Фарш невозможно прокрутить назад

 

В физике есть интересный парадокс, который очень легко разрешается, если знать как. Вот предположим, вы уронили свой смартфон на пол и – о ужас – экран треснул, и вы, конечно же, отправились в сервис или решили смириться (если аппарат не сильно пострадал). Но если бы вы просто остались у места падения ждать, что обычное стекло вдруг само собой, без постороннего вмешательства, соберётся в единое целое, то вас ждало бы разочарование.

Существуют некоторые процессы, которые называют необратимыми. К ним относится повреждение стекла или любого другого твёрдого вещества. Да даже яйцо, разбитое для приготовления яичницы, не способно взять и пройти весь процесс в обратном направлении.

Однако же представьте себе процесс добавления молока в кофе. Сначала в вашем стакане абсолютно чистый, тёмный напиток. И вот вы добавляете молоко и наблюдаете за смешиванием. Предположим, есть камера, способная заснять поведение молекул в стакане. Полученное видео вы решили просмотреть в прямом порядке, наблюдая процесс от добавления до смешивания, и наоборот.

В первом и во втором случае на экране молекулы будут хаотично перемещаться, и по их поведению смешивание и разделение полученного кофе с молоком ничем не будут отличаться! Молекулы, вернее, процессы, с ними связанные, очень даже обратимы. Но почему большие тела не могут взять и собраться из осколков? Кофе с молоком ведь никогда не разделяются, будучи перемешанными!

Вернёмя снова к нашим ингридиентам. Нальём их в стакан и возьмём, скажем, 20 молекул из получившейся жидкости. Затем помещаем их в резервуар со специальной стенкой. Она опускается, когда слева остаются только молекулы кофе, а справа – только молока. Через год, может – век, сработает детектор, стенка опустится и мы увидим, что из кофе с молоком действительно выделились две составляющие. То есть, процесс стал обратимым! Но представьте, сколько времени потребуется, чтобы не 20, а все миллиарды миллиардов миллиардов молекул в стакане взяли и случайным образом, разошлись на два абсолютно чистых слоя? Стекло не склеивается само по себе, потому что случайное движение «обратимых» молекул просто не способно «обратить» любые процессы в нашем, большом мире. Всё оказалось очень просто.

 

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.