Без нее вы не смогли бы прочитать этот текст, да и пересечь Землю по суше и воде. Без физика не было бы домов, пластмассы, удобств, коммунальных услуг и прочего, что требует точных расчетов и знания поведения тел в пространстве. Свет, радио, сеть, электричество — все это достижения физиков. К счастью, физика выходит далеко за пределы видимого мира: в макромир квантовой механики и в космос, в чудеса вселенной.
Каждый октябрь Шведская королевская академия наук называет лауреатов премий в различных областях науки, включая литературу и экономику. В этом году победители были объявлены в период со 2 по 9 октября, а отмеченные наградами научные открытия поражают воображение. Судите сами: работа лауреатов Нобелевской премии по физике буквально проливает свет на движение электронов внутри атомов и молекул, что ранее считалось невозможным, а премия по химии присуждена за создание настолько малых частиц, что их свойства определяются квантовыми явлениями. И, конечно, не обошлось без COVID-19 – премия по физиологии и медицине досталась ученым, чьи исследования позволили разработать эффективные мРНК-вакцины против коронавирусной инфекции. В этой статье рассказываем обо всех лауреатах Нобелевской премии 2023 года.
Менее 80 лет назад в мире не существовало оружия, способного уничтожить всю жизнь на Земле. Создание атомной бомбы повлекло за собой чудовищные последствия, однако общество до сих пор не осознает всю опасность его существования и применения. При этом мы редко задумываемся и о самих создателях оружия Судного дня – что сподвигло эти без преувеличения великие умы создать нечто подобное и как они чувствовали себя осознав, что именно произвели на свет? Американский писатель-фантаст Курт Воннегут одним из первых обратил внимание на этот «гений разума» в знаменитом романе «Колыбель для кошки», пытаясь ответить на вопрос о том, почему ученый Феликс Хонникер использовал силу своего интеллекта для создания страшного оружия, способного уничтожить не только своего создателя, но и все живое? Теперь же ответ на этот вопрос ищет голливудский режиссер Кристофер Нолан в нашумевшем «Оппенгеймере» – фильме об одном из величайший людей в истории человечества.
С огромными масштабами космоса трудно смириться: в одной только нашей Галактике количество звезд составляет примерно 400 миллиардов, а ведь галактик во Вселенной не счесть. Космологи, однако, больше обращают внимание не на цифры – ученые хотят ответить на вопрос о том, как появились все эти звезды и галактики за отведенное им время – 13,8 миллиардов лет. Вот оно – настоящее доисторическое приключение. В конечном итоге жизнь не может развиваться без планет, а планеты – без звезд; звезды, в свою очередь, должны находиться внутри галактик, а галактики не существовали бы без богато структурированной Вселенной, поддерживающей их. Поразительно, но еще совсем недавно казалось, что понять устройство космоса можно с помощью применения небольшого числа физических законов. Вот только целая череда последних научных открытий свидетельствует о том, что Вселенная и ее устройство – намного сложнее и едва ли поддается объяснению.
В Интернете можно найти утверждение, что согласно законам физики, пчелы и шмели не должны уметь летать. В некоторых источниках говорится, что в научном центре NASA даже висит плакат с надписью о том, что «аэродинамическое тело пчелы не приспособлено летать, но хорошо, что пчела об этом не знает». Существует такой плакат на самом деле или нет, точно сказать невозможно, однако предположение что жужжащие насекомые нарушают законы физики действительно есть — оно было выдвинуто в первой половине 20 века. Ученые тех времен обратили внимание, что пчелы имеют настолько крупные тела, что их крошечные крылья не способны создать достаточную подъемную силу. Правда ли это, или ученые ошиблись в своих расчетах?
Один из самых странных и известных экспериментов в физике – двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году. Однако первым на этот необычный феномен обратил внимание английский физик и математик Томас Юнг в 1801 году, когда заметил, что при сложении звуковых волн происходит ослабление и усиление звука. Предположив, что свет подобен звуку, Юнг решил провести эксперимент, в ходе которого направил пучок света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен еще один, проекционный экран. Ширина прорезей, при этом, была приблизительно равна длине волны излучаемого света. Результатом эксперимента стала интерференционная картина, которая демонстрирует, что фотон как будто проходит через обе щели одновременно. Недавно, однако, ситуация усложнилась – изменения, внесенные физиками в классический опыт Юнга, показали, что поведение фотонов меняется в зависимости от… времени.
Согласно популярной легенде, первым человеком, узнавшим о существовании силы гравитации, был Исаак Ньютон — английский физик, математик, механик и астроном. Озарение пришло случайно, когда великий ученый сидел под деревом и на его голову упало яблоко. После этого происшествия, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, которая гласит, что все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Этот закон объяснил, почему Луна всегда удерживается в пределах Земли, а также помог астрономам узнать массу Солнца, открыть планету Нептун и совершить много других научных прорывов. Нам со школьных лет говорят, что гравитацию открыл сэр Исаак Ньютон, однако недавно были найдены весомые доказательства того, что впервые о ее существовании узнал Леонардо да Винчи. Что же это, получается, что скоро учебники по физике будут переписаны?
Молния чрезвычайно горячая — всего одна вспышка способна нагреть воздух до температуры, в пять раз превышающей температуру поверхности Солнца. Из-за резкого скачка температур окружающий молнию воздух создает раскаты грома, которые мы слышим увидев вспышку. По сути, молния – это мощный электрический разряд, возникающий в грозовых облаках. Попав, например, в дерево или дом, она может стать причиной пожара и гибели людей. Так, чтобы обеспечить защиту зданий и их обитателей от подобной участи, почти три столетия назад американский политик и интеллектуал Бенджамин Франклин изобрел молниеотвод. С тех пор эти металлические решетки над зданиями спасли тысячи жизней и критически важных объектов, а в основу всех последующих разработок в этой области легло изобретение Франклина. И все же недавно произошло кое-что интересное – инженеры разработали устройство для управления молнией с помощью лазера. Последний, как оказалось, работает как громоотвод, рассеивая атмосферные разряды.
Как думаете, мы и правда живем в «золотой век» технологического, медицинского, научного и социального прогресса? Похоже, все действительно так – нас окружают удивительные технологии, представить которые было не так уж и просто всего 20 лет назад. Средняя продолжительность жизни растет с каждым днем и практически каждую неделю мы узнаем о «новых надеждах» для больных раком, разработках в лаборатории, которые могут привести к новым методам лечения, разговорах о новой эре космического туризма, суперджетах и отправке людей на Марсе. Звучит потрясающе, но если присмотреться внимательнее, то видение беспрецедентных инноваций оказывается иллюзорным – многие из захватывающих дух историй о прогрессе на самом деле предположения (а временами и вовсе фантазии). Так, согласно недавно опубликованному исследованию, темпы новаторских научных открытий и технологических инноваций замедляются, несмотря на постоянно растущий объем знаний. Но почему?
Как устроена реальность? И не является ли она постоянной иллюзией? Физики десятилетиями пытаются ответить на эти вопросы, но чем больше они узнают о мире, тем более странным он становится. Мы знаем, что материя состоит из крошечных частиц, а их взаимодействие между собой едва ли можно представить. Взять, к примеру, квантовую суперпозицию – согласно этому принципу частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, однако определить результат их состояния до момента наблюдения невозможно. Еще одним фундаментальным принципом физики элементарных частиц является квантовая запутанность, согласно которой частицы остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. И хотя «привычная» запутанность демонстрирует иллюзорность нашей реальности, в начале 2023 года физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) сообщили о ее новом виде, обнаруженном впервые в истории.
Законы, по которым работает Вселенная, весьма странные. И хотя физики смогли объяснить взаимодействие наблюдаемых небесных тел, на уровне элементарных частиц все намного сложнее. Так, сразу два отдельных исследования, проведенных осенью 2022 года, продемонстрировали так называемый «квантовый переворот времени» – эксперимент, в котором фотоны могут одновременно двигаться вперед и назад во времени. И хотя речь не идет о создании Делориана, это открытие может помочь в разработке квантовых компьютеров и создании теории квантовой гравитации (той самой теории всего). Трудно поверить, но в ходе работы физикам удалось расщепить фотон (квант самого света) и наблюдать его как в прямом, так и в обратном временном состоянии, в очередной раз демонстрируя многочисленные странности квантового мира. Исследователи отмечают, что в основе проведенных экспериментов лежат самые загадочные принципы квантовой механики.