Секреты мироздания: Тайны мироздания — Официальный сайт телеканала National Geographic в России

Тайны Вселенной
1. Что такое естественный закон? (Жидкости и газы: принципы механики жидкости; может быть введено во всех книгах)
2. Принцип Архимеда (жидкости и газы: принципы механики жидкости)
3.Движение планет (объекты в движении: принципы классической механики)
4. Маятники и падающие объекты: закон движения Галилея (объекты в движении — принципы классической механики)
5. Законы движения дерева Ньютона (объекты в движении: принципы классической механики) Механика)
6. Закон всемирного тяготения (Объекты в движении: Принципы классической механики)
7. Сохранение количества движения (Объекты в движении: Принципы классической механики)
8. Оптика — Законы света (Волны: Принципы движения). Свет, электричество и магнетизм)
9.Закон сохранения материи (Материя и энергия: принципы материи и термодинамики)
10. Закон Паскаля — Как ведут себя жидкости (Жидкости и газы: принципы механики жидкостей)
11. Законы Бойля и Карлеса — Как ведут себя газы (жидкости и Газы: принципы механики жидкости)
12. Принцип Бернулли (жидкости и газы: принципы механики жидкости)
13. Как элементы сочетаются — закон определенных пропорций и закон Гей-Люссака (Материя и энергия: принципы материи и термодинамики) )
14.Периодический закон Менделеева (Материя и энергия: принципы материи и термодинамики)
15. Первый закон термодинамики — сохранение энергии (Материя и энергия: принципы материи и термодинамики)
16. Второй закон термодинамики — энтропия (материя и Энергия: принципы материи и термодинамики)
17. Законы электромагнетизма (Волны: принципы света, электричества и магнетизма)
18. Электрический ток — закон Ома и закон Джоуля (Волны: принципы света, электричества и магнетизма)
19.Относительность (теория относительности и квантовая механика: принципы современной физики)
20. Квантовая механика (теория относительности и квантовая механика: принципы современной физики)
21. Сохранение массы / энергии (теория относительности и квантовая механика: принципы современной физики)
22. Принцип неопределенности (теория относительности и квантовая механика: принципы современной физики)

А вот и новые книги с добавленным упоминанием того, какая глава раньше была в СТАРОЙ книге:

Жидкости и газы: основы механики жидкостей
1.Принцип Архимеда (в оригинальной книге это была глава 2) WiseGeek
2. Закон Паскаля о поведении жидкостей (в оригинальной книге это была глава 10) WiseGeek
3. Законы Бойля и Чарльза о поведении газов (в оригинальной книге , это была глава 11) WiseGeek
4. Принцип Бернулли (в оригинальной книге это была глава 12) WiseGeek

Объекты в движении: принципы классической механики
1. Движение планет (в оригинальной книге это была глава 3) WiseGeek
2.Маятники и падающие объекты (в оригинальной книге это была глава 4) Маятники и гравитация / падающие объекты
3. Три закона движения Ньютона (в оригинальной книге это была глава 5) WiseGeek
4. Закон всемирного тяготения ( в оригинальной книге это была глава 6) WiseGeek
5. Сохранение импульса (в оригинальной книге это была глава 7) WiseGeek

Волны: принципы света, электричества и магнетизма
1. Оптика — законы света (в оригинальной книге это была глава 8) Свет, Размышления, Закон Снеллиуса, Преломление Спектр, Инфракрасный
2.Законы электромагнетизма (в оригинальной книге это была глава 17) WiseGeek
3. Электрический ток — закон Ома и закон Джоуля (в оригинальной книге это была глава 18) Ом, Джоуль

Материя и энергия: принципы материи и термодинамики
1. Закон сохранения материи (в оригинальной книге это была глава 9) WiseGeek
2. Как элементы сочетаются — закон определенных пропорций и закон Гей-Люссака Закон (в оригинальной книге это была глава 13) Определенные пропорции в химии, Ги-Люссак / Электролиз воды
3.Периодический закон Менделеева (в оригинальной книге это была глава 14) WiseGeek
4. Первый закон термодинамики — сохранение энергии (в оригинальной книге это была глава 15) WiseGeek
5. Второй закон термодинамики — энтропия ( в оригинальной книге это была глава 16) WiseGeek

Теория относительности и квантовая механика: принципы современной физики
1. Относительность (в оригинальной книге это была глава 19) WiseGeek
2. Квантовая механика (в оригинальной книге это была глава 20) WiseGeek
3.Сохранение массы / энергии (в оригинальной книге это была глава 21) EHow WiseGeek
4. Принцип неопределенности (в оригинальной книге это была глава 22) WiseGeek

Примечание

Оригинальная книга больше не издается, и кажется, что ее трудно найти, хотя она появляется; Публичные библиотеки будут очевидным первым местом, куда стоит обратиться, поскольку книга на самом деле не такая уж и старая. Пожалуйста, не думайте, что Консультативный совет просит кого-то отправиться на крупный поиск единственной прекрасной книги.Это не то, что было задумано, оставив книгу в списке, только то, что если вы МОЖЕТЕ получить копию, это по-прежнему наш лучший выбор для шестого года. Если вы не можете получить к нему доступ, другой вариант может быть The Boy Scientist Джона Брайана Левеллена, распродавшийся, но более доступный в источниках подержанных книг, чем «Секреты Вселенной». Другой вариант — The Sciences Эдварда Холдена, распродавшийся, но онлайн здесь.

Шарлотта Мейсон сама рекомендовала книгу Холдена, поэтому даже простой взгляд на нее даст представление о том, какой научный текст она использовала бы.Обычно мы не рекомендуем вышедшие из печати книги или очень дорогие книги. Все эти книги хороши, и если вы можете их достать, мы предлагаем вам воспользоваться ими. Однако мы все еще ищем альтернативу, которая соответствует нашим принципам качества, доступности и доступности.

Бесплатная программа домашнего обучения Шарлотты Мейсон от AmblesideOnline готовит детей к жизни в богатых отношениях с Богом, человечеством и миром природы.

Secrets of the Universe в Astroneer

Для использования Sylva, Desolo и Calidor
Я построил большой шаттл и снабдил его:
1 трактором
1 средним вездеходом
2 средними батареями
1 маленькой солнечной панелью
1 маленькой ветряной турбиной
5 маленькими батареями
1 носитель
2+ упаковщика или графит

Эта установка позволяет пользователю летать над планетой и отслеживать места посадки возле шлюзов, которые еще не открыты. Вы можете собрать больше вещей в поездку, чтобы помочь, если упакуйте все в самые маленькие формы.Примечание: во время всего этого помните об уровне топлива в вашей ракете. Различным планетам все чаще потребуется больше генераторов или батарей для достижения требуемой потребляемой мощности. См. Таблицу внизу руководства.

Приземлиться, распаковать все снаряжение и отправиться в путь с установкой конвоя. Поместите небольшую солнечную панель и небольшую ветряную турбину на переднюю часть трактора, так как они должны постоянно поддерживать питание транспортного средства. Распакуйте средние батареи на среднем ровере, чтобы они заряжались во время транспортировки.Как только вы достигнете шлюза, подключите конвой к задней части марсохода. Когда мне требовалась дополнительная мощность, я обыскивал окрестности в поисках компаунда для создания небольших генераторов, а затем органики в качестве топлива.

Мощность выработки электроэнергии:
https://astroneer.gamepedia.com/Power
Средняя батарея = 3A
Маленькая батарея = 1A
Малый генератор = 1A
Средний ровер = 1A
Малая ветряная турбина = .5A
Малая солнечная Панель = .5A

С привезенным оборудованием мы можем произвести
2 med Battery = 6A
5 sml Battery = 5A
1 med Rover = 1A
—————— ———-
12A

После того, как шлюз решен, вы можете продолжать бродить по поверхности для большего.Следуйте линиям сетки связанных порталов для определения самого быстрого маршрута. В противном случае возвращайтесь к шаттлу, используйте упаковщик, чтобы упаковать предметы, и пристегните шаттл для следующего запуска и посмотрите в небо, чтобы увидеть, где приземлиться дальше.

Эта установка будет работать на любой планете, однако вам придется приспособиться к потребляемой мощности. Вы можете использовать большие вездеходы, чтобы нести больше, но они медленно двигаются и громоздки на пересеченной местности. Вам нужно будет отрегулировать загрузку каравана в соответствии с требованиями к мощности для каждого шлюза планет, перечисленных ниже.Новус, Глацио и Атрокс требуют чудовищной силы.

Я рекомендую использовать РИТЭГ, если есть возможность.
RTG = 4A

Это устройство с максимальной выходной мощностью в настоящее время в игре

Вот диаграмма из Astroneer wiki
https://astroneer.gamepedia.com/Gateway_Chamber

Planet | Палаты | Требуется ток
Sylva | 6 камер | 5A
Desolo | 2 камеры | 8A
Calidor | 6 камер | 12A
Vesania | 6 камер | 16A
Novus | 2 камеры | 21A
Glacio | 6 камер | 26A
Atrox | 6 камер | 30 A

Аудиокнига недоступна | Слышно.com

• Evvie Drake: более чем

• Роман
• К: Линда Холмс
• Рассказал: Джулия Уилан, Линда Холмс
• Продолжительность: 9 часов 6 минут
• Несокращенный

В сонном приморском городке в штате Мэн недавно овдовевшая Эвелет «Эвви» Дрейк редко покидает свой большой, мучительно пустой дом почти через год после гибели ее мужа в автокатастрофе.Все в городе, даже ее лучший друг Энди, думают, что горе держит ее взаперти, а Эвви не поправляет их. Тем временем в Нью-Йорке Дин Тенни, бывший питчер Высшей лиги и лучший друг детства Энди, борется с тем, что несчастные спортсмены, живущие в своих худших кошмарах, называют «ура»: он больше не может бросать прямо, и, что еще хуже, он не может понять почему.

• 3 из 5 звезд

• Что-то заставляло меня слушать….

• К Каролина Девушка на 10-12-19

Университет Северного Кентукки, регион Большой Цинциннати

«Все эти годы черные дыры были загадочным и теоретическим объектом, изучаемым физиками.В этом есть очарование, потому что это ведет к чему-то осязаемому, существующему в нашей Вселенной… »

Джейна Баркер
NKU Marketing + Communications

Когда у звезды заканчивается топливо — когда реакция ядерного синтеза останавливается — звезда погружается внутрь и коллапсирует под собственным весом. Коллапс заставляет рябь гравитационных волн течь от него, оставляя после себя только меньшую, уплотненную массу. Место, в котором застряли остатки звезды, называется сингулярностью, где гравитационное притяжение настолько велико, что не позволяет чему-либо, включая свет, уйти.Это явление известно как черная дыра.

Черные дыры нельзя увидеть напрямую, но ученые могут наблюдать присутствие вокруг них и их влияние на близлежащие звезды. Доктор Шарманти Фернандо, профессор физики Университета Северного Кентукки, посвятила последние 20 лет своей жизни изучению этого загадочного процесса и существования черных дыр во Вселенной. Она опубликовала 41 исследовательскую статью о них в известных журналах и представила свои выводы на национальных и международных конференциях.

Благодаря своему выдающемуся вкладу в эту область и университет, доктор Фернандо — единственный преподаватель в кампусе НКУ, проводивший исследования черных дыр — недавно получила премию НКУ за выдающиеся достижения в области научных исследований. «Это было очень полезно для меня. , — говорит Фернандо. «Приятно получать признание за мою работу. Я писал статьи, посещал множество конференций и представлял свои работы по всему миру. Но приятно, что тебя ценят здесь, в НКУ ».

Недавно Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) — два объекта в Вашингтоне и Алабаме, посвященные обнаружению и измерению космических гравитационных волн — наблюдала волны, испускаемые в результате столкновения двух черных дыр, которое произошло 1.4 миллиарда лет назад, говорит Фернандо.

«Все эти годы черные дыры были загадочным и теоретическим объектом, который изучали физики», — говорит Фернандо. «Ученые LIGO наконец-то получили этот сигнал — доказательство существования черных дыр. В этом есть очарование, потому что это ведет к чему-то осязаемому, существующему в нашей Вселенной ».

Фернандо не всегда увлекался физикой. Она знала, что в конечном итоге станет учителем, но росла, думая, что предметом будет музыка.Вернувшись домой в Шри-Ланку, где она родилась и выросла, ее мать была учителем музыки. Фернандо всегда играл на скрипке в детстве. Она по-прежнему играет на скрипке и выступала с несколькими оркестрами региона, в том числе с оркестром NKU Community Orchestra.

В первые годы своей студенческой карьеры Фернандо заинтересовалась математикой. Работая над получением степени бакалавра в области машиностроения, она начала читать о теории относительности Альберта Эйнштейна и о черных дырах.Существование черных дыр было предсказано в 1916 году, но только в 1967 году термин «черная дыра» был введен астрономом Джоном Уилером.

Фернандо снова решила изменить свой путь и отправиться в физику. Когда она переехала в США, в 1996 году она получила первую степень магистра физики и вторую степень магистра математики. В 1998 году она получила степень по теоретической физике, поступила на физический факультет НКУ и получила должность в 2007 году.

Во время учебы в НКУ Фернандо уделяла особое внимание студентам, которых она привлекала к своим исследованиям.

«Я считаю, что заставить наших студентов проводить исследования как можно раньше — это один из способов удержать их в наших программах», — говорит Фернандо. «Несмотря на то, что многие думают, что исследование черных дыр слишком сложное и математическое для студентов, мне удалось вовлечь студентов в проекты, ведущие к публикациям. Исследования открывают для студентов возможность проявлять творческий подход, быть независимыми мыслителями и вносить идеи в науку таким образом, что это невозможно, когда они выполняют свою обычную курсовую работу.”

Ее философия очевидна в исследованиях, которые она проводит со второкурсником по физике Амандой Мэннинг и старшим по физике Брайаном Уоткинсом.

Аманда изучает «мелодии звонка» черной дыры. Когда звонят в колокол, тон колокола определяется по частотам излучаемых волн. Точно так же может колебаться черная дыра.

«Мы меняем различные свойства черной дыры, такие как масса и заряд, чтобы увидеть, как это влияет на мелодию звонка черной дыры», — говорит Аманда.«Мы также изучаем, как температура черных дыр связана с этими мелодиями звонка».

Аманда, выпускница средней школы округа Бун, использует компьютерную программу Mathematica для выполнения всех расчетов и построения графиков для проекта.

«Если мы обнаружим такие частоты, то сможем определить свойства черных дыр в нашей Вселенной», — говорит Фернандо. «Эти частоты подобны гармоникам в музыкальном инструменте, где частоты связаны целым числом, кратным базовой частоте.”

Брайан, выпускник средней школы округа Пендлетон, изучает фазовые переходы черных дыр.

«Все мы знаем, что если мы охладим воду, то она превратится в лед. Этот переход от воды к льду называется фазовым переходом », — говорит Фернандо. «Фазовые переходы обычны в природе и используются во многих современных технологиях. Подобно переходу между водой и льдом, черные дыры считаются рассматриваемым веществом — переход происходит между маленькими черными дырами и большими черными дырами.”

Брайан и Фернандо используют свои знания о черных дырах, чтобы упростить понимание черных дыр.

«Одна вещь, которую мы хорошо понимаем в физике, — это термодинамика и то, как разные газы ведут себя в разных условиях», — говорит Брайан. «Если вы измените емкость или давление чего-то, например, банки Pepsi, что произойдет, если вы ее встряхнете? Вы меняете в нем разные вещи и то, как он может отреагировать на эти изменения ».

Исследование, которое Аманда и Брайан проводят с Фернандо, после завершения будет отправлено в рецензируемый журнал, и они планируют представить свои выводы на собрании Академии наук Кентукки и на афише в столице во Франкфурте.У них будет возможность представить свою работу другим ученым и пообщаться с преподавателями в регионе.

«Исследования, которые я провожу со студентами бакалавриата в НКУ, обычно проводятся на уровне выпускников», — говорит Фернандо. «Таким образом, у наших студентов есть большое преимущество в том, что они участвуют в передовых исследованиях на раннем этапе своей карьеры. Публикация статьи по физике черных дыр в студенческие годы — замечательное достижение ».

Поиски раскрытия фундаментальных секретов Вселенной, движимые любопытством и технологиями

Технология, основанная на использовании аргонна, является частью широкой инициативы, направленной на поиск ответов на фундаментальные вопросы о рождении материи во Вселенной и строительных блоках, которые удерживают все это воедино.

Представьте себе первого представителя нашего вида, лежащего в сиянии вечернего неба. Огромное чувство благоговения, возможно, немного страха, наполняет их, когда они удивляются этим, казалось бы, бесконечным точкам света и тому, что они могут означать. Как люди, мы развили способность задавать важные проницательные вопросы о мире вокруг нас и мирах за пределами нас. Мы даже смеем сомневаться в собственном происхождении.

Телескоп Южного полюса является частью сотрудничества Аргонн с рядом национальных лабораторий и университетов по измерению реликтового излучения, которое считается самым старым светом во Вселенной.Большая высота и чрезвычайно засушливые условия Южного полюса препятствуют поглощению водяным паром некоторых длин волн света. Предоставлено: Изображение Аргоннской национальной лаборатории

«Важно понять место человека во Вселенной», — сказал физик и ученый-вычислитель Салман Хабиб. «Как только вы поймете, что есть миллиарды галактик, которые мы можем обнаружить, в каждой из которых есть много миллиардов звезд, вы поймете, насколько ничтожно в некотором смысле быть человеком. Но в то же время вы гораздо больше цените быть человеком.”

«Сказать, что мы понимаем Вселенную, было бы неверно. Сказать, что мы вроде как понимаем, это нормально. У нас есть теория, которая описывает то, что делает Вселенная, но каждый раз, когда Вселенная удивляет нас, мы должны добавлять в эту теорию новый ингредиент ».
— Салман Хабиб, физик и вычислитель

Обладая не меньшим чувством удивления, чем большинство из нас, Хабиб и его коллеги из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) активно исследуют эти вопросы в рамках инициативы, которая исследует фундаментальные компоненты как физики элементарных частиц, так и астрофизики.

Размах исследований Аргонны в этих областях ошеломляет. Это возвращает нас к самому краю времени, к бесконечно малой доле секунды после Большого взрыва, когда возникли случайные колебания температуры и плотности, которые в конечном итоге сформировали рассадники галактик и планет.

Он исследует сердце протонов и нейтронов, чтобы понять самые фундаментальные конструкции видимой Вселенной, частицы и энергия, которые когда-то были свободными в ранней Вселенной после Большого Взрыва, но позже навсегда заключены в базовую атомную структуру, когда эта Вселенная начала остывать.

И в нем рассматриваются несколько более новые, более противоречивые вопросы о природе темной материи и темной энергии, которые играют доминирующую роль в структуре и динамике Вселенной, но мало изучены.

«И это исследование мирового уровня, которое мы проводим, не могло бы произойти без достижений в области технологий», — сказал заместитель директора Аргоннской лаборатории Кавтар Хафиди, который помог определить и объединить различные аспекты инициативы.

«Мы разрабатываем и производим детекторы, которые ищут сигнатуры ранней Вселенной или улучшают наше понимание самых фундаментальных частиц», — добавила она.«И поскольку все эти детекторы создают большие данные, которые необходимо анализировать, мы разрабатываем, среди прочего, методы искусственного интеллекта для этого».

Расшифровка сообщений из вселенной

Реализация теории Вселенной в космическом или субатомном масштабе требует сочетания наблюдений, экспериментов, теорий, моделирования и анализа, что, в свою очередь, требует доступа к самым совершенным в мире телескопам, коллайдерам частиц, детекторам и суперкомпьютерам.

Argonne уникально подходит для этой миссии, поскольку он оснащен многими из этих инструментов, возможностью производить другие и привилегиями сотрудничества с другими федеральными лабораториями и ведущими исследовательскими учреждениями для доступа к другим возможностям и опыту.

Как руководитель космологического компонента инициативы, Хабиб использует многие из этих инструментов в своем стремлении понять происхождение Вселенной и то, что движет ею.

И что может быть лучше, чем наблюдать, сказал он.

«Если вы посмотрите на Вселенную как на лабораторию, то, очевидно, мы должны изучить ее и попытаться выяснить, что она говорит нам об основах науки», — отметил Хабиб. «Итак, одна из частей того, что мы пытаемся сделать, — это создать все более чувствительные зонды, чтобы расшифровать то, что Вселенная пытается нам сказать».

На сегодняшний день Аргонн участвует в нескольких важных обзорах неба, в которых используется множество наблюдательных платформ, таких как телескопы и спутники, для картирования различных уголков Вселенной и сбора информации, которая поддерживает или опровергает конкретную теорию.

Например, исследование Южного полюса, проведенное телескопом в результате сотрудничества Аргонны с рядом национальных лабораторий и университетов, измеряет космический микроволновый фон (CMB), который считается самым старым светом во Вселенной. Изменения в свойствах реликтового излучения, таких как температура, сигнализируют об исходных флуктуациях плотности, которые в конечном итоге привели ко всей видимой структуре во Вселенной.

Кроме того, спектроскопический прибор темной энергии и будущая обсерватория Веры К. Рубин — это специально оборудованные наземные телескопы, предназначенные для освещения темной энергии и темной материи, а также формирования светящейся структуры во Вселенной.

Темнее дело

Все наборы данных, полученные в результате этих наблюдений, связаны со вторым компонентом космологического толчка Аргонны, который вращается вокруг теории и моделирования. Космологи объединяют наблюдения, измерения и действующие законы физики, чтобы сформировать теории, которые разрешают некоторые загадки Вселенной.

Но Вселенная сложна, и у нее есть раздражающая тенденция бросать кривый шар именно тогда, когда мы думали, что у нас есть теория. Открытия, совершенные за последние 100 лет, показали, что Вселенная расширяется и ускоряет свое расширение — открытия, которые явились отдельными, но равными сюрпризами.

«Сказать, что мы понимаем Вселенную, было бы неверно. Сказать, что мы вроде как понимаем, это нормально, — воскликнул Хабиб. «У нас есть теория, которая описывает то, что делает Вселенная, но каждый раз, когда Вселенная удивляет нас, мы должны добавлять в эту теорию новый ингредиент».

Моделирование помогает ученым получить более четкое представление о том, вписываются ли эти новые ингредиенты в теорию и как они это делают. Они делают прогнозы для наблюдений, которые еще не были сделаны, и говорят наблюдателям, какие новые измерения следует провести.

Группа Хабиба применяет такой же процесс, чтобы получить очень предварительное представление о природе темной энергии и темной материи. Хотя ученые могут сказать нам, что оба существуют, что они составляют около 68 и 26% Вселенной, соответственно, кроме этого мало что известно.

Наблюдения за космологической структурой — распределением галактик и даже их формой — дают ключ к разгадке природы темной материи, которая, в свою очередь, питает простые модели темной материи и последующие предсказания.Если наблюдения, модели и прогнозы не совпадают, это говорит ученым о том, что в их описании темной материи может отсутствовать какой-то ингредиент.

Но есть также эксперименты, которые ищут прямые доказательства существования частиц темной материи, для чего требуются высокочувствительные детекторы. Аргонн инициировал разработку специальной технологии сверхпроводящего детектора для обнаружения маломассивных частиц темной материи.

Эта технология требует способности контролировать свойства слоистых материалов и регулировать температуру, при которой материал переходит от конечного сопротивления к нулевому, когда он становится сверхпроводником.И в отличие от других приложений, где ученые хотели бы, чтобы эта температура была как можно более высокой — например, комнатной температуры — здесь переход должен быть очень близок к абсолютному нулю.

Хабиб называет эти детекторы темной материи ловушками, похожими на те, что используются для охоты — что, по сути, и делают космологи. Поскольку возможно, что темная материя не относится к одному виду, им нужны разные типы ловушек.

«Это похоже на то, как будто вы в джунглях в поисках определенного животного, но вы не совсем понимаете, что это такое — это может быть птица, змея, тигр — поэтому вы строите разные виды ловушек», он сказал.

Исследователи лаборатории работают над технологиями поимки этих неуловимых видов с помощью новых классов поисков темной материи. Сотрудничая с другими учреждениями, они сейчас разрабатывают и создают первую серию пилотных проектов, направленных на поиск кандидатов в темную материю с низкой массой.

Эми Бендер работает над детектором другого типа — ну, над множеством детекторов — которые лежат в основе исследования космического микроволнового фона (CMB).

«Реликтовое излучение — это излучение, которое существует вокруг Вселенной в течение 13 миллиардов лет, и мы непосредственно его измеряем», — сказал Бендер, помощник физика в Аргонне.

Детекторы, разработанные в Аргонне — всего 16 000 — улавливают фотоны или световые частицы с того первозданного неба через вышеупомянутый телескоп Южного полюса, чтобы помочь ответить на вопросы о ранней Вселенной, фундаментальной физике и формировании космических структур.

Теперь экспериментальные исследования CMB переходят в новую фазу, CMB-Stage 4 (CMB-S4).Этот более крупный проект затрагивает даже более сложные темы, такие как теория инфляции, которая предполагает, что Вселенная расширялась быстрее скорости света в течение доли секунды, вскоре после Большого взрыва.

В то время как наука удивительна, технология, которая поможет нам добраться туда, не менее увлекательна.

Часть матрицы детекторов с архитектурой, подходящей для будущих экспериментов CMB, таких как предстоящий проект CMB-S4. Изготовленные в Аргоннском Центре наноразмерных материалов, 16 000 этих детекторов в настоящее время проводят измерения, полученные с помощью телескопа Южного полюса.Предоставлено: Изображение Аргоннской национальной лаборатории

Технически называемые болометрами с контролем края перехода (TES), детекторы на телескопе сделаны из сверхпроводящих материалов, изготовленных в Аргоннском Центре наноразмерных материалов, пользовательском центре Министерства энергетики США.

Каждый из 16 000 детекторов действует как комбинация очень чувствительного термометра и камеры. Поскольку входящее излучение поглощается поверхностью каждого детектора, измерения производятся путем переохлаждения их до доли градуса выше абсолютного нуля.(Это более чем в три раза холоднее, чем самая низкая зарегистрированная температура в Антарктиде.)

Изменения тепла измеряются и записываются как изменения электрического сопротивления и помогают составить карту интенсивности реликтового излучения на небе.

CMB-S4 будет сфокусирован на новой технологии, которая позволит исследователям различать очень специфические узоры в свете или поляризованном свете. В данном случае они ищут то, что Бендер называет Святым Граалем поляризации, паттерн, называемый B-модами.

Захват этого сигнала из ранней Вселенной, который намного слабее, чем сигнал интенсивности, поможет подтвердить или опровергнуть общий прогноз инфляции.

Это также потребует добавления 500 000 детекторов, распределенных между 21 телескопом в двух разных регионах мира, на Южном полюсе и в чилийской пустыне. Там большая высота и чрезвычайно сухие условия не позволяют водяному пару в атмосфере поглощать свет миллиметрового диапазона, как у реликтового излучения.

В то время как предыдущие эксперименты затрагивали эту поляризацию, большое количество новых детекторов улучшит чувствительность к этой поляризации и расширит нашу способность ее улавливать.

«Мы создали эти камеры с нуля», — сказал Бендер. «Наше нововведение состоит в том, как заставить эти стопки сверхпроводящих материалов работать вместе в этом детекторе, где вам нужно объединить множество сложных факторов, а затем фактически считать результаты с помощью TES. И именно здесь Аргонн внес огромный вклад ».

Argonne в области детекторной технологии не останавливаются на грани времени, и исследования инициативы не только смотрят на общую картину.

Большая часть видимой Вселенной, включая галактики, звезды, планеты и людей, состоит из протонов и нейтронов. Понимание самых фундаментальных компонентов этих строительных блоков и того, как они взаимодействуют, образуя атомы и молекулы, и почти все остальное — сфера деятельности таких физиков, как Зейн-Эддин Мезиани.

«С точки зрения будущего моей области, эта инициатива чрезвычайно важна», — сказал Мезиани, возглавляющий группу по физике средней энергии в Аргонне. «Это дало нам возможность на самом деле исследовать новые концепции, развить лучшее понимание науки и путь к более широкому сотрудничеству и некоторому лидерству.”

Возглавляя ядерно-физический компонент инициативы, Мезиани направляет Аргонну на важную роль в разработке электронно-ионного коллайдера, нового объекта Программы ядерной физики США, который планируется построить в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Основной интерес Аргонна к коллайдеру состоит в том, чтобы выяснить роль, которую кварки, антикварки и глюоны играют в придании массы и квантового углового момента, называемого спином, протонам и нейтронам — нуклонам — частицам, составляющим ядро ​​атома.

Электроны, сталкиваясь с ионами, будут обмениваться виртуальными фотонами с ядерными частицами, чтобы помочь ученым «заглянуть» внутрь ядерных частиц; столкновения будут производить точные трехмерные снимки внутреннего устройства кварков и глюонов в обычной ядерной материи; как комбинированный сканер КТ / МРТ для атомов. Предоставлено: изображение Брукхейвенской национальной лаборатории.

В то время как мы когда-то считали нуклоны конечными элементарными частицами атома, появление мощных коллайдеров частиц, таких как Стэнфордский центр линейных ускорителей в Стэнфордском университете и бывший тэватрон в Фермилаборатории Министерства энергетики, доказало обратное.

Оказывается, кварки и глюоны не зависели от нуклонов в экстремальных плотностях энергии ранней Вселенной; по мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, они превращались в обычную материю.

«Было время, когда кварки и глюоны были свободными в большом супе, если хотите, но мы никогда не видели их свободными», — объяснил Мезиани. «Итак, мы пытаемся понять, как Вселенная захватила всю эту энергию, которая была там, и поместила ее в замкнутые системы, такие как эти капли, которые мы называем протонами и нейтронами.”

Часть этой энергии связана в глюонах, которые, несмотря на то, что они не имеют массы, придают большую часть массы протону. Итак, Мезиани надеется, что электронно-ионный коллайдер позволит науке исследовать, помимо других свойств, происхождение массы во Вселенной посредством детального исследования глюонов.

И точно так же, как Эми Бендер ищет поляризацию B-мод в реликтовом излучении, Мезиани и другие исследователи надеются использовать очень специфическую частицу, называемую Дж / фунт / кв. Дюйм, чтобы получить более четкую картину того, что происходит внутри глюонного поля протона.

Но создание и обнаружение частицы Дж / пси внутри коллайдера — при одновременном обеспечении того, чтобы протонная мишень не разорвалась на части — является сложной задачей, требующей новых технологий. Опять же, Argonne позиционирует себя в авангарде этого начинания.

«Мы работаем над концептуальным дизайном технологий, которые будут чрезвычайно важны для обнаружения этих типов частиц, а также для тестирования концепций для других наук, которые будут проводиться на электронно-ионном коллайдере», — сказал Мезиани.

Argonne также производит детекторы и связанные с ними технологии в поисках явления, называемого безнейтринным двойным бета-распадом. Нейтрино — одна из частиц, испускаемых в процессе радиоактивного бета-распада нейтрона, и служит небольшой, но мощной связью между физикой элементарных частиц и астрофизикой.

«Двойной безнейтринный бета-распад может произойти только в том случае, если нейтрино является собственной античастицей», — сказал Хафиди. «Если подтвердится существование этих очень редких распадов, это будет иметь важные последствия для понимания того, почему во Вселенной больше материи, чем антивещества.”

аргонских ученых из разных отделов лаборатории работают над коллаборацией Neutrino Experiment with Xenon Time Projection Camera (NEXT), чтобы разработать и создать прототипы ключевых систем для следующего большого эксперимента. Это включает в себя разработку единственного в своем роде испытательного центра и программу исследований и разработок для новых специализированных детекторных систем.

«Мы действительно работаем над новыми драматическими идеями», — сказал Мезиани. «Мы инвестируем в определенные технологии, чтобы продемонстрировать какое-то принципиальное доказательство того, что они будут теми, к которым мы будем стремиться позже, и что технологические прорывы, которые приведут нас к наиболее чувствительному обнаружению этого процесса, будут осуществляться Аргонной.”

Средства обнаружения

В конечном счете, фундаментальная наука — это наука, порожденная человеческим любопытством. И хотя мы не всегда можем видеть причину для этого, чаще всего фундаментальная наука дает результаты, которые приносят пользу всем нам. Иногда это приятный ответ на давний вопрос, а иногда — технологический прорыв, предназначенный для одной науки, который оказывается полезным во множестве других приложений.

Благодаря разным усилиям аргоннские ученые стремятся к обоим результатам.Но для решения вопросов, которые они задают, потребуется нечто большее, чем просто любопытство и умственные способности. Это потребует наших навыков изготовления инструментов, таких как телескопы, которые смотрят глубоко в небеса, и детекторы, улавливающие намеки на самый ранний свет или самые неуловимые частицы.

Нам нужно будет задействовать сверхбыстрые вычислительные мощности новых суперкомпьютеров. Предстоящая машина Argonne exascale будет анализировать горы данных, чтобы помочь в создании массивных моделей, имитирующих динамику Вселенной или субатомного мира, которые, в свою очередь, могут служить ориентиром для новых экспериментов или вводить новые вопросы.

И мы будем применять искусственный интеллект для распознавания закономерностей в сложных наблюдениях — на субатомном и космическом уровнях — гораздо быстрее, чем человеческий глаз, или использовать его для оптимизации оборудования и экспериментов для большей эффективности и более быстрых результатов.

«Я думаю, что нам дали возможность исследовать новые технологии, которые позволят нам ответить на важные вопросы», — сказал Бендер.