Бесплатный фрагмент - Законы Вселенной: от атома до галактик

Вместо рецензии

Мы живём в те времена, когда после долгого периода угасания популярная наука снова становится востребованной. Различные фестивали, тематические сайты и издания находят свою аудиторию, и это прекрасно.

Надеюсь, что и эта книга вызовет у читателя интерес и заставит его задуматься о сложности этого мира и красоте современного естествознания. По крайней мере, именно такие впечатления остались у меня после знакомства с рукописью. Сергей Чумаков, конечно, не входит в топ авторов научно-популярных книг, но в современном мире понятие популярности и элитарности уже не имеет большого значения.

Важно то, что перед вами сборник статей практикующего преподавателя, члена Академии Естествознания, который не только знает, что говорит, но и умеет увлекательно и просто донести до читателя стройные и разнообразные теории из физики и астрономии. Впрочем, вы сами можете оценить стиль и глубину мысли, которая позволила в коротких заметках охватить множество тем, от мира атомов до скопления Вселенных.

Рад, что автор не останавливается на достигнутом, и «Законы Вселенной: от атома до галактик» уже не первая книга Сергея Александровича. Так же хочу пожелать читателям приятного ознакомления и новых открытий, а автору — вдохновения и новых идей.

Доцент, профессор РАЕ, В.В.Озеров

Предисловие автора

Дорогие читатели! Я очень благодарен вам за то, что вы держите в руках эту книгу. Несмотря на то, что быть оптимистом и верить в человечество ныне не вполне модно, я всё же не устаю рассказывать о том, как устроен мир, в надежде, что понимание приведёт к изменению. Чем больше мы знаем о происходящем, чем глубже мы постигаем тайны природы, тем легче осознаём своё место в мире и понимаем, что познанию нет предела. А там, где понимание — там и попытки создать нечто лучшее, там гордость за свой разум, который бросает вызов тайнам и загадкам.

Знание — освобождает.

Преподаватель физики, советник Академии Естествознания, Сергей Чумаков

Часть первая. Физика

Знакомство с антивеществом

По мнению фантастов, антивещество — самый захватывающий и загадочный объект, с которым сталкивались физики. Подумать только, обычные частицы, но имеющие совершенно невообразимые свойства. Так ли они удивительны и как их можно использовать?

Начнём с того, что тела состоят из молекул и атомов. Атомы, хоть и называются греческим словом «неделимый», не являются чем-то монолитным. Если набрать достаточно энергии и воздействовать на атом, то выяснится, что его окружают мелкие электроны, а в ядре множество других частиц. Сразу хочу сказать, что понятия размера и формы в микромире применять надо очень осторожно, потому что перед нами квантовые масштабы, где всё совершенно непохоже на привычные вещи.

Итак, возьмём электрон, который находится на некотором расстоянии от атомного ядра. У него есть масса, электрический заряд и ещё несколько характеристик. Если мы найдём античастицу, антиэлектрон (а он уже давно получен и описан, даже есть название — позитрон), то с первого взгляда не определим, в чём отличие.

Основная разница только в знаке заряда: электрон отрицателен, а позитрон положителен. И при встрече частицы и античастицы происходит невообразимое — обоюдное уничтожение с выделением очень большого количества энергии, так называемая аннигиляция. Например, во время аннигиляции электрона и его двойника выделяются радиоактивные лучи и очень много осколков, которые почти не имеют массы, но быстро двигаются. И именно данное свойство является определяющим, когда мы обнаруживаем любое антивещество («зеркальные» собратья есть не только у электрона, но и у множества иных, обычных элементарных частиц).

Кстати, если нам удастся получить несколько сотен грамм антивещества и сделать из него телефон, то на него точно так же можно будет позвонить, вот только подносить к уху явно не следует. Да и держать его надо будет где-то в абсолютном вакууме. Если создать кирпич из антиматерии и столкнуть его с «нормальной» версией себя, то сила взрыва составит десятки миллионов тонн в тротиловом эквиваленте, многие ядерные взрывы окажутся ерундой на фоне случившегося.

Антивещество самое дорогое — на получение одной миллионной доли грамма затрачивается около 25 миллионов долларов

Как правильно валяться на диване

Наверное, очень приятно после работы рухнуть на диван с книжкой или смартфоном, чтобы хорошо и долго отдохнуть. В этом случае вы не просто проводите время в заслуженном безделье, но и находитесь в одном важнейшем состоянии природы, которое тоже изучает физика. Я говорю о равновесии.

Равновесие применимо к любому количеству объектов (будем называть их системой, если они как-то связаны), от звёзд в галактиках до чая и сахара в одном стакане. Невероятно, но системы стремятся к равновесию вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Так, человек и диван из примера выше, тоже находятся в равновесии: тело продавливает мягкую поверхность обивки, за счёт деформации диван и человек сохраняют своё состояние.

Выделяют несколько видов «равновесий», каждое из которых встречаются в природе достаточно часто. Первое — это устойчивое равновесие, как в случае с диваном и человеком. Какие бы внешние воздействия ни стремились изменить эту систему, она всё равно будет оставаться в похожем состоянии (диван не опрокинется, если к отдыхающему присоединится котик). Хорошей иллюстрацией будет раковина и яблоко: когда вы моете яблоко, то как ни старайся, оно всё равно будет сдвигаться ближе к центру.

Бывает равновесие неустойчивое. Я бы ещё назвал его слабым. Стоит немного вмешаться в систему с неустойчивым равновесием, как всё поменяется и в лучшем случае, развалится. Если вы строили карточные домики, то понимаете, о чём речь. Атмосферные процессы, между прочим, тоже находятся в подобном состоянии: если, например, в одну из зим какое-то полушарие получит больше снега, чем обычно, то потребуется больше времени на его таяние. А это повлечёт за собой большой расход тепловой энергии и как следствие, следующие сезоны станут холоднее.

Наконец, последний вид равновесия — безразличное. Его можно охарактеризовать как переходное между двумя уже известными вам, видами. В таком состоянии любые действия приводят только к одному — тело или система всегда возвращаются в состояние равновесия, потому что в равновесии находятся все её точки. Примером является мячик, который катится по полу. Как бы он ни катился, он всё равно останется на поверхности, а не утонет в ней, как в болоте.

Цветной мир

Все мы знаем, что цвета разных предметов или объектов так или иначе связаны с падающим на них светом. Осенний закат способен придать окружающему миру красноватые тона, хотя в полдень мы наблюдали вполне обычную картину.

Вплоть до 1670 года ни учёные, ни обычные люди не могли понять, отчего все тела имеют окраску. Высказывались разные предположения, вплоть до того, что цвет есть некая неизменная характеристика, и помидор даже в темноте будет красным.

Однако благодаря Ньютону было открыто одно из важных свойств света: он состоит их разных потоков энергии, то есть волн (хотя они же способны вести себя и как частицы). Эти волны не тождественны: некоторые замедляются сильнее остальных, попадая в вещество, а некоторые и вовсе отражаются. И вот как раз от того, какие именно элементы луча света смогут пройти через объект, а какие отразятся, и будет зависеть цвет, воспринимаемый нами.

Забегая вперёд — зелёные листья растений содержат вещество, хлорофилл, который активно участвует в фотосинтезе и тем самым является залогом выживания растительного мира. Но всегда ли он зелёный? Ответ будет скоро.

Каждое вещество в мире имеет три основных показателя, влияющих на цвет: это коэффициент отражения r, коэффициент пропускания t и поглощения а. И если, например, тело хорошо пропускает красный (значение t высоко), а отражает лучше всего зелёный (большое значение r), то… На просвет зелёное тело будет казаться красным. Да, так ведёт себя хлорофилл, если его растворить в спирте.

Кстати, из этого же следует очень интересная особенность. Можно ли создать фонарик, который будет светить синими лучами? Да легко, найдя соответствующий материал, через который будем пропускать лучи. Но почему нельзя создать чёрный? Направил его на человека — и всё, он уже ничего не видит и готов сдаваться.

Дело в том, что чёрный цвет присущ телам, которые имеют большой коэффициент поглощения, и малые — отражения и пропускания. Они попросту «забирают» себе энергию большинства составляющих светового потока и тем самым как бы гасят его. Так что чёрный фонарик смело можно записывать в раздел «городских легенд». Зато теперь понятно, почему в солнечную погоду ходить в чёрной одежде немного тяжеловато.

Почему небо… чёрное?

Вопрос, почему дневное небо голубое, волнует не только детей. Вплоть до прошлого века существовала схожая проблема, но связанная с другим временем суток. Поиск её решения занял не один год: почему ночью небо чёрное?

Казалось бы, странный вопрос. Ночью Солнце находится в другой стороне от нас, в новолуние светят только звёзды, которые далеко. Но это слабое объяснение. Если вообразить Вселенную как существующий вечно, не расширяющийся объект, то напрашивается вывод: куда бы мы ни посмотрели, на линии взгляда всегда окажется звезда! Из нашей Галактики или из соседней, нет разницы, потому что пространство бесконечно и значит, в нём бесконечное множество светил. Которые, между прочим, могут обладать умопомрачительной яркостью и температурой.

Простые вычисления показывают, что в подобной ситуации на небе в тёмное время суток было бы не просто видно бескрайнюю россыпь светлых точек. Небо могло стать очень ярким, будто на каждом его участке зажглась копия привычного нам полуденного Солнца.

Но этого не происходит. Самое простое объяснение: нас загораживают от остальной части Вселенной протяжённые облака пыли. Такие облака существуют, тянутся на множество световых лет, скрывая целые куски звёздных скоплений. Но и здесь решения искать нельзя: если бы облака поглощали весь свет, они бы сами нагрелись и стали излучать, только внося свою лепту в яркость ночного неба.

Оказалось, что решение кроется в самом понимании существования Вселенной: она имеет конечный возраст, а свет распространяется с конечной скоростью. Мы видим только тот участок… всего, что образовался 15 миллиардов лет назад, от остальных секторов бесконечности свет просто не дошёл до нас, и вряд ли скоро дойдёт. К тому же, стоит знать об особенностях жизни звезд: некоторые в видимой нам части уже отжили своё и прекратили светиться, а некоторые просто ещё не зажглись. Зная примерное расстояние между галактиками, нетрудно посчитать, что в зависимости от направления нашего взгляда на некоторых участках просто нельзя увидеть звезды — их там нет на протяжении всего наблюдаемого пространства.

Как видите, многие вопросы кажутся наивными только на первый взгляд и помогают лучше понять мироздание.

Преодолеваем скорость света (на самом деле, нет)

Наше воображение порой подсказывает такие вопросы и эксперименты, что приходится долго искать объяснение получившимся выводам. Вот например, давайте себе представим такую ситуацию: у нас имеется некий длинный шест, очень длинный, который мы протягиваем от Земли до ближайшей звезды. Расстояние, напомню, там очень большое, и даже свет проходит его почти за 4 года. Не буду писать точное число, а лишь попрошу читателей прикинуть и подумать, сколько это в километрах, если только за секунду свет пробегает 299 792 458 метров.

Затем мы берём за один конец этого шеста и решительно поворачиваем на 45 градусов. В результате, как нам кажется, противоположный конец шеста за какую-то секунду прошёл по дуге расстояние, которое свет преодолевает годами. Ура, скорость света не предел, пора оформлять заявку на Нобелевскую премию!

Но не спешите радоваться. Давайте посмотрим на этот процесс вот с какой стороны.

В природе есть явление, называемое деформацией — это изменение формы тела, изменение положения его молекул под действием одной или нескольких сил. За примером ходить далеко не надо, когда вы усаживаетесь на диван, то ваш вес является причиной деформации поверхности. И, что самое важное, движения!

Когда шест начинает поворачиваться, то волна деформаций позволяет ему продолжить движение. От нашей руки «распространяется» усилие, которое сдвигает всё новые и новые слои молекул, при этом один из них, условно говоря, подцепляет другой.

Но скорость прохождения волны деформаций по любому твёрдому материалу никогда не превосходит скорости звука! Так уж устроены молекулы и атомы, такова природа связи внутри тела.

Со стороны наш эксперимент с межзвёздной палочкой будет выглядеть следующим образом: вы уже сделали поворот, но шест изогнулся и бОльшая его часть по прежнему прямая. Понадобиться очень много времени, чтобы деформации прошли по всей поверхности и в результате передвинули конец, надёжно оставленный у ближайшей звезды. Причём, это событие произойдёт не через 4 года, а позже. Всё потому что скорость звука в материале, а значит и «распространение» усилия примерно в 299 792 раза медленнее света. Это весьма грубая оценка, но, надеюсь, понятная.

Законы Вселенной не обойти…

Кротовые норы бесполезны…

Расстояние в пространстве — важнейшее свойство нашей Вселенной, с которым мы вынуждены мириться. Мы любим (или не любим) долгие прогулки, планируем свои поездки, исходя из времени, которое потратим на дорогу. Но чем больше километров от нас до исходного пункта, тем труднее его достигнуть. На Земле выручает транспорт, а вот полёт к другим мирам даже на космическом корабле пока что представляется несколько затянутым. Потребуются годы, если мы когда-нибудь сможем разгонять звездолёты до скорости, сравнимой со скоростью света.

Однако, ряд учёных и фантастов вовсю используют гипотезу о так называемых «кротовых норах». Суть её проста: пространство подразумевается как некая плоскость (что близко к истине) существующая во времени, значит можно просто взять и как-то продырявить эту плоскость, чтобы выскочить в другой части Вселенной. Представьте, что всё существующее помещается на листке бумаги, с обеих сторон. Конечно, можно попасть из одной точки в другую, проходя по листу, а можно пробить его насквозь и досрочно завершить путешествие. Этот тоннель, дырка, щель и называется «кротовой норой».

То, что пространство может искривляться, науке давно известно, да и само притяжение есть следствие этого феномена. А теория относительности показывает, что кротовые норы в принципе не противоречат известным особенностям Вселенной, вот только найти их пока не удалось. Более того, появляются сомнения в возможности путешествия с их помощью из одной области Вселенной в другую.

Всякая кротовая нора есть результат небывалого искажения пространства. Чёрная дыра так брутально не вгрызается в ткань Вселенной, как это делает гипотетический проход! Естественно, чтобы использовать нору, необходима некая стабильность всего образования, то есть стенки (если вообще у феномена есть стены…) прохода не должны вдруг взять и схлопнуться, превратив путешественников в блин. Бразильские и российские физики утверждают: кротовая нора не способна сохранять своё состояние и неизбежно выходит из равновесия, стремительно распадаясь при соприкосновении с окружающим пространством.

Напрашивается вывод: межзвёздные расстояния нам так никогда и не победить и у всего есть предел. Может, и к лучшему?

Когда даже свет обламывается

Среди законов физики есть утверждение, что скорость света — предельная величина, которую можно достигнуть, ускоряя тело. Перемещается так быстро, разумеется, только излучение, но следует внести небольшую оговорку. Дело в том, что эта величина несколько различается в зависимости от того, в какой среде движутся лучи. В большинстве случаев, говоря о скорости света, подразумевают распространение в вакууме. Чем меньше молекул, тем меньше вероятности столкновения с ними, а от столкновения зависит, какую долю энергии будет терять световой поток. Уменьшая собственную энергию, свет замедляется — не в десятки раз, даже не в разы, но именно из-за этого возникает ряд чрезвычайно интересных явлений.

Вы наверняка замечали, что в стакане с водой ложка выглядит надломленной, а свет, проходя через стекло, частично искажается и мы наблюдаем иную картину, чем без преграды (пусть даже прозрачной). В обоих случаях проявляет себя преломление. Между прочим, наши глаза тоже изменяют направление света, который в них попадает! Всему виной замедление лучей, когда они «ныряют» из одного вещества в другое, с совершенно иной плотностью. Плотность влияет на расположение молекул — например, при сравнении стекла и воздуха, вы без труда определите, что молекулы первого вещества «упакованы» гораздо плотнее и свет тратит много энергии при столкновении с ними. Показать это можно на простом примере — предположим, вы путешествуете пешком и на вашем пути встречаются удобные участки (поля) и совсем уж тяжёлые (болота). По полю можно идти со скоростью пять и более километров в час, а вот по болоту вряд ли. Естественно, скорость любого путешественника, зашедшего в болото, значительно замедляется и он не идёт напролом, а стремится выбрать путь, который скорее выведет его из болота. Надо думать, к участку, где ступать удобнее, а скорость путешествия возрастёт. Иными словами, в подобной ситуации вы поступите, словно луч света, попавший в стекло — замедлитесь и смените траекторию.

Заметьте, что при выходе из болота вы вновь можете вернуться на выбранный ранее маршрут. То же справедливо для света — при выходе из плотной среды он снова преломляется. Эти принципы впервые были описаны ещё в XVII веке В. Снелиусом.

Фарш невозможно прокрутить назад

В физике есть интересный парадокс, который очень легко разрешается, если знать как. Вот предположим, вы уронили свой смартфон на пол и — о ужас — экран треснул, и вы, конечно же, отправились в сервис или решили смириться (если аппарат не сильно пострадал). Но если бы вы просто остались у места падения ждать, что обычное стекло вдруг само собой, без постороннего вмешательства, соберётся в единое целое, то вас ждало бы разочарование.

Существуют некоторые процессы, которые называют необратимыми. К ним относится повреждение стекла или любого другого твёрдого вещества. Да даже яйцо, разбитое для приготовления яичницы, не способно взять и пройти весь процесс в обратном направлении.

Однако же представьте себе процесс добавления молока в кофе. Сначала в вашем стакане абсолютно чистый, тёмный напиток. И вот вы добавляете молоко и наблюдаете за смешиванием. Предположим, есть камера, способная заснять поведение молекул в стакане. Полученное видео вы решили просмотреть в прямом порядке, наблюдая процесс от добавления до смешивания, и наоборот.

В первом и во втором случае на экране молекулы будут хаотично перемещаться, и по их поведению смешивание и разделение полученного кофе с молоком ничем не будут отличаться! Молекулы, вернее, процессы, с ними связанные, очень даже обратимы. Но почему большие тела не могут взять и собраться из осколков? Кофе с молоком ведь никогда не разделяются, будучи перемешанными!

Вернёмя снова к нашим ингридиентам. Нальём их в стакан и возьмём, скажем, 20 молекул из получившейся жидкости. Затем помещаем их в резервуар со специальной стенкой. Она опускается, когда слева остаются только молекулы кофе, а справа — только молока. Через год, может — век, сработает детектор, стенка опустится и мы увидим, что из кофе с молоком действительно выделились две составляющие. То есть, процесс стал обратимым! Но представьте, сколько времени потребуется, чтобы не 20, а все миллиарды миллиардов миллиардов молекул в стакане взяли и случайным образом, разошлись на два абсолютно чистых слоя? Стекло не склеивается само по себе, потому что случайное движение «обратимых» молекул просто не способно «обратить» любые процессы в нашем, большом мире. Всё оказалось очень просто.

Ничего определённого

Ещё в начале прошлого века среди учёных была популярна концепция детерминизма. Вкратце — всё, всегда и везде можно вычислить с некоторой точностью. Положение звёзд, планет, галактик, молекул в объекте… Казалось бы, весьма спокойная картина, которая даёт уверенность в любые дни. Вселенная объяснима и предсказуема.

Но по прошествии времени выяснилось: это убеждение всего лишь иллюзия. Проверьте сами — предположим, вы едете в поезде и подбрасываете мячик вверх. Так или иначе можно вычислить, куда он потом шмякнется, за какое время и даже с каким ускорением. Но человек, который наблюдает за процессом подкидывания с платформы, тоже подсчитает, и вот мы получим два правильных, но разных ответа! Поезд-то движется, и место приземления мячика в вагоне будет разным для пассажира и для наблюдателя, а значит и остальные характеристики будут изменяться.

Идём дальше. Теперь представим, что мы измеряем положение частицы (например, электрона, который движется по проводам и вместе со своими собратьями создаёт ток). Чтобы отыскать частицу, надо направить на неё луч света. Но световое излучение имеет одно крайне важное свойство, свойство рассеивания — вспомните, насколько может «пробить» фонарь темноту в ночном поле. Благодаря отражению света, мы сможем засечь частицу, но с очень малой точностью — свет сам по себе представляет собой поток, и его отражение — всего лишь разброс луча в пространстве. Снова про фонарик в поле — попробуйте светить даже сверхмощным, но на расстоянии несколько километров. Вы увидите лишь бледные очертания поверхности.

А ещё сам свет способен сообщить энергию. Кто обгорал на пляже или в огороде, спорить не будет. И вот эта энергия, передаваемая частице, изменяет её скорость!

Просто ужас получается — мы не можем точно описать положение, а когда измеряем, ещё и сбиваем скорость частицы.

Ничего определённого в мире нет, к сожалению. Элементы, из которых состоит Вселенная, и мы с вами, все эти мельчайшие частицы нельзя принципиально точно измерить. Как бы мы ни старались, мы найдём или положение в пространстве, или скорость, но ни как не всё в месте. Этот феномен называется принципом неопределённости. И лежит в основе всего современного понимания мира. Однако удивляет не это. Кажется совсем чудесным, что куча неопределённых объектов формирует вполне настоящий и довольно интересный макромир, мир крупных объектов.

Маркиза физики

В истории науки часто бывает, что люди, высказывающие и даже публикующие поистине гениальные идеи, остаются неизвестными. Это, конечно, не следствие заговора, а веяние времени (если учёный — женщина) или результат того, что открытия одновременно совершаются разными людьми в разных странах.

Одна из таких неизвестных широкой публике учёных — маркиза Эмили дю Шатле, чьи работы в XVIII веке помогли становлению современной физики и механики.

Маркизе повезло: она родилась в богатой и образованной семье, где не считали, что основная роль женщин — только обслуга и развлечения. Её отец, Луи Николя Ле Тоннель, очень активно интересовался наукой, частыми гостями в его доме были поэты, драматурги и изобретатели. Именно поэтому, обнаружив у своей дочки интересы к математике и чтению, он постарался дать ей наилучшее классическое образование.

Позже, выйдя замуж и став матерью троих детей, Эмили дю Шатле знакомится с астрономами и математиками, сближается со знаменитым Вольтером.

В 1745 году Эмили начала перевод научных публикаций Исаака Ньютона. Продвигаясь по страницам его сочинений, она не только блестяще перевела тексты с латыни на французский, но и оставила множество комментариев, чтобы облегчить читателю знакомство с физическими теориями. Более того, она предложила ввести ряд новых терминов, которые бы уточнили и упростили описания Ньютона. Жаль, но при жизни подобная инициатива дю Шатле осталась без внимания. Лишь спустя годы после её кончины научное сообщество признало правоту этой талантливой женщины и единогласно ввело в обращение термины «кинетическая энергия» и «импульс».

В 1737 году Эмили издаёт работу «Сочинение об огне», где высказывает идеи, очень похожие на современную концепцию инфракрасного излучения. «Сочинение об огне» было высоко оценено Французской Академией, которая выделила деньги на публикацию.

Примечательно, что дю Шатле за свои заслуги стала членом Болонской Академии наук, а вот Парижская даже не рассматривала кандидатуру дамы: в те времена научное сообщество всячески сопротивлялось принятию женщин в свои ряды.

Перевод сочинений Ньютона на французский с комментариями Эмили до сих пор является единственным за всю историю этой страны.

Разоблачаем колдунов

Очень много лет назад попался мне один интересный сюжет по ТВ. Это были те времена, когда о сверхъестественном и паранормальном больше печатали в газетах и объявлениях, а не вещали нон-стоп с телеэкрана. Герой сюжета всячески нахваливал свои мистические способности и на глазах репортёров заморозил воду на лету. Просто взял бутылку с водой, которая стояла на зимнем воздухе какое-то время, встряхнул — и вот она уже стала льдом!

Чтобы разоблачить это интересное, но обыденное явление, надо немного углубиться в мир физики.

Когда мы говорим, что вода (равно как и любая иная жидкость), замерзает, то лучше всего назвать подобное явление кристаллизацией. Охлаждаясь до определённого уровня, частицы воды постепенно перестают носиться беспорядочно во все стороны и скапливаются в группы. Эти группы обладают удивительным внутренним строением, упорядоченным и повторяющимся. Это те самые кристаллы в снежинках, ледяном покрове и инее.

Но процесс замерзания не так прост: чтобы расти, кристаллу нужно к чему-то прицепиться. Точки, вокруг которых создаются кристаллы, могут иметь разную природу — затормозившая молекула воды, песчинка, крупинка соли и т. п. Такие объекты называют центрами кристаллизации.

Если вы возьмёте чистую воду, в которой почти нет посторонних примесей, и начнёте её охлаждать до отрицательных температур, то одно из условий замерзания будет выполнено. Молекулы потеряют часть энергии, скорости и… И всё, пока им не за что зацепиться, процесс продолжится. Кристаллы, несмотря на подходящую ситуацию, не станут расти! Но стоит вам взять стакан с такой жидкостью в руки и встряхнуть, как начнётся быстрое замораживание: молекулы и атомы придут в движение, сами становясь центрами кристаллизации, наскакивая и прилипая друг к другу.

Таким вот образом и поступил герой старого сюжета, о котором я написал выше. Использовал не свои способности, а способности воды.

Состояние, при котором жидкость остывает ниже температуры кристаллизации, не образуя твёрдого тела, называют неустойчивым или метастабильным. Обычная вода, лишённая примесей, способна оставаться жидкой при -40, это уже было неоднократно проверено в экспериментах и лабораторных условиях.

Невесомость заказывали?

Невесомость настолько прочно ассоциируется в нашем сознании с космосом, что её самые очевидные «земные» проявления мы просто не замечаем. Виной тому не только постоянный интерес к космическим полётам, но и обманчивое ощущение, когда человек считает массу и вес если не синонимами, то почти равными проявлениями одного и того же свойства.

Вес возникает в результате очень интересного совпадения двух условий — на тело с некоторой массой должна действовать гравитация, при этом тело должно взаимодействовать с опорой или подвесом. Когда вы берёте в руки кирпич, то ощущаете, что он тяжёлый, ровно из-за того, что объект давит вам на руку. Вы можете взять пенопласт и вырезать из него такой же по объёму кусок — и он всё равно будет давить на вашу руку, пусть и не так сильно. А вот если окрасить два наших кирпича в одинаковый цвет и положить где-то рядом и оценивать только со стороны, не прикасаясь, вы не сможете сказать, где лёгкий, а где тяжёлый. Вес — это всегда взаимодействие.

Но что изменится, если вы и кирпич будете лететь с одним и тем же ускорением? Ничего, кроме веса. Так и происходит в космосе: когда на тела действует только гравитация, вес исчезает — любые два предмета на орбите будут двигаться с одинаковым ускорением и просто не смогут «почувствовать» друг друга. Вообще говоря, равное ускорение — целиком и полностью следствие гравитационного взаимодействия с планетой, ведь независимо от массы, все тела падают на неё одинаково (вы вряд ли видели такое на поверхности, потому что здесь атмосфера вмешивается в процесс, заставляя тела с большой площадью притормаживать)!

Чтобы проиллюстрировать пример, положите яблоко на ладонь и опускайте руку. В один из моментов вы почувствуете (почти на мгновение), что яблоко перестало давить на вас — в это время ладонь и фрукт неслись в пространстве с одинаковым ускорением.

Более того, на Земле научились получать невесомость в более сложных ситуациях. Если самолёт летит по определённой траектории («парабола Кеплера»), то есть словно бы забирается в горку, на верху этой горки невесомость наступает на 25 или 30 секунд. Таким приёмом пользуются для проведения исследований на планете, когда требуется избавиться от веса.

У Вселенной всё ровно

Симметрия — очень интересное и даже красивое свойство нашего мира. Посмотрите вокруг, сколько симметричных предметов нас окружает. Начнём с того, что мы сами живём на поверхности симметричной планеты, да и львиная доля объектов Солнечной системы есть сферы, то есть почти симметричные фигуры (всё же из-за вращения планеты и наше центральное светило слегка сплюснуты, но мы не замечаем этого благодаря значительным размерам тел). Очевидно, дать определение симметрии очень легко: это такое состояние тела, при котором с ним можно совершить некие действия, а оно всё равно сохранит свои основные черты.

Но симметричными бывают и законы природы, они же — законы физики. Пусть, например, мы соорудили какое-то устройство, способное мигать лампочкой, и включили его, поставив в центр стола. Устройство заработало. Затем мы поставили его в угол комнаты и снова включили — все процессы в нём прошли одинаково, и лампочка снова сработала. Таким образом иллюстрируется принцип симметрии законов природы относительно пространства. В теоретической физике это называется более строго, но допустимо и такое словосочетание.

А ещё мы можем проделать следующий опыт — включить устройство в полдень, а потом в полночь, проследив, чтобы за время простоя у него не сел аккумулятор. Вы удивитесь, но независимо от времени включения, оно выполнит свою функцию точно так же! Это значит, что мы сталкиваемся с симметрией во времени.

Нам мало двух видов симметрии и мы грузим наше устройство на борт самолёта, который набирает определённую скорость и движется теперь равномерно. Для вас не будет новостью, ибо вы уже догадались — включив прибор, вы увидите всё то же мигание даже в несущемся по воздуху авиалайнере. Главное, чтобы его скорость не менялась! Этот пример достаточно просто описывает так называемые преобразования Лоренца.

Что они значат? Фактически, это ряд специальных математических преобразований, которые совершаются над формулами физических законов, когда явления происходят то в одной системе, то в другой. То есть, чтобы получить формулу для описания нашего устройства в самолёте, летящем в небе, надо взять такую же для случая покоящегося и немного изменить по определённым правилам.

Это красиво.

Когда в учебниках недоговаривают

Если я не ошибаюсь, то большинство читателей, вспоминая курс геометрической оптики, готовы сразу же выпалить простой и в то же время универсальный закон: угол падения равен углу отражения! Не буду приводить формулу, которая лучше слов иллюстрирует эту фразу, а вот дополнить закон отражения всё же стоит.

На самом деле, почему свет отражается именно так, а не иначе, определяет интересный физический принцип, принцип Ферма. Он назван в честь учёного, первым разгадавшего природу поведение световых лучей. Звучит принцип следующим образом: из всех путей, по которым пойдёт свет, он всегда выберет тот, на преодоление которого потратит меньше времени. Во Вселенной всё достаточно просто, как видите.

Луч падает и отражается в некоторую точку под таким же углом, потому что путь отражённого луча должен быть минимально возможным! До этого додумались ещё древнегреческие учёные, но окончательно удалось доказать принцип Ферма только несколько сотен лет назад. Догадка сначала обретает словесное описание, потом проходит проверку на практике, подтверждается и занимает своё место в копилке физических теорий.

Из принципа Ферма есть несколько важных следствий.