Законы Вселенной: от атома до галактик

В природе есть явление, называемое деформацией – это изменение формы тела, изменение положения его молекул под действием одной или нескольких сил. За примером ходить далеко не надо, когда вы усаживаетесь на диван, то ваш вес является причиной деформации поверхности. И, что самое важное, движения!

Когда шест начинает поворачиваться, то волна деформаций позволяет ему продолжить движение. От нашей руки «распространяется» усилие, которое сдвигает всё новые и новые слои молекул, при этом один из них, условно говоря, подцепляет другой.

Но скорость прохождения волны деформаций по любому твёрдому материалу никогда не превосходит скорости звука! Так уж устроены молекулы и атомы, такова природа связи внутри тела.

Со стороны наш эксперимент с межзвёздной палочкой будет выглядеть следующим образом: вы уже сделали поворот, но шест изогнулся и бОльшая его часть по прежнему прямая. Понадобиться очень много времени, чтобы деформации прошли по всей поверхности и в результате передвинули конец, надёжно оставленный у ближайшей звезды. Причём, это событие произойдёт не через 4 года, а позже. Всё потому что скорость звука в материале, а значит и «распространение» усилия примерно в 299 792 раза медленнее света. Это весьма грубая оценка, но, надеюсь, понятная.

Законы Вселенной не обойти…

Кротовые норы бесполезны…

Расстояние в пространстве – важнейшее свойство нашей Вселенной, с которым мы вынуждены мириться. Мы любим (или не любим) долгие прогулки, планируем свои поездки, исходя из времени, которое потратим на дорогу. Но чем больше километров от нас до исходного пункта, тем труднее его достигнуть. На Земле выручает транспорт, а вот полёт к другим мирам даже на космическом корабле пока что представляется несколько затянутым. Потребуются годы, если мы когда-нибудь сможем разгонять звездолёты до скорости, сравнимой со скоростью света.

Однако, ряд учёных и фантастов вовсю используют гипотезу о так называемых «кротовых норах». Суть её проста: пространство подразумевается как некая плоскость (что близко к истине) существующая во времени, значит можно просто взять и как-то продырявить эту плоскость, чтобы выскочить в другой части Вселенной. Представьте, что всё существующее помещается на листке бумаги, с обеих сторон. Конечно, можно попасть из одной точки в другую, проходя по листу, а можно пробить его насквозь и досрочно завершить путешествие. Этот тоннель, дырка, щель и называется «кротовой норой».

То, что пространство может искривляться, науке давно известно, да и само притяжение есть следствие этого феномена. А теория относительности показывает, что кротовые норы в принципе не противоречат известным особенностям Вселенной, вот только найти их пока не удалось. Более того, появляются сомнения в возможности путешествия с их помощью из одной области Вселенной в другую.

Всякая кротовая нора есть результат небывалого искажения пространства. Чёрная дыра так брутально не вгрызается в ткань Вселенной, как это делает гипотетический проход! Естественно, чтобы использовать нору, необходима некая стабильность всего образования, то есть стенки (если вообще у феномена есть стены…) прохода не должны вдруг взять и схлопнуться, превратив путешественников в блин. Бразильские и российские физики утверждают: кротовая нора не способна сохранять своё состояние и неизбежно выходит из равновесия, стремительно распадаясь при соприкосновении с окружающим пространством.

Напрашивается вывод: межзвёздные расстояния нам так никогда и не победить и у всего есть предел. Может, и к лучшему?

Когда даже свет обламывается

Среди законов физики есть утверждение, что скорость света – предельная величина, которую можно достигнуть, ускоряя тело. Перемещается так быстро, разумеется, только излучение, но следует внести небольшую оговорку. Дело в том, что эта величина несколько различается в зависимости от того, в какой среде движутся лучи. В большинстве случаев, говоря о скорости света, подразумевают распространение в вакууме. Чем меньше молекул, тем меньше вероятности столкновения с ними, а от столкновения зависит, какую долю энергии будет терять световой поток. Уменьшая собственную энергию, свет замедляется – не в десятки раз, даже не в разы, но именно из-за этого возникает ряд чрезвычайно интересных явлений.

Вы наверняка замечали, что в стакане с водой ложка выглядит надломленной, а свет, проходя через стекло, частично искажается и мы наблюдаем иную картину, чем без преграды (пусть даже прозрачной). В обоих случаях проявляет себя преломление. Между прочим, наши глаза тоже изменяют направление света, который в них попадает! Всему виной замедление лучей, когда они «ныряют» из одного вещества в другое, с совершенно иной плотностью. Плотность влияет на расположение молекул – например, при сравнении стекла и воздуха, вы без труда определите, что молекулы первого вещества «упакованы» гораздо плотнее и свет тратит много энергии при столкновении с ними. Показать это можно на простом примере – предположим, вы путешествуете пешком и на вашем пути встречаются удобные участки (поля) и совсем уж тяжёлые (болота). По полю можно идти со скоростью пять и более километров в час, а вот по болоту вряд ли. Естественно, скорость любого путешественника, зашедшего в болото, значительно замедляется и он не идёт напролом, а стремится выбрать путь, который скорее выведет его из болота. Надо думать, к участку, где ступать удобнее, а скорость путешествия возрастёт. Иными словами, в подобной ситуации вы поступите, словно луч света, попавший в стекло – замедлитесь и смените траекторию.

Заметьте, что при выходе из болота вы вновь можете вернуться на выбранный ранее маршрут. То же справедливо для света – при выходе из плотной среды он снова преломляется. Эти принципы впервые были описаны ещё в XVII веке В. Снелиусом.

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.