10 приголомшливих відкриттів у фізиці
Вивчати фізику значить вивчати Всесвіт. Точніше, як працює Всесвіт. Поза всякими сумнівами, фізика - найцікавіша гілка науки, оскільки Всесвіт куди складніше, ніж здається, і вона вміщує в себе все суще. Іноді світ поводиться дуже дивно, і можливо, ви повинні бути справжнім ентузіастом, щоб розділити з нами радість з приводу цього списку. Перед вами десять найдивовижніших відкриттів в новітній фізиці, які змусили багатьох і багатьох учених ламати голови не роками - десятиліттями.
На швидкості світла час зупиняється
Згідно спеціальної теорії відносності Ейнштейна, швидкість світла незмінна - і дорівнює приблизно 300 000 000 метрів в секунду, незалежно від спостерігача. Це само по собі неймовірно, враховуючи що ніщо не може рухатися швидше за світло, але все ще суто теоретично. У спеціальній теорії відносності є цікава частина, яка називається "уповільнення часу" і яка говорить, що чим швидше ви рухаєтеся, тим повільніше для вас рухається час, на відміну від оточення. Якщо ви будете їхати на автомобілі годину, ви постарієте трохи менше, ніж якби просто сиділи у себе вдома за комп'ютером. Додаткові наносекунди навряд чи істотно змінять ваше життя, але все ж факт залишається фактом.
Виходить, якщо рухатися зі швидкістю світла, час взагалі застигне на місці? Це так. Але перш ніж ви спробуєте стати безсмертним, врахуйте, що рухатися зі швидкістю світла неможливо, якщо вам не пощастило народитися світлом. З технічної точки зору рух зі швидкістю світла зажадає нескінченного кількості енергії.
квантова заплутаність
Тільки що ми прийшли до висновку, що ніщо не може рухатися швидше, ніж зі швидкістю світла. Що ж ... і так, і ні. Хоча технічно це залишається вірним, в теорії існує лазівка, яку знайшли в найнеймовірнішої гілки фізики - в квантовій механіці.
Квантова механіка, по суті, це вивчення фізики на мікроскопічних масштабах, таких як поведінка субатомних частинок. Ці типи частинок неймовірно малі, але вкрай важливі, оскільки саме вони утворюють будівельні блоки всього у Всесвіті. Можете уявити їх як крихітні обертаються електрично заряджені кульки. Без зайвих складнощів.
Отже, у нас є два електрона (субатомних частинок з негативним зарядом). Квантова заплутаність - це особливий процес, який пов'язує ці частинки таким чином, що вони стають ідентичними (мають однаковий спіном і зарядом). Коли це відбувається, з цього моменту електрони стають ідентичними. Це означає, що якщо ви зміните один з них - скажімо, змініть спин - другий відреагує негайно. Незалежно від того, де він знаходиться. Навіть якщо ви його не будете чіпати. Вплив цього процесу приголомшливою - ви розумієте, що в теорії цю інформацію (в даному випадку, напрямок спина) можна телепортувати куди завгодно у всесвіті.
Гравітація впливає на світло
Повернемося до світла і поговоримо про загальну теорію відносності (теж за авторством Ейнштейна). У цю теорію входить поняття, відоме як відхилення світла - шлях світла не завжди може бути прямим.
Як би це дивно не звучало, це було доведено неодноразово. Хоча у світла немає ніякої маси, його шлях залежить від речей, у яких ця маса є - начебто сонця. Тому якщо світло від далекої зірки світового масштабу відбудеться досить близько до іншої зірки, він обігне її. Як це стосується нас? Так просто: можливо, ті зірки, які ми бачимо, знаходяться зовсім в інших місцях. Пам'ятайте, коли наступного разу будете дивитися на зірки: все це може бути просто гра світла.
Темна матерія
Завдяки деяким теоріям, які ми вже обговорили, у фізиків є досить точні способи вимірювання загальної маси, яка присутня у Всесвіті. Також у них є досить точні способи вимірювання загальної маси, яку ми можемо спостерігати - але от біда, два цих числа не збігаються.
Насправді, обсяг загальної маси у Всесвіті значно більше, ніж загальна маса, яку ми можемо порахувати. Фізикам довелося шукати пояснення цьому, і в результаті з'явилася теорія, що включає темну матерію - таємниче речовина, яка не випускає світла і бере на себе приблизно 95% маси у Всесвіті. Хоча існування темної матерії формально не доведено (бо ми не можемо її спостерігати), на користь темної матерії говорить безліч свідчень, і вона повинна існувати в тій чи іншій формі.
Наш Всесвіт швидко розширюється
Поняття ускладнюються, і щоб зрозуміти чому, нам потрібно повернутися до теорії Великого Вибуху. До того як стати популярним телешоу, теорія Великого Вибуху була важливим поясненням походження нашого Всесвіту. Якщо простіше: наш всесвіт почалася з вибуху. Уламки (планети, зірки та інше) поширилися в усіх напрямках, рухомі величезною енергією вибуху. Оскільки уламки досить важкі, ми очікували, що це вибуховий поширення повинно сповільнитися з часом.
Але цього не сталося. Насправді, розширення нашого Всесвіту відбувається все швидше і швидше з плином часу. І це дивно. Це означає, що космос стає дедалі більше. Єдиний можливий спосіб пояснити це - темна матерія, а точніше темна енергія, яка і викликає це постійне прискорення. А що таке темна енергія? Вам краще не знати.
Будь-яка матерія - це енергія
Матерія і енергія - це просто дві сторони однієї медалі. Насправді, ви завжди це знали, якщо коли-небудь бачили формулу E = mc2. E - це енергія, а m - маса. Кількість енергії, що міститься в конкретному кількості маси, визначається множенням маси на квадрат швидкості світла.
Пояснення цього явища досить захоплює і пов'язане з тим, що маса об'єкта зростає в міру наближення до швидкості світла (навіть якщо час сповільниться). Доказ досить складне, тому можете просто повірити на слово. Подивіться на атомні бомби, які перетворять досить невеликі обсяги матерії в потужні викиди енергії.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм
Деякі речі не такі однозначні, якими здаються. На перший погляд, частки (наприклад, електрон) і хвилі (наприклад, світло) здаються абсолютно різними. Перші - тверді шматки матерії, другі - пучки випромінюваної енергії, або щось типу того. Як яблука та апельсини. Виявляється, речі на зразок світла і електронів не обмежуються лише одним станом - вони можуть бути і частинками, і хвилями одночасно, в залежності від того, хто на них дивиться.
Серйозно. Звучить смішно, але існують конкретні докази того, що світло - це хвиля, і світло - це частинка. Світло - це і те, і інше. Одночасно. Не якийсь посередник між двома станами, а саме і те й інше. Ми повернулися в область квантової механіки, а в квантовій механіці Всесвіт любить саме так, а не інакше.
Всі об'єкти падають з однаковою швидкістю
Багатьом може здатися, що важкі об'єкти падають швидше, ніж легкі - це звучить здраво. Напевно, куля для боулінгу падає швидше, ніж пір'їнка. Це дійсно так, але не з вини гравітації - єдина причина, по якій виходить так, в тому, що земна атмосфера забезпечує опір. Ще 400 років тому Галілей вперше зрозумів, що гравітація працює однаково на всіх об'єктах, незалежно від їх мас. Якби ви повторили експеримент з кулею для боулінгу і пером на Місяці (на якій немає атмосфери), вони впали б одночасно.
квантова піна
Ну все. На цьому пункті можна рушити розумом.
Ви думаєте, що простір саме по собі порожнє. Це припущення досить розумне - на те воно і простір, космос. Але Всесвіт не терпить порожнечі, тому в космосі, в просторі, в порожнечі постійно народжуються і гинуть частки. Вони називаються віртуальними, але насправді вони реальні, і це доведено. Вони існують частки секунди, але це досить довго, щоб зламати деякі фундаментальні закони фізики. Вчені називають це явище "квантової піною", оскільки воно жахливо нагадує газові бульбашки в безалкогольному газованому напої.
Експеримент з подвійною щілиною
Вище ми відзначали, що все може бути і часткою, і хвилею одночасно. Але ось у чому заковика: якщо в руці лежить яблуко, ми точно знаємо, якою вона форми. Це яблуко, а не якась там яблучна хвиля. Що ж визначає стан частинки? Відповідь: ми.
Експеримент з двома щілинами - це просто неймовірно простий і загадковий експеримент. Ось у чому він полягає. Вчені розміщують екран з двома щілинами напроти стіни і вистрілюють пучком світла через щілину, щоб ми могли бачити, де він буде падати на стіну. Оскільки світло - це хвиля, він створить певну дифракційну картину, і ви побачите смужки світла, розсипані по всій стіні. Хоча щілини було дві.
Але частинки повинні реагувати інакше - пролітаючи через дві щілини, вони повинні залишати дві смужки на стіні строго навпроти щілин. І якщо світло - це частинка, чому ж він не демонструє таку поведінку? Відповідь полягає в тому, що світло буде демонструвати таку поведінку - але тільки якщо ми захочемо. Будучи хвилею, світло пролітає через обидві щілини одночасно, але будучи часткою, він буде пролітати тільки через одну. Все, що нам потрібно, щоб перетворити світ в частку - вимірювати кожну частинку світла (фотон), пролітають крізь щілину. Уявіть собі камеру, яка фотографує кожен фотон, що пролітає через щілину. Цей же фотон не може пролітати через іншу щілину, не будучи хвилею. Інтерференційна картина на стіні буде простий: дві смужки світла. Ми фізично міняємо результати події, просто вимірюючи їх, спостерігаючи за ними.
Це називається "ефект спостерігача". І хоча це хороший спосіб закінчити цю статтю, вона навіть поверхнево НЕ копнула в абсолютно неймовірні речі, які знаходять фізики. Є купа варіацій експерименту з подвійною щілиною, ще більш божевільні і цікаві. Можете пошукати їх, тільки якщо не боїтеся, що квантова механіка засмокче вас з головою.
