Краткое описание Вселенной
Краткое руководство по физике и тайнам нашей Вселенной для тех, у кого мало времени.
Понимание физики хорошо по многим причинам. Физика не только информирует нас о нашем доме в Солнечной системе и о Великой Вселенной, но и является основой для того, что все мы используем: технологии. Это то, что стимулировало как промышленную, так и информационную революции, создав современное общество, каким мы его знаем. Технологии позволяют получить доступ к интернету, смотреть ваши любимые шоу, и иметь важную информацию о вашем здоровье, когда вы находитесь в больнице. В будущем технологии позволят нам сделать так много, что большая часть того, что сегодня звучит как научная фантастика, — перемещение объектов силой мысли, не касаясь их, невидимость, вечная молодость, — станет реальностью. Наши потомки в будущем покажутся богами по сравнению с тем, чего мы сами можем достичь сегодня. И всё это, из-за экспоненциального роста технологий, который может произойти в течение ближайших 100 лет.
Здесь краткий фундамент для физики и что она может рассказать нам о нашей Вселенной.
Краткая история физики
Во Вселенной существует четыре основные силы взаимодействия, называемых фундаментальными. В порядке от самого сильного к самому слабому фундаментальному взаимодействию они располагаются так: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и сила тяжести (гравитация).
Гравитация
В возрасте 23 лет Исаак Ньютон уже свободно владел базовыми методами дифференциального и интегрального исчислений. Он также изобрел телескоп-рефлектор, который использовал для наблюдения за кометой. И он дал нам понятие гравитации. Это был первый шаг к разгадке тайн нашей необъятной и загадочной Вселенной.
Напомним, что законы Ньютона заключаются в следующем:
- Движущийся объект будет оставаться в движении, а объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, до тех по, пока на них не действует внешняя сила.
2. Сила = масса * ускорение.
3. Для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.
Эти первые законы физики породили промышленную революцию и, таким образом, наступила современная эпоха. Тем не менее, было несколько других важных игроков.
Электромагнитное взаимодействие
Электрическая революция произошла в значительной степени благодаря человеку, который никогда не имел даже формального образования. Майкл Фарадей продемонстрировал свойства электричества во время своих публичных лекций. Он входил в стальные клетки и электрифицировал их, показывая, что сталь создает барьер для электричества, и что, пока вы сами не коснетесь барьера, вы будете в безопасности от электрических токов. Его закон заключается в том, что напряжение электричества может быть создано из магнитной среды. Движущийся провод в магнитном поле создает электрический ток, толкая электроны.
Если движущийся магнит создает электрическое поле, то верно и обратное. Движущееся электрическое поле приведет к магнитному полю. Они одно и то же. Единая объединяющая сила.
Джеймс Максвелл во время Гражданской войны в США рассчитал скорость волны, которая колебалась между магнитным и электрическим полями. Это волна, в которой магнитные поля создавали электрические, которые в свою очередь создавали магнитные поля, и так бесконечно. Скорость этой волны оказалась равна скорости света. На самом деле, это и был свет сам по себе!
Сильные и слабые ядерные взаимодействия
Оба этих взаимодействия (силы) работают на атомарном уровне, хотя и по совершенно противоположным причинам. Сильные взаимодействия являются одними из самых сильных во всей Вселенной и именно они связывают составляющие частицы ядер — протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие имеет дело с радиоактивным распадом субатомных частиц. Это то, посредством чего произвоится ядерный синтез, благодаря которому «горит» Солнце и другие звезды. Когда элемент распадается из-за воздействия слабого взаимодействия, он превращается в совершенно другой элемент. Атомы углерода с 6-ю протонами и 8-ю нейтронами, распадаются на атомы азота, с 7-ю протонами и 7-ю нейтронами. В этом случае слабое взаимодействие воздействовало на нейтрон и превращало его в протон.
Самая известная Формула Эйнштейна
Вес не постоянен. Чем быстрее вы двигаетесь, тем тяжелее вы становитесь. Масса — это энергия. Это идея самой известной формулы Эйнштейна: E = mc², или энергия = масса*(скорость света в квадрате).
Эта формула, наряду с нашими знаниями о слабом ядерном взаимодействии, помогла нам понять, что происходит внутри Солнца.
Нам посчастливилось, что наше солнце находится в такой момент своей жизни, когда оно невероятно стабильно ( желтый карлик), последовательно превращая водород в гелий. Однако через миллиард лет этого уже не будет. Солнце в этот момент станет достаточно горячим, чтобы вскипятить наши океаны, и через несколько миллиардов лет после этого оно превратится в красного гиганта, настолько огромного, что поглотит нас полностью. Существует шанс, хотя и небольшой, что Земля избежит солнечной жары и выживет за пределами красного карлика Солнца. Но если она выживет, то в конечном итоге выйдет на орбиту около пояса астероидов, который будет вращаться вокруг белого карлика Солнца.
Излишне говорить, что шансы, что человечество просуществует достаточно долго, чтобы увидеть прекрасную смерть нашей звезды, невероятно малы.
Теория струн
Это теория, которая пытается соединить теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. То есть, она пытается быть объяснением от самых маленьких частиц в нашей Вселенной вплоть до больших тел, планет и звезд. Она работает, предполагая, что частицы являются струнами и что вибрация этих струн по-другому преобразует их в другую частицу. Таким образом, Теория струн объединила бы все четыре силы, о которых мы говорили выше.
В то время как уравнения Эйнштейна не работают в центре черной дыры и во время до Большого взрыва, Теория струн предполагает, что мы не только одна Вселенная, но одна Вселенная, которая является частью Мультивселенной. И если это правда, то в будущем мы сможем создать червоточины для других вселенных. Даже создание машин времени станет возможно, хотя это и потребуют огромного количества энергии.
Тайна темной энергии и темной материи
В то время как книги по физике сегодня расскажут вам, что большая часть Вселенной состоит из атомов, это неправда. Большая часть Вселенной состоит из Темной энергии и Темной материи. Темная энергия составляет 68% Вселенной, а Темная материя — 27%, а так называемая «нормальная материя» — атомы и всё, что мы видим вокруг нас — менее 5%.
Мы знаем, что темная энергия и темная материя существуют, потому что мы наблюдаем, как они влияют на нашу Вселенную. Темная материя, например, не взаимодействует ни с какой другой основной силой во Вселенной, кроме гравитации. Она имеет в шесть раз большую силу гравитации, чем обычная материя, и без нее галактики не существовали бы, поскольку гравитации обычной материи недостаточно, чтобы держать звезды вместе в галактических кластерах. Мы знаем, что темная материя существует, потому что свет будет изгибаться вокруг неё.
Темная энергия заставляет Вселенную расширяться гораздо быстрее, чем мы ожидали. На самом деле считалось, что гравитация в конечном итоге замедлит и остановит расширение Вселенной. То, что мы знаем о темной энергии, — это только то, что она существует там, где есть пустое пространство, и что она продолжает становиться сильнее с течением времени.
Нобелевская премия ждет каждого, кто сможет рассказать нам, что такое темная материя и темная энергия, или даже почему мы вообще существуем. Нет, действительно! Ничего из этого не должно существовать. Мы здесь только потому, что существует дисбаланс материи и антиматерии. Что вызвало этот дисбаланс? Никто не знает.
Источник
Четыре силы Вселенной
Вселенная приводится в действие четырьмя фундаментальными силами. Эти четыре силы совершенно непохожи друг на друга. У них разная физика, разные качества, они по-разному взаимодействуют.
Первая сила не даёт нам упасть с Земли в открытый космос
Это гравитационное взаимодействие. Несмотря на то, что человеку сложно преодолеть эту силу, она самая слабая из всех четырёх. Её может преодолеть даже электромагнитная сила. Например, при помощи статического электричества, расчёска может поднять клочки бумаги.
Без гравитации не было бы галактик, звёзд, планет и наших любимых чёрных дыр. Если было бы возможно отключить гравитацию во Вселенной, с Земли улетели бы вода и атмосфера. И мы бы улетели со скоростью сотен километров в секунду. Да и сама Земля развалилась бы на части, которые бы улетели в разные стороны. Впрочем, это произошло бы вообще со всей материей.
Сила гравитации зависит от массы и расстояния объектов друг от друга. Чем больше масса планеты или звезды, тем больше гравитация, тем больше весит тело. Хотите весить в шесть раз меньше? Летите на Луну.
Из-за второй силы у нас есть интернет, электричество, компьютеры
Это электромагнитная сила. Эта сила возникает между частицами, обладающими электрическим зарядом. Она притягивает положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы. Из-за неё отрицательные электроны не улетают от своих положительно заряженных протонов.
Свет – это электромагнитное явление. Сила трения, упругости, сила поверхностного натяжения и многие другие – это всё электромагнитные силы. Электромагнитная сила лежит в основе химических превращений, а также в основе переходов из одного агрегатного состояния в другое.
Из-за третьей силы извергаются вулканы
Это слабое ядерное взаимодействие. Слабой эта сила названа потому, что она слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Но она гораздо сильнее гравитационной силы.
Позволяет ядру атомов распадаться. Слабое взаимодействие обеспечивает один из видов радиоактивности – бета-распад. В результате бета-распада нейтрон превращается в протон, электрон или электронное антинейтрино.
Радиоактивные ядерные приборы в больницах работают из-за слабого ядерного взаимодействия. Из-за него разогревается ядро Земли, что приводит к извержениям вулканов.
Из-за слабого взаимодействия в звёздах протекают термоядерные реакции: происходит выгорание водорода, четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона, образуя таким образом ядро гелия.
Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядро атома
Положительно и отрицательно заряженные частицы притягиваются из-за электромагнитной силы, а одноимённо заряженные частицы наоборот из-за него отталкиваются. Но что делать, если ядро состоит из положительно заряженных частиц, как их собрать вместе?
На помощь приходит самая сильная сила — сильное ядерное взаимодействие. Эта сила притягивает положительно заряженные протоны друг другу, формируя ядра атомов.
Кроме того, сильное ядерное взаимодействие не позволяет протонам и нейтронам, составляющим ядра атомов, развалиться на составляющие.
Источник
Фундаментальные силы физики
Фундаментальные силы (или фундаментальные взаимодействия) физики – это способы взаимодействия отдельных элементарных частиц друг с другом. Для каждого отдельного взаимодействия, наблюдаемого во Вселенной, можно выделить четыре типа взаимодействий:
- Гравитационное
- Электромагнитное
- Слабое взаимодействие
- Сильное взаимодействие
Из фундаментальных сил гравитация имеет самую дальнюю досягаемость, но она является самой слабой из сил. По сути, это сила, которая даже через пустоту миллионов километров пространства притягивает две массы друг к другу. Она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца, а Луну на орбите вокруг Земли. Гравитация описывается в общей теории относительности, которая определяет ее как кривизну пространства-времени вокруг объекта массы.
Электромагнетизм – это взаимодействие частиц с электрическим зарядом. Заряженные частицы в состоянии покоя взаимодействуют посредством электростатических сил, а в движении они взаимодействуют посредством как электрических, так и магнитных сил.
Долгое время электрические и магнитные силы считались различными силами, но в конце концов были объединены Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году по его уравнениям. В 1940-х годах квантовая электродинамика объединила электромагнетизм с квантовой физикой.
Электромагнетизм, пожалуй, самая распространенная сила в нашем мире, поскольку она может влиять на вещи на разумном расстоянии и с изрядной силой.
Слабое взаимодействие – очень мощная сила, действующая в масштабах атомного ядра, вызывающая такие явления, как радиоактивный распад. Она была объединена с электромагнетизмом как единое взаимодействие, называемое “электрослабым”.
Слабое взаимодействие происходит только при очень малых, субатомных расстояниях, меньше диаметра протона.
Важными примерами явлений, связанных со слабым взаимодействием, можно назвать бета-распад (тип радиоактивного распада, при котором электрон, позитрон и нейтрино испускаются из атомного ядра) и синтез гелия из водорода, который приводит в действие термоядерный процесс Солнца. Кроме того, распад фермионов делает возможным радиоуглеродное датирование.
Самая мощная из сил – которая, помимо прочего, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) связанными вместе. Например, в атоме гелия она удерживает вместе два протона, несмотря на то, что их положительные электрические заряды заставляют их отталкивать друг друга.
По сути, сильное взаимодействие позволяет частицам, называемым глюонами (элементарные безмассовые частицы, переносчики сильного взаимодействия), связывать кварки, создавая в первую очередь нуклоны. Глюоны также могут взаимодействовать с другими глюонами, что дает сильному взаимодействию теоретически бесконечное расстояние, хотя все его основные проявления находятся на субатомном уровне.
Объединение фундаментальных сил
Многие физики полагают, что все четыре фундаментальные силы, по сути, являются проявлениями единой базовой (или объединенной) силы, которая пока не обнаружена. Подобно тому, как электричество, магнетизм и слабая сила были объединены в электрослабое взаимодействие, ученые работают, чтобы объединить все фундаментальные силы вместе.
Современная квантово-механическая интерпретация этих сил заключается в том, что частицы не взаимодействуют напрямую, а скорее проявляются виртуальными частицами, которые опосредуют реальные взаимодействия. Все силы, кроме силы тяжести, были объединены в эту “Стандартную модель” взаимодействия.
Объединение гравитации с тремя другими фундаментальными силами называется квантовой гравитацией. Это предполагает существование виртуальной частицы, называемой гравитоном, которая была бы опосредующим элементом в гравитационных взаимодействиях. Поскольку до настоящего времени гравитоны обнаружены не были, то и теория квантовой гравитации не стала универсальной.
Источник