Без формул

Электронный учебник, в котором изложены основы физики для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по физике и не только.

С формулами

Базовые понятия, законы и формулы из основных областей физики.

Глава 22. Десятка сумасшедших физических идей

В этой главе…​

  • Фиксируем самое маленькое расстояние и время
  • Испытываем неудобства неопределенности
  • Исследуем физические явления в космосе
  • Раскрываем секреты микроволновых печей
  • Ищем точку опоры в физическом мире

В этой главе представлены десять выдающихся физических идей, о которых вряд ли рассказывают на уроках физики или описывают в учебниках. Впрочем, как и все остальное в физике, их нельзя считать фактами “в последней инстанции” — они просто отражают текущее состояние многих теорий. Некоторые из теорий, о которых говорится в этой главе, являются довольно необычными, поэтому не удивляйтесь, если в ближайшие годы их заменят другие теории.

Измеряем наименьшее расстояние

В современной физике господствует представление о том, что невозможно измерить положение с точностью, которая превосходит планковскую длину (или длину Планка), названную так в честь физика Макса Планка. Планковская длина равна примерно 1,6·10-35 м, или примерно 1/1020 размера протона. Именно поэтому планковскую длину порой называют наименьшей длиной, которая с современной точки зрения имеет физический смысл.

Неужели планковская длина — это действительно наименьшее возможное расстояние?

Многие ученые утверждают, что на масштабе планковской длины само пространство прекращает свое существование и поэтому не существует никаких более мелких расстояний. Правда ли это? Попросту говоря, смысл планковской длины в том, что при работе на таком масштабе нужно учитывать квантовые эффекты. Эти эффекты невозможно точно измерять, а можно только прогнозировать с той или иной вероятностью. И все-таки планковская длина — это действительно наименьшая возможная длина или физики пытаются установить для Вселенной какие-то необычные правила всего лишь потому, что не могут описать природу на таких малых расстояниях? Иными словами, планковская длина — это наименьший пространственный масштаб, процессы на котором можно объяснить, или наименьший возможный масштаб, на котором может существовать природа? Возможно, вы сами найдете ответ на эти вопросы в ходе своих физических исследований.

Измеряем наименьшее время

Аналогично тому, что невозможно измерить положение с точностью, которая превосходит планковскую длину (см. предыдущий раздел), так же невозможно измерить время с точностью, которая превосходит планковское время (или время Планка). Такое название получил промежуток времени, требуемый свету, чтобы пройти планковскую длину, или 1,6·10-35 м. Если скорость света является максимально возможной, то нетрудно доказать, что наименьшее время, которое можно измерить, — это планковская длина, деленная на скорость света. Планковская длина очень маленькая, а скорость света очень высокая, в результате чего получается очень-очень короткое планковское время:

Планковское время примерно равно 5,3·10-44 секундам и в несколько раз меньше какого-либо реального значения — в том смысле, в каком специалисты по физике именно сейчас понимают ее законы.

Некоторые физики считают, что время делится на дискретные частички времени (кванты), которые называются хрононами, и длительность каждого такого хронона равна планковскому времени.

(На сегодняшний день наименьший экспериментально наблюдаемый промежуток времени приблизительно равен 10-18 с, что составляет около 1026 планковских времен. — Примеч. ред.)

Гейзенберг: сплошная неопределенность

Возможно, вы уже слышали о принципе неопределенности, который впервые предложил физик Вернер Гейзенберг. Этот принцип выводится из волновой природы вещества, предположение о которой сделал Луи де Бройль. Вещество состоит из элементарных частиц, подобных электронам. Интересно, что эти частицы ведут себя еще и как волны, причем во многом так же, как световые. (Но на описание этих явлений здесь нет ни времени, ни места.)

В современной физике так называют закон, который устанавливает ограничение на точность одновременного измерения некоторых характеристик состояния, например положения и импульса элементарной частицы. Чем точнее измерен импульс частицы, тем менее точно можно определить, где она находится. И наоборот, чем точнее измерено местоположение частицы, тем менее точно можно определить ее импульс.

«Черные дыры» притягивают даже свет

“Черные дыры” образуются тогда, когда особенно массивные звезды израсходуют все свое “топливо” и сжимаются (или, как еще говорят, коллапсируют), образуя сверхмассивные объекты, намного меньшие, чем первоначальные звезды. Стать в конце концов “черной дырой” могут только очень большие звезды. Звезды поменьше настолько не коллапсируют; часто их развитие заканчивается тем, что они становятся нейтронными звездами. Нейтронная звезда создается тогда, когда все электроны, протоны и нейтроны, прижатые друг к другу гравитацией, образуют, в сущности, сплошную массу нейтронов, обладающую плотностью атомного ядра.

“Черные дыры” идут еще дальше. Они коллапсируют до такой степени, что даже свет не в состоянии противодействовать их сильному гравитационному притяжению. Но как это происходит? Ведь считается, что фотоны, из которых состоит свет, не имеют никакой массы. Как же они попадают в “черную дыру”?

В действительности гравитация на фотоны действует, что предсказывала общая теория относительности Эйнштейна (она гораздо сложнее, чем специальная теория относительности (см. главу 21), и, чтобы ее завершить, Эйнштейну потребовалось целых восемь лет). Эксперименты подтвердили, что свет, проходящий рядом с тяжелыми космическими объектами, искривляется их гравитационными полями. Гравитация воздействует на фотоны, и гравитационное притяжение “черной дыры” настолько сильное, что они не могут ее покинуть.

Гравитация искривляет пространство

Исаак Ньютон предложил закон всемирного тяготения со знаменитой формулой:

где ​\( F \)​ означает силу гравитационного притяжения двух тел, ​\( G \)​ — универсальную гравитационную постоянную, ​\( m_1 \)​ — массу одного тела, \( m_2 \) — массу другого тела, ​\( r \)​ — расстояние между этими телами. Ньютон предположил, что яблоко падает под действием такой же силы, что и планеты движутся по своим орбитам. Но он не дал ответ на один вопрос: каким образом сила гравитационного притяжения может мгновенно действовать на расстоянии?

Альберт Эйнштейн, вместо того, чтобы считать силу гравитационного притяжения просто силой, предположил в своей общей теории относительности, что на самом деле эта сила искривляет пространство. Иначе говоря, она является одним из тех факторов, которые определяют само понятие “пространство”.

Идея Эйнштейна состоит в том, что сила гравитационного притяжения искривляет пространство (и отсюда впоследствии появилась идея о “червоточинах” в пространстве). Точнее говоря, согласно общей теории относительности, сила гравитационного притяжения искривляет пространство и время. С математической точки зрения время рассматривается как некое четвертое измерение в дополнение к привычным трем пространственным измерениям. Используемые в таком случае векторы (подробнее они рассматриваются в главе 4) имеют четыре компоненты: три для пространственных координат по осям X, Y, Z и одна для времени ​\( t \)​.

Что же в действительности происходит, когда планеты движутся по орбитам вокруг Солнца? Солнце искривляет вокруг себя пространство-время, а планеты движутся в этом искривленном пространстве-времени.

Вещество и антивещество уничтожают друг друга

Одно из самых удивительных событий в физике высоких энергий (также называемой физикой элементарных частиц) связано с открытием антивещества. Антивещество (см. главу 21) — это нечто вроде вещества с обратным знаком. В нем отрицательно заряженным электронам соответствуют положительно заряженные позитроны, а положительно заряженным протонам — отрицательно заряженные антипротоны. И даже нейтронам в антивеществе соответствуют свои античастицы — антинейтроны.

Грубо говоря, на языке физики, вещество — это нечто с неким положительным, а антивещество — с неким отрицательным знаком. При соединении они уничтожают друг друга, образуя вместо себя только чистую энергию — световые волны высокой энергии, которые называются гамма-лучами. Как и другая энергия излучения, гамма- лучи можно считать тепловой энергией, так что если соединить полкилограмма вещества и полкилограмма антивещества, то получится довольно таки приличный взрыв.

Как уже говорилось в главе 21, этот взрыв по рецепту “полкило плюс полкило” будет намного сильнее, чем взрыв обычной атомной бомбы, где в энергию превращается только 0,7% массы взрывчатки. Но когда вещество сталкивается с антивеществом, в энергию превращаются все 100% массы.

Если антивещество — это своего рода “противоположная” сторона вещества, то должно ли во Вселенной быть столько же антивещества, сколько и вещества? Ответа на этот вопрос нет, и споры по этому поводу до сих пор не утихают. Где находится антивещество? Некоторые ученые считают, что во Вселенной имеется просто громадное количество антивещества, но ученые просто не знают об этом. Например, громадные облака антивещества могут быть рассеяны по нашей галактике. Но другие ученые полагают, что природа по- разному относится к веществу и антивеществу, причем настолько по- разному, что во Вселенной может остаться только то вещество, которое мы наблюдаем.

Сверхновые звезды — это самые мощные взрывы в природе

Какое самое “энергоемкое” действие может произойти где-либо во Вселенной? При каком событии освобождается больше всего энергии? Какой взрыв превосходит всех остальные? Ответ на эти вопросы один — вспышка сверхновой звезды (или просто сверхновой). Сверхновой называется взорвавшаяся звезда. После полного израсходования “горючего” звезды ее структура уже не может поддерживаться внутренним высвобождением энергии. С этого момента звезда коллапсирует (схлопывается) внутрь.

Например, среди 100 миллиардов звезд нашей галактики последняя известная сверхновая появилась около 400 лет назад. “Известная”, потому что свету иногда нужно много времени, чтобы достичь Земли; звезда могла стать сверхновой и 100 лет назад, но если она находится достаточно далеко от Земли, то мы об этом пока еще даже не знаем. (Речь идет о сверхновой звезде в созвездии Змееносца, которую впервые наблюдали еще в 1604 году, а сверхновой Кеплера она названа потому, что немецкий астроном Иоганн Кеплер впоследствии составил ее подробное описание. — Примеч. ред.)

Большая часть звезды, становящейся сверхновой, взрывается со скоростью примерно 10000000 м/с, или 36000000 км/ч. Для сравнения скажем, что самая мощная на Земле взрывчатка детонирует со скоростью “всего” 1000-10000 м/с.

Начало вселенной — это «Большой взрыв»

Многие физики верят, что Вселенная началась с так называемого “Большого взрыва”. Суть этой гипотезы в том, что весь физический мир начался 13,7 млрд. лет назад в каком- то одном месте с невообразимо громадного взрыва. Современные физики создают многочисленные теории о том, что произошло после “Большого взрыва”, но не так-то легко создать теорию того, что было перед ним. На самом деле вернуться к “Большому взрыву” (даже теоретически) можно не ближе, чем на планковское время (подробнее планковское время описывается ранее в этой главе), так как при меньших промежутках времени стандартные физические теории, в том числе общая теория относительности Эйнштейна, терпят неудачу.

Микроволновая печь — это очень горячая физика

Даже в самых привычных предметах повседневного пользования, которые воспринимаются как нечто само собой разумеющееся, можно обнаружить очень много интересных физических явлений.

Например, что происходит в микроволновой печи? В ней находится специальное устройство, магнетрон, которое генерирует электромагнитные волны. Они относятся к той части электромагнитного спектра, которая называется микроволновой (отсюда и название печи), и обладают длиной, которая близка к размерам молекул воды.

Попадая в микроволновую печь, молекулы воды в пище поляризуются этими микроволнами. Электрическое поле микроволнового излучения имеет переменную напряженность, чтобы периодически заряжать молекулы воды разными знаками, заставляя эти молекулы бешено вращаться. Столкновения вращающихся молекул воды друг о друга приводят к рассеиванию тепловой энергии и нагреву пищи. (Подробнее об электрических полях можно узнать в главе 16.)

Микроволновые печи были изобретены в результате случайного происшествия, которое произошло, когда начали использовать радары. Некий Перси Спенсер положил плитку шоколада там, где не надо — рядом с магнетроном, используемым в радаре для создания волн, — и плитка растаяла. “Ага! — подумал Перси. — Это может пригодиться.” И после этого он изобрел не только микроволновую печь, но и микроволновый попкорн (я не шучу).

Вполне возможно, что абсолютных физических мер не существует

Возможно, самое глубокое физическое “открытие” состоит в том, что в природе не существует абсолютных физических мер.

Давным-давно люди рассматривали многие окружающие их предметы, как нечто абсолютное. Пространство считалось жестко закрепленным в одном месте, Солнце и звезды вращались вокруг Земли, а свет путешествовал через неподвижный эфир. Впрочем, все эти убеждения впоследствии были развенчаны новыми физическими исследованиями, спустя многие годы, отданные тщательным наблюдениям. Никакой фиксированной системы отчета, неподвижного эфира, а также фиксированной шкалы времени найти не удалось. Оказалось, что все измерения делаются относительно какой-то конкретной мерной линейки или инерциальной системы отсчета, которые определяются относительно чего-то еще.

Впрочем, отсутствие доказательства — это не доказательство отсутствия. Возможно то, что ученые не нашли ничего физически абсолютного, является самым важным вкладом, который сделала физика в наше понимание природы. В конечном итоге преподанный физикой урок может состоять в следующем: мы настолько являемся частью природы, что не нуждаемся во внешних абсолютных понятиях физики и абсолютных физических мерах, чтобы иметь “точку опоры”. Для этого мы сами можем создавать собственные меры. Образно говоря, в некотором смысле мы чувствуем себя “как дома” в той Вселенной, в которой находимся.

Глава 22. Десятка сумасшедших физических идей
Оценка

Добавить комментарий

avatar
480
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить