Страница:
Д.Г. На космическом корабле.
А.Ч. И какое-то время, ещё несколько мгновений, успеть увидеть будущее…
А.Г. Потому что времени знак меняется…
Д.Г. Обнаружение этих объектов также стало возможным благодаря новой рентгеновской технике и в особенности будущей техники…
А.Ч. Рентгеновский интерферометр…
Д.Г. Рентгеновский интерферометр позволит действительно уже измерить реальные гравитационные параметры…
А.Г. Хорошо, тогда вот какой вопрос. Что касается природной лаборатории, более или менее понятно. Но вот вы уже описали эксперимент, который можно было бы провести, если бы у нас был такой сферический пресс, который развивал бы необходимое давление. Но вы также указали, что объекты эти квантовые?
А.Ч. Да.
А.Г. Нельзя ли поставить дикий эксперимент, учитывая квантовую природу этих объектов, по созданию такой чёрной дыры в лабораторных условиях?
Д.Г. Это одно из предложений, которые существуют, правда, в рамках не эйшнейновской теории, а той гипотезы гипербранной вселенной, которая сейчас развивается. Собственно, гипотеза состоит в том, что наша вселенная на самом деле является некоторой поверхностью, вложенной в пространство большего числа измерения хотя бы одно лишнее измерение для этого нужно иметь. Так вот сама модель была предложена в каком-то смысле как игрушечная модель, просто исходя из возможностей её проверки. Такая проверка в ближайшие годы будет возможна на ускорителях, которые работают при энергии десять в третьей Гэв или Тэв, это уже очень большие энергии, они существенно превышают те, которые задействованы в стандартной модели и пока мы ничего не знаем, что там может происходить. Так вот, предположение о том, что на самом деле есть пятое измерение, причём это измерение не маленькое, планковских масштабов, как это давно уже предлагалось, а большое, скажем, миллиметры или доли миллиметра, как выясняется, это предположение не противоречит ни гравитационным экспериментам, ни наблюдениям, ни физике элементарных частиц более того, оно позволяет решать ряд проблем именно в теории элементарных частиц.
Так вот, на тэвном ускорителе при подборе параметров нет противоречий с существующими данными, а есть даже соблазнительная возможность объяснить тёмную энергию, о которой много говорят. Это то, что сейчас наблюдается во вселенной, маленькое значение космологической постоянной, то есть существовании энергии совершенно специфического вида. Так вот оказывается, что масштаб очень хорошо согласуется с предположением об этом субмиллиметровом характере дополнительных измерений. Но это, конечно, одно из предположений, вовсе не доказательство.
Так вот что происходит. Если две такие элементарные частицы, разогнанные на ускорители до энергии порядка Тэв, сталкиваются между собой с прицельным параметром в десять минус 17-й сантиметра, что вполне реально, то частица оказываются под своим гравитационным радиусом с точки зрения этой теории, потому что там масштабы изменены на много порядков.
А.Ч. Не десять в минус 33…
Д.Г. А 10 в минус 17-ой это уже радиус чёрной дыры в этой теории. Тогда что должно происходить? Образуется микроскопическая чёрная дыра, причём она будет сильно вращаться, потому что частицы сталкиваются навстречу друг другу. И по Хокингу она должна испарятся, у неё есть температура, и она уже с определённой вероятностью излучает частицы, спектр этот посчитан с хорошей точностью и, в общем, по наблюдению спектра можно сделать вывод о таком событии.
Но вообще-то такие термодинамические события при столкновении частиц высоких энергий наблюдались и раньше, но они никак не имели никакого отношения к гравитации, к эффекту Хокинга. Это просто за счёт действительно большой концентрации энергии в малом объёме начинают уже проявляться статистические закономерности. Здесь несколько другое. Но вот что любопытно. Как это может быть наблюдено? Одно из предсказаний, недавно сделанных известным специалистом по чёрным дырам Фроловым, состоит в том, что при испарении такой чёрной дыры она будет испаряться, в частности, и в дополнительное измерение, вот в это пятое измерение, и может быть эффект отдачи. Вот, скажем, есть какая-то достаточно энергичная частица, которую испускает чёрная дыра, возникает эффект отдачи, и чёрная дыра может уйти в противоположную сторону, в это самое пятое измерение; тогда она исчезает из нашего мира и таким образом теряется часть энергии, которую она не успела испарить…
А.Ч. Нарушается формальный закон сохранения энергии в нашем, четырехмерном пространстве.
Д.Г. Вот такого рода события, действительно, предлагается искать на ускорителях, и эти опыты будут проведены в ближайшие годы. Конечно, мало кто верит, что это действительно будет наблюдено, потому что всё же модель выглядит слишком фантастично даже с точки зрения той теории чёрных дыр, о которой мы говорим и её астрофизических предсказаниях, которые теперь уже вроде бы всеми воспринимаются как вполне реальные. Здесь, конечно, всё гораздо более гипотетично.
А.Г. У меня вот какой вопрос. Я понимаю, что, будучи сторонним наблюдателем и пытаясь проследить эволюционный процесс, происходящий внутри чёрной дыры, самой чёрной дыры, мы до многого недосмотримся, потому что время для нас будет тянуться бесконечно. Но если мы окажемся за горизонтом событий, чем заканчивается жизнь чёрной дыры, во что она эволюционирует потом, если можно задавать такой вопрос?
Д.Г. Да, это то, что называют в теории относительности проблемой сингулярности, и надо сказать, что она не решена. Предполагают, что в будущей теории квантовой гравитации её проблема будет разрешена. Но, действительно, проблема существует. С одной стороны, действительно, наблюдаемые свойства чёрных дыр не имеют к этому никакого отношения. За наше время наблюдений образовалось во вселенной чёрная дыра по нашим часам она ведь так и не сколлапсировала в эту сингулярность, тело колапсирует до гравитационного радиуса, поэтому для нас никаких проблем нет.
А.Ч. То есть действует принцип космической цензуры. Сингулярность от нас скрывается.
Д.Г. Это одна из тех парадоксальных вещей, которые до сих пор вызывают большое сопротивление у многих учёных.
А.Ч. Многие не верят в существование чёрных дыр, приходится доказывать наблюдения свидетельствуют, что чёрные дыры скорее всего есть.
Д.Г. С другой стороны, есть тот наблюдатель, который находится на поверхности это тоже физика, это не какой-нибудь мысленный эксперимент. Пожалуйста, нужно уметь объяснить и что с ним будет происходить. Ясности в этом вопросе нет. Есть некоторые модели в теории суперструн, когда сингулярность сглаживается, но они, как правило, относятся к таким малым масштабам и к таким расстояниям, что применить их к реальным астрофизическим чёрным дырам пока никто не пытался. Так что, наверное, здесь мы вряд ли сможем дать какую-то наглядную картину, что же там происходит.
Есть точка зрения, что и в будущей квантовой теории сингулярности тоже должны остаться, потому что их полное отсутствие, сглаживание таких вот особенностей, оно порождает другие проблемы. Ну, например, есть проблема квантовой когерентности. В квантовой механике всё предсказывается вероятностным образом, но вот сама эта вероятность, она в некотором смысле полна, то есть всегда полная вероятность всех событий должна быть сто процентов. Так вот, если есть чёрная дыра и если она такой вполне регулярный объект и никакой там сингулярности нет…
А.Ч. В центре чёрной дыры…
Д.Г. Да. И всё равно будут нарушения из-за горизонта событий, и чёрная дыра – она образуется в результате колапса, потом испаряется она нарушает этот процесс квантовой когерентности. Поэтому здесь пока не всё понятно, может быть, сингулярности как раз здесь и играют определённую положительную роль.
Другая квантовая проблема с чёрными дырами связана с тем, что энтропия, мы знаем, имеет геометрическое происхождение, но вместе с тем она должна иметь и какое-то микроскопическое происхождение. Проблема в этих состояниях, когда почему-то энтропия равна площади поверхности горизонта события, то есть является поверхностным эффектом, а не объёмным. Если бы мы исходили из обычной физики, то мы как раз бы ожидали, что будет что-то пропорциональное объёму чёрной дыры, а не её поверхности. Вот это породило ещё некоторые гипотезы, называемые принципом квантовой голографии: может быть, гравитация действительно такова, что она существует в пространстве большего числа измерений, чем другая квантовая теория какая-то квантовая теория, которая есть на поверхности чёрной дыры, а гравитация трехмерна. Таких соответствий сейчас уже обнаружено много не только в чёрных дырах, но и в космологических пространствах с горизонтами, в пространствах антидеситтра.
Короче говоря, физика чёрных дыр послужила мощным стимулом развития квантовой физики, и развития представлений в квантовой гравитации, и вообще в объединённых моделях всего.
А.Г. Вы сказали, что приходится доказывать существование чёрных дыр, то есть скептики есть. А как эти скептики объясняют эти видимые эффекты в парных системах, если с их точки зрения это не чёрная дыра?
А.Ч. Это могут быть какие-то объекты, имеющие поверхность, но не имеющие магнитного поля, не имеющие быстрого вращения, которые не дают нам наблюдательных признаков поверхности.
А.Г. А что это за объекты?
А.Ч. Есть теория гравитации, которая предсказывает существование объектов, которые могут иметь наблюдаемую поверхность, будучи компактными. Такие теории критикуются физиками с точки зрения основных принципов, но, тем не менее, они имеют право на существование. Для нас, наблюдателей, наличие таких теорий являются дополнительным стимулом; нам интереснее искать чёрные дыры, потому что есть разнообразие возможностей.
Но я хотел бы ещё два слова сказать о сверхмассивных чёрных дырах, которые ещё более убеждают нас в том, что чёрные дыры существуют. Я уже говорил, что наблюдаются два десятка чёрных дыр звёздной массы, все наблюдательные свойства которых согласуются с общей теорией относительности; и есть уже около сотни сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Масса их меряются по движению звёзд вблизи ядра. Например, у нашей галактики с помощью специальных методов в инфракрасном диапазоне удалось померить движение отдельных звёзд. Орбиту построить, орбиту звезды. Три миллиона солнечных масс – это ядро нашей галактики, и звезда (десять масс Солнца), которая на эллиптической орбите вокруг этой чёрной дыры ходит, двигается. И можно точно измерить массу ядра нашей галактики это три миллиона солнечных масс. А радиус меньше двадцати гравитационных радиусов, и доказано, что это не может быть скоплением тел, а это единое тело радиусом меньше 20 гравитационных радиусов. Если это не чёрная дыра, то что это такое? Вот. Конечно, эта чёрная дыра в нашей галактике, несмотря на то, что она чёрная дыра, она не влияет на нас, потому что расстояние до неё очень велико, восемь килопарсек, то есть примерно 24 тысячи световых лет, свет идёт 24 тысячи лет от этой чёрной дыры. И на таких больших расстояниях влияние чёрной дыры эквивалентно нормальной массе; и не надо опасаться, что наша чёрная дыра поглотит нас и так далее. Так что наша галактика имеет чёрную дыру. И есть чёткая коррелляция: чем больше масса так называемого балджа галактики… Это старое звёздное население галактики, которое сохранилось ещё со времён образования галактики: у галактики есть спирали, молодые звёзды, с возрастом десятки, сотни миллионов лет, и балдж галактики это старые звёзды с большими скоростями, возраст которых многие миллиарды лет. Так вот, чем больше масса наблюдаемого балджа галактики, тем больше масса центральной чёрной дыры. Сейчас просто по виду галактики можно сразу сказать, какая масса центральной чёрной дыры. И люди приходят к выводу, что практически каждая галактика имеет в своём центре сверхмассивную чёрную дыру. И вот когда мы наблюдаем снимок с космического телескопа «Хаббл» это много-много галактик, то фактически мы видим чёрные дыры. Только масса чёрной дыры составляет от одной десятой процента до примерно одной тысячной процента от всей массы звёздного населения галактики.
А.Г. Эта сверхмассивная чёрная дыра, которая находится в центре нашей галактики, это ближайшая к нам чёрная дыра?
А.Ч. Это ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра. Остальные находятся в центрах других галактик, например, в Туманности Андромеды в центре галактики. Примерно сто миллионов солнечных масс, в сто раз более массивная чёрная дыра, чем у нас.
А.Г. А ближайшая к нам чёрная дыра звёздной массы?
А.Ч. Ближайшая чёрная дыра звёздной массы на расстоянии примерно один килопарсек, это примерно три тысячи световых лет. То есть тоже не надо бояться, это очень далеко и масса её всего десять масс Солнца, а не три миллиона масс Солнца. Гравитационное поле чёрной дыры на больших расстояниях много больше, чем гравитационный радиус оно подчиняется Ньютоновскому закону, обычному Ньютоновскому закону, так что ничего бояться не надо. А то иногда бывают в прессе такие штучки…
А.Г. Чёрные дыры как пылесосы, которые засосут…
А.Ч. На больших расстояниях она ничего не сделает. Только когда мы приближаемся к гравитационному радиусу, там уже начинается сказываться специфические эффекты в общей теории относительности.
А.Г. Эволюция звёзд может привести к тому, что количество чёрных дыр будет всё большим и большим?
А.Ч. Так вот, если эти 20 чёрных дыр взять, и учесть все эффекты наблюдательной селекции, и пересчитать, то получается, что в нашей галактике примерно десять миллионов чёрных дыр. И масса, заключённая в виде чёрных дыр, составляет примерно одну десятую процента от массы всей видимой материи нашей галактики. Это немало, одна десятая процента.
А.Г. Но она будет расти?
А.Ч. Она со временем будет расти. Но не очень сильно, потому что в чёрные дыры превращаются наиболее массивные звёзды, а их как раз немного. Звёзды, в основном, в Галактике с массой, близкой к массе солнца, а чем больше масса звезды, тем их относительно этих звёзд меньше. Так что абсолютная масса вещества в виде чёрных дыр будет расти, но доля по отношению к звёздной компании всегда будет не более одной десятой процента, скорее всего. Но одна десятая процента это очень большое количество вещества. Мы имеем сейчас несколько агрегатных состояний: есть жидкая форма, газообразная и так далее… Чёрные дыры – это отдельная форма существования вещества…
Природа запаха
Участник:
Зинкевич Эдуард Петрович – кандидат химических наук, руководитель группы химической коммуникации и хеморецепции Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН
Александр Гордон: Может быть, мы всё-таки выясним, почему запах серы настолько стойко ассоциируется с чем-то не совсем хорошим, уж абсолютно потусторонним.
Эдуард Зинкевич: Обычно считают, что люди доверяют зрению, слуху меньше, а запаху совсем мало. Вот подтверждение: если я вам скажу «говорите громче», а приставлю палец так, вы поймёте, что я говорю про другое. То есть при противоречивой информации вы доверяете зрению. А у животных основной решающий фактор – это обоняние.
Что такое запах и обоняние? Запах – это ощущение, которое возникает у человека, когда определённые вещества – мы называем их летучими, то есть те вещества, которые дают много паров в газовое пространство, – при вдохе попадают на специализированные обонятельные клетки. Вот рисунок, из которого понятно, что эти клетки расположены в носовых проходах и они висят «вниз головой». Эти обонятельные клетки – это настоящие клетки мозга, которые выползли наружу. Человеческий мозг и мозг любого животного контактирует с внешней средой только в этом случае, это прямой ввод в мозг. Это настолько поразительно: все остальные зрительные, акустические рецепторы – это вторичные клетки, где переход от одной клетки в другую через определённые синапсы идёт до мозга. А это настоящие клетки мозга, которые ощупывают внешний мир.
А.Г. То есть сейчас, простите, я залезу пальцем в нос, это я мозг свой трогаю?
Э.З. Нет, обонятельные клетки находятся между глаз, они выше.
А.Г. Гораздо глубже.
Э.З. Вот хорошо видно на рисунке: белым обозначены как раз те обонятельные клетки, настоящие клетки мозга. А вот на следующем рисунке мы видим, как выглядят обонятельные клетки. Вот тело клетки, и сверху волоски. На самом деле они висят вниз головой. И вот на этих волосках расположены настоящие участки, называемые молекулярными рецепторами. Взаимодействие пахучих веществ с этой мишенью даёт электрический ответ, который идёт в мозг. И дальше центральная нервная система анализирует огромное количество электрических импульсов.
У нас, у людей, 10 в 8-й степени клеток, это огромное количество. И чтобы вы понимали разницу между обонянием собаки и человека, это выглядит так. Вот поверхность, которая воспринимает пахучие вещества у человека. Она огромная, 25 квадратных сантиметров, это 5 на 5 сантиметров. У собаки 7 квадратных метров.
А.Г. Метров?!
Э.З. Метров. Вот чтобы было понятно, насколько у них возможности больше, чем у человека.
А.Г. Потрясающе.
Э.З. Следующий рисунок это обычный дыхательный эпителий. Он так структурирован. А вот следующий рисунок покажет вам, как выглядят обонятельные клетки; вот это та поверхность, которая ловит летучие вещества, распространённые в воздухе.
А.Г. И вот этой поверхности у нас…
Э.З. И вот этой поверхности у нас 25 см, но это всё равно огромная, огромная площадь поверхности.
А.Г. А вот у друзей наших меньших…
Э.З. 7 квадратных метров. Поэтому я буду рассказывать о собаках с большим восхищением, хотя могу сказать, что мы пытались с ними конкурировать по индивидуальному запаху. И, например, некоторые люди в состоянии отличать индивидуальный запах мышей, крыс. Но не всех, а только некоторых. А любые собаки это делают легко.
Но что такое запах с точки зрения химика, какие вещества пахнут? Не все вещества пахнут. У нас, мы знаем сейчас, около 10 млн. органических веществ, и только 10% имеет запах. Значит, эти вещества вызывают ощущения, которые мы называем запахом. У животных, наверное, то же самое, но твёрдо доказать, что они точно так же чувствуют, как и мы, это нельзя.
Так вот, когда пахучие вещества дают нам электрический ответ, то в животном мире он несёт информацию вообще обо всём, об окружающей среде в социальном плане… Вот как выглядит обонятельная рецепторная клетка. Вот жгутики, которые висят сверху и снизу, это те белки, которые встроены в мембрану обонятельной клетки. И взаимодействие их с пахучим веществом вызывает электрический ответ, открываются ионные каналы, идёт ток, и это мы считаем запахом.
Можно следующий рисунок.
И тогда я перейду к молекулярным механизмам того, как возникают электрические ответы. Здесь участвуют ионы кальция, что очень важно для специалистов, ведь это данные последних 10-20 лет для обонятельного рецептора. Значит, если взглянуть в историю изучения обоняния, то оказывается, что первые сведения были получены в VI-V веке до нашей эры. Ученик Пифагора Алкмион Кротонский впервые описал орган обоняния. Тогда догадывались, что какие-то вещества отлетают от цветков, от чего-то другого и попадают в нос, и считали, что в носу есть щель в мозг. Эти вещества прямо в мозг попадают.
А.Г. Они недалеки от истины.
Э.З. Немножко, немножечко не догадались, нашли некий такой подход. И очень интересно, что в те времена эксперимент считался беднейшим средством познания. То есть главное было высказать идею, а остальные… Презумпция невиновности была у идеи. Её нужно было опровергать экспериментом. Сейчас это уже не так. Нужно идею высказывать и иметь доказательство, что и как есть.
Вот как выглядит схема физико-химических методов. Внизу – собирают летучие вещества, а сверху видно, когда анализируют хронотографически, как выглядит смесь с точки зрения физико-химического анализа. Принципиальная разница в том, что орган обоняния анализирует не так, как физики-химики, как мы. Я физико-химик по своему образованию. Мы смесь разлагаем во времени. Мы обязательно каждое вещество выделяем и анализируем, то есть смесь у нас идёт во времени, последовательно каждое вещество. Нос, имея 108 клеток, где, считается, рецепторов около тысячи, делает мгновенный анализ, параллельный, то есть он получает некие обонятельный образ. И я закончу своё сообщение некой идеей обонятельного образа, который показал Сальвадор Дали на зрительных образах. Это принципиальное отличие физико-химического анализа: мы смеси носом интегрируем, то есть мы мгновенно получаем интегральный анализ, а физико-химический анализ дифференцирует, он просто разбирает на отдельные компоненты. И поэтому до сих пор нет больших успехов в области анализа физико-химическими методами, если сравнить с биодетекторами – так называется орган обоняния.
Вот если посмотреть, что животные… Будем говорить о млекопитающих, потому что они ближе к нам: мы тоже млекопитающие. Так вот, у человека можно спросить, что он думает о запахе. А когда работают животные, мы должны интерпретировать либо их поведение, либо получать электрофизиологические ответы, либо какие-то другие ответы, которым нужно придумывать объяснение. С человеком было бы, конечно, попроще. Но дело в том, что у человека язык обонятельный не развит. Если мы говорим о пахучих веществах, то у нас абстрактного названия пахучих веществ как цветов нет. Поэтому мы обязательно запах привязываем каким-нибудь предметам.
А.Г. К источнику.
Э.З. К источнику, источнику запаха: моча, например, или цветы, или прочее.
А.Г. При этом я подозреваю, что когда мы с вами говорим «запах розы», мы имеем в виду совсем разные запахи и определяем, скорее, диапазон того, что входит в запах розы, а что нет.
Э.З. Вы сказали сейчас «совсем разное», и это действительно так, потому что, как показали исследования, мы, люди, индивидуально живём в другом обонятельном мире. И очень интересно. Возьмём меня и мою сотрудницу. У меня приличный мужской нос у неё тоже приличный нос, но женский. И оказалось, что по некоторым веществам она значительно чувствительнее меня, по другим – я чувствительнее её. И оказывается, если мы готовим смеси в равных количествах, то мы эти смеси воспринимаем по-разному. А если учитывать пороговые концентрации, это тоже очень важная вещь, когда оказывается, что люди, нюхая самые маленькие концентрации, могут их почувствовать и описать, узнать и прочее то чувствительность у разных людей на многие порядки отличается друг от друга. И поэтому смеси, чтобы люди их воспринимали одинаково, имея разные пороговые концентрации, нужно готовить соответственно порогам, не весовым коэффициентам, а совсем другим параметрам. Вот это удалось нам сделать.
Очень интересно, что пороговые концентрации описаны в книжках. Они существуют как физико-химические величины, и мне приходилось участвовать в определении порога в Америке, например, когда за каждое участие платили 20 долларов. Просто для участия и своих сотрудников нельзя было привлекать: это центр исследования химических чувств в Филадельфии. Я, поскольку был не свой, а посторонний, то тоже участвовал. И я занял довольно приличное место по своей чувствительности, по пороговым концентрациям. А платили, видите, по социалистическому методу, то есть всем одинаково. И пришло в голову тому, кто проводил эксперименты, что если доплачивать за более низкие пороги, то, наверное, это будет более истинная цифра. И вот оказалось, что действительно подскочили цифры на 200%, не у меня, правда. Я работал, правда, не за деньги, я просто повторил свои же данные. То есть мы на низкой зарплате делаем всё равно то же самое, что и на высокой. Я просто хочу сказать, что эти физико-химические данные, которые идут, очень сильно зависят от мотивации. То есть у научных сотрудников, которые работают в такой области, мотивацию, наверное, уже труднее поднять деньгами.
Можно следующий слайд. Уже идёт разговор о том, что люди нюхают так же, как и животные и в состоянии пол особи определить по запаху. То есть без всякой тренировки можно получить некое представление: вот это самка, это самец. И мы мгновенно в голове формулируем некую общую идею, почему, по каким признаком, мы не можем сказать но мы умеем отличать одно от другого. Это очень похоже на музыкальные аккорды. Если человек без абсолютного слуха, он не может разложить их на составляющие. Но отличить один аккорд от другого ничего не стоит. Вот так и здесь.
Я бы хотел сказать, что если определить цель, смысл жизни у животных или у живых организмов, то это не что иное, как сохранение во времени генетической информации. Иначе говоря, поскольку мы смертны, нам отведено определённое время, а информацию надо передать некой особи своего же вида, по крайней мере, и противоположного пола. И отсюда вытекает, что по каким-то признакам надо уметь отличать вид животных, с которым можно спариваться. И вот оказалось, что обонятельные сигналы очень легко позволяют это делать. Пол также легко определить, поскольку самцы и самки отличаются гормонально. Какие-то гормонозависимые вещества женские гормоны зависят от мужских имеют свои производные, и по этому можно определить пол. И вот если у нас 4 тысячи видов млекопитающих, то достаточно 12 разных веществ у каждого вида, чтобы закодировать все 4 тысячи видов.
А.Ч. И какое-то время, ещё несколько мгновений, успеть увидеть будущее…
А.Г. Потому что времени знак меняется…
Д.Г. Обнаружение этих объектов также стало возможным благодаря новой рентгеновской технике и в особенности будущей техники…
А.Ч. Рентгеновский интерферометр…
Д.Г. Рентгеновский интерферометр позволит действительно уже измерить реальные гравитационные параметры…
А.Г. Хорошо, тогда вот какой вопрос. Что касается природной лаборатории, более или менее понятно. Но вот вы уже описали эксперимент, который можно было бы провести, если бы у нас был такой сферический пресс, который развивал бы необходимое давление. Но вы также указали, что объекты эти квантовые?
А.Ч. Да.
А.Г. Нельзя ли поставить дикий эксперимент, учитывая квантовую природу этих объектов, по созданию такой чёрной дыры в лабораторных условиях?
Д.Г. Это одно из предложений, которые существуют, правда, в рамках не эйшнейновской теории, а той гипотезы гипербранной вселенной, которая сейчас развивается. Собственно, гипотеза состоит в том, что наша вселенная на самом деле является некоторой поверхностью, вложенной в пространство большего числа измерения хотя бы одно лишнее измерение для этого нужно иметь. Так вот сама модель была предложена в каком-то смысле как игрушечная модель, просто исходя из возможностей её проверки. Такая проверка в ближайшие годы будет возможна на ускорителях, которые работают при энергии десять в третьей Гэв или Тэв, это уже очень большие энергии, они существенно превышают те, которые задействованы в стандартной модели и пока мы ничего не знаем, что там может происходить. Так вот, предположение о том, что на самом деле есть пятое измерение, причём это измерение не маленькое, планковских масштабов, как это давно уже предлагалось, а большое, скажем, миллиметры или доли миллиметра, как выясняется, это предположение не противоречит ни гравитационным экспериментам, ни наблюдениям, ни физике элементарных частиц более того, оно позволяет решать ряд проблем именно в теории элементарных частиц.
Так вот, на тэвном ускорителе при подборе параметров нет противоречий с существующими данными, а есть даже соблазнительная возможность объяснить тёмную энергию, о которой много говорят. Это то, что сейчас наблюдается во вселенной, маленькое значение космологической постоянной, то есть существовании энергии совершенно специфического вида. Так вот оказывается, что масштаб очень хорошо согласуется с предположением об этом субмиллиметровом характере дополнительных измерений. Но это, конечно, одно из предположений, вовсе не доказательство.
Так вот что происходит. Если две такие элементарные частицы, разогнанные на ускорители до энергии порядка Тэв, сталкиваются между собой с прицельным параметром в десять минус 17-й сантиметра, что вполне реально, то частица оказываются под своим гравитационным радиусом с точки зрения этой теории, потому что там масштабы изменены на много порядков.
А.Ч. Не десять в минус 33…
Д.Г. А 10 в минус 17-ой это уже радиус чёрной дыры в этой теории. Тогда что должно происходить? Образуется микроскопическая чёрная дыра, причём она будет сильно вращаться, потому что частицы сталкиваются навстречу друг другу. И по Хокингу она должна испарятся, у неё есть температура, и она уже с определённой вероятностью излучает частицы, спектр этот посчитан с хорошей точностью и, в общем, по наблюдению спектра можно сделать вывод о таком событии.
Но вообще-то такие термодинамические события при столкновении частиц высоких энергий наблюдались и раньше, но они никак не имели никакого отношения к гравитации, к эффекту Хокинга. Это просто за счёт действительно большой концентрации энергии в малом объёме начинают уже проявляться статистические закономерности. Здесь несколько другое. Но вот что любопытно. Как это может быть наблюдено? Одно из предсказаний, недавно сделанных известным специалистом по чёрным дырам Фроловым, состоит в том, что при испарении такой чёрной дыры она будет испаряться, в частности, и в дополнительное измерение, вот в это пятое измерение, и может быть эффект отдачи. Вот, скажем, есть какая-то достаточно энергичная частица, которую испускает чёрная дыра, возникает эффект отдачи, и чёрная дыра может уйти в противоположную сторону, в это самое пятое измерение; тогда она исчезает из нашего мира и таким образом теряется часть энергии, которую она не успела испарить…
А.Ч. Нарушается формальный закон сохранения энергии в нашем, четырехмерном пространстве.
Д.Г. Вот такого рода события, действительно, предлагается искать на ускорителях, и эти опыты будут проведены в ближайшие годы. Конечно, мало кто верит, что это действительно будет наблюдено, потому что всё же модель выглядит слишком фантастично даже с точки зрения той теории чёрных дыр, о которой мы говорим и её астрофизических предсказаниях, которые теперь уже вроде бы всеми воспринимаются как вполне реальные. Здесь, конечно, всё гораздо более гипотетично.
А.Г. У меня вот какой вопрос. Я понимаю, что, будучи сторонним наблюдателем и пытаясь проследить эволюционный процесс, происходящий внутри чёрной дыры, самой чёрной дыры, мы до многого недосмотримся, потому что время для нас будет тянуться бесконечно. Но если мы окажемся за горизонтом событий, чем заканчивается жизнь чёрной дыры, во что она эволюционирует потом, если можно задавать такой вопрос?
Д.Г. Да, это то, что называют в теории относительности проблемой сингулярности, и надо сказать, что она не решена. Предполагают, что в будущей теории квантовой гравитации её проблема будет разрешена. Но, действительно, проблема существует. С одной стороны, действительно, наблюдаемые свойства чёрных дыр не имеют к этому никакого отношения. За наше время наблюдений образовалось во вселенной чёрная дыра по нашим часам она ведь так и не сколлапсировала в эту сингулярность, тело колапсирует до гравитационного радиуса, поэтому для нас никаких проблем нет.
А.Ч. То есть действует принцип космической цензуры. Сингулярность от нас скрывается.
Д.Г. Это одна из тех парадоксальных вещей, которые до сих пор вызывают большое сопротивление у многих учёных.
А.Ч. Многие не верят в существование чёрных дыр, приходится доказывать наблюдения свидетельствуют, что чёрные дыры скорее всего есть.
Д.Г. С другой стороны, есть тот наблюдатель, который находится на поверхности это тоже физика, это не какой-нибудь мысленный эксперимент. Пожалуйста, нужно уметь объяснить и что с ним будет происходить. Ясности в этом вопросе нет. Есть некоторые модели в теории суперструн, когда сингулярность сглаживается, но они, как правило, относятся к таким малым масштабам и к таким расстояниям, что применить их к реальным астрофизическим чёрным дырам пока никто не пытался. Так что, наверное, здесь мы вряд ли сможем дать какую-то наглядную картину, что же там происходит.
Есть точка зрения, что и в будущей квантовой теории сингулярности тоже должны остаться, потому что их полное отсутствие, сглаживание таких вот особенностей, оно порождает другие проблемы. Ну, например, есть проблема квантовой когерентности. В квантовой механике всё предсказывается вероятностным образом, но вот сама эта вероятность, она в некотором смысле полна, то есть всегда полная вероятность всех событий должна быть сто процентов. Так вот, если есть чёрная дыра и если она такой вполне регулярный объект и никакой там сингулярности нет…
А.Ч. В центре чёрной дыры…
Д.Г. Да. И всё равно будут нарушения из-за горизонта событий, и чёрная дыра – она образуется в результате колапса, потом испаряется она нарушает этот процесс квантовой когерентности. Поэтому здесь пока не всё понятно, может быть, сингулярности как раз здесь и играют определённую положительную роль.
Другая квантовая проблема с чёрными дырами связана с тем, что энтропия, мы знаем, имеет геометрическое происхождение, но вместе с тем она должна иметь и какое-то микроскопическое происхождение. Проблема в этих состояниях, когда почему-то энтропия равна площади поверхности горизонта события, то есть является поверхностным эффектом, а не объёмным. Если бы мы исходили из обычной физики, то мы как раз бы ожидали, что будет что-то пропорциональное объёму чёрной дыры, а не её поверхности. Вот это породило ещё некоторые гипотезы, называемые принципом квантовой голографии: может быть, гравитация действительно такова, что она существует в пространстве большего числа измерений, чем другая квантовая теория какая-то квантовая теория, которая есть на поверхности чёрной дыры, а гравитация трехмерна. Таких соответствий сейчас уже обнаружено много не только в чёрных дырах, но и в космологических пространствах с горизонтами, в пространствах антидеситтра.
Короче говоря, физика чёрных дыр послужила мощным стимулом развития квантовой физики, и развития представлений в квантовой гравитации, и вообще в объединённых моделях всего.
А.Г. Вы сказали, что приходится доказывать существование чёрных дыр, то есть скептики есть. А как эти скептики объясняют эти видимые эффекты в парных системах, если с их точки зрения это не чёрная дыра?
А.Ч. Это могут быть какие-то объекты, имеющие поверхность, но не имеющие магнитного поля, не имеющие быстрого вращения, которые не дают нам наблюдательных признаков поверхности.
А.Г. А что это за объекты?
А.Ч. Есть теория гравитации, которая предсказывает существование объектов, которые могут иметь наблюдаемую поверхность, будучи компактными. Такие теории критикуются физиками с точки зрения основных принципов, но, тем не менее, они имеют право на существование. Для нас, наблюдателей, наличие таких теорий являются дополнительным стимулом; нам интереснее искать чёрные дыры, потому что есть разнообразие возможностей.
Но я хотел бы ещё два слова сказать о сверхмассивных чёрных дырах, которые ещё более убеждают нас в том, что чёрные дыры существуют. Я уже говорил, что наблюдаются два десятка чёрных дыр звёздной массы, все наблюдательные свойства которых согласуются с общей теорией относительности; и есть уже около сотни сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Масса их меряются по движению звёзд вблизи ядра. Например, у нашей галактики с помощью специальных методов в инфракрасном диапазоне удалось померить движение отдельных звёзд. Орбиту построить, орбиту звезды. Три миллиона солнечных масс – это ядро нашей галактики, и звезда (десять масс Солнца), которая на эллиптической орбите вокруг этой чёрной дыры ходит, двигается. И можно точно измерить массу ядра нашей галактики это три миллиона солнечных масс. А радиус меньше двадцати гравитационных радиусов, и доказано, что это не может быть скоплением тел, а это единое тело радиусом меньше 20 гравитационных радиусов. Если это не чёрная дыра, то что это такое? Вот. Конечно, эта чёрная дыра в нашей галактике, несмотря на то, что она чёрная дыра, она не влияет на нас, потому что расстояние до неё очень велико, восемь килопарсек, то есть примерно 24 тысячи световых лет, свет идёт 24 тысячи лет от этой чёрной дыры. И на таких больших расстояниях влияние чёрной дыры эквивалентно нормальной массе; и не надо опасаться, что наша чёрная дыра поглотит нас и так далее. Так что наша галактика имеет чёрную дыру. И есть чёткая коррелляция: чем больше масса так называемого балджа галактики… Это старое звёздное население галактики, которое сохранилось ещё со времён образования галактики: у галактики есть спирали, молодые звёзды, с возрастом десятки, сотни миллионов лет, и балдж галактики это старые звёзды с большими скоростями, возраст которых многие миллиарды лет. Так вот, чем больше масса наблюдаемого балджа галактики, тем больше масса центральной чёрной дыры. Сейчас просто по виду галактики можно сразу сказать, какая масса центральной чёрной дыры. И люди приходят к выводу, что практически каждая галактика имеет в своём центре сверхмассивную чёрную дыру. И вот когда мы наблюдаем снимок с космического телескопа «Хаббл» это много-много галактик, то фактически мы видим чёрные дыры. Только масса чёрной дыры составляет от одной десятой процента до примерно одной тысячной процента от всей массы звёздного населения галактики.
А.Г. Эта сверхмассивная чёрная дыра, которая находится в центре нашей галактики, это ближайшая к нам чёрная дыра?
А.Ч. Это ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра. Остальные находятся в центрах других галактик, например, в Туманности Андромеды в центре галактики. Примерно сто миллионов солнечных масс, в сто раз более массивная чёрная дыра, чем у нас.
А.Г. А ближайшая к нам чёрная дыра звёздной массы?
А.Ч. Ближайшая чёрная дыра звёздной массы на расстоянии примерно один килопарсек, это примерно три тысячи световых лет. То есть тоже не надо бояться, это очень далеко и масса её всего десять масс Солнца, а не три миллиона масс Солнца. Гравитационное поле чёрной дыры на больших расстояниях много больше, чем гравитационный радиус оно подчиняется Ньютоновскому закону, обычному Ньютоновскому закону, так что ничего бояться не надо. А то иногда бывают в прессе такие штучки…
А.Г. Чёрные дыры как пылесосы, которые засосут…
А.Ч. На больших расстояниях она ничего не сделает. Только когда мы приближаемся к гравитационному радиусу, там уже начинается сказываться специфические эффекты в общей теории относительности.
А.Г. Эволюция звёзд может привести к тому, что количество чёрных дыр будет всё большим и большим?
А.Ч. Так вот, если эти 20 чёрных дыр взять, и учесть все эффекты наблюдательной селекции, и пересчитать, то получается, что в нашей галактике примерно десять миллионов чёрных дыр. И масса, заключённая в виде чёрных дыр, составляет примерно одну десятую процента от массы всей видимой материи нашей галактики. Это немало, одна десятая процента.
А.Г. Но она будет расти?
А.Ч. Она со временем будет расти. Но не очень сильно, потому что в чёрные дыры превращаются наиболее массивные звёзды, а их как раз немного. Звёзды, в основном, в Галактике с массой, близкой к массе солнца, а чем больше масса звезды, тем их относительно этих звёзд меньше. Так что абсолютная масса вещества в виде чёрных дыр будет расти, но доля по отношению к звёздной компании всегда будет не более одной десятой процента, скорее всего. Но одна десятая процента это очень большое количество вещества. Мы имеем сейчас несколько агрегатных состояний: есть жидкая форма, газообразная и так далее… Чёрные дыры – это отдельная форма существования вещества…
Природа запаха
26.03.03
(хр. 00:50:02)
Участник:
Зинкевич Эдуард Петрович – кандидат химических наук, руководитель группы химической коммуникации и хеморецепции Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН
Александр Гордон: Может быть, мы всё-таки выясним, почему запах серы настолько стойко ассоциируется с чем-то не совсем хорошим, уж абсолютно потусторонним.
Эдуард Зинкевич: Обычно считают, что люди доверяют зрению, слуху меньше, а запаху совсем мало. Вот подтверждение: если я вам скажу «говорите громче», а приставлю палец так, вы поймёте, что я говорю про другое. То есть при противоречивой информации вы доверяете зрению. А у животных основной решающий фактор – это обоняние.
Что такое запах и обоняние? Запах – это ощущение, которое возникает у человека, когда определённые вещества – мы называем их летучими, то есть те вещества, которые дают много паров в газовое пространство, – при вдохе попадают на специализированные обонятельные клетки. Вот рисунок, из которого понятно, что эти клетки расположены в носовых проходах и они висят «вниз головой». Эти обонятельные клетки – это настоящие клетки мозга, которые выползли наружу. Человеческий мозг и мозг любого животного контактирует с внешней средой только в этом случае, это прямой ввод в мозг. Это настолько поразительно: все остальные зрительные, акустические рецепторы – это вторичные клетки, где переход от одной клетки в другую через определённые синапсы идёт до мозга. А это настоящие клетки мозга, которые ощупывают внешний мир.
А.Г. То есть сейчас, простите, я залезу пальцем в нос, это я мозг свой трогаю?
Э.З. Нет, обонятельные клетки находятся между глаз, они выше.
А.Г. Гораздо глубже.
Э.З. Вот хорошо видно на рисунке: белым обозначены как раз те обонятельные клетки, настоящие клетки мозга. А вот на следующем рисунке мы видим, как выглядят обонятельные клетки. Вот тело клетки, и сверху волоски. На самом деле они висят вниз головой. И вот на этих волосках расположены настоящие участки, называемые молекулярными рецепторами. Взаимодействие пахучих веществ с этой мишенью даёт электрический ответ, который идёт в мозг. И дальше центральная нервная система анализирует огромное количество электрических импульсов.
У нас, у людей, 10 в 8-й степени клеток, это огромное количество. И чтобы вы понимали разницу между обонянием собаки и человека, это выглядит так. Вот поверхность, которая воспринимает пахучие вещества у человека. Она огромная, 25 квадратных сантиметров, это 5 на 5 сантиметров. У собаки 7 квадратных метров.
А.Г. Метров?!
Э.З. Метров. Вот чтобы было понятно, насколько у них возможности больше, чем у человека.
А.Г. Потрясающе.
Э.З. Следующий рисунок это обычный дыхательный эпителий. Он так структурирован. А вот следующий рисунок покажет вам, как выглядят обонятельные клетки; вот это та поверхность, которая ловит летучие вещества, распространённые в воздухе.
А.Г. И вот этой поверхности у нас…
Э.З. И вот этой поверхности у нас 25 см, но это всё равно огромная, огромная площадь поверхности.
А.Г. А вот у друзей наших меньших…
Э.З. 7 квадратных метров. Поэтому я буду рассказывать о собаках с большим восхищением, хотя могу сказать, что мы пытались с ними конкурировать по индивидуальному запаху. И, например, некоторые люди в состоянии отличать индивидуальный запах мышей, крыс. Но не всех, а только некоторых. А любые собаки это делают легко.
Но что такое запах с точки зрения химика, какие вещества пахнут? Не все вещества пахнут. У нас, мы знаем сейчас, около 10 млн. органических веществ, и только 10% имеет запах. Значит, эти вещества вызывают ощущения, которые мы называем запахом. У животных, наверное, то же самое, но твёрдо доказать, что они точно так же чувствуют, как и мы, это нельзя.
Так вот, когда пахучие вещества дают нам электрический ответ, то в животном мире он несёт информацию вообще обо всём, об окружающей среде в социальном плане… Вот как выглядит обонятельная рецепторная клетка. Вот жгутики, которые висят сверху и снизу, это те белки, которые встроены в мембрану обонятельной клетки. И взаимодействие их с пахучим веществом вызывает электрический ответ, открываются ионные каналы, идёт ток, и это мы считаем запахом.
Можно следующий рисунок.
И тогда я перейду к молекулярным механизмам того, как возникают электрические ответы. Здесь участвуют ионы кальция, что очень важно для специалистов, ведь это данные последних 10-20 лет для обонятельного рецептора. Значит, если взглянуть в историю изучения обоняния, то оказывается, что первые сведения были получены в VI-V веке до нашей эры. Ученик Пифагора Алкмион Кротонский впервые описал орган обоняния. Тогда догадывались, что какие-то вещества отлетают от цветков, от чего-то другого и попадают в нос, и считали, что в носу есть щель в мозг. Эти вещества прямо в мозг попадают.
А.Г. Они недалеки от истины.
Э.З. Немножко, немножечко не догадались, нашли некий такой подход. И очень интересно, что в те времена эксперимент считался беднейшим средством познания. То есть главное было высказать идею, а остальные… Презумпция невиновности была у идеи. Её нужно было опровергать экспериментом. Сейчас это уже не так. Нужно идею высказывать и иметь доказательство, что и как есть.
Вот как выглядит схема физико-химических методов. Внизу – собирают летучие вещества, а сверху видно, когда анализируют хронотографически, как выглядит смесь с точки зрения физико-химического анализа. Принципиальная разница в том, что орган обоняния анализирует не так, как физики-химики, как мы. Я физико-химик по своему образованию. Мы смесь разлагаем во времени. Мы обязательно каждое вещество выделяем и анализируем, то есть смесь у нас идёт во времени, последовательно каждое вещество. Нос, имея 108 клеток, где, считается, рецепторов около тысячи, делает мгновенный анализ, параллельный, то есть он получает некие обонятельный образ. И я закончу своё сообщение некой идеей обонятельного образа, который показал Сальвадор Дали на зрительных образах. Это принципиальное отличие физико-химического анализа: мы смеси носом интегрируем, то есть мы мгновенно получаем интегральный анализ, а физико-химический анализ дифференцирует, он просто разбирает на отдельные компоненты. И поэтому до сих пор нет больших успехов в области анализа физико-химическими методами, если сравнить с биодетекторами – так называется орган обоняния.
Вот если посмотреть, что животные… Будем говорить о млекопитающих, потому что они ближе к нам: мы тоже млекопитающие. Так вот, у человека можно спросить, что он думает о запахе. А когда работают животные, мы должны интерпретировать либо их поведение, либо получать электрофизиологические ответы, либо какие-то другие ответы, которым нужно придумывать объяснение. С человеком было бы, конечно, попроще. Но дело в том, что у человека язык обонятельный не развит. Если мы говорим о пахучих веществах, то у нас абстрактного названия пахучих веществ как цветов нет. Поэтому мы обязательно запах привязываем каким-нибудь предметам.
А.Г. К источнику.
Э.З. К источнику, источнику запаха: моча, например, или цветы, или прочее.
А.Г. При этом я подозреваю, что когда мы с вами говорим «запах розы», мы имеем в виду совсем разные запахи и определяем, скорее, диапазон того, что входит в запах розы, а что нет.
Э.З. Вы сказали сейчас «совсем разное», и это действительно так, потому что, как показали исследования, мы, люди, индивидуально живём в другом обонятельном мире. И очень интересно. Возьмём меня и мою сотрудницу. У меня приличный мужской нос у неё тоже приличный нос, но женский. И оказалось, что по некоторым веществам она значительно чувствительнее меня, по другим – я чувствительнее её. И оказывается, если мы готовим смеси в равных количествах, то мы эти смеси воспринимаем по-разному. А если учитывать пороговые концентрации, это тоже очень важная вещь, когда оказывается, что люди, нюхая самые маленькие концентрации, могут их почувствовать и описать, узнать и прочее то чувствительность у разных людей на многие порядки отличается друг от друга. И поэтому смеси, чтобы люди их воспринимали одинаково, имея разные пороговые концентрации, нужно готовить соответственно порогам, не весовым коэффициентам, а совсем другим параметрам. Вот это удалось нам сделать.
Очень интересно, что пороговые концентрации описаны в книжках. Они существуют как физико-химические величины, и мне приходилось участвовать в определении порога в Америке, например, когда за каждое участие платили 20 долларов. Просто для участия и своих сотрудников нельзя было привлекать: это центр исследования химических чувств в Филадельфии. Я, поскольку был не свой, а посторонний, то тоже участвовал. И я занял довольно приличное место по своей чувствительности, по пороговым концентрациям. А платили, видите, по социалистическому методу, то есть всем одинаково. И пришло в голову тому, кто проводил эксперименты, что если доплачивать за более низкие пороги, то, наверное, это будет более истинная цифра. И вот оказалось, что действительно подскочили цифры на 200%, не у меня, правда. Я работал, правда, не за деньги, я просто повторил свои же данные. То есть мы на низкой зарплате делаем всё равно то же самое, что и на высокой. Я просто хочу сказать, что эти физико-химические данные, которые идут, очень сильно зависят от мотивации. То есть у научных сотрудников, которые работают в такой области, мотивацию, наверное, уже труднее поднять деньгами.
Можно следующий слайд. Уже идёт разговор о том, что люди нюхают так же, как и животные и в состоянии пол особи определить по запаху. То есть без всякой тренировки можно получить некое представление: вот это самка, это самец. И мы мгновенно в голове формулируем некую общую идею, почему, по каким признаком, мы не можем сказать но мы умеем отличать одно от другого. Это очень похоже на музыкальные аккорды. Если человек без абсолютного слуха, он не может разложить их на составляющие. Но отличить один аккорд от другого ничего не стоит. Вот так и здесь.
Я бы хотел сказать, что если определить цель, смысл жизни у животных или у живых организмов, то это не что иное, как сохранение во времени генетической информации. Иначе говоря, поскольку мы смертны, нам отведено определённое время, а информацию надо передать некой особи своего же вида, по крайней мере, и противоположного пола. И отсюда вытекает, что по каким-то признакам надо уметь отличать вид животных, с которым можно спариваться. И вот оказалось, что обонятельные сигналы очень легко позволяют это делать. Пол также легко определить, поскольку самцы и самки отличаются гормонально. Какие-то гормонозависимые вещества женские гормоны зависят от мужских имеют свои производные, и по этому можно определить пол. И вот если у нас 4 тысячи видов млекопитающих, то достаточно 12 разных веществ у каждого вида, чтобы закодировать все 4 тысячи видов.