Космос – Исследования Вселенной и её тайн

Имя Эдвард Виттен давно стало символом современной теоретической физики, где границы между математикой и пониманием устройства Вселенной практически исчезают. Его работы оказали влияние не только на физику элементарных частиц и космологию, но и на чистую математику, что само по себе является редчайшим явлением. Виттен считается одним из немногих учёных, сумевших построить мост между абстрактными математическими структурами и фундаментальными законами природы.

Астрономия переживает эпоху революционных открытий, и недавнее исследование системы WASP-132 стало одним из самых неожиданных. Ученые обнаружили в этой системе две новые экзопланеты, чьи орбиты и характеристики ставят под сомнение устоявшиеся представления о формировании планетных систем. В центре внимания оказалась загадочная суперземля, расположенная ближе к звезде, чем горячий Юпитер, а также ледяной гигант, удалённый на окраину системы. Это открытие поднимает множество вопросов о процессах миграции планет и их эволюции.

За пределами Солнечной системы астрономы уже открыли более 5000 экзопланет, что даёт возможность изучать не только процессы формирования миров, но и использовать их в качестве своеобразных «детекторов» для поиска ответов на фундаментальные вопросы физики. Одним из таких вопросов остаётся природа тёмной материи, составляющей около 85% всей материи Вселенной, но никогда не обнаруженной напрямую в лабораторных экспериментах.

Американское космическое агентство NASA готовится к одному из самых необычных и научно значимых экспериментов — изучению поведения огня на поверхности Moon. Несмотря на то что в вакууме космоса огонь кажется маловероятной угрозой, именно пожары считаются одним из наиболее опасных факторов для будущих пилотируемых миссий.

Космос, с его бескрайними просторами, всегда был вызовом для инженеров и ученых. Однако с развитием электрических ракетных двигателей (ЭР) мир вступает в новую эру исследований космоса. Эти двигатели обещают совершить революцию в дальних миссиях, делая их более устойчивыми и экономичными. Исследования Чэня Цуя, доцента Университета Вирджинии, сосредоточены на изучении поведения плазмы в таких двигательных системах, чтобы обеспечить их долговременную надежность.

Исследователи Оксфордского университета выявили удивительную особенность квантовых часов: основная энергетическая стоимость связана не с их работой, а с самим актом измерения. В ходе экспериментов выяснилось, что считывание квантовых тиков требует энергии примерно в миллиард раз больше, чем затрачивает сам квантовый механизм. Этот результат показывает, что основная доля энтропии в таких системах возникает в момент преобразования квантовых событий в классическую информацию, а не в процессе их естественного течения.

Открытие ускоренного расширения Вселенной в конце XX века стало одним из крупнейших научных сюрпризов современной космологии. Согласно наиболее распространённой сегодня модели ΛCDM, причиной этого ускорения является загадочная тёмная энергия, которую математически описывает космологическая постоянная Эйнштейна. Несмотря на впечатляющее согласие модели с большинством наблюдений, сама природа тёмной энергии остаётся неизвестной. Более того, стандартная космология сталкивается с рядом серьёзных теоретических трудностей. Среди них особенно выделяются проблема тонкой настройки, требующая невероятно малого значения космологической постоянной по сравнению с предсказаниями квантовой теории поля, а также растущие расхождения между различными методами измерения постоянной Хаббла, известные как проблема Хаббла. Эти обстоятельства заставляют физиков искать альтернативные объяснения космического ускорения.

Второй закон термодинамики считается одним из самых фундаментальных законов природы. Еще Альберт Эйнштейн называл его уникальным среди всех физических законов, полагая, что он вряд ли когда-либо будет опровергнут. Согласно этому принципу, энтропия — физическая величина, характеризующая количество возможных состояний системы и часто связываемая с ростом беспорядка, — в замкнутой системе со временем может только увеличиваться. Именно этот закон определяет направление течения времени и объясняет необратимость большинства процессов, происходящих в природе.

Современная астрономия продолжает открывать новые страницы истории ранней Вселенной. Недавно международная группа исследователей опубликовала результаты анализа галактики SMILES-GS-191748, которую они назвали Эриду в честь одного из древнейших шумерских городов. Такое название отражает как предполагаемый ранний возраст объекта, так и его спокойный характер. Наблюдения, выполненные с помощью космических телескопов имени Джеймса Уэбба и «Хаббла», показали, что Эриду представляет собой массивную, но уже давно «успокоившуюся» систему, сформировавшуюся на рубеже космической истории, когда возраст Вселенной составлял всего около 2,5 миллиарда лет.

9 октября 2022 года Землю достиг свет от одного из самых необычных космических взрывов, когда-либо зарегистрированных человечеством. Гамма-всплеск GRB 221009A оказался настолько мощным, что астрономы дали ему неофициальное прозвище BOAT — Brightest Of All Time, то есть самый яркий за все время наблюдений. Источник находился более чем в двух миллиардах световых лет от нас. Но спустя некоторое время появилась деталь, способная сделать эту историю еще более странной: был зарегистрирован сигнал, соответствующий фотону с энергией около 300 тераэлектронвольт.

В физике существует немало явлений, которые противоречат здравому смыслу, однако эффект Ааронова — Бома занимает среди них особое место. Этот феномен заставил ученых пересмотреть представления о том, какие физические величины действительно являются фундаментальными. Он показал, что квантовая частица способна реагировать на магнитное поле даже тогда, когда в той области пространства, где она движется, никакого магнитного поля нет.

В космосе можно наблюдать явления, которые на Земле кажутся почти невозможными. Одно из самых известных связано с неожиданными переворотами вращающихся предметов. Это явление получило название эффект Джанибекова и стало одним из самых наглядных примеров того, как фундаментальные законы механики способны удивлять даже опытных космонавтов. История началась в 1985 году на борту орбитальной станции «Салют-7». Советский космонавт Владимир Джанибеков выполнял обычную работу с крепежными элементами и обратил внимание на странное поведение барашка крепления груза. После того как деталь была закручена и отпущена в невесомости, она начала вращаться в полете. Однако вместо стабильного вращения вокруг одной оси барашек через равные промежутки времени неожиданно переворачивался примерно на 180 градусов, после чего продолжал вращение и снова совершал такой же переворот.

Когда мы представляем себе пустоту, обычно возникает образ абсолютного ничто — пространства, в котором нет вещества, света и каких-либо физических процессов. Однако современная физика рисует совершенно иную картину. Согласно квантовой теории поля, вакуум вовсе не является пустым. Даже в идеальной пустоте непрерывно происходят микроскопические процессы: рождаются и исчезают пары частиц и античастиц, возникают квантовые колебания полей, появляются и исчезают виртуальные частицы. Вместо безжизненного пространства физики видят своеобразный бурлящий океан квантовых флуктуаций.

Одним из самых удивительных открытий современной космологии стало осознание того, что Вселенная хранит собственную фотографию младенческого возраста. Речь идет о реликтовом космическом микроволновом фоне — древнейшем свете, который возник спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва и до сих пор пронизывает все пространство. Именно благодаря изучению этого излучения ученые смогли проследить путь от едва заметных неоднородностей ранней Вселенной до гигантской космической сети галактик, скоплений и пустот, наблюдаемой сегодня.

Планетарная защита постепенно превращается из научной фантастики в одно из наиболее перспективных направлений современной космонавтики. Если еще несколько десятилетий назад идеи изменения траектории астероидов существовали лишь в теоретических исследованиях, то сегодня ведущие космические агентства проводят реальные эксперименты, позволяющие подготовиться к возможной угрозе столкновения Земли с опасными космическими объектами. Очередным важным шагом в этом направлении стала миссия японского космического аппарата Hayabusa2, который успешно выполнил сверхточный пролет рядом с околоземным астероидом Торифуне.