По современным космологическим представлениям наша вселенная зародилась из пузырька вакуума и квантовых флуктуаций внутри него. Возникновение их в первую очередь связано с развитием в начале прошлого века общей теории относительности (ОТО), а так же работы множества учёных, посвященных квантовой физике элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности».
В далёком прошлом конечно же существовало множество взглядов и гипотез, которые в разное время претендовали на общепризнанность или своего рода научность, но даже теории и законы Ньютона о гравитации на основе классической механики, не могли объяснить те аспекты притяжения, на которые отвечала ОТО. Хотя в целом ОТО и являлась всё той же теория гравитации, придуманной Ньютоном, но расширения до решения проблематики экстремальных взаимодействий между телами, что показывает гравитацию по своей сути своеобразным полем, которое формирует Пространство-Время наше вселенной.
Данные физико-математические модели постоянно дополняются, обновляются и тестируются в попытке лучшим образом описать космос от начала времён, до самых удивительных явлений, происходящих прямо здесь и сейчас. Так до Ньютона считалось, что есть два вида гравитации: одна действовала на Земле, а другая на небесах, да и после появления ОТО появлялись новые идеи и трактовки, в том числе в попытке Эйнштейна найти так называющую "теорию всего", которая могла бы связать между собой явления гравитации и квантовой механики. А позже в 1965 году Э. Б. Глинер выдвинул общепризнанное в научных кругах представление, что космологическая постоянная, которую Эйнштейн порой даже называл своей самой большой ошибкой, описывает космический вакуум, который в виде некоторой особой и не известной до того плотной среды (не путать с эфиром!) заполняет все пространство. Плотность энергии такого вакуума постоянна и не изменяется во времени (см. А. Д. Чернин «Космология и физический вакуум» стр. 142). При этом космический вакуум не только обладает определённой энергией, но присутствует в любом месте и на любых масштабах – от микроскопических размеров до горизонта наблюдаемой вселенной, а возможно и гораздо дальше.
Но ведь обычно же мы привыкли считать вакуум не средой, а отсутствием всякой среды, в которой даже звук не может распространяться! Как такое может быть? Может тогда и звуки в космосе есть? Возможно кого-то это поразит, но звук в космосе есть, а вакуума (кроме ложного) – нет. Но обо всём по порядку!
Вакуум – это ностальгия вселенной по породившей её пустоте
Чтобы разрешить данный диссонанс, который следует из того, что сначала мы обсуждаем космический вакуум, а потом говорим, что вакуума в космосе нет, давайте разберёмся и подумаем что такое вакуум на самом деле. Пустота? Нет, ни в коем случае. Природа не терпит пустоты и даже в космосе вещество (газ) есть везде. Просто где-то он плотнее, а где-то – разреженнее. Стало быть вакуум – очень разреженный газ? Да. Но насколько?
С развитием квантовой механики выяснилось, что есть особый род физической среды с первого взгляда абсолютно пустой, но при этом обладающей крайне сложным устройством и удивительными особенностями. Эта физическая среда не обладает никаким механическими признаками весомой материи — ни массы, ни других эквивалентов движения (энергии, импульса, момента импульса).
Существует несколько определений вакуума, которые можно условно разбить на "экспериментальные" и "теоретические". Первые основываются на сугубо прикладном подходе, который удобно использовать в лаборатории и тогда можно услышать определения: низкий вакуум, средний вакуум, высокий вакуум и так далее по мере роста разрежения газов. Теоретические определения используют более общий подход и сравнивают параметры отдельных молекул газа с параметрами общей массы этого же газа. В этом случае вакуум характеризуется соотношением между средней длиной свободного пробега молекул газа и размером, характерным для прибора (сосуда) или процесса, в котором этот газ используется. Чтобы было ясней необходимо также добавить, что длина свободного пробега – это расстояние, которое проходит частица без соударения с другими частицами.
Таким образом даже если считать, что мы имеем дело с экстремально высоким в космосе, то это всё равно будет очень сильно разреженный газ. Что из этого следует, кроме жонглирования терминологией? А то, что в космосе есть акустические волны инфразвуковой природы, которые присутствуют в нашей вселенной почти с самого начала появления нашего дома почти 14 миллиардов лет назад. Во всяком случае анализ реликтового излучения (самого древнего свидетельства зарождения нашей вселенной) показывает присутствие в первородном газе акустических вибраций, исследование которых даже помогают ученым лучше понять феномен темной энергии.
Собственно поэтому вакуум нашей вселенной называют часто ложным вакуумом, так как газ в нём остаётся даже в при достижении экстремальных значений. Однако весьма вероятно, что некоторые акустические эффекты смогут сохраняться даже в так называемом истинном вакууме, из которого возникло всё сущее. На сцену для этого необходимо пригласить квантовые флуктуации и эффект Казимира, который доказал их наличие в вакууме.
Флуктуация – это любое случайное отклонение какой-либо величины, а квантовыми флюктуациями в вакууме (не путать со сферическим конём в вакууме😅!) обычно называют случайное появление и взаимную аннигиляцию пары виртуальных частиц материи и антиматерии, которые там рождаются. Вот такое невероятное свойство есть у вакуума – создавать виртуальное вещество, которое в мгновение ока пропадает. Прям так и тянет привести аналогию с деньгами! Печатают их государства цели вагонами (в том числе и виртуальными), а куда деваются они после выходных вопрос интересный, но ответить на него крайне сложно...
Эффектом Казимира называют эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием этих квантовых флуктуаций. Чем ближе поверхности тел расположены друг к другу, тем сильнее они притягиваются в результате того, что на них таким образом давит виртуальная вакуумная среда, которой оказывается больше, чем в пространстве между пластинками, как на рисунке выше. Хотя данный эффект может возникать не только между двумя пластинами, но и с телами более сложной формы.
Собственно благодаря тому, что в вакууме постоянно рождаются и аннигилируют частицы материи и антиматерии, в любой степени вакуума будет оставаться вероятность, что квантовая флуктуация произойдёт между источником звука и микрофоном или другим датчиком, благодаря чему произойдёт регистрация акустического сигнала. А возвращаясь к колебаниям, вызванным инфразвуком от астрономических объектов, необходимо добавить, что они играют немалую роль в процессе звездообразования. Космические катаклизмы вроде взрывов сверхновых, порождают эти самые волны, которые, проходя невероятные по человеческим представлениям расстояния, приходят в газопылевые скопления и тревожат их. Возникают локальные уплотнения и разрежения, которых оказывается достаточно, чтобы нарушить тонкое равновесие облака и привести к ускоряющемуся процессу нарастания гравитационной неустойчивости, когда вещество начинает постепенно стекаться в гравитационный колодец будущей звезды. Уплотнившаяся из-за волны часть начинает притягивать к себе новый газ силами гравитации и однажды становится столь огромна, что в ней зажигается термоядерная реакция. А рождение одного светила создаёт новые волны, которые, быть может, тоже послужат своеобразным ключом зажигания для всё новых и новых звёзд.
Подобное формирование светил, вызванное ударными волнами, пронизывающими на инфазвуковых частотах газополевое облако, не единственная возможная причина формирования новой звезды. К примеру, облака могут столкнуться друг с другом, или одно из них может пройти через плотный рукав спиральной галактики. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются и возбуждаются в результате столкновения. Но даже в этих случаях, когда гравитация подобно двигателю делает всю работу в звёздной кузнице, не стоит сбрасывать со счетов акустические явления, которые подобно свече зажигания в моторе автомобиля запускают процесс рождения новой звёздной системы по средством гравитационного коллапса материи в облаке.
Более того можно предположить, что в том числе благодаря первичным акустическим осцилляциям барионной (видимой) материи постепенно зажигались первые первые звёзды после тёмных веков на космологической карте нашей вселенной. Неоднородность флуктуаций, которую мы наблюдаем на изображении реликтового излучения, постепенно начинала усиливаться. Те области вселенной, что были чуть менее плотными постепенно осуществляли передачу своего вещества более плотным областям, которые благодаря этому становились ещё более плотными, что в итоге приводило к гравитационному коллапсу и формированию первых звёзд и галактик. Таким образом квантовые неоднородности сформировали облик классических гравитационных объектов, что вписывается в модель ОТО, но сам переход от квантовой механики к гравитационным взаимодействиям крайне сложно как описать теоретически, так и заметить с помощью различных видов оптических и радиотелескопов.
В космосе никто не услышит твой крик, потому что там очень громко!
Собственно мы плавно подходим к описанию моей мечты: записи музыки в открытом космосе! С этим уже довольно активно справляются звёзды (речь о Солнце и ему подобных, а не о Мадонне или Филиппе Киркорове) и другие астрономические объекты, но и мне с детства кажется, что это самое интересное, чем можно было бы заняться на орбите Земли. А с учетом вышеизложенного имеет довольно большой научный задел, а стало быть не является и самым бесполезным занятием на орбите. Более того акустическая гитара постоянно присутствует на космических станциях, начиная ещё с советских Салютов. При этом звуки космоса уже неоднократно публиковались благодаря стараниям множества научных групп, которые либо расшифровывали различные радиосигналы, либо модулированные сложными преобразованиями из тех акустических колебаний, что распространяются по космосу.
Данное видео является первым клипом, созданным на МКС, при этом акустическую гитару и свой голос (а также слышу, что вроде и хлопки) командир орбитальной миссии и астронавт Криса Хэтфилд записал непосредственно на станции, а остальные инструменты были записаны в условиях земной студии. Это удивительное послание человечеству в память о написавшем данный хит Дэвиде Боуи, но непосредственно само космическое пространство поёт нам сквозь вакуум своими удивительными объектами колоссальных масштабов.
На огромные расстояния распространяются волны, очень похожие на привычные звуки в слышимом диапазоне, только расширенные пропорционально масштабам свободного пробега частиц, наполняющих вселенную. Подобные вибрации космической акустики или музыки космоса имеют очень большую длину, медленно затухают и распространяются на очень большие расстояния. Услышать в привычном понимании их мы не можем: наши уши для подобного совершенно не приспособлены. Это – инфразвук, отдалённо похожий на шум от землетрясений, ураганов, других стихийных бедствий, работы реактивных или турбореактивных двигателей, а также на некоторые другие земные техногенные вибрации. У нашей планеты тоже есть своя космическая песня, фрагмент которой был записан в рамках научной программы Voyager. По-моему очень красивая и напоминающая мелодичный эмбиент, а порой и безумный нойз симфония небесных тел.
Собственно даже на борту Международной Космической Станции (МКС) космонавты вынуждены порой спасть в наушниках, чтобы не слышать шум от работы системы жизнеобеспечения. Это несомненно приятный шум, который говорит о жизни, так как если не откачивать углекислый газ, то человек задохнется, ведь в условиях микрогравитации газообразные вещества будут скапливаться вокруг головы и приводить к удушению, если не создавать искусственным образом сквозняк. Другими словами производить рециркуляцию: откачивать отработанный воздух и закачивать свежий, что приводит к довольно парадоксальному явлению, так как по сути своей космическая станция, хоть и находится в условиях космического вакуума ближайшего к Земле пространства, сама по себе является своего рода вакуумной камерой с функцией подачи воздуха для формирования комфортного давления и условий жизнедеятельности космонавтов. Да, давление поддерживается, как и на Земле в 101 кПа, но откачка воздушной среды производится постоянно, а это довольно шумная процедура, как можно увидеть на следующем видео, демонстрирующем акустические явления в условиях низкого и среднего вакуума.
А чтобы не осталось сомнений о том, что звуки именно за бортом МКС и вообще в космосе присутствуют можно посмотреть ещё одно видео от YouTube канала море ясности:
(вот ссылка на видео, если не работает: https://www.youtube.com/watch?time_continue=96&v=pFhavOJ2Dhk&feature=emb_title )
И здесь мы должны окунуться ещё немного в науку и заметить, что многие современные концерты вообще никак не могут обходиться без преобразования звука из условно "визуального" в фактический! Для этого нам необходимо слегка рассмотреть устройство электрогитары, а также пьезоэлемент, который используется для озвучивания инструментов, не оснащенных электромагнитными звукоснимателями. Собственно и то и другое лишь разновидности звукоснимателей, применяющихся в музыке, но с отличиям в технологии перевода акустического сигнала в электромагнитный. Первый способ по своей природе близок к визуальным способам воссоздания звуков с помощью лазеров или алгоритмов увеличения движения, а второй к тактильным методам.
Большой тайны здесь нет, но по сути своей электрогитара практически не будет звучать без усилителя. Во всяком случае не громче дребезжания линейки, когда она свисает с края стола, а ты придерживаешь её с одной стороны, а другой ударяешь по свисающему концу линейки. Но если взять металлическую линейку и поставить рядом с ней электромагнитный звукосниматель, подключенный в усилитель, то получится простой инструмент, звук которого можно усилить на столько, на сколько позволяет современная техника. Даже если и стол, и линейка, и звукосниматель находятся в открытом космосе! Вот только усилитель полезно было бы расположить в герметичном пространстве, чтобы звук получился чуть более человечным.
Это довольно наглядная демонстрация эффекта электромагнитной индукции, которую можно увидеть почти на любом живом концерте, где есть электрогитара или бас, работающие с помощью звукоснимателя. А электромагнитная индукция в данном случае происходит в виде явления возникновения электрического тока при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.
Технология пьезоэлектрических или резистивных датчиков очень разнообразна и возможны различные варианты конструкции, поэтому охарактеризовать ее точно не так просто. К тому же данные датчики применяются не только в музыке, но и множестве других направлений человеческой деятельности, при которой необходимо измерить изменение давления внутри материала, а как мы уже знаем или начинаем догадываться изменение давления среды или материала – это и есть акустические явления вне зависимости от того происходят ли они на концерте, дома или в период формирования реликтового излучения.
Диафрагма оказывает давление на кристалл, который или генерирует электрический заряд (пьезоэлектрический эффект) или изменяет сопротивление (пьeзорезистивный эффект) в зависимости от степени отклонения или давления на кристалл. Мембрана может контактировать с кристаллом непосредственно или передавать давление гидравлически через силиконовое масло. Датчики на основе этой технологии имеют различные размеры и конфигурацию. Мембраны могут быть металлическими или керамическими. Они также чувствительны к температуре и обычно имеют возможность ее измерения с целью последующей корректировки результатов измерений прибора, а в случаях с усилением сигналов акустических инструментов для исполнения или записи подобная чувствительность обычно даёт дополнительный окрас звучанию в зависимости от того при какой температуре производится исполнение. Часто и в других явлениях температура может использоваться в качестве дополнительной переменной процесса.
Собственно осознав возможности современной музыкальной индустрии и инженерные особенности инструментов, использующихся при создании музыки я и решил создать...
Орбитальная студия с искусственно гравитацией
Но к сожалению это изобретение не получилось по трём причинам: во-первых костюмы для искусственной гравитации пока что промышленно неприменимы (другими словами не работают так как надо) и их ещё необходимо серьёзно доработать; во-вторых зонтичный орбитальный модуль оказался отдельным изобретением; в-третьих орбитальная студия тоже оказалась отдельным изобретением! И если из-за первой причины можно расстроиться, то две другие просто стоили мне создания двух новых заявок и оплаты патентных пошлин в декабре 2018, что лишило меня денег на новогодний праздник, но какой может быть Новый год и праздник без музыки и шоу? Так что по-сути своей для меня это был лучший из возможных подарков. Собственно небольшое лирическое отступление приводит нас к новой и уже серьёзной главе данной публикации, а с моим первым "блином", вышедшим комом из трёх "блинов" можно ознакомиться по ссылке https://patentscope.wipo.int/search/ru/detail.jsf?docId=WO2019035732&tab=PCTBIBLIO и даже ознакомиться с отчетом международного поискового органа к договору о патентной кооперации, где говориться о получившемся нарушении единства изобретения и необходимости подать новые заявки (что я уже осуществил): https://patentscope.wipo.int/search/docs2/pct/WO2019035732/pdf/jyAMcpZzuS50KafbLadr8mnLkq4bgEf8QildUOazwBG4BQlo7NfDfVhSZofls_nRVgdQiT4ziYz5_TYtGJcZyrIOKwYP05ahPJq5HxWzxiv7Vn_eDSc1MY4erCiVxC73?docId=id00000046160250 Это если хочется зачитаться о моих изобретениях ещё больше!
Орбитальная студия
Но давайте вкратце рассмотрим орбитальную студию и зачем же ещё она нужна помимо записи музыки в космосе.
И здесь мы должны вспомнить все те научные теории о космологии, космическом вакууме и относительности гравитационных явлений, с которых началась данная статья! Да, скорее всего мы все хотим устроить музыкальное шоу прямо на орбите, а также использовать пространство на борту студии и за её пределами для съёмок сцен в условиях реальной невесомости для художественной и научной кинематографии, но с точки зрения высокой науки подобное устройство может открыть новый взгляд на привычные вещи в понимании космоса и истории возникновения нашей вселенной.
Как говорилось ранее экстремальный космический вакуум обладает такими уникальными и необычными свойствами, что воссоздать их на поверхности Земли по просту невозможно, а проводить эксперименты необходимо, да и делать это с огромной точностью и качеством! Из-за этого космонавты готовятся к своему первому полёту порой десять лет, не считая их первоначальное образование и несколько лет работы по специальности. Зато с появлением на орбите подобного модуля возможно не только упростить подготовку космонавтов благодаря виртуальной отработке эксплуатации космической станции, но даже позволить ученым и простым людям ощутить на себе всю прелесть космического туризма пусть даже всего навсего виртуального...
Да, самым первым инструментом, который необходимо будет записать с помощью орбитальной студии будет сама МКС! Там полным полно звуков, шумов и необычных явлений, которые смогут быть записаны на огромное количество датчиков и микрофонов, чтобы создать ощущение присутствия. Можно было бы обойтись и всего одним микрофоном и камерой, но во-первых это и сейчас используют, а во-вторых одного микрофона обычно не хватает даже для записи вокала или гитары. Современные студии чаще всего используют сразу эшелон средств записи для создания таких эффектов, которые вжимают зрителя в кресло кинотеатра. Или может акустические явления не так важны для понимания природы космоса и царящих явлений в условиях вакуума и микрогравитации? Тогда попробуйте посмотреть ваш любимый, а лучше новый фильм без звука или с аудио дорожкой из другого фильма. И если в первом случае будет просто непонятно что происходит (если вы не выучили диалоги каждой сцены наизусть), то во втором случае скорее всего получится просто смехотворное зрелище, при мысли о котором даже как-то понятны могут стать шутки и заблуждения некоторых людей о съёмках лунных пилотируемых миссий в павильонах Голливуда, да бреда о плоской Земле...
Но сейчас постепенно настаёт новое время, когда пора переносить студии (в том числе киностудии) на орбиту и снимать полёт на Луну, главным действующим лицом будет не Нил Армстронг, а непосредственно сам зритель! Кстати документальные съёмки полёта на Луну очень наглядно показывают силу влияния кинематографа (даже документального) на массовое сознание людей, так как первым человеком на поверхности нашего естественного спутника был Базз Олдрин – оператор, который снимал выход "первого человека на Луну"... Даже Википедия на этот счёт ошибается, если верить её обновлениям на момент 23 апреля 2020.
Материал подготовил и написал искренне ваш
Дмитрий Вячеславович Шалевич
ООО Лаборатория "Барьер Неизвестности"
