Сергей Александрович Чумаков

Сергей Александрович Чумаков

Законы Вселенной: от атома до галактик

 

 

ISBN 9785449659415

Аннотация

 

Знаете ли вы, что такое антивещество? А почему небо ночью чёрное? О чём не пишут в учебниках по физике?Перед читателем не просто ещё одна научно-популярная книга. Автор – практикующий преподаватель, который не только знает о чём пишет, но и умеет просто и с юмором донести до читателя самые фундаментальные теории физики и самые необычные проявления законов этой науки в повседневной жизни!

 

Законы Вселенной: от атома до галактик

Сергей Александрович Чумаков

 

© Сергей Александрович Чумаков, 2019

 

ISBN 978-5-4496-5941-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

 

Вместо рецензии

 

Мы живём в те времена, когда после долгого периода угасания популярная наука снова становится востребованной. Различные фестивали, тематические сайты и издания находят свою аудиторию, и это прекрасно.

Надеюсь, что и эта книга вызовет у читателя интерес и заставит его задуматься о сложности этого мира и красоте современного естествознания. По крайней мере, именно такие впечатления остались у меня после знакомства с рукописью. Сергей Чумаков, конечно, не входит в топ авторов научно-популярных книг, но в современном мире понятие популярности и элитарности уже не имеет большого значения.

Важно то, что перед вами сборник статей практикующего преподавателя, члена Академии Естествознания, который не только знает, что говорит, но и умеет увлекательно и просто донести до читателя стройные и разнообразные теории из физики и астрономии. Впрочем, вы сами можете оценить стиль и глубину мысли, которая позволила в коротких заметках охватить множество тем, от мира атомов до скопления Вселенных.

Рад, что автор не останавливается на достигнутом, и «Законы Вселенной: от атома до галактик» уже не первая книга Сергея Александровича. Так же хочу пожелать читателям приятного ознакомления и новых открытий, а автору – вдохновения и новых идей.

 

Доцент, профессор РАЕ, В.В.Озеров

 

 

Предисловие автора

 

Дорогие читатели! Я очень благодарен вам за то, что вы держите в руках эту книгу. Несмотря на то, что быть оптимистом и верить в человечество ныне не вполне модно, я всё же не устаю рассказывать о том, как устроен мир, в надежде, что понимание приведёт к изменению. Чем больше мы знаем о происходящем, чем глубже мы постигаем тайны природы, тем легче осознаём своё место в мире и понимаем, что познанию нет предела. А там, где понимание – там и попытки создать нечто лучшее, там гордость за свой разум, который бросает вызов тайнам и загадкам.

Знание – освобождает.

 

Преподаватель физики, советник Академии Естествознания, Сергей Чумаков

 

 

Часть первая. Физика

 

Знакомство с антивеществом

 

По мнению фантастов, антивещество – самый захватывающий и загадочный объект, с которым сталкивались физики. Подумать только, обычные частицы, но имеющие совершенно невообразимые свойства. Так ли они удивительны и как их можно использовать?

Начнём с того, что тела состоят из молекул и атомов. Атомы, хоть и называются греческим словом «неделимый», не являются чем-то монолитным. Если набрать достаточно энергии и воздействовать на атом, то выяснится, что его окружают мелкие электроны, а в ядре множество других частиц. Сразу хочу сказать, что понятия размера и формы в микромире применять надо очень осторожно, потому что перед нами квантовые масштабы, где всё совершенно непохоже на привычные вещи.

Итак, возьмём электрон, который находится на некотором расстоянии от атомного ядра. У него есть масса, электрический заряд и ещё несколько характеристик. Если мы найдём античастицу, антиэлектрон (а он уже давно получен и описан, даже есть название – позитрон), то с первого взгляда не определим, в чём отличие.

Основная разница только в знаке заряда: электрон отрицателен, а позитрон положителен. И при встрече частицы и античастицы происходит невообразимое – обоюдное уничтожение с выделением очень большого количества энергии, так называемая аннигиляция. Например, во время аннигиляции электрона и его двойника выделяются радиоактивные лучи и очень много осколков, которые почти не имеют массы, но быстро двигаются. И именно данное свойство является определяющим, когда мы обнаруживаем любое антивещество («зеркальные» собратья есть не только у электрона, но и у множества иных, обычных элементарных частиц).

Кстати, если нам удастся получить несколько сотен грамм антивещества и сделать из него телефон, то на него точно так же можно будет позвонить, вот только подносить к уху явно не следует. Да и держать его надо будет где-то в абсолютном вакууме. Если создать кирпич из антиматерии и столкнуть его с «нормальной» версией себя, то сила взрыва составит десятки миллионов тонн в тротиловом эквиваленте, многие ядерные взрывы окажутся ерундой на фоне случившегося.

Антивещество самое дорогое – на получение одной миллионной доли грамма затрачивается около 25 миллионов долларов

 

Цветной мир

 

Все мы знаем, что цвета разных предметов или объектов так или иначе связаны с падающим на них светом. Осенний закат способен придать окружающему миру красноватые тона, хотя в полдень мы наблюдали вполне обычную картину.

Вплоть до 1670 года ни учёные, ни обычные люди не могли понять, отчего все тела имеют окраску. Высказывались разные предположения, вплоть до того, что цвет есть некая неизменная характеристика, и помидор даже в темноте будет красным.

Однако благодаря Ньютону было открыто одно из важных свойств света: он состоит их разных потоков энергии, то есть волн (хотя они же способны вести себя и как частицы). Эти волны не тождественны: некоторые замедляются сильнее остальных, попадая в вещество, а некоторые и вовсе отражаются. И вот как раз от того, какие именно элементы луча света смогут пройти через объект, а какие отразятся, и будет зависеть цвет, воспринимаемый нами.

Забегая вперёд – зелёные листья растений содержат вещество, хлорофилл, который активно участвует в фотосинтезе и тем самым является залогом выживания растительного мира. Но всегда ли он зелёный? Ответ будет скоро.

Каждое вещество в мире имеет три основных показателя, влияющих на цвет: это коэффициент отражения r, коэффициент пропускания t и поглощения а. И если, например, тело хорошо пропускает красный (значение t высоко), а отражает лучше всего зелёный (большое значение r), то… На просвет зелёное тело будет казаться красным. Да, так ведёт себя хлорофилл, если его растворить в спирте.

Кстати, из этого же следует очень интересная особенность. Можно ли создать фонарик, который будет светить синими лучами? Да легко, найдя соответствующий материал, через который будем пропускать лучи. Но почему нельзя создать чёрный? Направил его на человека – и всё, он уже ничего не видит и готов сдаваться.

Дело в том, что чёрный цвет присущ телам, которые имеют большой коэффициент поглощения, и малые – отражения и пропускания. Они попросту «забирают» себе энергию большинства составляющих светового потока и тем самым как бы гасят его. Так что чёрный фонарик смело можно записывать в раздел «городских легенд». Зато теперь понятно, почему в солнечную погоду ходить в чёрной одежде немного тяжеловато.

 

Почему небо… чёрное?

 

Вопрос, почему дневное небо голубое, волнует не только детей. Вплоть до прошлого века существовала схожая проблема, но связанная с другим временем суток. Поиск её решения занял не один год: почему ночью небо чёрное?

Казалось бы, странный вопрос. Ночью Солнце находится в другой стороне от нас, в новолуние светят только звёзды, которые далеко. Но это слабое объяснение. Если вообразить Вселенную как существующий вечно, не расширяющийся объект, то напрашивается вывод: куда бы мы ни посмотрели, на линии взгляда всегда окажется звезда! Из нашей Галактики или из соседней, нет разницы, потому что пространство бесконечно и значит, в нём бесконечное множество светил. Которые, между прочим, могут обладать умопомрачительной яркостью и температурой.

Простые вычисления показывают, что в подобной ситуации на небе в тёмное время суток было бы не просто видно бескрайнюю россыпь светлых точек. Небо могло стать очень ярким, будто на каждом его участке зажглась копия привычного нам полуденного Солнца.

Но этого не происходит. Самое простое объяснение: нас загораживают от остальной части Вселенной протяжённые облака пыли. Такие облака существуют, тянутся на множество световых лет, скрывая целые куски звёздных скоплений. Но и здесь решения искать нельзя: если бы облака поглощали весь свет, они бы сами нагрелись и стали излучать, только внося свою лепту в яркость ночного неба.

Оказалось, что решение кроется в самом понимании существования Вселенной: она имеет конечный возраст, а свет распространяется с конечной скоростью. Мы видим только тот участок… всего, что образовался 15 миллиардов лет назад, от остальных секторов бесконечности свет просто не дошёл до нас, и вряд ли скоро дойдёт. К тому же, стоит знать об особенностях жизни звезд: некоторые в видимой нам части уже отжили своё и прекратили светиться, а некоторые просто ещё не зажглись. Зная примерное расстояние между галактиками, нетрудно посчитать, что в зависимости от направления нашего взгляда на некоторых участках просто нельзя увидеть звезды – их там нет на протяжении всего наблюдаемого пространства.

Как видите, многие вопросы кажутся наивными только на первый взгляд и помогают лучше понять мироздание.

 

Ничего определённого

 

Ещё в начале прошлого века среди учёных была популярна концепция детерминизма. Вкратце – всё, всегда и везде можно вычислить с некоторой точностью. Положение звёзд, планет, галактик, молекул в объекте… Казалось бы, весьма спокойная картина, которая даёт уверенность в любые дни. Вселенная объяснима и предсказуема.

Но по прошествии времени выяснилось: это убеждение всего лишь иллюзия. Проверьте сами – предположим, вы едете в поезде и подбрасываете мячик вверх. Так или иначе можно вычислить, куда он потом шмякнется, за какое время и даже с каким ускорением. Но человек, который наблюдает за процессом подкидывания с платформы, тоже подсчитает, и вот мы получим два правильных, но разных ответа! Поезд-то движется, и место приземления мячика в вагоне будет разным для пассажира и для наблюдателя, а значит и остальные характеристики будут изменяться.

Идём дальше. Теперь представим, что мы измеряем положение частицы (например, электрона, который движется по проводам и вместе со своими собратьями создаёт ток). Чтобы отыскать частицу, надо направить на неё луч света. Но световое излучение имеет одно крайне важное свойство, свойство рассеивания – вспомните, насколько может «пробить» фонарь темноту в ночном поле. Благодаря отражению света, мы сможем засечь частицу, но с очень малой точностью – свет сам по себе представляет собой поток, и его отражение – всего лишь разброс луча в пространстве. Снова про фонарик в поле – попробуйте светить даже сверхмощным, но на расстоянии несколько километров. Вы увидите лишь бледные очертания поверхности.

А ещё сам свет способен сообщить энергию. Кто обгорал на пляже или в огороде, спорить не будет. И вот эта энергия, передаваемая частице, изменяет её скорость!

Просто ужас получается – мы не можем точно описать положение, а когда измеряем, ещё и сбиваем скорость частицы.

Ничего определённого в мире нет, к сожалению. Элементы, из которых состоит Вселенная, и мы с вами, все эти мельчайшие частицы нельзя принципиально точно измерить. Как бы мы ни старались, мы найдём или положение в пространстве, или скорость, но ни как не всё в месте. Этот феномен называется принципом неопределённости. И лежит в основе всего современного понимания мира. Однако удивляет не это. Кажется совсем чудесным, что куча неопределённых объектов формирует вполне настоящий и довольно интересный макромир, мир крупных объектов.

 

Маркиза физики

 

В истории науки часто бывает, что люди, высказывающие и даже публикующие поистине гениальные идеи, остаются неизвестными. Это, конечно, не следствие заговора, а веяние времени (если учёный – женщина) или результат того, что открытия одновременно совершаются разными людьми в разных странах.

Одна из таких неизвестных широкой публике учёных – маркиза Эмили дю Шатле, чьи работы в XVIII веке помогли становлению современной физики и механики.

Маркизе повезло: она родилась в богатой и образованной семье, где не считали, что основная роль женщин – только обслуга и развлечения. Её отец, Луи Николя Ле Тоннель, очень активно интересовался наукой, частыми гостями в его доме были поэты, драматурги и изобретатели. Именно поэтому, обнаружив у своей дочки интересы к математике и чтению, он постарался дать ей наилучшее классическое образование.

Позже, выйдя замуж и став матерью троих детей, Эмили дю Шатле знакомится с астрономами и математиками, сближается со знаменитым Вольтером.

В 1745 году Эмили начала перевод научных публикаций Исаака Ньютона. Продвигаясь по страницам его сочинений, она не только блестяще перевела тексты с латыни на французский, но и оставила множество комментариев, чтобы облегчить читателю знакомство с физическими теориями. Более того, она предложила ввести ряд новых терминов, которые бы уточнили и упростили описания Ньютона. Жаль, но при жизни подобная инициатива дю Шатле осталась без внимания. Лишь спустя годы после её кончины научное сообщество признало правоту этой талантливой женщины и единогласно ввело в обращение термины «кинетическая энергия» и «импульс».

В 1737 году Эмили издаёт работу «Сочинение об огне», где высказывает идеи, очень похожие на современную концепцию инфракрасного излучения. «Сочинение об огне» было высоко оценено Французской Академией, которая выделила деньги на публикацию.

Примечательно, что дю Шатле за свои заслуги стала членом Болонской Академии наук, а вот Парижская даже не рассматривала кандидатуру дамы: в те времена научное сообщество всячески сопротивлялось принятию женщин в свои ряды.

Перевод сочинений Ньютона на французский с комментариями Эмили до сих пор является единственным за всю историю этой страны.

 

Разоблачаем колдунов

 

Очень много лет назад попался мне один интересный сюжет по ТВ. Это были те времена, когда о сверхъестественном и паранормальном больше печатали в газетах и объявлениях, а не вещали нон-стоп с телеэкрана. Герой сюжета всячески нахваливал свои мистические способности и на глазах репортёров заморозил воду на лету. Просто взял бутылку с водой, которая стояла на зимнем воздухе какое-то время, встряхнул – и вот она уже стала льдом!

Чтобы разоблачить это интересное, но обыденное явление, надо немного углубиться в мир физики.

Когда мы говорим, что вода (равно как и любая иная жидкость), замерзает, то лучше всего назвать подобное явление кристаллизацией. Охлаждаясь до определённого уровня, частицы воды постепенно перестают носиться беспорядочно во все стороны и скапливаются в группы. Эти группы обладают удивительным внутренним строением, упорядоченным и повторяющимся. Это те самые кристаллы в снежинках, ледяном покрове и инее.

Но процесс замерзания не так прост: чтобы расти, кристаллу нужно к чему-то прицепиться. Точки, вокруг которых создаются кристаллы, могут иметь разную природу – затормозившая молекула воды, песчинка, крупинка соли и т. п. Такие объекты называют центрами кристаллизации.

Если вы возьмёте чистую воду, в которой почти нет посторонних примесей, и начнёте её охлаждать до отрицательных температур, то одно из условий замерзания будет выполнено. Молекулы потеряют часть энергии, скорости и… И всё, пока им не за что зацепиться, процесс продолжится. Кристаллы, несмотря на подходящую ситуацию, не станут расти! Но стоит вам взять стакан с такой жидкостью в руки и встряхнуть, как начнётся быстрое замораживание: молекулы и атомы придут в движение, сами становясь центрами кристаллизации, наскакивая и прилипая друг к другу.

Таким вот образом и поступил герой старого сюжета, о котором я написал выше. Использовал не свои способности, а способности воды.

Состояние, при котором жидкость остывает ниже температуры кристаллизации, не образуя твёрдого тела, называют неустойчивым или метастабильным. Обычная вода, лишённая примесей, способна оставаться жидкой при -40, это уже было неоднократно проверено в экспериментах и лабораторных условиях.

 

Невесомость заказывали?

 

Невесомость настолько прочно ассоциируется в нашем сознании с космосом, что её самые очевидные «земные» проявления мы просто не замечаем. Виной тому не только постоянный интерес к космическим полётам, но и обманчивое ощущение, когда человек считает массу и вес если не синонимами, то почти равными проявлениями одного и того же свойства.

Вес возникает в результате очень интересного совпадения двух условий – на тело с некоторой массой должна действовать гравитация, при этом тело должно взаимодействовать с опорой или подвесом. Когда вы берёте в руки кирпич, то ощущаете, что он тяжёлый, ровно из-за того, что объект давит вам на руку. Вы можете взять пенопласт и вырезать из него такой же по объёму кусок – и он всё равно будет давить на вашу руку, пусть и не так сильно. А вот если окрасить два наших кирпича в одинаковый цвет и положить где-то рядом и оценивать только со стороны, не прикасаясь, вы не сможете сказать, где лёгкий, а где тяжёлый. Вес – это всегда взаимодействие.

Но что изменится, если вы и кирпич будете лететь с одним и тем же ускорением? Ничего, кроме веса. Так и происходит в космосе: когда на тела действует только гравитация, вес исчезает – любые два предмета на орбите будут двигаться с одинаковым ускорением и просто не смогут «почувствовать» друг друга. Вообще говоря, равное ускорение – целиком и полностью следствие гравитационного взаимодействия с планетой, ведь независимо от массы, все тела падают на неё одинаково (вы вряд ли видели такое на поверхности, потому что здесь атмосфера вмешивается в процесс, заставляя тела с большой площадью притормаживать)!

Чтобы проиллюстрировать пример, положите яблоко на ладонь и опускайте руку. В один из моментов вы почувствуете (почти на мгновение), что яблоко перестало давить на вас – в это время ладонь и фрукт неслись в пространстве с одинаковым ускорением.

Более того, на Земле научились получать невесомость в более сложных ситуациях. Если самолёт летит по определённой траектории («парабола Кеплера»), то есть словно бы забирается в горку, на верху этой горки невесомость наступает на 25 или 30 секунд. Таким приёмом пользуются для проведения исследований на планете, когда требуется избавиться от веса.

 

У Вселенной всё ровно

 

Симметрия – очень интересное и даже красивое свойство нашего мира. Посмотрите вокруг, сколько симметричных предметов нас окружает. Начнём с того, что мы сами живём на поверхности симметричной планеты, да и львиная доля объектов Солнечной системы есть сферы, то есть почти симметричные фигуры (всё же из-за вращения планеты и наше центральное светило слегка сплюснуты, но мы не замечаем этого благодаря значительным размерам тел). Очевидно, дать определение симметрии очень легко: это такое состояние тела, при котором с ним можно совершить некие действия, а оно всё равно сохранит свои основные черты.

Но симметричными бывают и законы природы, они же – законы физики. Пусть, например, мы соорудили какое-то устройство, способное мигать лампочкой, и включили его, поставив в центр стола. Устройство заработало. Затем мы поставили его в угол комнаты и снова включили – все процессы в нём прошли одинаково, и лампочка снова сработала. Таким образом иллюстрируется принцип симметрии законов природы относительно пространства. В теоретической физике это называется более строго, но допустимо и такое словосочетание.

А ещё мы можем проделать следующий опыт – включить устройство в полдень, а потом в полночь, проследив, чтобы за время простоя у него не сел аккумулятор. Вы удивитесь, но независимо от времени включения, оно выполнит свою функцию точно так же! Это значит, что мы сталкиваемся с симметрией во времени.

Нам мало двух видов симметрии и мы грузим наше устройство на борт самолёта, который набирает определённую скорость и движется теперь равномерно. Для вас не будет новостью, ибо вы уже догадались – включив прибор, вы увидите всё то же мигание даже в несущемся по воздуху авиалайнере. Главное, чтобы его скорость не менялась! Этот пример достаточно просто описывает так называемые преобразования Лоренца.

Что они значат? Фактически, это ряд специальных математических преобразований, которые совершаются над формулами физических законов, когда явления происходят то в одной системе, то в другой. То есть, чтобы получить формулу для описания нашего устройства в самолёте, летящем в небе, надо взять такую же для случая покоящегося и немного изменить по определённым правилам.

Это красиво.

 

Физика для всех

Сможете ли вы сходу назвать хотя бы двух или трёх известных женщин-учёных? Сегодня приходится признать: зачастую выдающийся вклад в науку становится темой мировых новостей или входит в учебники, если автор — мужчина. Так повелось, и на протяжении долгих лет считалось, что женщины не способны к образованию, а их мышление отличается от мужского. Если с первым заблуждением мы почти распрощались, то второе до сих пор является самым распространённым. И зря: ни одно из серьёзных современных исследований не подтверждает отличие специфического мужского и женского мышления и тем более существование «женской логики».

Ну да не будем о мифах, давайте поговорим о самых выдающихся женщинах учёных и не будем забывать их вклад в науку нынешнюю и будущую:

Хэди Ламарр. Если вы пользуетесь Wi-Fi или связываете устройства по bluetooth, то именно Ламарр вы должны сказать огромное спасибо. Актриса и изобретательница, несмотря на свой успех в кино и искусстве, заинтересовалась темой распространения радиоволн и запатентовала технологию «частотного сканирования» для управления торпедами на расстоянии. Позже её труды легли в основу современных принципов связи.

Фатима Бутаева — советская физик и педагог, чьи научные труды легли в основу создания, а затем и промышленного производства люминисцентных ламп, тех самых, которые освещают школы, больницы, дома. Так же разработала принципы усиления света, которые используют в лазерах.

Урсула Франклин — канадская ученая-физик, чьи исследования стали одним из причин принятия всемирного моратория (запрещение) на проведение ядерных испытаний в атмосфере. Являясь специалисткой в области радиоактивности, она доказала наличие опасного изотопа стронций-90 в зубах множества людей. Фактически, этот продукт ядерных испытаний накапливался в организме, в первую очередь — детском, что могло дать непредсказуемые последствия в будущем.

Руби Пэйн-Скотт — одна из основоположниц радиоастрономии как науки. Известна своими исследованиями в области магнитного поля Земли. Первой установила, что магнитное поле нашей планеты не оказывает значимого воздействия на всё живое и не несёт ему вреда.

 

Да, физики ошибаются

Серьёзная естественная наука может позволить себе заблуждаться. Поэтому, когда вы видите заголовок: а, вот физики опять ошиблись, не стоит сразу ставить крест на знаниях.

Мир природы бесконечно разнообразен, мы даже не можем до конца представить, что ждёт нас дальше в мире атомов или какие сюрпризы преподнесут вполне обычные явления. Более того, иногда случается, что одно и то же тело ведёт себя совершенно не одинаково в разных условиях! И в каждой ситуации приходится применять свой закон физики, более нигде не работающий. Вот наглядная иллюстрация.

Жил-был Исаак Ньютон, известнейший учёный, при этом очень конфликтный и рассеянный. Вопреки мифам, ему не приходили в голову идеи, когда на голову падали яблоки. Но кое-что гениальное он таки сделал, и в более спокойной обстановке — оставил нам множество принципов, на которых базируется современная механика. Например, он утверждал, что масса движущегося предмета в целом остаётся постоянной (при условии, что его никто не хочет разбить или надкусить). Действительно, падающая со стола вилка не худеет и не толстеет, как бы вы ни проводили эксперимент. Изменение высоты и иных условий не заставят массу тела увеличится или уменьшиться, это знаем мы и знал Ньютон. Его физика, если так можно выразиться, легла в основу многих научных трудов и изобретений, как вдруг выяснилась одна любопытная вещь. Дело в том, что классическая механика, созданная английским учёным, абсолютно не работает в ситуации, когда объект ускоряется до скорости света, умопомрачительных 299 с небольшим тысяч километров за секунду. Именно в подобных случаях физика с треском ошибается, если применять понятия, сформулированные Ньютоном.

На смену его картине мира пришла другая, релятивистская, описывающая околосветовое движение, когда у тела вдруг резко увеличивается масса. И работают законы релятивистской механики только в подобном экстремальном случае.

А если вы вздумаете описать движение ложки законами околосветового мира, то разочаруетесь. И будете правы, решив, что как минимум эта сфера науки в повседневной жизни выдаёт сплошные ошибки. Но вместе эти противоречащие друг другу теории способны правильно описать наш мир, бесконечный в своём разнообразии.

 

Один мир. Одни законы

Если исследовать мир последовательно, то есть изучать все разделы физики по порядку, начиная от поведения огромных тел и заканчивая природой мельчайших частиц и волн, то становится очевидной одна простая закономерность: есть определённое правило, единое вообще для всего. Я бы назвал это универсальным принципом, но боюсь, тем самым лишь введу читателя в заблуждение. Поэтому немного позволю себе перейти на сухой язык учебников: в природе нечто всегда остаётся постоянным, сохраняется при любых мыслимых и немыслимых процессах. Эту удивительную особенность довольно просто объясняют законы сохранения, которые на понятном человеку языке описывают самые обычные процессы Вселенной.

Давайте проведём, пусть даже мысленно, обычный опыт из школьной программы — потрём рукавом ручку и, если ваши усилия были максимальны, а ваша одежда содержит шерсть, простая пластиковая ручка обретёт электрический заряд. Вы можете проверить этот факт, просто поднеся её к волосам или кусочкам бумаги. А теперь представьте, что у вас вдруг появилась возможность взять и измерить количество электричества в ручке и на одежде до опыта и после.

Как бы придирчиво мы ни считали заряды на ручке и на одежде, при их сложении получится ровно то же число, что до взаимодействия! Таким образом, заряд сохранился вопреки всем усилиям.

А может ли заряд исчезнуть, спросите вы? Да, только не просто так — дело в том, что переносят электричество частицы под названием электроны (есть ещё ионы и ряд других интересных структурных единиц вещества). Они не способны внезапно взорваться, для этого им надо встретить позитроны. Это своеобразный зеркальный двойник электрона, но с противоположным знаком. Наглядный пример достаточно прост: представьте себе два одинаковых волчка, один из них вращается по часовой стрелке, а другой — против.

Так вот, когда позитрон и электрон встречаются, то происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется порция энергии. Думаете, заряд не сохранился?

Электрон и позитрон равны во всём, кроме знаков заряда. Что будет, если сложить +1 и -1? Конечно, ноль. Таков был заряд этих частиц вместе до аннигиляции. А после, когда они исчезли, заряд не изменился, и снова стал равен… нулю.

 

Что-то стало холодать

Всё живое на Земле очень чувствительно к температуре. Конечно, существуют бактерии, которые способны выживать рядом с горячими источниками, но вот холоду они явно не обрадуются.

Отрицательная температура вообще довольно нормальное состояние для Вселенной. В межзвёздном пространстве стоит ужасный мороз, и даже одной пары валенок будет недостаточно, чтобы выжить:) А вот описать его цифрами вполне реально.

В физике существует такое понятие, как абсолютный ноль. Это предельный достижимый холод — а предельный потому, что температура есть мера движения молекул и атомов. Чем они быстрее, тем теплее нам кажется вещество, и наоборот. Если частицы совсем остановятся, то мы можем говорить, что их температура достигла нижнего предела, -273,15 градусов по Цельсию.

Открыли подобную границу температур ещё в самом начале 18-го века. Французский физик Гийом Амонтон обнаружил интересную закономерность: если нагревать газ, то его давление определённым образом увеличивается, а если охлаждать, то упадёт. Справедливый вопрос, до какой температуры газ требуется охладить, чтобы давление вообще исчезло, и привёл к открытию абсолютного ноля.

Если вы захотите увидеть вещество, чья температура близка к этой величине, то вам стоит взглянуть на туманность Бумеранг, хотя бы на её фотографию (потому что человечество пока не освоило технологии межзвёздных полётов). Газ в этом уголке космоса имеет температуру примерно -272 градуса, и на сегодняшний день туманность считается единственным настолько холодным объектом во Вселенной, который известен науке.

Земные температуры не настолько суровы. Искать самый трескучий мороз на нашей планете лучше всего в Антарктиде, где и был зафиксирован погодный рекорд: самая низкая температура за всё время наблюдений — -89,2 градуса Цельсия.

Подобный результат показала нам сама природа, хотя мы уже способны хоть немного, но превосходить её. В лабораториях усилиями нескольких десятков исследовательских групп, были поставлены удивительные эксперименты, в результате которых специалисты смогли охладить вещество до температур более низких, чем в той же туманности Бумеранг. В частности, один из опытов позволил получить температуру -273,149999 градусов!

 

О фотонах по существу

Многим из нас известен один простой, но удивительный принцип физики: все тела состоят из мельчайших частиц, которые мы называем атомами и молекулами. Конечно, если копнуть дальше, то и атомы можно разложить на составляющие, и так до вполне определённого предела. Но сегодня не будем закапываться вглубь, ибо хотелось бы рассмотреть ещё одно удивительное свойство природы — оказывается, существуют несколько частиц, которые существенно влияют на нашу жизнь, но при этом не имеют массы!

Конечно, любой атом, из которого сложены объекты Вселенной, обладает пусть ничтожной, хотя вполне измеряемой массой — особенно она заметна, когда атомы собираются в кучу и образуют кирпич, который падает на ногу. Герои сегодняшней заметки похожи на атомы только масштабом и называются фотоны.

Фотоны — частицы света. Видимого или ультрафиолетового, от Солнца или от спички, не суть важно. Фотоны несутся в пространстве с чудовищной скоростью, называемой скоростью света. Почти 300 тысяч километров за одну секунду способен преодолеть фотон, а путь от Солнца до Земли занимает у него чуть более семи минут. Однако, собираясь в кучу, фотоны способны совершить больше, чем летящий кирпич — поджарить или испепелить любой материал.

Особенность фотона заключается не только в скорости. Как вы уже поняли, у него просто отсутствует масса. Физики часто уточняют: мы говорим о массе покоя, такой, которой обладают все тела на маленьких скоростях (существенно ниже трёхсот тысяч километров в секунду).

Отсутствие массы вовсе не какой-то парадокс природы: многие гипотетические частицы, которые мы пока не открыли, но уже ищем косвенные признаки их наличия, похожи на фотон. К его «собратьям» относятся глюоны (ответственные за сцепление других элементарных частиц) и гравитоны, возможные переносчики гравитационного поля.

Ещё интересный факт о фотонах. Да, сами они не имеют массы, но если фотон образуется в какой-то системе, то её масса уменьшается! А если фотон поглощается (уничтожается) другой системой, то её масса увеличивается. Кажущееся противоречие разрешается простым, но гениальным принципом — всякая энергия эквивалентна массе, и в случае чего одно переходит в другое.

 

Таинственные сосульки

Самые неожиданные загадки природы, а значит и науки, поджидают нас во вполне обычных явлениях и объектах. Вот например, сосульки, те самые, красивые и очень опасные, если гулять под ними. Казалось бы, где тут тайны?

Начнём с того, как сосулька образуется. Нам достаточно небольшого мороза, и вот вода, стекающая с крыши или ветки, уже застывает. Причём сосулька растёт больше в длину, чем в ширину — за это отвечает гравитация. Холодная, но жидкая вода, начиная свой путь от источника по сосульке вниз, постепенно охлаждается и когда достигает конца ледовой поверхности, с большой вероятностью примерзает. Кстати, вокруг сосульки образуется своеобразная воздушная подушка из тёплого воздуха! Когда вода кристаллизуется, она отдаёт в окружающее пространство тепло. Нагретые молекулы поднимаются вверх и не дают воде замёрзнуть прямо у основания.

Но есть несколько вопросов, которые не дают покоя физикам. Вы замечали, что бывают идеально гладкие сосульки, а бывают ребристые? Всё дело в примесях — если вы будете создавать сосульку из чистой воды (дистиллированной), где нет растворённых добавок, то её поверхность порадует любителей идеальных геометрических форм. А если взять загрязнённую жидкость с определённой долей солей или пыли, то получится нечто невообразимое, в лучшем случае ребристое, а в худшем — вообще кусок льда чрезвычайно странной формы.

Я не говорю, что талую воду из городских сосулек можно пить, но если они сплошь гладкие и красивые, в них точно мало нежелательных компонентов.

Рёбра сосулек из грязной воды сейчас вовсю изучаются, и есть отчего.

Первая странность, требующая объяснений: в каких бы условиях сосульку ни выращивали, её ребра появляются на строго определённом расстоянии друг от друга — около одного сантиметра. Серии опытов в разных лабораториях давали такой странный результат, так что нет поводов сомневаться в его правдивости.

И вторая интересная особенность: рёбра покрывают сосульку то снизу, то сверху. Известно, что за это ответственна концентрация солей, но как именно она влияет на очерёдность появления наростов, нам пока неизвестно.

Так что изучайте физику! Потому что открытия можно сделать даже не отходя далеко от дома

 

Спин. Краткое знакомство

Всё в мире микрочастиц удивляет и немного шокирует. Поведение, взаимодействие атомов, электронов и кварков абсолютно не похожи на таковые у привычных нам, больших объектов.

Возьмём, например, электрон. Тот самый, известный со школьной скамьи, который переносит электромагнитное взаимодействие и создаёт электрический ток. Движение электронов обеспечивает работу всего электрооборудования — от аппаратов в операционных до фонарика на простом телефоне. Только описать электрон в терминах макромира (большого мира), мы не сможем.

Вообще для всех частиц из мира мельчайших размеров, есть свои характеристики, одна из которых звучит как спин. Что же такое этот таинственный спин и почему от него зависит поведение атомов и прочей фундаментальной «мелочёвки»?