Бесчеловечный опыт над временем

Иногда самые большие тайны мироздания скрыты не в глубоком космосе или в недрах чёрных дыр, а в самом привычном для нас мире. Мы сами живём в окружении явлений, истинную причину которых можно найти, но пока не получается. И я не говорю о псевдонаучных опусах про ауру, биополе и экстрасенсов. Шутки в сторону, рассмотрим одну из глобальных тем современности — загадку времени.

Пока что не вполне понятно, почему время идёт вообще и почему оно движется из прошлого в будущее. Но давайте представим себе вот такую картину: мы взяли, вдруг открыли природу этого явления и построили настоящую машину времени.

Мы наняли добровольца для испытаний, он зашёл в здание и получил инструкции. Ему предстоит вернуться в прошлое на 5 минут, выключить свет в лаборатории и убедиться, что машину времени запустить не удалось, а потом вновь рвануть в будущее к моменту старта.

Он выполняет нашу программу эксперимента — оказывается в прошлом, выключает свет, убеждается, что мы ничего не сделали и…

И вот тут вопрос — если миссия выполнена и запуска машины не произошло, то откуда доброволец взялся в прошлом, он ведь отключил «причину» своего появления!

Вы скажете, что это фантастика, но на современном этапе развития физики (по крайней мере, теоретической), есть некоторые теории, дозволяющие саму возможность короткое время побывать в прошлом и вернуться в исходную точку («замкнутая времениподобная кривая»). Как это сделать на практике, пока не очень ясно, и тем более, существование парадокса, описанного мной, никто не отменял.

И вот в конце 1980-х было предложено оригинальное решение для случая с нашим добровольцем. Его назвали в честь автора — принципом самосогласованности Новикова. Если отбросить всю математику и предельно упростить это интересное решение, то мы получим следующий вывод: при перемещении в прошлое вероятность любого действия, изменяющего события, уже произошедшее с путешественником, равна нулю!

То есть, грубо говоря, электричество в нашем эксперименте в нужный момент включится. Или дверца рубильника не откроется. Или доброволец упадёт в обморок.

Но предупреждаю, это лишь вольная фантазия на тему, ибо пока природа времени до конца не ясна, мы можем лишь предполагать.

 

Пустота отменяется

Мне кажется, не слишком сильно ошибусь, если скажу — многие из читателей (да и сам я) хоть раз в жизни пытались представить себе пустоту. В лучшем случае, термин сразу вызывает ассоциации с космосом, а в худшем — пропадает любое желание напрягать мозги на эту сложную тему. Поэтому поговорим о космической пустоте, но не с точки зрения количества молекул, а более глобально и чуть проще, то есть привлекая мудрость квантовой физики.

Итак, прежде чем начать исследовать пустоту, хочу познакомить вас с одним интересным правилом, которое описывает жизнь и поведение частиц в микромире (на уровне гораздо меньшем, чем размер молекулы). На данный момент оно уже перешло из умных статей физиков-теоретиков на страницы некоторых учебников. Я говорю о принципе неопределённости Гейзенберга, который можно сформулировать так: если мы очень хорошо знаем один параметр частицы (например, её положение в пространстве), то мы значительно хуже можем узнать любые другие её свойства (скорость, запас энергии). Это как если бы мы знали либо цвет, либо вкус яблока, но никогда оба этих качества вместе. Не удивляйтесь сильно, мир на уровне атома живёт по совсем иным законам.

И вот теперь приступим к изучению нашего ничто. Допустим, мы взяли и удалили из пространства все частицы — и по принципу неопределённости, мы тем самым точно знаем, что вот в данной точке нет тела… А это означает, что там же может быть сколь угодно много энергии! Да так много, что хватит для создания ещё одной частички. Причём физики даже придумали для этого состояния пустоты весьма запоминающийся термин — виртуальная частица. Её самой вроде бы и нет, но энергия есть и может как-то взаимодействовать с окружающим.

Так вот, оказалось, что даже при полной очистке пространства нашей Вселенной от вещества пустота всё равно что-то да будет содержать, виртуальные частицы или, как мы их ещё называем, квантовые флуктуации. И они возникают постоянно, в любом уголке безграничного космоса.

Как вода заполняет случайно упавшую в пруд пустую бочку, так и квантовые флуктуации стремятся заполнить ничто. Я даже не знаю, а есть ли вообще в наблюдаемой нами части Вселенной такое понятие, как пустота? Скорее всего, нет.

 

Снег и физика

Любые, даже самые обычные процессы и явления имеют порой очень удивительную и сложную физическую природу. Снег не исключение!

Все мы слышали, как хрустит белый покров под ногами — но мало кто знает, что является причиной этого звука и почему.

Начну с того, что при температуре выше -2… -5 хруст снега вы можете и не услышать, а лучше всего звучат шаги по снежному покрову в мороз.

Всё дело в том, что скрип возникает из-за трения отдельных снежинок и их слоёв друг об друга и из-за разрушения кристалликов льда. Чем ниже температура, тем более хрупкими становятся снежинки, что приводит к их быстрому разрушению от значительного воздействия. Поэтому с наступлением морозов хруст слышится более ясно и отчётливо. Я вам больше скажу, в начале прошлого века некоторые метеорологи предлагали оценивать температуру снега по характеру скрипа, который он издаёт.

Когда температура повышается, но не доходит до нуля градусов, льдинки начинают подтаивать и снег уже содержит некоторое количество воды в жидком состоянии (хотя, разумеется, мы её не видим). Именно она смягчает скрип ломающихся кристаллов, и хруст пропадает. Если захотите, то прислушайтесь к звукам снега и определите, достаточно ли тепло вы оделись

Кстати, снег тает не только весной или в период аномально тёплой погоды посреди зимы. Есть такое интересное явление, которое называется возгонкой — это когда вещество переходит из твёрдого состояния в газ, минуя стадию жидкости. Как раз возгонка и происходит в снежном покрове в морозный и солнечный день: лучи нашей звезды сообщают кристаллам дополнительную энергию. Удивительно, но хорошо тает снег, если при отрицательной температуре начнётся метель! Ветер интенсивно уносит с поверхности покрова водяной пар, и его место быстрее занимает новый — это как дуть на горячий чай.

Кстати, именно из-за возгонки снег начинает оседать. Снежинки ломаются, немного оттаивая, и вот уже ровная снежная равнина становится слегка бугристой. А если возгонка продолжается достаточно долго, то снежный слой может превратиться в настоящий ледник.

И последний факт — единственной планетой, кроме Земли, где идёт «настоящий» водяной снег, является Марс.

 

Снежинки и физика

В декабре на большей части России уже лежит снег, скоро Новый год. И одним из символов этого праздника является снежинка.

Наверняка вы слышали расхожее мнение о том, что двух одинаковых снежинок не бывает. Что же по этому поводу скажет наука? Вопрос, казалось бы, ерундовый — но нет, он тоже заслуживает подробного рассмотрения.

Снежинка образуется из молекул воды, которые хитрым образом связываются друг с другом. Происходит это высоко в зимних облаках, или вообще в достаточно холодную погоду (вспомним майский снег в средней полосе). Разнообразная, но симметричная форма у снежинок возникает благодаря особенностям атомов, из которых состоит вода. Свою лепту вносят и силы молекулярного взаимодействия, так что образование снежинок можно изучать и в химии, и в физике:)

Самая маленькая снежинка, вернее, кристаллик льда вмещает в себя около десяти тысяч молекул. Он не виден невооружённым глазом: его размер не более миллионной доли метра. Отсюда следует достаточно простой вывод, для которого глубоких знаний и не надо: уже такое количество молекул достаточно, чтобы образовать бесчисленные вариации структур между собой.

Когда снежинка растёт (ветвится), связи между молекулами усложняются, и вот мы видим, что форма начинает меняться. Чем больше снежинка — тем больше вариантов соединений отдельных молекул и кристалликов. А на этот процесс влияет ещё и температура, и скорость ветра, которые значительно меняются даже в пределах небольшой тучки.

Согласно данным статистических исследований, конечно, вы встретите снежинки, которые с первого взгляда будут идентичны. Физики из Калифорнийского университета под началом Кеннета Либбрехта даже построили целый аппарат для их производства — и устройство стало в лабораторных условиях штамповать одинаковые снежинки. Почти одинаковые. Нэнси Найт, исследовательница погодных условий, даже нашла во время бури два кристаллика снега, которые под микроскопом казались близнецами.

Но видите ли, тот факт, что под микроскопом мы принимаем одну снежинку за копию другой, вовсе не означает, что они совсем идентичны на уровне сцепления молекул! Так что расхожее мнение надо поправить — не бывает двух снежинок, похожих по расположению молекул.

 

Вакуум-обманщик

Мы часто слышим слово «вакуум» — кому-то приходит на ум космос, где нет атмосферы, кому-то трубки из старых телевизоров и громоздких мониторов. Но правда ли в вакууме нет ничего? Ни молекулы, ни атома? И что считать вакуумом? Вот об этом я и хочу сейчас поговорить.

Начнём с того, что в каждом газе и смеси газов есть молекулы. Их движение мы воспринимаем как температуру (чем выше скорость молекул, тем теплее нам кажется газ), а результаты ударов по поверхностям — как давление. И вот, чтобы определить, вакуум у нас или нет, необходимо придумать критерий, по которому можно судить, сколько молекул должно остаться, чтобы получился вакуум.

Этим показателем в физике считается число Лошмидта. Оно показывает количество молекул в единице объёма земной атмосферы у самой поверхности. И если в каком-то месте молекул меньше, чем данное число, то говорят о разрежении и вакууме. Причём, вакуум не один — у нас есть много степеней этого состояния, часть из которых существует только в лабораторных условиях.

То, что окружает землю на высоте ста или двухсот километров, своеобразные следы нашей атмосферы, считается высоким вакуумом. Но даже там в кубическом сантиметре пространства содержатся тысячи молекул! Так что об абсолютной пустоте говорить не приходится.

Если вы хотите посмотреть на самый-самый высокий вакуум, то придётся отправиться в межзвёздное пространство. В некоторых областях за пределами Солнечной системы молекул так мало, что они сталкиваются друг с другом примерно раз в сутки. Можно назвать такое состояние сверхглубоким вакуумом, но это достаточно грубый термин.

 

Лохотрон как он есть

В современном мире, где информация перестала быть достоянием узкого круга элиты, очень просто стать жертвой повседневного обмана — будь то торговцы очередным средством для похудения или, что гораздо хуже, основатели умопомрачительных альтернативных «научных» гипотез. В эпоху интернета достаточно придумать крутой заголовок, красочный сюжет для своего «научного» открытия — и публиковать. Не так важно, что «открытие» было придумано от скуки или желания заработать, важно, как его подать публике. Зачастую хватает пары абзацев на какую-нибудь актуальную тему, несколько типа умных слов, и вот перед нами непризнанный гений.

Так как же отличить действительно научную статью, книжку или фильм от лжи, которая только прикрывается правдой? На самом деле, очень легко:

✔ Автор очередного открытия замахнулся на нечто глобальное: утверждает, что Ньютон или Эйнштейн были неправы, что все учёные до него ошибались или ничего не понимали.

✔ Автор утверждает, что эпохальное открытие, о котором идёт речь, тщательно скрывается, замалчивается или вообще подвергается нападкам — либо со стороны учёного сообщества, либо со стороны корпораций.

✔ Автор ссылается на каких-то учёных, которые что-то доказали, и приводит их в качестве своих сторонников — но никаких ссылок на научные работы, выступления этих гигантов мысли не приводит

✔ В книге, статье или репортаже упоминается, что новое и сенсационное открытие было получено в том числе по результатам исследований древних знаний предков. Которые, конечно, до этого никто в глаза не видел или не догадался дотошно проверить.

✔ Гипотеза автора лежит далеко за пределами элементарных знаний по предмету и скатывается в область сверхъестественного — это что-то вроде открытия ауры, попытки разговаривать с умершими посредством домофона, излечение сразу всех болезней светом лампочки или рецепт народной медицины, которая продлевает жизнь до бесконечности.

✔ И, наконец, автор открытия в области физики — по образованию историк, биолог или искусствовед. Правда, он очень талантливый и знает всё, даже за пределами своей профессии.

Зачастую хотя бы три последних признака однозначно показывают, что рассматриваемая вами новость — проявление чистейшей лженауки.

 

Понеслись! Вставать не надо

Прямо сейчас, не вставая со своего стула, кресла или дивана, вы мчитесь со скоростью, равной 1500 километров в час. Уши не закладывает? Ветер не портит причёску? Вот и у меня. Даже пейзаж за окном дома не меняется, как это бывает с видами из окна поезда или автомобиля.

Перед нами парадокс, который долгое время заставлял думать, что планета неподвижна — скорость, о которой я писал выше, есть скорость вращения Земли. Цифра гигантская, но для нас совершенно не очевидная. С учётом популярности теорий о плоском мире я хочу сегодня поговорить о том, почему мы не ощущаем вращения Земли и как с этим жить.

Начнём с того, что любое движение относительно и чтобы не запутаться, коварные физики придумали так называемую систему отсчёта — это некий объект, относительно которого мы оцениваем перемещение, и связанные с ним измерения.

Когда вы путешествуете в электричке, то принимаете себя за неподвижный кусок пространства, относительно которого рассматриваете всё остальное — вот неспешно идут контролёры по вашему неподвижному миру, вот молниеносно пролетают столбы за окном. А вы сидите себе, и ваша система покоится. Хотя для наблюдателя на платформе (например, не успевшего перебежать безбилетника) вы и ваш вагон несутся с вполне приличной скоростью!

А скажите, как не заглядывая в окно и не прислушиваясь, понять, что поезд движется? Предположим, он едет идеально, с постоянной скоростью, а вагон обладает звуковой изоляцией. Вы можете кинуть на пол ручку — она упадёт так же, как падала бы на платформе. Вы можете налить чай в стакан — и жидкость будет наливаться абсолютно так же, как наливалась бы в любом неподвижном помещении.

То есть при движении с постоянной скоростью нет никаких способов проверить, что происходит с вашей системой отсчёта, кроме одной — посмотреть со стороны или посмотреть куда-нибудь вдаль. То есть выбрать другую систему и проследить, что поменяется.

Вращение Земли было открыто ещё в древности — учёные прошлого достаточно долго наблюдали за космосом и поняли, что элементы неба слишком сложно перемещаются, чтобы быть частями подвижной сферы вокруг покоящейся плоской планеты.

Так что даже в минуты покоя вы очень, очень быстро двигаетесь!

 

Опять что-то непонятное

Знаете, что самое сложное в физике элементарных частиц? Не столько понять, сколько объяснить, что понял. Поэтому начну, пожалуй, с самого сложного, что можно представить для неподготовленного слушателя: CPT-симметрия. Причём эта тема граничит с миром теоретической физики, в которой очень много математических формул — поверьте, именно там они нужны. А не в школьном курсе!

Итак, с понятием симметрии все мы знакомы. Если взять круг и сложить его, то обе половинки лягут одна на другую, по форме и по размеру они равны, значит круг — симметричен. То же происходит и с законами физики в микромире и макромире. Они в большинстве ситуаций, сохраняют свою справедливость даже после преобразований. А таких преобразований можно представить и провернуть три:

С — преобразование подразумевает под собой замену всех частиц с одним зарядом на противоположный. Представьте себе, что будет, если у батарейки поменять местами + и — будет такая же батарейка

P — преобразование означает выворачивание пространственных направлений на противоположные. Говоря обычным языком, когда вы стоите у зеркала, вы подвергаете себя P-преобразованию.

T — преобразование времени, запуск его в обратном направлении, из будущего в прошлое.

И что самое интересное, во всех этих случаях большинство физических законов симметричны, а значит любому процессу из нашего мира можно сопоставить обратный процесс!

Всё это явно может подразумевать существование неких параллельных вселенных, но я поспешу вас разочаровать. CPT-симметрия лишь указывает на универсальность законов физики как законов, которые были открыты только в результате наблюдений за природой.

Более того, как вы уже заметили, я постоянно делаю оговорки, словно бы намекая — есть определённый масштаб, на котором симметрия нарушается. Дело в том, что некоторые частицы взаимодействуют друг с другом так, что не срабатывают C и Р симметрии! Представьте, что вы заменили зелёное яблоко красным (C), а потом подошли с ним к зеркалу (P), а в зеркале у вас отразился… банан.

Это явление почти нашло объяснение в рамках современной науки, по крайней мере, основных гипотез осталось две. Но я не буду их приводить, ведь главное свойство нашего мира вы уже узнали

 

Тревога отменяется

В некоторых пабликах частенько распространяют фотографии ликвидаторов аварии в Чернобыле с подписью «Готовится к выходу на крышу четвёртого блока! За два часа до смерти!». Брутально, конечно, но ерунда полная, и я объясню, почему.

Радиация не всегда вредная для человека. Существует естественный фон, который, по исследованиям учёных, достаточно благоприятно воздействует на организм. Более того, живые существа, лишённые «обычной» радиации, становятся более вялыми и слегка тупеют! Но если радиационный фон вдруг увеличивается в ТЫСЯЧИ раз, начинаются проблемы. Излучение повреждает клетки, тем самым организм испытывает нечто вроде стресса, дохлые клетки отравляют его, а мутировавшие повышают риск развития онкологических заболеваний (рак). Исследования показали: среди тех, кто пережил атомные бомбардировки и аварии на АЭС, случаи раковых заболеваний на протяжении жизни (важно, не сразу!) встречаются на 15% чаще, чем у остальных. Цифра не очень маленькая, но и не слишком большая.

Теперь, предположим, что вы — ликвидатор и ваша задача вбежать в помещение, где радиационный фон в МИЛЛИОН раз выше обычного, что-то там сделать за минуту и вернуться обратно. Что с вами случится? Ничего катастрофического!

Кратковременное воздействие радиации таких величин приведёт к лучевой болезни лёгких степеней тяжести. Да, придётся два-три месяца полежать в больнице, будет кружиться голова, тошнить, кожа приобретёт нездоровый оттенок (т.н. «загар в майский день»), будет снижен иммунитет, подскочит температура и т. п. Но после лечения вы сможете вернуться к полноценной жизни.

Проблемы наступают при увеличении фона в ДЕСЯТКИ МИЛЛИОНОВ раз, вот там при достаточно долгом присутствии (более минуты) в месте радиационной аварии, человек рискует жизнью.

По современным оценкам, во время Чернобыльской катастрофы, серьёзно пострадали (вплоть до инвалидности) около 150 человек, из них погибли 28 — героические пожарные, которые по часу или полтора тушили горящий реактор без средств защиты и не зная об огромных уровнях фона. Герои, вспоминайте их каждый год 26 апреля.

Всего же на крыше аварийного блока и рядом побывали тысячи человек, и никто из них не погиб ни через два часа, ни через день.

 

Часть вторая. Астрономия

Властелин колец

Найти планеты у далёких звёзд — задача трудная. Даже самые совершенные земные телескопы не позволяют увидеть не то что детали — даже диски гипотетических небесных тел. Однако, современные учёные нашли интересный метод — когда планета проходит мимо звезды, а мы оказываемся наблюдателями этого процесса, то приборы регистрируют некоторое снижение света, исходящего в нашу сторону. Грубо говоря, в далёком космосе происходит затмение. По времени и интенсивности процесса можно понять, что именно закрыло диск звезды, прикинуть массу и размеры.

Именно благодаря этому способу много лет назад была найдена одна из самых красивых и загадочных экзопланет галактики, у которой нет имени, а только индекс 1SWASP J1407 b. Она чем-то похожа на Сатурн, но гораздо монументальнее его.

Дело в том, что изменение блеска звезды, рядом с которой прошла J1407 b показало наличие у планеты огромного числа колец. Напомню, что в нашей Солнечной системе кольца есть у всех планет-гигантов, но они мягко говоря, скромные. Кольца Сатурна например толщиной всего в один километр, а их протяжённость около 60 000 километров. У J1407 b подобные образования растянулись в пространстве на умопомрачительные масштабы. Если бы она находилась на месте Земли, то её кольца касались бы Меркурия! Их радиус — как минимум 60 миллионов километров, свет от края до края таких плоских концентрических образований идёт несколько минут. Более того, внутри системы колец есть пустоты, которые могли быть оставлены спутниками. Размеры спутников тоже гигантские, по некоторым данным они могут быть больше Земли или Марса.

До сих пор в среде астрономов нет согласия, что же это за объект — коричневый карлик (не разгоревшаяся звезда с маленькой массой) или большая газовая планета? Более того, не совсем понятно, является ли она спутником звезды, прохождение мимо которой и позволило открыть J1407 b, или же перед нами межзвёздная планета-скиталец? Во всяком случае, пока что мы уточняем полученные данные и однозначного ответа дать нельзя.

Может ли быть жизнь на спутниках этого объекта или на нём самом? Об этом пока рано говорить или думать. Остаётся лишь восхититься красоте этого поистине удивительного объекта

Воздушные шары на Венере

C самого начала космической эры, человечество стремилось как можно подробнее изучить ближайшие планеты Солнечной системы. Больше всего вопросов и открытий, конечно, поджидало (и поджидает) людей на Марсе и Венере, ближайших к нам больших небесных телах.

Изучение Венеры принесло массу неожиданностей и разочарований. Дело в том, что наша соседка покрыта толстым и непроницаемым облачным слоем. Так что увидеть детали поверхности через эту многокилометровую дымку даже в самый лучший телескоп не представляется возможным. Поэтому всю первую половину прошлого века учёные рассматривали версии о наличии на Венере тёплого и влажного климата и соответствующего живого мира (как во время каменноугольного периода в истории Земли). Гигантские папоротники, тёплые болота…

Но уже первые миссии к Венере развеяли эти смелые предположения. Оказалось, что планета обладает сверхплотной атмосферой, а средняя температура превышает +400. Облачный покров состоит главным образом из серной кислоты; кислорода и водяного пара в местном воздухе почти нет.

Однако детальную информацию о природе планеты удалось получить во время смелого полёта исследовательских станций «Вега» в 1984—1986 годах. Это была во многом уникальная миссия: в работе участвовали специалисты десятка стран, в том числе СССР, Франции и США. «Вега-1» и «Вега-2» не только приблизились к Венере — в составе аппаратов были не только спускаемые комплексы, которые приземлились на негостеприимную поверхность, но и атмосферные зонды, проще говоря — воздушные шары. Именно они провели неоценимые исследования, в течение 46 часов полёта в облаках Венеры собрав множество данных о скорости ветра, о давлении, температуре и химическом составе. Примечательно, что венерианская атмосфера циркулирует быстрее, чем сама планета, а на высоте 54 километра, почти рядом с облаками, давление и температура сходны с земными. Вот только состав воздуха (углекислый газ и незначительные примеси остальных веществ) не позволит гипотетическим космонавтам дышать.

«Вега-1» и «Вега-2» не только продвинули вперёд изучение Венеры, но и доказали, что автоматические исследовательские проекты могут быть чрезвычайно эффективны и необычны.