Млечный Путь, 21 век, номер 4(53), 2025

Шимон ДАВИДЕНКО
ОТ ИЛЛЮЗИЙ ДО ВСЕЛЕННОЙ

"Млечный Путь" продолжает публикацию самых интересных статей из Интернета: с научно-популярных порталов Medium и Life Sciences.

Физики впервые смоделировали, как будут выглядеть объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, - оптическую иллюзию, называемую эффектом Террелла-Пенроуза.

Вот как это работает. Венская команда сшила вместе фрагменты света, чтобы создать моментальные снимки. В состоянии покоя (слева) куб выглядит нормально. Но при моделировании со скоростью, равной 99,9% скорости света (справа), сфера по-прежнему выглядит круглой, но видны части ее обратной стороны.

Используя сверхбыстрые лазерные импульсы и специальные камеры, ученые смоделировали оптическую иллюзию, которая, по-видимому, противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. Одним из следствий специальной теории относительности является то, что быстро движущиеся объекты должны казаться укороченными в направлении движения - явление, известное как лоренцево сокращение. Этот эффект был косвенно подтвержден в экспериментах на ускорителях частиц.

Однако в 1959 году математик Роджер Пенроуз и физик Джеймс Террелл отметили, что наблюдатель с камерой на самом деле не увидит сплющенный объект. Вместо этого, поскольку свету из разных частей объекта требуется разное время, чтобы достичь камеры, объект будет казаться повёрнутым.

Хотя предыдущие модели работали с этой иллюзией, теперь называемой эффектом Террелла-Пенроуза, это первый случай, когда это было реализовано в лабораторных условиях. Группа описала свои результаты в журнале Communications Physics.

"Больше всего мне нравится простота", - рассказал в интервью Live Science Доминик Хорноф, квантовый физик из Венского технического университета и первый автор исследования. "При правильной идее можно воссоздать релятивистские эффекты в небольшой лаборатории. Это показывает, что даже предсказания столетней давности можно воплотить в жизнь действительно интуитивно".

В новом исследовании физики использовали сверхбыстрые лазерные импульсы и стробируемые камеры для получения снимков куба и сферы, "движущихся" почти со скоростью света. Результаты показали снимки вращающихся объектов. Это доказало истинность эффекта Террелла-Пенроуза. Исследователи облучали свой тестовый объект сверхкороткими лазерными импульсами, а затем использовали генератор задержки, чтобы точно определить момент открытия затвора камеры (всего на миллиардные доли секунды). Эта камера фиксировала отдельные срезы света, отражающиеся от объекта. Они повторяли процесс, перемещая объект между снимками. Команда создала иллюзию объекта, движущегося со скоростью, близкой к скорости света.

Но, как и в любом исследовании, в этом были свои трудности. Перемещение любого объекта со скоростью света или близкой к ней в настоящее время невозможно.

"По мере приближения к скорости света необходимая энергия значительно возрастает", - сказал Хорноф. Мы не можем генерировать достаточно энергии, чтобы разогнать что-то вроде куба, и "именно поэтому нам нужны огромные ускорители частиц, даже чтобы разогнать электроны до такой скорости. Это потребовало бы огромного количества энергии".

Поэтому команда прибегла к хитроумной замене.

"Мы можем имитировать визуальный эффект", - сказал Хорноф. Они взяли куб со стороной около 3 футов (1 метр). Затем они обстреляли объект сверхкороткими лазерными импульсами - каждый длительностью всего 300 пикосекунд, или примерно одной десятой миллиардной секунды. Они запечатлели отраженный свет камерой с затвором, которая открывалась только на мгновение и каждый раз создавала тонкий "срез". После каждого среза они перемещали куб вперед примерно на 1,9 дюйма (4,8 см). Именно такое расстояние он бы прошел, если бы двигался со скоростью 80% скорости света за время задержки между импульсами. Затем ученые объединили все эти срезы в снимок куба в движении.

"Когда вы объединяете все срезы, объект выглядит так, будто мчится невероятно быстро, хотя на самом деле он вообще не двигался", - сказал Хорноф. "В конечном счете, это просто геометрия".

Они повторили процесс со сферой, смещая ее на 2,4 дюйма (6 см) за шаг, чтобы имитировать 99,9% скорости света. После объединения срезов куб казался повернутым, а сфера выглядела так, будто можно было заглянуть за его грани.

"Вращение не имеет физического характера", - сказал Хорноф. "Это оптическая иллюзия. Геометрия одновременного распространения света обманывает наши глаза".

Вот почему эффект Террелла-Пенроуза не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. Быстро движущийся объект физически сокращается вдоль направления своего движения, но камера не фиксирует этого напрямую. Поскольку свету сзади требуется больше времени, чтобы дойти до объекта, чем свету спереди, снимок смещается таким образом, что объект кажется повёрнутым.

"Когда мы провели расчёты, мы были удивлены, насколько прекрасно сработала геометрия", - сказал Хорноф. "Было действительно захватывающе видеть это на снимках".

Ученые обнаружили, что все сталагмиты, растущие в пещерах, подчиняются математическому правилу, которое объясняет, как эти минеральные образования приобретают различные формы. Исследователи изучали сталагмиты в пещере Постойна в Словении.

Ученые разработали уравнения, демонстрирующие, как впечатляющие минеральные образования приобретают различные формы. Новые математические описания могут помочь ученым получать более точные данные о климатических условиях прошлого, отмечают исследователи.

"Оказывается, богатое разнообразие форм сталагмитов можно объяснить одним простым параметром", - заявил соавтор исследования Пётр Шимчак, физик из Варшавского университета. - Это редкий случай, когда красота, которую мы видим в природе, напрямую подчиняется чистому математическому закону".

Сталагмиты могут вырастать до сотен футов в высоту, образуясь на дне пещеры, и принимать самые разные формы - от острых узких конусов до широких холмов с плоской вершиной. Они образуются, когда богатая минералами вода капает с потолка пещеры примерно на одно и то же место в течение тысяч лет, где она постепенно откладывает кальцит, образуя башню, растущую из пола пещеры.

В новом исследовании Шимчак и его коллеги разработали набор математических уравнений, описывающих формирование всех этих форм. Они обнаружили, что форма, которую в конечном итоге принимает сталагмит, определяется скоростью, с которой вода капает с потолка пещеры на сталагмит, и скоростью, с которой кальцит из этой воды остаётся. Эти значения можно выразить одним числом, называемым числом Дамкёлера.

Быстро стекающая с потолка пещеры вода, как правило, образует острые конусообразные сталагмиты, в то время как вода, стекающая медленнее в то же место, образует более толстые, похожие на колонны сталагмиты. Когда вода капает с большой высоты или не стекает точно в одно и то же место, могут образовываться широкие сталагмиты с плоскими вершинами.

Затем учёные подтвердили свои уравнения, сравнив ожидаемые формы сталагмитов в разных условиях с реальными сталагмитами, взятыми из пещеры Постойна в Словении.

"Когда мы сравнили наши аналитические решения с реальными образцами из пещеры, совпадение было поразительным", - заявил соавтор исследования Матей Липар, физико-географ из Исследовательского центра Словенской академии наук и искусств. "Это показывает, что даже в естественных, сложных условиях сохраняется базовая геометрия".

Учёные могут использовать эту геометрию для получения более точных данных о климате прошлого, пишут авторы исследования. Подобно годичным кольцам деревьев, сталагмиты растут слоями, записывая информацию об осадках и температуре с течением времени. Ученые используют соотношение различных форм, или изотопов углерода в каждом слое для извлечения этой информации. Форма сталагмитов влияет на то, как эти слои откладываются, что, в свою очередь, может повлиять на то, как ученые интерпретируют условия их роста.

"Сталагмиты - это естественные климатические архивы, но теперь мы видим, что их геометрия накладывает свой отпечаток на изотопные данные", - заявил соавтор исследования Энтони Лэдд, инженер-химик из Университета Флориды. - Выявление этого эффекта позволит нам получать более достоверную информацию о климате прошлого".

Ночью 19 апреля 1787 года астроном Уильям Гершель заметил многочасовое свечение, столь же яркое, как туманность Ориона, исходящее от неосвещенной молодой Луны . Вероятно, он стал свидетелем "транзиентного лунного явления" - кратковременного изменения внешнего вида части лунной поверхности.

К теневым пятнам относятся осветляющие, красноватые или фиолетовые пятна и туманные точки. За последние два тысячелетия люди, вооружившись телескопами, камерами или просто обладая хорошим зрением, зафиксировали около 3000 таких пятен, сообщил Энтони Кук, преподаватель физики в Университете Аберистуита в Великобритании.

Но что вызывает эти странные вспышки на Луне? Хотя причиной появления может быть множество физических явлений, длительность конкретного явления, которая может варьироваться от миллисекунд до часов, может подсказать его причину, сообщили эксперты.

Масахиса Янагисава, почётный профессор Университета электрокоммуникаций в Японии, сообщил, что сверхбыстрые мерцания, длящиеся менее минуты, вероятно, возникают из-за падений метеороидов . Метеороиды весом более 0,2 кг (0,44 фунта) - примерно как бильярдный шар - при ударе о лунную поверхность вызывают кратковременные вспышки света. Сами вспышки возникают из-за энергии ударов, которая нагревает камни на лунной поверхности, заставляя их светиться до тех пор, пока они не остынут.

Хотя долгое время предполагалось, что подобные лунные ударные вспышки являются мерцанием, учёные не могли однозначно идентифицировать их до 1990-х годов, когда для мониторинга Луны стали доступны высокоскоростные видеокамеры, сказал Янагисава. Однако даже тогда, добавил он, кратковременность вспышек означала, что нельзя исключать такие факторы, как электрические помехи внутри камер.

Таким образом, подтверждение вспышки требовало одновременных наблюдений из двух или более удалённых точек. Несмотря на эти ограничения, сказал Янагисава, "некоторые вспышки были впервые подтверждены во время метеорного потока Леониды в ноябре 1999 года", что он задокументировал в исследовании 2002 года, опубликованном в журнале Icarus.

Карта всех лунных метеоритных вспышек, зарегистрированных за последние девять лет греческой программой NELIOTA. Программа была разработана для мониторинга падений метеоритов на Луну с целью защиты орбитальных спутников и будущих лунных баз.

С тех пор сотни новых LIF-вспышек были официально зарегистрированы в рамках таких проектов, как программа Европейского космического агентства по исследованию околоземных объектов на Луне и оптических транзиентов (NELIOTA). За девять лет NELIOTA зарегистрировала 193 вспышки, и их карта показывает, что вспышки происходят в определённых горячих точках, например, в Океане Бурь - лунном регионе, потенциально тектонически активном.

Однако руководитель проекта Алексиос Лиакос, научный сотрудник Национальной обсерватории Афин, заявил, что эта очевидная закономерность является следствием систематической ошибки наблюдения. Более того, исследование 2024 года, соавтором которого он был, показало, что Луна подвергается "практически равномерному падению метеороидов".

Кратковременные лунные явления интриговали людей, по крайней мере, со времён Средневековья. Это изображение яркого света между "глазами" "человека на луне", вероятно, изображает лунную вспышку, наблюдавшуюся в Вормсе (Германия) в ноябре 1540 года.

Напротив, лунное свечение, длящееся несколько минут, может быть вызвано радоновым газом, выделяющимся из недр Луны. Два исследования, опубликованные в 2008 и 2009 годах в журнале "Astrophysical Journal", предполагают, что такое выделение газа происходит, когда накопленный под поверхностью Луны газ взрывообразно высвобождается под воздействием таких факторов, как "лунотрясения".

Радиоактивный радон при распаде генерирует свет, что делает его видимым с Земли. Кроме того, места, где наблюдалось продолжительное свечение, в значительной степени совпадают с областями с высокой концентрацией радона.

Но некоторые огни на Луне, подобные тем, что наблюдал Гершель, длятся часами. Согласно исследованию 2012 года, подобные наблюдения могут быть косвенно связаны с Луной. Исследование предполагает, что солнечный ветер - поток заряженных частиц, исходящих от Солнца, - ионизирует частицы лунной пыли, выбрасывая их в огромные облака высотой до 100 километров. Эти облака могут преломлять свет звёзд или других ярких объектов, появляющихся на небе вблизи Луны, якобы освещая её поверхность.

Однако некоторые исследователи, такие как Лиакос, оспаривают существование длительных вспышек.

"Единственные более продолжительные (и не очень продолжительные) события, которые я наблюдал, - это пересечение лунного диска спутниками", - сказал Лиакос, добавив, что с 2017 года, наблюдая за ночной стороной Луны, он не видел ни одной длительной вспышки.

Тем не менее, если вы когда-нибудь увидите свет на Луне, обратите на это внимание. Это может быть иллюзия света, отражённого от спутника, но есть большая вероятность, что это лунная вспышка.

Ученые, возможно, приблизились к пониманию того, почему время течет быстрее с возрастом, и сканирование мозга людей, смотревших старые сериалы Альфреда Хичкока, помогло им ответить на этот извечный вопрос. В исследовании, опубликованном в журнале Communications Biology, ученые использовали данные Кембриджского центра старения и нейронауки (Cam-CAN), долгосрочного исследовательского проекта по старению мозга. В общей сложности 577 человек ранее посмотрели отрывок из старого телесериала "Альфред Хичкок представляет", а именно восемь минут эпизода под названием "Бац! Ты мертв".

Во время просмотра отрывка записывались результаты функциональной МРТ, которые позволят оценить, как мозговая активность участников менялась с течением времени. Этот конкретный отрывок был выбран, поскольку предыдущие исследования показали, что по сравнению с другими видеоклипами он вызывает наиболее синхронные паттерны активности мозга у самых разных зрителей. Это делает его идеальным для изучения того, как мозг разделяет и отслеживает разворачивающиеся события.

На момент сканирования мозга участникам было от 18 до 88 лет. Исследователи получили доступ к этим записям фМРТ и использовали так называемый метод "жадного поиска границ состояний" (GSBS) для их анализа. Как следует из названия, этот компьютерный алгоритм обнаруживает переходы между устойчивыми паттернами активности мозга. Он делает это "жадно", то есть распознаёт эти изменения момент за моментом, не принимая во внимание общую структуру повествования в более длительной временной шкале.

В течение восьмиминутного клипа мозг пожилых участников реже переходил в новые состояния активности, и эти состояния длились у них дольше, чем у молодых. Эта закономерность сохранялась во всем возрастном диапазоне от 18 до 88 лет.

"Это говорит о том, что более длительные [и, следовательно, меньшие] нейронные состояния в течение того же периода могут способствовать тому, что пожилые люди воспринимают время как текущее быстрее", - пишут исследователи в своем отчете. Это согласуется с представлением о времени, восходящим к Аристотелю: чем больше значимых событий происходит в определенный период времени, тем он субъективно кажется длиннее.

Новые результаты предполагают, что если мозг пожилых людей регистрирует меньше "событий" в определенный период времени, возможно, именно поэтому время кажется летящим незаметно.

Авторы связывают свои наблюдения, что у пожилых людей наблюдается меньше переходов между нейронными состояниями, с феноменом, известным как возрастная нейронная дедифференциация. В ходе этого процесса активность различных областей мозга становится менее специфичной с возрастом. Например, у молодых людей группы нейронов в зонах, чувствительных к лицам, более избирательно реагируют на лица как на категорию, но у пожилых людей эти группы нейронов активируются чаще на объекты, не являющиеся лицами. Это обобщение - на уровне более широких групп нейронов, а не отдельных нейронов - может быть верно для мозга в целом и может затруднять распознавание окончания одного события и начала другого, предполагают авторы исследования.

Издание Live Science подтвердило обоснованность гипотезы учёных, но добавило, что необходимо также учитывать, что у каждого из нас есть две шкалы времени. Общество делит время линейно на часы, дни и годы, в то время как наша внутренняя шкала подчиняется логарифмическим законам. Например, год составляет 20% жизни пятилетнего ребёнка, но лишь 2% жизни пятидесятилетнего. Следовательно, восприятие времени зависит не только от количества нейронных "событий" в мозге, но и от внутреннего нелинейного способа измерения времени. Исследователи отметили, что пожилые люди всё ещё могут ощущать время субъективно более полным.

"Изучение нового, путешествия и участие в новых занятиях могут помочь ощутить время более обширным в ретроспективе, - рассказала соавтор исследования Линда Герлигс, исследователь из Университета Радбауд в Нидерландах. - Но, возможно, даже более важными являются содержательные социальные взаимодействия и занятия, приносящие радость, которые также могут способствовать более полному ощущению времени".