10 потрясающих открытий в физике

26 721 просмотр
Об авторе

Физика

Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее. Иногда мир ведет себя очень странно, и возможно, вы должны быть настоящим энтузиастом, чтобы разделить с нами радость по поводу этого списка. Перед вами десять самых удивительных открытий в новейшей физике, которые заставили многих и многих ученых ломать головы не годами — десятилетиями.

На скорости света время останавливается

Скорость света

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна — и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.

Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность

Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики — в квантовой механике.

Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.

Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). Квантовая запутанность — это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них — скажем, измените спин — второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее — вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.

Гравитация влияет на свет

Гравитационное линзирование

Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света — путь света не всегда может быть прямым.

Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.

Темная материя

Темная материя

Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать — но вот незадача, два этих числа не совпадают.

На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю — таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.

Наша Вселенная быстро расширяется

Расширение вселенной

Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.

Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам лучше не знать.

Любая материя — это энергия

Атом

Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу  E = mc2. E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.

Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Волна

Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые — твердые куски материи, вторые — пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием — они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.

Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет — это волна, и свет — это частица. Свет — это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.

Все объекты падают с одинаковой скоростью

Парашют

Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие — это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации — единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы повторили эксперимент с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.

Квантовая пена

Квантовая пена

Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.

Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное — на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.

Эксперимент с двойной щелью

Квантовая механика

Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.

Эксперимент с двумя щелями — это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет — это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.

Но частицы должны реагировать иначе — пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет — это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение — но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу — измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.

Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.

10 потрясающих открытий в физике

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

15 комментариев

  1. Orden

    Статья норм, но 90% этого я уже знал. Хотя вспомнить было интересно! Спасибо.

  2. Bes

    "наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях"
    интересно, а мне казалось по теории наша вселенная родилась из бесконечно малого и плотного объекта. после взрыва образовалась материя и анти материя, но анти материя само по себе распадалась(куй знает как учёные догадались до этого ), и с собой на тот свет забирала материю. ну а этой материей являлся водород.

    • Kiryan

      Почти так, а автор статьи написал про "обломки" не думая...
      Бесконечно малый и плотный объект - взрыв - аннигиляция - выжила только материя (почему такая асимметрия не знают ученые) - инфляция - поседующе расширение (не с такой огромной скоросью, как при инфляции) - постепенное охлажение... Спустя миллионы лет и появился ВОДОРОД...
      Короче так...

      • Orden

        Да, но всё же по поводу материй стоит добавить:
        Я читал, что в начале, материи и антиматерии было поровну, но потом одна начала поглощать другую и если бы не антиматерия, то материи было бы во много раз больше, в последствии больше всех веществ и звезд и планет... и наверное, больше шансов на жизнь.
        И антиматерия до сих пор существует, хотя может быть это только теория.

        • Kiryan

          .... асимметрия здесь и предполагает что (в данной вселенной) все состоит из материи во время появления вселенной анигилируя они уничтожали друг друга (отставался свет), но вдруг материи стало больше на неё не нашлось анти и все создалось из материи; а антиматерию как я понимаю только в спец условиях получить можно, во вселенной её так просто не встретишь, хотя у ученых надежда есть (если помечтать то можно встретить в отдаленных уголках вселенной звезды из антивещества и т.д.)

          • Илья Хель

            О чем мы спорим? В любом случае, все началось со взрыва бесконечно малого и бесконечно плотного. Общеизвестную теорию Большого Взрыва, как правило, не пересказывают без причины :)

            Разумеется, имелось в виду, что [впоследствии] «обломки» распространились во все стороны. Ну или не во все, если ссылаться на другую интересную теорию.

  3. ohoho

    Законы физики мы обьясняем при помощи своих органов чувств, но нам их явно не хватает, чтоб подтвердить многие нами же выдвинутые теории о вселенной и материи. Мы пытаемся при помощи различных устройств довести итересующие нас явления до понятных нам осязаний, но если оглянуться назад и заглянутьть вперед нашего времени, то становится ясно как мало мы знаем об окружающем нас мире. А если теория Большого взрыва верна, и вселенная расширяется, то всех разорвет на атомы. Аминь.

    • Gudleifr

      Внесу ясность. Расширяется пространство вселенной, но это расширение никак не связанно с возможностью разрыва существующей в ней материи на более малые уровни организации, коими она обладает в данное время.

    • Mobius

      Как еще органы чувств. Для этого придумали матиматику, о который ты, видимо, не слышал

  4. Lincoln_Ozis

    Возможность существования квантовой запутанности у меня в голове не укладывается никак. Но, блин, это работает (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  5. storm X

    Время останавливается.... Но время это ведь всего лишь слово, придуманное людьми для обозначения даты, и вообще удобства, ну не знаю как еще написапть... (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • videodanchik

      Нет время всё таки понятие вполне физическое: одна из координат четырёхмерного пространства-времени, в котором имеют место мировые линии физических тел (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • Gudleifr

      Время - наличие скоростей (в узком смысле). Не до конца можно внести ясность зависит ли пространство (с его "скоростями") от времени, или же время не более чем продукт, необходимый для существования некоторых закономерностей (или вообще существование какого-либо действа) в пространстве. Ну, тесная взаимосвязь так сказать, названная пространством-временем.

    • Vladislav Bessarabiya

      Может ли существовать куб со стороной 1см внашем мире 0 часов 0 мин 0 сек 0 мс :-) ? У нас вроде бы есть все необходходимые параметры в пространстве, но без четвертого параметра - времени, обьект не существует. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  6. avatarkr

    Классная статья! Про эксперимент с двойной щелью интересно, а про квантовую механику не знал!

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.