Просто понятно устройство вселенной

Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно

TOUTE LA PHYSIQUE À PORTÉE DE MAIN

Посвящается моему отцу

Цель этой книги – представить законы природы в их совокупности и с их помощью объяснить бóльшую часть явлений окружающего мира. Мы рассматриваем вопросы от самых наивных (почему мы не проваливаемся сквозь землю) до самых сложных (почему, для того чтобы освещать и согревать нас, Солнцу достаточно водорода), раскрываем суть природных явлений (почему небо и море синие), рассказываем и о творениях самого человечества (к примеру, как создается электричество и как благодаря ему работают транзисторы наших компьютеров).

Изучив эти явления во всех подробностях, мы убедимся, что в их основе – одни и те же фундаментальные причины и один и то же закон может дать ответ на все перечисленные вопросы. Когда мы задумаемся о том, что лежит в основе всех этих явлений, природа, словно по волшебству, внезапно предстанет перед нами единым целым.

Нам хотелось показать вам эти почти невидимые связи, ставшие предметом исследования разных физических дисциплин, границы которых весьма условны: механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики и теории относительности…

Мы сами поставили перед собой, казалось бы, утопическую задачу – выстроить большинство окружающих нас явлений в единую линию, чтобы понятно их описать. К концу книги эта линия будет вычерчена, и в заключении мы подведем итоги нашего пути.

Постоянное обращение к первопричинам явлений требует, чтобы мы использовали прежде всего физические, а не математические термины. Математика необходима физике, чтобы наглядно продемонстрировать результат, но она порой заставляет забыть о реальном мире, который должна описывать. Конечно, всегда можно отложить карандаш и вспомнить о первоначальных физических причинах, из которых вытекает этот самый полученный результат. Однако все возможно объяснить и без математики, хотя этим порой пренебрегают…

Таким образом, основным правилом этой книги будет следующее: объяснять все процессы, происходящие в окружающем мире, вплоть до самых сложных, без использования математики. То есть мы будем придерживаться элементарных математических понятий, которые, как мы полагаем, знакомы читателю: речь идет о простых математических действиях (сложение, умножение, возведение в степень, извлечение корня…). Мы также используем понятие вектора, но только для наглядного изображения в схемах: никаких специальных знаний для этого не потребуется. Таких понятий, как производная, мы будем старательно избегать.

Таким образом, рассуждения в этой книге призваны не просто продемонстрировать, а объяснить «на пальцах» глубинные причины физических явлений. Наша цель – показать, что таким простым способом можно понять действующие механизмы, не прибегая к сложным математическим вычислениям.

Рассуждения о физических процессах в некоторых областях довольно сложны и требуют сосредоточенности. Для того чтобы это не задерживало чтение книги, самые сложные умозаключения мы вынесли в рамки (со значком

Читатель может не обращать внимания на эти вставки, чтобы не терять нить повествования: нужно будет принять некоторые выводы, но это не помешает понять физические процессы, описанные в следующих главах.

Так ли необходимо прочесть все от начала и до конца? Разумеется, эта книга логически структурирована и интереснее будет следовать за нитью Ариадны. Однако если читатель уже обладает какими-то познаниями в физике, он может сразу перейти к главе, которая его интересует.

Кому же в итоге предназначена эта книга? Здесь представлен обзор большинства физических понятий, начиная со школьной программы (электричество, механика) до третьего курса университета (квантовая физика, теория относительности, ядерная физика). В то же время все разделы начинаются с азов, и чтение не требует специальной предварительной подготовки.

Так что эта книга заинтересует и студента, и школьника старших классов, которым захочется закрепить полученные знания с помощью более общего и менее вычислительного взгляда на физику. Но она также пригодится каждому любознательному человеку, желающему понять суть и истоки повседневных явлений природы.

Обнаружить волшебное единство Вселенной за ее внешним разнообразием – ни с чем не сравнимое удовольствие. Мы надеемся, что эта книга сумеет пробудить в читателе стремление одним взглядом охватить ВСЁ…

Пролог: введение в физику

1. К какому виду принадлежит физик?

Целью физики является ни больше ни меньше как определение фундаментальных законов, которые управляют Вселенной и ее развитием: знание прошлого, понимание настоящего, предвидение будущего. Помимо открытия механизмов, действующих в природе, именно физика обеспечила стремительный технический прогресс, который продолжается и сегодня: автомобили и самолеты, телевизоры и холодильники, компьютеры и музыкальные центры, различные промышленные машины, которые шьют одежду и производят бетонные блоки для наших домов…

Физика дает ответ на самые простодушные наши вопросы: что такое материя? Что такое свет? Почему мы, как и свет, не можем проходить сквозь стену, а звук может? Почему все вокруг окрашено в разные цвета, почему небо голубое? Почему Земля круглая и почему она вертится? Что скрывается за словом «магнетизм», что такое электричество и молния?

Сила физики, ее поистине волшебное свойство в том, что ответы на все – абсолютно все! – эти вопросы содержатся в одной-единственной фразе. Эта фраза также описывает все разделы физики, перечисленные выше. Вот как она звучит:

«От мира атомов до целых галактик во Вселенной существует две основополагающие силы – сила гравитации и электромагнитная сила».

Понятно, почему физики-исследователи XXI в. делают основную ставку на объединение этих двух сил: как прекрасно было бы привести все к единой Силе, управляющей Вселенной!

На самом деле существование этих двух сил, которое мы можем лишь констатировать, служит основой того, что мы называем классической физикой. Однако, произнеся фразу о силах Вселенной «от мира атомов до целых галактик…», мы немного схитрили, подразумевая, что это верно для материи любого масштаба. Это неправда!

Если заглянуть внутрь атома, мы обнаружим два новых вида взаимодействия: слабое и сильное. На этом уровне возникает совершенно новая физика, особенности которой на первый взгляд не имеют ничего общего с физикой классической: речь идет о квантовой физике. Законы этого измерения становятся затейливой игрой вероятностей, где даже вопросы «где?» и «когда?» теряют свой смысл.

Означает ли это, что следует различать две разные системы законов – физики квантовой и классической? Нет, потому что квантовая физика охватывает и физику классическую, которая является лишь частным случаем первой. Например, согласно квантовым законам, наше тело не имеет четких пространственных пределов. Но эта размытая граница имеет столь малую протяженность, что ее невозможно увидеть под микроскопом.

Источник

Об устройстве Вселенной – простыми словами. Поймет даже ребенок

О темной материи и энергии, зачем они нужны, и что ждет нашу Вселенную.

Астрономы и ученые всегда размышляли над важными вопросами. Есть ли во Вселенной еще кто-то, кроме нас? Как все связано между собой? Быть может, космос состоит из того, о чем мы еще не знаем? Но в последнее время все чаще всплывают вопросы о темной материи. Мол, что это такое и почему ее так упорно ищут ученые. В чем вообще состоит идея «темного потока» нашей Вселенной?

Предлагаем на секунду представить, что вы – выпускник Межгалактической школы из галактики Андромеда, который вместе с другом поступил во Вселенский университет галактики Млечный Путь. Вероятно, по праздникам и выходным вы захотите навещать своих близких, поэтому вам придется ездить из одной галактики в другую. И когда вы в очередной раз приедете домой в Андромеду, то обнаружите, что путь обошелся вам дороже, чем в прошлый уикенд. А прошлая поездка, в свою очередь, была дороже предшествующей.

В этот момент вы наверняка заподозрили бы что-то неладное. И не зря. На самом деле каждый раз ваша поездка длилась все дольше и дольше, потому что вы путешествовали на большее расстояние. Но как это возможно, если пункты отправления и назначения остались прежними? Ответ кроется в скрытом мире темной материи.

Понимание, как и объяснение темной материи и энергии, может быть сложным. В конце концов даже ведущие ученые мира не совсем уверены, что представляет собой все вышеперечисленное. К тому же доказать их существование они могут лишь по влиянию, которое темная материя и энергия оказывают на Вселенную.

Так как же работает темная материя? И что такое темная энергия? И почему путешествие домой в Андромеду каждый раз занимает все больше времени?

Ниже вы найдете несколько фактов, которые объясняют, что сегодня известно ученым о темной материи и энергии и как, по их мнению, это влияет на нашу Вселенную и будущее всего человечества.

RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

В учебниках не найти достоверной информации о составе Вселенной

В школе нас учили, что Вселенная и все, что в ней находится, состоит из атомов. Нам рассказывали о протонах, нейтронах и электронах, о том, что они являются строительными блоками всей материи, но ученые обнаружили, что на занятиях уделяли внимание далеко не всему, что есть во Вселенной.

Оказывается, того, что состоит не из атомов, в 10 раз больше видимой материи нашей Вселенной. Лишь около 4,6% Вселенной отводится барионной материи, которую и составляют протоны, нейтроны и электроны. Современные ученые считают, что 23,3% космоса составляет темная материя, а темная энергия заполняет оставшиеся 72,1%. Хотя точные значения, естественно, колеблются.

Почти 96% Вселенной состоит из невидимой темной материи и темной энергии

Когда вы смотрите на ночное небо и видите, что на нем мерцают миллиарды звезд лишь в одной нашей галактике, – нетрудно представить, что космос немного переполнен. Особенно если добавить к числу звезд планеты, кометы и все, что «плавает» в космическом пространстве.

А потом вы обнаруживаете, что наш Млечный Путь – всего лишь одна галактика во Вселенной, заполненной миллиардами и миллиардами других галактик. И в каждой из этих галактик есть планеты и звезды, примерно похожие на наши… В этот момент приходит осознание, что Вселенная – действительно большое место.

И когда мы наивно полагаем, что можем видеть все ее составляющие, выясняется, что видимая часть Вселенной – лишь крошечный пазл всей космической картины. Остальные 96% Вселенной заполнены темной материей и темной энергией.

Что такое темная материя?

В «Звездных войнах» темную материю считают Силой, которая держит все предметы вместе. Но в мире науки все намного сложнее и более размыто. Темная материя ведет себя не так, как обычная материя, к которой привыкли ученые. Она не излучает свет, более того – она его не отражает и не поглощает.

Ученые собрали всех космических «подозреваемых», чтобы выяснить, кто из них причастен к образованию темной материи, но пока ни один из них не отвечает всем требованиям. От аксионов до черных дыр – еще ничто не может объяснить влияние темной материи на гравитацию.

Темная материя удерживает все вместе

Поскольку темная материя обладает огромным гравитационным эффектом, она влияет буквально на все во Вселенной. Созданная ей гравитация заставляет все содержимое космоса соединяться и образовывать галактики. Эти галактики, в свою очередь, собираются вместе с другими галактиками, образуя галактические скопления. А после того как они формируются и начинают вращаться, именно темная материя удерживает их, чтобы они не вылетели в открытое космическое пространство.

Представьте, что к веревке прикреплен теннисный мяч и вы вращаете его над головой. Мяч – это галактика, а вы – гравитация. Если бы теннисный мяч был шаром для боулинга, ваша гравитация не помешала бы ему порвать веревку и улететь в космос. Темная материя – это то, что делает эту веревку достаточно прочной, чтобы удерживать предметы на своих местах.

Темная материя + вся остальная материя – это даже не половина Вселенной

Из чего же состоит остальная часть Вселенной? Из темной энергии! Она составляет от 68 до 72% всей Вселенной. И если темная материя работает как космический магнит, обладая гравитационным притяжением, темная энергия действует наоборот – отталкивает предметы друг от друга.

Если нарисовать картину Вселенной большими мазками, то можно сказать, что одна ее половина пытается удержать все вместе, а другая – пытается это раздвинуть.

Что такое темная энергия?

Даже ученые не знают, что такое темная энергия! Она похожа на невидимого злого двойника темной материи, за исключением того, что темная материя создает притягивающую гравитацию, а темная энергия – отталкивающую. Другими словами, антигравитацию. Это значит, что темная энергия отдаляет предметы все дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться. Почти так же, как воздушный шар увеличивается в размерах, когда вы наполняете его воздухом.

Если ученые не видят темную материю, откуда они знают, что она есть?

Это похоже на явление «ходячих деревьев»: мы видим, как деревья самостоятельно перемещаются на некоторое расстояние, и мы точно знаем, что у них нет ног. Но должна быть какая-то причина, объясняющая их медленное передвижение. Так происходит и с темной материей. Используя метод гравитационного линзирования, ученые могут видеть, как искажается свет под влиянием темной материи.

Точно так же, как мы знаем, что гравитационное притяжение внутри черных дыр настолько велико, что выйти из них не под силу даже свету, – ученые знают, что когда темная материя создает достаточную гравитацию, она влияет на поведение сталкивающегося с ней света.

Как проще всего представить устройство нашей Вселенной?

Чтобы получить ясное представление о том, что происходит в нашей Вселенной, достаточно взглянуть на глобус. Представьте, что это наша Вселенная, а части суши – галактики, которые удерживает темная материя. Вода, как и темная энергия во Вселенной, составляет 70% поверхности планеты.

Теперь представьте, что глобус на самом деле становится больше, а галактики остаются прежними. Они просто отдаляются друг от друга по мере расширения Мирового океана. Таким образом, нам будет требоваться все больше и больше времени, чтобы добираться с одного острова или материка на другой – ведь они отдаляются друг от друга. Получается, темная энергия не разрывает наши планеты или галактики на кусочки, а просто обеспечивает постоянное расширение нашей Вселенной.

Для измерения расстояния в космосе нужны нестандартные методы

Здесь, на Земле, любой из нас может взять линейку или рулетку, чтобы определить, как далеко один объект находится от другого. Но как ученые измеряют расстояние от одной планеты до другой? Или, раз уж на то пошло, как далеко находятся друг от друга галактики? Ученые используют свет, который излучают определенные звезды.

Это все равно что выяснить ночью, как далеко друг от друга находятся две машины, измерив яркость фар. Чем ближе они подъедут, тем ярче будет их свет. Именно этот метод Эдвин Хаббл использовал для того, чтобы понять, что звезды, на которые он смотрел, находились за пределами нашей галактики.

Молодой астроном Эдвин Хаббл навсегда изменил представление о Вселенной

6 октября 1923 года Хаббл обнаружил галактики, которые находились далеко за пределами нашего Млечного Пути. У каждой из них были миллиарды звезд и планет, каждая имела собственную Солнечную систему. В тот момент Вселенная в том виде, в каком ее знали люди, вышла за пределы человеческого воображения.

Как и раньше, чем больше ученые узнавали о космосе, тем больше загадок им предстояло разгадать. Темная материя до сих пор остается одной из них. Но с появлением космического телескопа Хаббл ученые смогли подобраться к отгадке ближе, чем когда-либо.

Фриц Цвикки смог открыть невидимое

Фриц Цвикки был астрономом, проводившим исследования движения галактик в скоплении. Он пришел к выводу, что движение в этих галактиках происходит слишком быстро, чтобы оставаться в их гравитационных полях.

Это подобно катанию на карусели, которая вращается с большой скоростью: если бы не было сиденья и специальных ремней, которые удерживали вас на месте, вас бы отбросило в сторону. Цвикки знал, что единственное объяснение состоит в том, что для учета силы тяжести должно быть намного больше материи, хотя он и не мог ее видеть. Так в 1933 году Цвикки открыл и ввел термин «темная материя».

Темная материя может рассказать нам много нового о зарождении жизни на Земле

MARK GARLICK/SCIENCE LIBRARY

Если бы ученые смогли обнаружить и проанализировать темную материю, они смогли бы заглянуть в прошлое, как через окно времени, и увидеть, что происходило через тысячную долю секунды после Большого взрыва. Именно в этот момент Вселенная начала расти. Именно тогда появилось все, что существует сегодня.

Хотя после взрыва должно пройти еще 380 тысяч лет, прежде чем частицы начнут соединяться друг с другом, образуя сгустки вещества, которые в итоге будут втянуты в паутину темной материи и образуют галактики.

Темная энергия может разрушить Вселенную

Люси Ридинг-Икканда / Quanta Magazine

Несмотря на то что темная энергия может разрушить Вселенную, не спешите паниковать. Этого не произойдет как минимум еще триллион лет. А за это время может случиться многое. Ученые даже могут придумать, как создать совершенно новую Вселенную в лабораторных условиях.

Но в то же время может произойти и так, что темная энергия будет продолжать отдалять галактики все дальше друг от друга, пока наш маленький Млечный Путь в полном одиночестве не останется дрейфовать посреди бесконечного моря тьмы, теряя все свое тепло и постепенно замерзая.

Может ли Вселенная самоуничтожиться?

Эдвин Хаббл первым обнаружил, что Вселенная расширяется. Считалось, что внешний импульс в итоге замедлится, остановится, а затем развернется вспять. Это очень похоже на то, как если бы вы подбросили мяч в небо, он достиг определенной точки, где его преодолела бы сила тяжести, и упал вниз.

Представьте, как были удивлены ученые, когда они обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это происходит из-за того, что отталкивающая гравитация темной энергии усиливается, в то время как притягивающая сила притяжения темной материи ослабляется, потому что галактики все больше отдаляются друг от друга.

Однако некоторые ученые полагают, что в какой-то момент быстрое расширение остановится и обратится вспять, сомкнувшись так же быстро, как расширялась Вселенная. Этот сценарий известен как теория Большого сжатия.

По мере расширения наших знаний расширяется и наша Вселенная

В течение очень долгого времени люди действительно верили, что Земля плоская. Моряки боялись, что если они уплывут слишком далеко в океан, то окажутся за пределами края планеты. И хотя Христофору Колумбу ошибочно приписывают доказательство того, что Земля имеет форму шара, именно астрономы выяснили, что наша планета вовсе не плоская и вращается вокруг Солнца, а не наоборот.

Но даже после этого открытия, которое, по меркам того времени, было совершенно удивительным, астрономы не могли и предположить, какие находки ждали их впереди. Чем глубже могли заглядывать люди в космос, тем глубже и обширнее становилась наша Вселенная.

Источник