человек-невидимка Уэллса после исчезновения преломляющей способности тканей своего организма — и, следовательно, хрусталиков обоих глаз! — просто бы ослеп.
...И не только
Фантастика фантастикой, но методы замедления света представляют несомненный интерес для фотоники. Они создают новую возможность манипулирования световыми импульсами с обширным спектром практических применений. Предположим, что на вентиль оптоволоконной системы одновременно поступает пара световых сигналов с многобитной информацией. Чтобы они не мешали друг другу, один сигнал можно задержать на входе с помощью светозамедляющего устройства (что вполне возможно уже сейчас). По всей вероятности, такие устройства станут применять для хранения и извлечения информации, в частности, в оптических компьютерах. Этим способом можно резервировать даже спутанные фотоны, что в 2008 году экспериментально показали физики из Калтеха. Не исключено, что все эти «результаты на грани возможного» — первый шаг к информационным технологиям недалекого будущего.
Для обнаружения инопланетян нужно искать суперкомпьютеры размером со звезду
Рано или поздно суперцивилизация должна создать проект, который будет виден всем. Только если не откроет новую, неизвестную нам физику
«Долгое время предполагалось, что все планеты должны быть населены, — говорит Андерс Сандберг. — По мере развития науки люди решили, что, может быть, мы одни во Вселенной». Но за последнее десятилетие взгляд на жизнь во Вселенной стал более оптимистичным. В 2014 году начали находить планеты размером с Землю возле других звезд. Следовательно, разумная жизнь тоже может быть обычным явлением, считают члены проекта поиска внеземного разума SETI.
Большинство исследователей SETI — практики в области физики и астрономии. В частности Сандберг внес большой вклад в теорию гипотетических инопланетных мегаструктур, называемых сферами Дайсона, и в настоящее время пишет о них книгу. Он стал одним из ученых ищущих небесные сферы — компьютеры размером со звезду.
Но он не был первым ученым, предложившим искать подобные объекты. В 1960 году физик Фримен Дайсон предположил, что мы можем обнаружить инопланетные цивилизации, находя артефакты, которые они создадут. Это, например, огромная электростанция, которая окружает звезду, возле которой существует цивилизация. Его рассуждения были просты: развитой цивилизации потребуется энергия, причем в огромных количествах.
Согласно законам физики, большая часть энергии в солнечной системе исходит от звезды. Поэтому разумные инопланетяне обязательно воспользуются этим в определенный момент своего развития.
В 1999 году Сандберг написал замечательную статью, в которой предложил концепцию подобной структуры. Он писал, что сферы Дайсона будут использоваться для питания компьютеров размером со звезду. «Главный вопрос: для чего вы используете сферу Дайсона? И я думаю, вы можете найти ей множество самых разных применений. Сбор энергии — это лишь одно из них». Также это может быть место для жизни.
Но гипотеза суперкомпьютера показалась ученому одной из самых привлекательных. Сандберг предполагает, что сферический суперкомпьютер Дайсона будет управляться искусственным интеллектом. В своей статье 1999 года он шутливо назвал эти суперкомпьютерные формы жизни «мозгом Юпитера».
Сфера Дайсона будет нагреваться звездой, заставляя ее светиться инфракрасным светом. Благодаря этому их будет видно на больших расстояниях, уверен Сандберг.
«Мы провели более точные научные исследования и поняли, что да, их (сферы Дайсона) можно построить, — говорит Сандберг. — Если мы найдем сферу Дайсона, то поймем, что суперцивилизации возможны. Это важно и говорит о том, что некоторые цивилизации могут объединяться для создания невероятных проектов».
Фото одиночного атома: в чем секрет эпохального снимка
Эта фотография сделана Дэвидом Нэдлингером и называется она «Одиночный атом в ионной ловушке». Пару лет назад она одержала победу в конкурсе на лучшую научную фотографию, проводимую Исследовательским советом инженерных и физических наук Великобритании. На фото изображен одиночный атом стронция в мощном электрическом поле. На него направлены лазеры, из-за чего атом испускает свет.
Пусть атом и видим, рассмотреть его все равно непросто. Если вы пристально вглядитесь в центр фотографии, то заметите слабо светящуюся голубую точку. Это атом стронция, подсвеченный сине-фиолетовым лазером.
Стронций в эксперименте использовали из-за размера: у стронция 38 протонов, и диаметр его атома — несколько миллионных долей миллиметра. Обычно столь мелкий объект мы бы не разглядели, но ученые использовали трюк, чтобы сделать атом ярче.
На фотографии он освещен высокомощным лазером, из-за которого электроны, кружащиеся по орбите вокруг атома стронция, получают больше энергии и начинают испускать свет. Как только заряженные электроны дали достаточное количество света, самая обыкновенная камера смогла сфотографировать атом.
Правда, если бы вы лично стояли рядом с этой установкой, то ничего бы не увидели. Снимок сделан с помощью длинной выдержки, так как что без оборудования весь этот свет все равно не заметить. Правда, другого способа увидеть реальный одиночный атом невооруженным глазом у человека просто нет.
Вся правда о приливах: такое не рассказывают в школе
3 сценария гибели Вселенной: вне времени, исчезновение и взрыв
«За несколько месяцев до конца, после того как мы потеряли внешние планеты в бездонной и растущей темноте, Земля удаляется от Солнца, а Луна — от Земли. Мы тоже вошли во тьму, одни», — так описывает конец Вселенной теоретический космолог Кэти Мак из Университета штата Северная Каролина в своей новой книге «Конец всего».
Апокалиптические предсказания всегда существовали в человеческой культуре, будь то Рагнарек или Судный день. Однако в последние десятилетия ученым удалось выяснить, какой будет смерть самой Вселенной.
Тепловая смерть: когда время перестанет иметь значение
Скорее всего, Вселенная погибнет в состоянии полного беспорядка, когда, по мнению космологов, время перестанет иметь значение, и возможным станет что угодно.
Согласно этому сценарию пространство продолжит расширяться, пока галактики не развалятся, а звезды не сгорят, и даже атомы распадутся. В этот момент Вселенная достигнет состояния максимальной энтропии (беспорядка), что перемешает также прошлое и будущее. «Время потеряет направленность», — объясняет Мак.
Большой разрыв: когда гравитация «ломается» и Земля взрывается
Расширение Вселенной может также привести к менее вероятному, но гораздо более жестокому концу — Большому разрыву.
В этом сценарии объекты Вселенной не разбегаются и распадаются до пиковой точки энтропии. Вместо этого разрывается ткань самого пространства-времени, подобно сильно натянутой простыне. Гравитация выходит из-под контроля, описывает такой конец Вселенной Мак: «Наше ночное небо начинает темнеть по мере того, как будет постепенно исчезать Млечный путь, пересекающий небо: галактика испаряется». Начнут меняться орбиты планет, отдаляясь от звезд, а сами объекты без силы гравитации начнут разваливаться на части.
Если нас ждет Большой разрыв, то он может случиться намного раньше, чем Тепловая смерть. Но все равно к тому времени уже не будет ни Солнца, ни Земли.
Вакуумный распад: внезапный конец
Тепловая смерть убьет Вселенную медленно и нежно, Большой разрыв — зрелищно, словно в фильме. Но если вы любите быстрые развязки, то вам понравится сценарий Вакуумного распада. Смерть будет настолько быстрой, что ее никто даже не заметит.
Вселенная может представлять собой «настоящий вакуум» — объекты в ней всегда могут обрести самое низкое энергетическое состояние. Однако существует «метастабильное» поле Хиггса, а значит Вселенная может быть ложным вакуумом.
Теоретически это означает, что если бы частица Хиггса «почувствовала» настоящий вакуум, она незамедлительно направилась бы в него. Это спровоцирует спонтанное разрушение Вселенной — «пузырь квантовой смерти», как назвала данный процесс Мак.
Пузырь смерти просто будет расширяться со скоростью света, уничтожая все на своем пути.
В принципе, Вакуумный распад может случится в любой момент, но космологи считают, что этого не произойдет еще несколько десятков миллиардов лет, так как мы все еще видим далекие звезды, чей свет пока не померк из-за вероятного пузыря квантовой смерти.
Свежие комментарии