Интересные новости и факты (физика, техника)

[ArefievPV]

Измерение времени ограничили в точности и разрешении
https://nplus1.ru/news/2023/12/11/time-resolution-accuracy
Это накладывает фундаментальный предел на скорость и надежность квантовых вычислений

Австрийские физики показали, что существует универсальное ограничение на точность и разрешение при измерении времени для любых часов, у которых элементарные события термолизации не имеют памяти. Это устанавливает предел точности квантовых вычислений. Статьи опубликованы в Physical Review Letters (1, 2).

Совершенствование устройств для измерения времени достигло своей кульминации в 1950х годах, когда были изобретены атомные часы. С тех пор ученые разными методами увеличивают точность таких часов. Но непонятно, существует ли предел точности и разрешения измерения времени.

Ответ на этот вопрос предложили физики под руководством Маркуса Хюбера (Marcus Huber) из Центра квантовой науки и технологий в Вене. Ученые исследовали фундаментальные ограничения часов, основанные на законах термодинамики, потому что часы — как и все другие физические системы — подчиняются этим законам. Более того, часы во многом существуют за счет увеличения энтропии согласно второму началу термодинамики. Это означает, что часы являются свидетелями макроскопического нарушения симметрии обращения времени, поскольку они идут только вперед во времени. Таким образом, ими должны управлять необратимые процессы, которые истощают неравновесные ресурсы для вывода временной информации. Однако это стохастические процессы, которые невозможно полностью предсказать. Физики пришли к выводу, что ни одни часы не могут быть идеальными просто потому, что они в своей основе управляются случайными процессами.

В своей работе физики определили разрешение, как обратное среднее время между двумя последовательными тактами часов, а точность, как среднее количество тактов, которое проходит, прежде чем часы начинают ошибаться на один такт. Ученые сформулировали и доказали теорему, которая связывает и накладывает фундаментальное ограничение между разрешением и точностью любых часов. Согласно этой теореме точность любых часов не превосходит квадратичного отношения частоты стохастических процессов, на которых основаны эти часы, к их разрешению.

Разрешение и точность часов в свою очередь ограничивают скорость и надежность квантовых вычислений. Впрочем, на сегодняшний день точность квантовых компьютеров все еще определяется техническими факторами, а не теоретическим пределом. Однако, как считают ученые, этот предел может быть достигнут в недалеком будущем.


Точность часов ограничивает квантовые вычисления
Jake Xuereb et al. / Physical Review Letters, 2023

Конечно, человечество пока еще не достигло фундаментального ограничения в точности и разрешении измерения времени. Однако ученые продолжают разрабатывать методы и технологии, которые помогут приблизиться к этому пределу. Например, мы писали о том, как запутывание атомных часов увеличило их точность.

[ArefievPV]

ГДЕ НАС НЕТ | Парадокс падающего дерева, эффект наблюдателя и Луна [LIM №2]

Новое видео и новый парадокс. Существует ли объективная реальность без нашего внимания? Как обычно, физика и философия дают нам лишь варианты, с которыми можно либо согласиться, либо нет, но в процессе выбора мы познакомимся с удивительными свойствами света и тени, эффектом наблюдателя, квантовым микромиром и его интерпретациями. И, быть может, даже станем свидетелями небольшого путешествия во времени.

[ArefievPV]

Настоящего не существует | ALI

Что такое время? В чём разница между нашим пониманием времени и временем, которое описывают известные законы физики? Ответы на эти вопросы на поверку оказываются чрезвычайно сложными. В данном видео я попробую немного о них порассуждать, вдохновившись книгой американского нейробиолога Дина Буономано "Мозг повелитель времени."

00:00 – Влияние длительной изоляции на человека.
02:18 – Субъективность времени.
04:03 – Объективность времени.
05:25 – Поезд Эйнштейна. Относительность одновременности.
10:00 – Дин Буономано. "Мозг - повелитель времени".
13:11 – Внутренние часы. Предсказание будущего.
18:00 – Мозг создаёт течение времени.
19:31 – Вечное настоящее Клайва Уэринга.
22:45 – Замедление и ускорение времени.
31:45 – Фундаментальная единица времени.
34:30 – Парадокс Андромеды.
39:58 – Как выглядит Вселенная?
43:33 – Фатализм.
44:45 – Опространствливание времени мозгом.
50:40 – Движение во времени меняет геометрию пространства?
52:33 – Несовместимость субъективного и объективного времени.
01:01:38 –Более фундаментальный уровень реальности.

[ArefievPV]

Частицы с одинаковым зарядом притянулись друг к другу
https://nplus1.ru/news/2024/03/07/like-charge-attraction
Такое нарушение закона Кулона возможно в некоторых растворах

Межчастичные взаимодействия в растворах могут нарушать зарядовую симметрию
Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Ученые из Великобритании обнаружили, что в некоторых типах растворов заряды одного знака, вопреки закону Кулона, могут притягиваться друг к другу. К тому же может нарушаться принцип зарядовой симметрии: в одних растворах положительные заряды притягиваются и отталкиваются отрицательные, а в других — наоборот.

Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

Согласно закону Кулона одинаковые по знаку заряды в вакууме должны отталкиваться, а разные — притягиваться. Аналогично и в растворах, на относительно больших расстояниях, где еще слабы ван-дер-ваальсовые силы, ожидается, что заряды одного знака должны отталкиваться. Такое представление соответствует теории Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека (ДЛФО) об устойчивости коллоидных систем. Впрочем, на протяжении десятилетий появлялись сообщения о притяжении между одноименно заряженными частицами на масштабах от нано- до микрометров, например, между нуклеиновыми кислотами, липосомами, полимерами и коллоидными частицами в водных средах, содержащих низкие концентрации одновалентной соли — где ожидалось, что теория ДЛФО будет верна.

Группа ученых под руководством Мадхави Кришнана (Madhavi Krishnan) из Оксфордского университета провела систематическое исследование поведения заряженных частиц в растворах в зависимости от параметров этих растворов. Ученые выяснили, что отрицательно заряженные частицы коллоидного диоксида кремния, растворенные в воде, могут начать притягиваться друг к другу при определенном уровне pH. Эти частицы формировали устойчивые гексагональные кластеры, что противоречит предсказанию ДЛФО. Такое поведение частиц химики объяснили возникновением дальнодействующей силы притяжения, которая на более близких расстояниях уступает кулоновской силе отталкивания, что в результате приводит к формированию устойчивых структур.


Зависимость межчастичного взаимодействия от рН раствора
Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Что интересно, положительно заряженные частицы отталкивались при любом уровне pH в водных растворах. При этом в спиртовых растворах ученые наблюдали обратную картину: положительно заряженные частицы притягивались, а отрицательные отталкивались. Ученые пришли к выводу, что межчастичное притяжение между идентичными, номинально отталкивающимися частицами можно ожидать, когда знак межфазного электрического потенциала в конкретном растворителе совпадает со знаком заряда частицы.


Притяжение отрицательных зарядов в водных растворах заменяется на притяжение положительных зарядов в спиртовых
Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Не в первый раз ученые находят эффекты, которые на первый взгляд противоречат законам физики. Например, ранее мы писали, что ученые обнаружили нарушение квантово-механического аналога первого закона Ньютона для фотонов.

[ArefievPV]

Проектные нормы в микроэлектронике

Каким образом пакуются транзисторы в микросхеме, по каким технологиями они изготавливаются и насколько соответствуют реальности те нанометры, о которых заявляют производители микросхем.

[ArefievPV]

Мифы и правда о БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ЭНЕРГИИ!

Известно, что чуть больше 100 лет назад Никола Тесла экспериментировал с беспроводной передачей энергии. Ему не удалось воплотить свой замысел в жизнь, но может можем сделать это мы? Хотя бы частично. И если не по всему земному шару, то хотя бы до наших гаджетов доставлять энергию, чтобы не искать постоянно розетку! Тем более, что к идеям Теслы добавились новые: с использованием микроволн, лазеров, или даже магнитных лучей!

В этом выпуске обсуждаем как может быть устроена беспроводная передача энергии!

ТАЙМКОДЫ

0:00 Преролл.
0:20 Zenith Space Commander.
1:07 Intro.
2:32 Летние школы Яндекса.
3:56 Индукционная зарядка (ближнее поле).
5:35 Магнитно-резонансная связь.
6:58 "Магнитные лучи".
9:01 Почему мультикатушечных резонансных зарядок нет в продаже?
10:02 Автомобильные зарядки.
11:30 Микроволновая передача энергии (дальнее поле).
12:30 Дроны с неограниченным временем полета.
14:50 Дистанционная беспроводная зарядка.
16:53 Рекорды беспроводной передачи энергии.
18:44 Космические электростанции.
20:50 Лазерная передача энергии.
21:45 Ректенна для видимого света.
22:55 Никола Тесла и его Всемирная система доставки энергии.
24:16 Проводимость Земли.
27:20 Проводимость атмосферы.
29:10 Outro.

[ArefievPV]

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА: 100 лет открытий за 1 час / физик Семихатов

Квантовой механика – самая точная теория из всех придуманных человеком. И самая сложная для понимания. В этом выпуске РЕВОЛЬТ.НАУКА вы узнаете о парадоксах квантовой реальности и попробуете вообразить невообразимое. А еще поговорим про мультивселенные, телепортацию, квантовый компьютер и новые подходы к пониманию устройства нашего мира.

В гостях: доктором физико-математических наук и заведующим лабораторией Теории фундаментальных взаимодействий Алексей Семихатов.

00:00 Квантовая механика самая точная наука.
02:45 Что такое Квантовая Механика?
04:55 Квантовые объекты – не «маленькие горошины».
08:00 Свет, тело и магия.
10:15 Почему горит солнце?
12:05 Нобелевка за вычисления.
12:52 Квантовый мир нельзя увидеть.
15:22 В квантовом мире нет детерминизма.
18:15 «Вражда» и запрет на одновременные свойства.
22:50 Гейзенберг и Шрёдингер.
24:50 Волновая функция: объясняем на картах.
38:15 Тренируемся на кошках.
42:45 Схема работает без объяснений.
50:08 Этика мультивселенной.
51:40 Волновая функция в голове?
01:01:35 Скрытые свойства.

P.S. В дополнение:

20:10 – Упоминает про запрет на движение по траекториям.
35:35 – Упоминает, что нельзя «просто смотреть» – любое измерение, это вмешательство, это взаимодействие.

Очень эмоционально рассказывает.

Жаль, что не успел рассказать про квантовую реальность…

Рекомендую внимательно просмотреть слайды (и осмыслить то, что написано в этих слайдах).

[ArefievPV]

Ученые нашли решение для субсветового физически возможного варп-двигателя
https://nplus1.ru/news/2024/05/20/warp-drive-solution
Пока только для постоянной скорости движения

Физики из США нашли решение для субсветового варп-двигателя, двигающегося с постоянной скоростью, которое удовлетворяет всем энергетическим условиям и не требует применения экзотической энергии. Для этого они разработали и применили программу компьютерного моделирования Warp Factory. Статья об исследовании опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

В научной фантастике варп-двигатель — это общее название двигателей, позволяющих перемещаться космическим кораблям с субсветовыми или даже сверхсветовыми скоростями. В теоретической физике варп-двигатель — это гипотетическое устройство, способное создавать вокруг объекта искривление пространства и за счет этого перемещать объект со скоростями, во много раз превышающими скорости, достигнутые на сегодняшний день человечеством. В 1994 году Мигель Алькубьерре (Miguel Alcubierre), вдохновившись сериалом «Звездный путь», предложил первую физическую модель такого двигателя. Однако работа такого двигателя предполагала нарушение нескольких, если не всех, энергетических условий.

Лишь в 2021 году Алексей Бобрик (Alexey Bobrick) и Джанни Мартир (Gianni Martire) показали, что для субсветовых варп-двигателей возможно решение, не привлекающее отрицательную энергию для создания искажений пространства, и что теоретически такой двигатель можно создать из обычной материи. Однако в их модели, как и в других предыдущих физических моделях варп-двигателей, отсутствовал учет факторов функций отклонения и неплоских метрик, оба из которых считаются необходимыми для удовлетворения всех энергетических условий. Учет этих факторов делает уравнения Эйнштейна крайне сложными для аналитического анализа, поэтому поиск удовлетворяющего условиям решения продвигался крайне медленно.

В новой работе те же авторы совместно с Джаредом Фуксом (Jared Fuchs), Кристофером Хелмерихом (Christopher Helmerich), Люком Селлерсом (Luke Sellers) и Брендоном Мелчером (Brandon Melcher) из Нью-Йоркской Лаборатории прикладной физики перспективных двигателей и ряда других институтов нашли решение для субсветового варп-двигателя, двигающегося с постоянной скоростью, которое удовлетворяет всем необходимым энергетическим условиям. Для этого ученые разработали и применили программу компьютерного моделирования Warp Factory.

В результате физики получили решение, которое включает в себя наличие стабильной оболочки из обычной материи с положительной массой в формализме Арновитта — Дезера — Мизнера и распределение вектора сдвига, которое близко соответствует классическим решениям варп-двигателя, таким как метрика Алькубьерре. Ученые отмечают, что распределение вектора сдвига в таком решении нельзя свести к простому преобразованию координат.

Физики подчеркивают, что данное решение применимо только для двигателя, двигающегося с постоянной скоростью. Проблема ускорения и замедления такого двигателя остается нерешенной. Кроме того, создание такого двигателя требует технологий, не доступных на сегодняшний день человечеству, а также громадной массы вещества для оболочки. Впрочем, ученые предполагают, что необходимую массу для их решения можно будет уменьшить на порядки, используя прямую одномерную оптимизацию радиальных профилей плотности, давления и вектора сдвига.

Стоит отметить, что пока варп-двигатель остается лишь задачей теоретической физики и на данный момент космические агентства не занимаются его реальной разработкой.

[ArefievPV]

Что придет на смену пластику?

Пластик окружает нас повсюду. Это упаковка, одежда, мебель, техника, медицинские инструменты, игрушки и многое другое! Тема очень обширная, и я подумал, что современный человек должен в ней разбираться. Поэтому сделал ультимативный выпуск, в котором расскажу про историю пластика, современные его виды и поразмышляю, какие перспективные материалы могут прийти ему на замену!

ТАЙМКОДЫ
0:00 Преролл.
0:19 Скрытый пластик вокруг нас.
3:11 Intro.
4:31 Young Con.

ИСТОРИЯ
6:08 Природные полимеры (каучук, гуттаперча, коллаген, кератин).
7:41 Первые синтетические полимеры (паркезин, целлулоид, эбонит, бакелит).
10:24 Современные пластики (полиэтилен и прочие).

СОВРЕМЕННОСТЬ
12:00 Химический состав пластика.
12:42 Добавки.
14:04 Виды пластика, классификация.
16:11 Стандартные пластики.
20:25 Инженерные пластики.
22:14 Высокотехнологичные пластики.

МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО
25:45 СверхВысокоМолекулярный ПолиМетилМетАкрилат.
26:53  2DPA-1.
28:01 ПЭТ-аэрогель.
29:03 Пластиковое загрязнение.
30:21 PLA (ПолиЛАктид).
32:22 Переработка пластика.
34:57 Outro.

[ArefievPV]

К сообщению:

Ученые нашли решение для субсветового физически возможного варп-двигателя
https://nplus1.ru/news/2024/05/20/warp-drive-solution
Пока только для постоянной скорости движения

Физики предложили вычислять варп-двигатели по гравитационным волнам
https://nplus1.ru/news/2024/06/20/warp-drive-detection
Обнаружение возможно при сбое в работе двигателя

Физики обнаружили положительную сторону нестабильности варп-двигателей и использовали ее для их обнаружения. Они смоделировали процесс работы двигателя и показали, что его отказ порождает гравитационные волны, поведение которых отличается от других известных источников гравитационных волн. Препринт работы опубликован на arXiv.org.

Часто писатели и режиссеры задействуют научные идеи и открытия в своих произведениях. Но иногда происходит наоборот — ученые пытаются построить модель и описать то, что упоминалось в научной фантастике. Яркий пример этому — варп-двигатель, который, по замыслу фантастов, должен позволять перемещаться в пространстве со скоростью выше скорости света. Считается, что такой космический корабль должен сжимать пространство перед собой и расширять пространство позади себя.

Еще в 1994 году физик Мигель Алькубьерре показал, что такое предположение согласуется с уравнениями Эйнштейна — основой ОТО. Они позволяют найти метрический тензор, то есть подробно описать искривления пространства-времени, в зависимости от плотности и потока энергии и импульса полей материи. Именно эти искривления позволяют теоретическому космическому кораблю двигаться со сверхсветовой скоростью: двигатель сдвигает пространство вокруг корабля, подталкивая его в направлении движения. При этом сам корабль находится внутри области плоского пространства, которое называют варп-пузырем. С другой стороны, чтобы создать требуемые искривления, устройство обязательно должно содержать в себе области с отрицательной плотностью энергии — тогда как для известных разновидностей вещества эта величина положительна.

В 2021 году ученые рассмотрели больше разных вариантов искажений пространства-времени и показали, что субсветовые (при скорости, близкой к скорости света) варп-двигатели могут состоять из обычной материи. Еще более точное и приближенное к реальности решение уравнений Эйнштейна физикам удалось найти совсем недавно — они использовали для этого программу компьютерного моделирования Warp Factory, а двигатель в их модели двигается с постоянной скоростью.

Помимо теоретического обоснования существования двигателя ученых интересует и вопрос его обнаружения. Физики Кэти Клафф (Katy Clough), Тим Дитрих (Tim Dietrich) и Себастьян Хан (Sebastian Khan) из Великобритании и Германии смоделировали процесс работы и сбоя варп-двигателя. Они выяснили, что в случае сбоя двигатель становится источником гравитационных волн, которые можно зарегистрировать.

В идеальном случае двигатель должен перемещаться с постоянной скоростью и работать стабильно, но моделирование показывает, что добиться такой стабильности сложно. Зато, в отличие от движения с постоянной скоростью, любые ускорения и замедления, как и поломки, позволяют его зарегистрировать. Физики связывают это с нарушением силового поля, которое создает варп-пузырь.

Авторы рассчитывали и моделировали процесс разрушения пузыря и заметили, что характеристики гравитационных волн отличаются от тех, что возникают при его формировании. Сразу после разрушения возникает всплеск, не имеющий гравитационной природы, и только за ним появляются гравитационные волны. Причем период их колебаний зависит от параметров пузыря.

Оказалось, что сигнал отличается от того, что возникает при двойных слияниях, а скорее похож на сигнал от нейтронной звезды при коллапсе или от столкновения двух черных дыр.

Формализм для изучения динамики пространственно-временных искажений вокруг двигателя, который разработали авторы, полностью согласуется с численными решениями релятивистских уравнений. Кроме того, он позволил подробно смоделировать эволюцию потоков материи и энергии гравитационных волн и обнаружить, что при коллапсе пузыря сначала излучается волна материи с отрицательной энергией, за которой следуют чередующиеся волны отрицательной и положительной энергий. А поток гравитационных волн начинается почти сразу же после них и остается положительным на протяжении всего времени, как и ожидалось.

Физики отмечают, что есть несколько направлений для дальнейшей работы. Во-первых, они хотели бы изменить симметрию задачи, чтобы рассматривать сверхсветовые скорости. Во-вторых, их расчеты показывают, что для космического корабля размером порядка километра частота сигнала значительно выше диапазона, в котором работают существующие детекторы. Поэтому создание более высокочастотных детекторов в будущем, возможно, позволить наблюдать смоделированные волны.

Сейчас детекторы гравитационных волн умеют регистрировать слияния нейтронной звезды и черной дыры и улавливать наногерцовый гравитационно-волновой фон. А инструментом для создания более высокочастотных детекторов могут стать радиотелескопы.

[ArefievPV]

Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку
https://elementy.ru/novosti_nauki/434235/Gipoteza_o_tsiklicheskoy_Vselennoy_poluchila_nablyudatelnuyu_podderzhku

Не так уж часто бывает, что две конкурирующие гипотезы сосуществуют десятки лет, сменяя друг друга в борьбе за звание общепринятой. Именно такая ситуация сложилась в космологии, начиная с середины XX века.

Сначала главенствовала гипотеза о том, что жизнь нашей Вселенной устроена циклически — за Большим взрывом следует стадия расширения, в ходе которой формируются звезды и галактики (а иногда где-то возникает и жизнь), сменяющаяся сжатием, вслед за которым следует коллапс — и новый цикл. К концу 1970-х годов перед этой гипотезой стоял длинный список вопросов, на которые она не могла ответить.

И на смену пришла гипотеза «одноразовой» инфляции, захватившая первенство примерно на 20 лет. Но к концу XX века уже она столкнулась с многочисленными проблемами — например, открытия укоренного расширения Вселенной и гравитационных волн нанесли по ней серьезные удары. Параллельно копились работы с косвенными аргументами в пользу циклической Вселенной.

В начале 2024 года вышли еще две такие статьи. Первая посвящена открытию анизотропии в распределении фонового гамма-излучения: оно имеет дипольную структуру, но ориентировано не так, как диполь реликтового излучения. Во второй статье описано открытие чрезвычайно тусклого, но достаточно массивного спутника Млечного Пути, меняющее представления о распределении черных дыр в гало галактик. Оба результата изящно вписываются в картинку мира, которую рисуют космологи в рамках гипотезы о циклической Вселенной.

В начале этого года вышли сразу две важные для космологии работы. Сенсационная статья о гамма-диполе была опубликована космологом Александром Кашлинским (Alexander Kashlinsky) с соавторами 10 января 2024 года в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Вторая прорывная новость этого полугодия — открытие темного скопления-спутника Млечного Пути, названного Большая Медведица III/UNIONS 1 (Ursa Major III, S. Smith et al., 2024, The Discovery of the Faintest Known Milky Way Satellite Using UNIONS).

Заключение

Предлагаемая модель циклической Вселенной построена только из черных дыр, гравитационных волн и небольшой примеси обычной материи, из которой состоят все звезды, планеты и живые существа. Наша Вселенная — это стационарная вселенная Эйнштейна, в которой бьется беспокойное сердце вселенной Фридмана. Анализ популяции черных дыр показывает, что циклов у Вселенной было, как минимум, около тысячи (за это время популяция накапливающихся черных дыр приходит к стационарному состоянию), но, вероятно, гораздо больше.

Вселенная представляет собой маятник с перетеканием энергии между главными компонентами — негравитирующими гравволнами и гравитирующими черными дырами, что приводит к периодическому изменению общей гравитационной массы Вселенной. Она действительно оказалась бессмертным кантианским фениксом, который ухитряется восставать из пепла, даже состоящего из неуничтожимых черных дыр. Циклическая космология объясняет механизм Большого взрыва, природу «темной энергии» и причину отсутствия гравитационных сингулярностей. Быстрое ускоренное расширение Вселенной в начальный период отвечает за ее однородность в первом приближении, но во втором приближении появляются анизотропные (и неоднородные) космологические феномены.

Новая циклическая космология решает загадку накопления темной материи в виде черных дыр, а также раннего происхождения сверхмассивных, в миллиарды масс Солнца, черных дыр в центрах галактик. Для циклической Вселенной существует элегантное решение проблемы роста энтропии, которое тесно связано с судьбой самой большой черной дыры.

Все основные детали этого сценария получили строгое математическое обоснование, в обсуждаемой модели циклической Вселенной нет ни одного экзотического предположения или выдуманной сущности, вроде новых полей, размерностей или гипотетических частиц, и нет ни одной нерешенной принципиальной проблемы — такой как гравитационная сингулярность или накопление энтропии. Циклическая космология основана исключительно на известных фактах и на проверенных физических теориях, в первую очередь — на общей теории относительности. Пульсирующая Вселенная не нуждается в поддержке гипотетических феноменов, она прочно базируется на логике, ОТО и ядерной физике.

Данная модель осциллирующей Вселенной детально описана в моей книге, которая вышла в феврале 2023 года в издательстве Челябинского государственного университета под названием «Осциллирующая Вселенная». Книга вызвала такой интерес, что ведущее издательство научно-популярной литературы «Питер» выпускает ее второе издание, исправленное и дополненное, под измененным названием «Пульсирующая Вселенная». Книга поступит в продажу 1 июля 2024 года, предзаказы принимаются. Книга написана популярным языком, но все математические решения, на которых она основана, приведены в приложении.

[ArefievPV]

В решении задачи трех тел обнаружили «островки закономерности»
https://naked-science.ru/article/physics/v-reshenii-zadachi
Когда в космическом пространстве три массивных тела воздействуют друг на друга через силы взаимного гравитационного притяжения, их движение становится непредсказуемым. Многие ученые пытались описать движение трех тел в одной системе и таким образом найти решение задачи, применимое для любых начальных условий объектов. Однако все было безуспешно. Теперь международная команда математиков и физиков провела тысячи моделирований задачи трех тел и выяснила, что среди множества ее решений есть и те, которые заключают в себе «островки закономерности», где объекты начинают вести себя предсказуемо.

Вот уже несколько столетий ученых ставит в тупик задача из классической механики об определении движения трех тел в системе, более известная как «задача трех тел». В такой системе объекты начинают вести себя непредсказуемо. Цель исследователей — вычислить движение тел в будущем, найти координаты и скорости трех материальных точек в произвольный момент времени при заданных начальных условиях и учете лишь гравитационного взаимодействия. Существуют тысячи частных решений задачи, но они не общеприняты, лишь предполагают отдельные выводы того, как ее можно решить. 

История задачи начинается с Исаака Ньютона, который впервые сформулировал ее в XVII веке. Как он полагал, если движение двух взаимодействующих объектов в пространстве предсказуемо, то появление третьего тела вносит в систему разлад. Возникает случайность в движении тел. Несмотря на все усилия, Ньютон не смог обнаружить общее решение и признал, что задача слишком сложна для аналитического подхода.

Причина сложности ее решения — хаотическая природа системы. Даже незначительные вариации в начальных условиях одного из тел (в массе, скорости, положении в пространстве) приводят к разным результатам. Изменения параметров движения одного из этих тел, даже самые незначительные, способны полностью изменить судьбу системы.

Некоторые исследователи считают, что даже в хаосе существуют свои скрытые закономерности, то есть хаос — не беспорядочность. Доказать это пытаются многие математики. На помощь им приходят суперкомпьютеры.


Приблизительные траектории движения трех одинаковых тел, находившихся в вершинах неравнобедренного треугольника и обладавших нулевыми начальными скоростями. В соответствии с законом сохранения импульса центр масс системы остается на одном месте / © Wikimedia

Международная команда математиков и физиков под руководством Алессандро Трани (Alessandro Trani) из Института Нильса Бора (Дания) использовала суперкомпьютер для численного моделирования задачи трех тел и обнаружила в хаосе движения этих объектов пробелы — «островки закономерности». Эти «островки» показали, где объекты ведут себя предсказуемо и подчиняются определенным правилам: траектория их орбит напрямую зависит от того, как три объекта расположены друг относительно друга в момент сближения, а также от их скорости и угла сближения. Об исследовании рассказывается в пресс-релизе, опубликованном на сайте института.

Трани и его коллеги создали программу Tsunami, которая перебирала миллионы возможных комбинаций взаимодействия трех тел в системе, рассчитывала траекторию их движения, используя теорию общей относительности Эйнштейна и законы Ньютона. Эта программа предполагала использование статистического метода и наличие специальной карты, на которой каждая точка соответствовала конкретному набору начальных условий.

Затем каждой точке ученые присвоили свой цвет в зависимости от того, какой из трех объектов в итоге «выбрасывается» из системы в результате взаимодействия (в большинстве случаев — объект с наименьшей массой).

Если бы движения объектов в системе были случайными, то есть сама задача предполагала хаотичность, цвета на карте перемешались бы случайным образом. Однако в своем исследовании такой картины ученые не наблюдали. Они обнаружили на карте области, окрашенные в один цвет. По словам исследователей, эти области и есть «островки закономерности»: там начальные условия предопределяют дальнейшую эволюцию системы.


Карты, которые ученые использовали в программе Tsunami. Каждая точка на карте соответствовала конкретному набору начальных условий. Затем каждой точке ученые присвоили свой цвет в зависимости от того, какой из трех объектов в итоге «выбрасывается» из системы в результате взаимодействия. Если бы движения объектов в системе были случайными, то есть сама задача предполагала хаотичность, цвета на карте перемешались бы случайным образом. Однако ученые не наблюдали такой картины. Они обнаружили на карте области, окрашенные в один цвет, то есть движение объектов в системе подчиняется строгим математическим закономерностям / © Alessandro Trani

Авторы работы посчитали, что на этих «островках» движение объектов подчиняется строгим математическим закономерностям, оно упорядоченно и предсказуемо. Это, в свою очередь, указывает на существование общего решения задачи трех тел.

Однако «островки закономерности», обнаруженные командой Трани в решении задачи трех тел, могут представлять проблему для исследователей. Дело в том, что этот подход хорошо вычисляет хаотичные траектории движения тел, но плохо работает, когда дело касается «закономерных» траекторий.

«Когда некоторые области на карте, предполагающие хаотичное движение объектов, внезапно переходили в фазу закономерного движения, наши статистические расчеты для этой фазы нарушались, что приводило к неточным предсказаниям. Теперь наша цель — научиться сочетать статистические методы с численными, чтобы обеспечить высокую точность предсказания, когда система начинает становится более закономерной», — пояснил Трани.

Открытые «островки закономерности» — важный шаг на пути к общему решению задачи трех тел. Исследователям еще предстоит провести серию компьютерных экспериментов, чтобы детально изучить свойства «островков» и понять механику их образования, а также оценить влияние на эволюцию системы.

В космосе наличие систем, состоящих из трех объектов, не редкость. Поэтому решение задачи трех тел — не просто теоретический вызов, а возможность постичь тайны Вселенной.