Когда в учебниках недоговаривают

 

Если я не ошибаюсь, то большинство читателей, вспоминая курс геометрической оптики, готовы сразу же выпалить простой и в то же время универсальный закон: угол падения равен углу отражения! Не буду приводить формулу, которая лучше слов иллюстрирует эту фразу, а вот дополнить закон отражения всё же стоит.

На самом деле, почему свет отражается именно так, а не иначе, определяет интересный физический принцип, принцип Ферма. Он назван в честь учёного, первым разгадавшего природу поведение световых лучей. Звучит принцип следующим образом: из всех путей, по которым пойдёт свет, он всегда выберет тот, на преодоление которого потратит меньше времени. Во Вселенной всё достаточно просто, как видите.

Луч падает и отражается в некоторую точку под таким же углом, потому что путь отражённого луча должен быть минимально возможным! До этого додумались ещё древнегреческие учёные, но окончательно удалось доказать принцип Ферма только несколько сотен лет назад. Догадка сначала обретает словесное описание, потом проходит проверку на практике, подтверждается и занимает своё место в копилке физических теорий.

Из принципа Ферма есть несколько важных следствий.

Самое первое и самое очевидное: пройдя сквозь предмет по одной траектории, свет вернётся по такой же! Если вы светите фонариком через глыбу льда, а за глыбой стоит зеркало, то не сомневайтесь — траектория отражённых лучей будет в точность повторять траекторию падающих.

Второе свойство касается призм — оптических устройств, использующихся в биноклях и ряде других приборов. Как правило, они имеют форму кубика или подобную (трапеции, конуса…). Они отклоняют падающие лучи согласно всё тому же принципу Ферма — луч преломляется, так как стремится сократить своё передвижение по призме, выбирая самую короткую траекторию.

А вот третье следствие принципа вы видите каждое утро! Знаете ли вы, что на восходе Солнца, мы видим не светило, а его мираж? На самом деле, когда в наш глаз попадает свет от Солнца, оно находится под горизонтом. Его лучи скользят по нагретой атмосфере и преломляются, компенсируя выпуклость земли изменением своей траектории. Свет словно заливается за край планеты и вот мы уже видим диск нашей звезды над горизонтом.

 

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»?

Представьте себе обычную детскую юлу или волчок, который вы крутите от нечего делать. Волчок можно толкать, изменять направление его движения, но объект всё равно будет стараться удержать равновесие, идти вдоль одной траектории. Поэтому мы говорим, что вращающаяся юла будет обладать некоторым моментом движения (или, что точнее, импульса), своеобразным запасом, способным сохранять состояние волчка.

То же самое и с электроном, у которого есть спин. Нельзя сказать, что он крутится, но определённо обладает моментом импульса и ведёт себя так, словно перед нами детская юла. Парадоксально, но такова уж физика: нельзя сказать, что объект перемещается, вращаясь, хотя именно такими «вращательными» свойствами обладает.

В принципе, на сходстве с юлой и кончаются все сравнения с макромиром — у всего остального, связанного со спином, нет аналогов в знакомой нам картине бытия. Так, если спин частицы ориентирован вверх или вниз, то от этого свойства зависит движение частицы в магнитном поле, что прекрасно демонстрируется на опыте.

А ещё спин бывает целый и полуцелый. Частицы с целым спином могут взаимодействовать в сколь угодно большом количестве, но с полуцелым всё сложнее. Как правило, такие объекты сначала образуют пары и ведут себя уже как обладатели целого спина, так же распределяясь в пространстве…

Сложно? Конечно, ибо мир частиц со спином — уже квантовый и никаких аналогов в «большом» мире для него подобрать невозможно.

 

Внезапная волна

Кто из нас не видел волны, которые расходятся от места падения камня в воду? Пруд, озеро, море и даже обычная лужа могут стать площадкой для такого наблюдения. Однако как же волну описать? Недостаточно сказать, что она большая, средняя или крутая — поэтому в физике все явления имеют свои определённые характеристики, и перед знакомством с главным действующим лицом этой заметки я вкратце расскажу о том, как описать волны.

Волной мы называем колебания, которые распространяются в среде — в воде, масле, мазуте, даже в камне. Присмотритесь к ряби, что возникает после падения камня в лужу: время, за которое мимо вас пронесётся волна (от одного горба до соседнего), мы называем периодом, высоту волны — амплитудой (если точнее, высоту волны и глубину впадины). Количество полных колебаний волны в секунду является частотой. Амплитуда и частота — самые важные характеристики, от них зависит, что мы наблюдаем — рябь на воде или цунами.

Как правило, цунами ещё можно предсказать и даже успеть отойти на безопасное расстояние, но существуют так называемые кейпроллеры, те самые внезапные волны, о которых сказано в заголовке. Они совершенно заслужено носят звание аномальных, потому что выделяются среди волн огромной высотой, до 20 метров. Кейпроллер всегда является одиночной волной, которая возникла на поверхности океана под действием ветра (не обязательно штормового!). Поэтому она чрезвычайно опасна для любых судов, оказавшихся на пути. Самый известный случай гибели корабля от кейпроллера произошёл летом 1968 года, когда супертанкер «Уорлд Глори» просто сломался пополам от столкновения с волной. Погибли все члены экипажа.

Но никаких потусторонних сил за кейпроллером нет. Он возникает в результате интерференции, физического процесса наложения одинаковых волн друг на друга. В определённых областях океана глубинные течения взаимодействуют с зыбью на поверхности воды и в результате интерферируют. Появляются области, где амплитуда волны резко увеличивается, а частота падает

Чаще всего кейпроллеры можно наблюдать у побережья Мозамбика. Но я желаю, чтобы читатели уж точно не стали свидетелями подобного феномена. Потому что перед ним беззащитны даже танкеры.

 

Не беги, а то сократишься!

На самом деле не природа подчиняется законам физики, а законы физики пытаются наиболее точно описать Вселенную и всё, что в ней есть. Отсюда и столько разделов в науке, самые простые понятия из которых вроде бы всем известны. Это механика, термодинамика, электричество. Но вот какая интересная особенность есть в нашем мире: если мы говорим про ситуации, когда тело движется с малыми скоростями, то применяется всем известная классическая физика. А когда тело вдруг ускоряется почти до скорости света (300 000 километров в секунду!), происходит несколько совершенно необычных явлений, которые изучает релятивистская механика и динамика.

Если каким-то чудом вы разгонитесь до сотен тысяч километров в секунду (например, уходя в пятницу с работы), то ваши размеры изменятся! Да, объекты с околосветовой скоростью уменьшают свою длину. Это явление называется лоренцовым сокращением и работает для любых движущихся тел. То есть, даже в состоянии бега ваш рост немножко иной, чем будь вы в покое. На ничтожную величину, конечно, которую ни один прибор засечь не может. А при достижении скорости света лоренцово сокращение становится заметным.

Вам не хватает времени? Без проблем, разгоняемся до световой скорости, и вот уже время начинает замедляться. Ваше собственное. Правда, вы этого не ощущаете, а видите лишь, что люди и процессы вокруг стали чудовищно тормозить и залипать. Вообще, если вдруг вы пропутешествуете час на поезде со скоростью триста тысяч километров в секунду, то, выйдя на станции, увидите, что ваши часы «отстали» минуты на две-три. На самом деле просто ваше собственное время замедлилось, а не механизм накрылся. Из-за этого явления (называется оно заумно, релятивистское замедление времени), спутники системы GPS вынуждены вносить в свои данные поправку по времени: на их скоростях изменение уже ощущается аппаратурой.

 

Да у вас масса в минус ушла…

Отрицательная масса — настолько странный термин, что у любого, далёкого от физики читателя, он вызовет ступор или просто улыбку. На самом деле, отрицательная масса не продукт научной фантастики, а одна из величин, которую мы вовсю ищем и моделируем.

Но перед тем как рассмотреть феномен подробно, давайте зададимся вопросом о том, что есть масса вообще. Странно, вроде бы в быту люди совершенно спокойно пользуются этим понятием, что тут можно обсуждать? На самом деле, многое.

Если вы считаете, что масса и вес синонимы, то это большая ошибка. Потому что вес — следствие притяжения тел к Земле (либо другому космическому телу). Когда мы взвешиваем объект, то измеряем не массу, а силу, с которой объект давит на опору. Нам тяжело нести сумку, потому что на нашу руку действует вес нашего багажа, и в невесомости мы бы одним пальцем двигали грузы достаточно внушительной массы.

Если масса — не синоним веса, тогда что это? Ответ лежит на поверхности, и его лучше проиллюстрировать следующим примером: вы толкаете шар для боулинга и он катится какое-то время по инерции. Затем вы толкаете горошину — она тоже отправляется в путь, но оба этих тела пройдут разное расстояние. При условии, что вы подействовали на них с одинаковой силой, можно сказать, что масса есть мера того, сколько усилий надо приложить к телу, чтобы оно сдвинулось и покатилось. Такое свойство тел называется инертностью, а масса — всего лишь мера инертности, то есть величина, отвечающая за взаимодействия и движения тел, а не за то, сколько весят покупки в супермаркете. Задумайтесь, весы из магазина на соседней улице измерят вес килограмма песка на Земле и на Луне совершенно по-разному!

А теперь давайте перейдём к понятию отрицательной массы. Ничего волшебного, странного и непознаваемого. Если «обычная» масса определяет движение и взаимодействие, то отрицательная — делает всё то же самое наоборот. Чем сильнее вы будете пытаться сдвинуть горошину с отрицательной массой, тем сильнее она будет сопротивляться движению! Если вы бросите кирпич с отрицательной массой вперёд, то он неминуемо полетит в обратном направлении!

Опыты по моделированию отрицательной массы, кстати, уже проходят, а некоторые — удачно завершаются.

 

Так сколько их здесь?

Что мы называем наукой? Если вкратце, то все сведения об окружающем нас мире, которые классифицированы (разложены по полочкам) и описаны определёнными закономерностями. Конечно, это весьма грубое определение, следует прибавить, что научные знания не раз проверены в экспериментах или длительными наблюдениями.

Но знает ли физика как наука всё? Конечно нет — вспомним, какой долгий путь прошло человечество, пока не было открыто электричество, ядерный распад, электромагнитные волны. До всего надо дойти, все открытия фактически вытекают из уже имеющихся знаний. Однако в современной физике остаются несколько нерешённых проблем — некоторые теоретического характера (наблюдаем, но точного описания нет), некоторые — экспериментального (можем точно описать, но нет возможности провести опыт). Вот о них вкратце и поговорим.

Проблема первая. Мультивселенная.

Современная и уже привычная нам Вселенная, образовалась в результате Большого Взрыва, грандиозного процесса, случившегося миллиарды лет назад. Но могло ли получиться так, что вместе с нашим образовались и другие миры, в которых совершенно иные законы природы? Например, там время течёт из будущего в прошлое или масса объектов отрицательна. Кстати, подобные причуды даже «наши» принципы физики вовсе не запрещают.

Проблема вторая. Турбулентность.

Всякий раз, когда вы открываете воду, она течёт из крана, формируя струю и брызги. В струе на всём протяжении трубы образуются различные завихрения, называемые турбулентностью. До сих пор мы не можем на 100% точно описать ни возникновение этих вихрей, ни спрогнозировать их поведения. Да, кран на вашей кухне есть часть нерешённых вопросов науки!

Проблема третья. Время.

Что такое время? Почему оно идёт из прошлого в будущее, и почему оно идёт вообще — вот что не даёт покоя современной науке. Самое бытовое понятие, по которому мы строим свою жизнь, остаётся загадкой. Высказываются фантастические предположения о том, что же такое время, а некоторые учёные всерьёз полагают, что его не существует. Есть лишь некая иллюзия, которую создаёт наш собственный мозг, чтобы не перегружать сознание, а прошлое, настоящее и будущее попросту равнозначны, хотя и прямо не связаны между собой.

 

У гравитации какая-то слабость…

Трудно поверить, что самое слабое фундаментальное (то есть затрагивающее все процессы Вселенной) взаимодействие — это гравитация! Та самая, что заставляет падать снежинки, разрывает галактики, удерживает планеты вокруг звёзд. Гравитация не даёт Луне сбежать от Земли, а кольцам — от планет-гигантов (впрочем, у нашей планеты тоже могли быть кольца).

Как же это объяснить?

Всё очень просто. Когда впервые были открыты мельчайшие частицы вещества, то есть атомы и молекулы, и стало ясно, что атом представляет собой систему связанных объектов, встал вопрос — а что же их удерживает вместе? Одновременно с этим уже была известна концепция Ньютона о притяжении тел друг к другу, так что можно было предположить, что атом остаётся целым ровно по тем же причинам, по которым человек не может прыгнуть и улететь со своей планеты. Однако, учёных поставила в тупик очень маленькая масса молекул — согласно закону гравитации, притяжение между ними было бы ничтожным. К тому же, если все тела притягиваются, то атомы неизбежно бы столкнулись, тем самым изменив Вселенную.

Оказалось, что на уровне микрочастиц основной силой является электромагнитная, которая не только может стабильно удерживать частицы с ничтожной массой, но и в зависимости от их положения, то притягивает, то отталкивает, предотвращая уничтожение атомов. Работает электромагнитное взаимодействие на малых расстояниях, как раз сравнимых с размерами мельчайших частиц, поэтому мы не замечаем его в нашем, «гигантском» мире.

Что же до гравитации, то её слабость компенсируется всего лишь одним поразительным свойством. Это способность воздействовать на больших расстояниях, поистине космических. Независимо от того, читаете вы сейчас текст на Земле или её орбите (МКС, привет!), вас притягивает не только родная планета, а вообще все тела Солнечной системы. Другое дело, что величина подобного притяжения почти ничтожна.

Кстати, в первые доли секунды Большого взрыва, как мы сейчас полагаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействия были почти равны по силам. Но затем они значительно изменились, и вот мы уже живём во Вселенной, где гравитация значительно сдала позиции. И это замечательно, ибо так сформировался привычный нам мир!

 

Течёт смола, бежит смола…

Существует целый класс веществ, к которым мы привыкли в быту и называем твёрдыми, хотя на самом деле их лучше охарактеризовать как медленные жидкости. Несмотря на относительную прочность, они могут со временем стекать и вести себя, как вода. К таким материалам относится прежде всего стекло, битум и смола.

Конечно, на толстое стекло можно положить кирпич, что не принесёт веществу вреда — стекло даже не потрескается. То же и с битумом, который используют в строительстве: если на улице не очень жарко, то вряд ли попадание камня оставит на нём след.

Однако, если долго наблюдать за аморфными телами, то проявляются их «жидкие» свойства. Но почему одни материалы не меняют форму веками, а другие, не менее твёрдые на первый взгляд, вдруг начинают вести себя иначе? Всё дело в молекулах, вернее, в их расположении.

Если мы сможем увеличить алмаз до громадных размеров, чтобы молекулы были видны невооружённым глазом, то окажется, что они выстроились особым образом. То есть, на всём протяжении тела, молекулы упакованы одинаково, стоят в одном и том же порядке (его ещё называют дальним). В аморфных телах, хоть молекулы и сцеплены друг с другом достаточно сильно, форма соединения молекул похожа только в пределах соседних частиц. Такое расположение позволяет телу проявлять большую эластичность и называется ближним порядком.

Именно благодаря этой непохожести соединений молекул в разных местах одного куска вещества аморфные тела проявляют свои странные свойства: если вы зальёте в воронку смолу, дадите ей затвердеть и подвесите к потолку, то через несколько лет увидите, как смола сформировала каплю.

Именно такой долгосрочный эксперимент был начат в 1930 году, когда в Квинслендском университете решили исследовать текучесть аморфных тел. Продолжается он до сих пор — воронка, заполненная смолой, за это время выдала аж девять капель. Первая упала спустя восемь лет после начала опыта, а девятая — в 2014 году. Со временем интерес к квинслендскому проекту растёт, и вот уже в интернете набирает популярность сайт с прямой трансляцией состояния этой самой воронки: многим хочется не только наблюдать за формированием капли, но и стать свидетелем её отрыва.

 

Ньютон был прав. И ошибался

Законы Ньютона — три, касающиеся движения и взаимодействия тел и отдельно закон всемирного тяготения, кажутся нам универсальными и неизменными. В школе их проходят достаточно въедливо, мучают детей тематическими задачками и всякое такое. Но со временем в сети и даже на страницах книг появились смелые предположения всяких, скажем так, альтернативных учёных о том, что законы Ньютона не работают!

И знаете что, я пожалуй, пойду дальше — современная физика не только это знает, но и может сказать, когда именно гениальные заключения Ньютона становятся бесполезны!

Начнём с азов. Абсурдно полагать, что природа подчиняется законам физики, потому что всё строго наоборот — физика есть описание законов, которые существуют в природе. Если мы видим некое явление, выходящие за рамки законов, мы сначала убеждаемся в том, что увиденное существует, пытаемся повторить и, если получается, детально описываем. Так создаётся новое открытие, новый закон, правило. Кстати, бытовая «мудрость», что исключение лишь подтверждает правило, является опасным заблуждением. Исключение показывает, что правило — ошибочно!

Но у любого физического закона, почти у любого, есть так называемые границы применимости. То, что описал Ньютон, прекрасно работает в сфере классической механики, раздела физики о движении объектов с маленькими скоростями и маленькими массами. Тут нужно уточнить, что под маленькими мы имеем ввиду скорости меньше универсальной и предельной величины, скорости света. То есть, 200 км/час с позиции науки очень мало (как оправдание перед сотрудниками ГИБДД не сработает, учтите!).

А вот когда частица начинает лететь, преодолевая за секунду десятки тысяч километров или её масса сравнима с массой Луны, классическая механика просто не срабатывает. Сам Ньютон ещё не был знаком с миром околосветовых скоростей или запредельных масс, он не знал, что громадные тела могут искривлять даже ткань пространства. Но и земляне в своей повседневной жизни вряд ли сталкиваются с этими явлениями, так что в быту классическая механика является правилом без исключений.

Законы физики описывают многообразие природы, поэтому все они применимы только для определённых ситуаций. Которых огромное множество…

 

Ох уж эта квантовая механика!

Наверное, это единственный раздел науки, в котором справедливо замечание: «Забудьте всё, чему вас учили!» Действительно, хоть физика и перекликается с повседневным опытом человека, но всё, что касается мельчайших частиц (атомов, фотонов, электронов) никаких, даже отдалённых, аналогий в привычном нам мире, не имеет. Что ещё более подогревает интерес к квантовому миру.

Квантовая механика — это раздел науки о движении материи порциями, то есть всего того, что нас окружает. Например, свет распространяется порциями, хотя мы этого и не замечаем. Когда вы пересыпаете сахар, то со стороны кажется, что вещество сыпется единым потоком, но приглядевшись, вы увидите мелкие крупинки. Вот такие крупинки материи и называются квантами.

Теперь давайте приглядимся к нашему «сахарному» потоку. При желании вы вполне можете взять один кристаллик и измерить его скорость и размер. В последнем случае вы просто прикладываете к частице сахара линейку и отмечаете, сколько получилось миллиметров. Так же легко можно заметить, как кристаллик перемещается от точки до точки, то есть установить его положение в пространстве.

Но если рассматривать настоящие кванты, а не условные части сахара, то возникает ряд проблем. Любое измерение чего-либо есть вмешательство. Конечно, линейка и крупинка слишком велики, чтобы результаты вмешательства исказили опыт (хотя вы можете ненароком раздавить кристалл, но мы не об этом).

И когда мы начинаем исследовать что-то, сопоставимое с размерами атома, возникают проблемы. Если вы желаете измерить электрон (поток данных частиц, напоминаю, создаёт привычный электрический ток), то вам необходимо направить в него другую частицу, чтобы по результатам взаимодействия определить размеры электрона или его скорость. Но частицы будут оказывать влияние друг на друга, ведь их размеры примерно похожи! И вот мы уже измерили величину, получившуюся после вмешательства. А какова она на самом деле? Ясно, что либо больше, либо меньше полученной.

Эта неопределённость является сердцем квантовой механики, основным принципом, по которым мы исследуем микромир. Нам приходится мириться с ней, ведь неточные результаты никак не влияют на реальность.

 

Звуки подземелий

Иногда явления, происходящие на планете, настолько необычны по своей форме, что