Год начался с обретения святого Грааля - физикам удалось водород в металл. Эксперимент подтвердил теоретические разработки первой половины прошлого века. Исследователи из Гарвардского университета охладили элемент до −267 градусов Цельсия и подвергли давлению в 495 гигапаскалей, что больше чем в центре Земли.
«На Западе прекратят пить алкоголь и перейдут на безвредный алкосинт»
Экспериментаторы сами сравнили получение первого на планете металлического водорода с обретением священной чаши - главной цели легендарных рыцарей. Но остался открытым вопрос, сохранит ли водород свои свойства, когда ослабнет давление. Физики надеются, что нет.
Путешествия во времени возможны
Пересмотреть концепцию времени теоретики из Университета Вены и Австрийской академии наук. По законам квантовой механики, чем точнее часы, тем скорее они подвергают поток времени эффекту квантовой неопределенности. И это ограничивает возможность наших измерительных приборов, независимо от того, насколько они хорошо сделаны.
Измерить время невозможно. Зато в нем можно путешествовать, используя искривления, ученый из Университета Британской Колумбии (Канада). Правда, пока это только теоретический допуск. Для создания реальной машины времени нет необходимых материалов.
Зато в прошлое способны квантовые частицы, точнее влиять на другие частицы во времени. Эту теорию в 2017 году подтвердили ученые из Чепменского университета (США) и Института теоретической физики Периметр (Канада). Их теоретические изыскания привели к любопытному выводу: либо физические явления способны распространяться в прошлое, либо наука столкнулась с нематериальным способом взаимодействия частиц.
Ровно два слоя графена смогут остановить пулю
Темной энергии не существует. Но это не точно
Споры о темной энергии - гипотетической константе, объясняющей расширение Вселенной - не прекращаются с начала тысячелетия. В этом году физики пришли к выводу, что темной энергии все-таки не существует.
Ученые из Будапештского университета и их коллеги из США , что ошибка кроется в понимании структуры Вселенной. Сторонники концепции темной энергии исходили из того, что материя однородна по плотности, а это не так. Компьютерная модель показала, что Вселенная состоит как бы из пузырей, и это снимает противоречия. Темная энергия больше не нужна для того, чтобы объяснить необъяснимые явления.
Впрочем, построенная на суперкомпьютере Даремского университета (Британия) привела астрофизиков к прямо противоположным выводам. И данные магнитного альфа-спектрометра с Международной космической станции , что темная энергия все-таки существуют. Это независимо друг от друга констатировали две группы исследователей: из Германии и из Китая.
А главное, XENON1T, самый чувствительный в мире детектор темной материи, дал первые . Правда, положительных результатов пока нет. Но ученые довольны, что система вообще работает и демонстрирует минимальные погрешности.
Ученые перестали понимать, как работает ИИ
Технологии
Гравитация - ключ к другим измерениям
Физики давно мечтают построить теорию всего - систему, которая исчерпывающе описывала бы реальность. Не позволяет одно из четырех фундаментальных взаимодействий - гравитация. Частицы, которые переносили бы гравитационное взаимодействие, не обнаружены. А значит, в соответствии с законами квантовой механики, нет и волн.
Остроумное решение проблемы ученые из института Макса Планка. По их мнению, гравитационное поле возникает именно в тот момент, когда квантовая волна становится частицей.
Еще одно препятствие к построению теории всего - отсутствие действия обратного силе притяжения, этот фактор тоже нарушает симметрию идеальных формул. Впрочем, ученые из Университета штата Вашингтон в апреле 2017 вещество, которое ведет себя так, будто у него отрицательная масса. Эффект достигался и ранее, но никогда результат не был таким точным и определенным.
Интерес к изучению гравитации увеличивает теория, согласно которой тяготение подвержено влиянию из других измерений. Физики из Института Макса Планка (Германия) , применив самые современные детекторы гравитационных волн, подтвердить или опровергнуть существование других измерений уже через год. В конце 2018-го или самое позднее - в начале 2019 года.
«Биткойн провалился как валюта»
Технологии
Квантовая механика обречена
Нетрудно заметить, что большинство открытий современной физики связано с изучением квантовой механики. Тем не менее, ученые , что квантовая теория в современном виде долго не продержится. И ключом к пониманию мира станет новая математика.
В свете таких высказываний непонятно как воспринимать новость о том, что экспериментаторам из Института Нильса Бора впервые в истории науки заставить кубиты вращаться в обратную сторону. Или о том, что второй закон термодинамики при определенных обстоятельствах в квантовом мире, как утверждают физики из МФТИ. Возможно, все это стоит воспринимать как подтверждение действующей теории. Возможно, - как шаг в сторону новой физики, которая еще точнее опишет реальность.
А пока ученые продолжают искать явления, которые примирят миры Эйнштейна и Ньютона. Возможно, в этом поможет - новая форма материи. Кстати, он оказался конденсатом, хотя до сих пор теоретики много спорили об его природе.
Завершился очень неоднозначный 2016 год, и самое время подвести его научные итоги в области физики и химии. Ежегодно в рецензируемых журналах по всему миру публикуется несколько миллионов статей по этим отраслям знания. И лишь несколько сотен из них оказываются действительно выдающимися работами. Научные редакторы Лайфа отобрали 10 самых интересных и важных открытий и событий минувшего года, о которых необходимо знать каждому.
1. Новые элементы в таблице Менделеева
Самым приятным событием для российских любителей науки стало - нихония, московия, теннессина и оганесона. К открытию трёх последних причастны физики-ядерщики из Дубны - Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ под руководством Юрия Оганесяна. Пока об элементах известно очень мало, а их время жизни измеряется секундами или даже миллисекундами. Помимо российских физиков в открытии участвовала Ливерморская национальная лаборатория (Калифорния) и Национальная лаборатория Оак-Ридж в Теннесси. Приоритет в открытии нихония был признан за японскими физиками из института RIKEN. Официальное включение элементов состоялось совсем недавно - 30 ноября 2016 года.
2. Хокинг решил парадокс потери информации в чёрной дыре
В июне в журнале Physical Review Letters вышла публикация одного из, вероятно, самых популярных физиков современности - Стивена Хокинга. Учёный о том, что наконец решил 40-летнюю загадку парадокса потери информации в чёрной дыре. Кратко его можно описать так: из-за того что чёрные дыры испаряются (испуская излучение Хокинга), мы даже теоретически не можем отследить судьбу каждой отдельной частицы, упавшей в неё. Это нарушает фундаментальные принципы квантовой физики. Хокинг вместе с соавторами предположили, что информация обо всех частицах хранится на горизонте событий чёрной дыры, и даже описал, в каком именно виде. Работа теоретика получила романтичное название "мягкие волосы у чёрных дыр".
3. Излучение чёрных дыр увидели на модельной "глухой" дыре
В этом же году Хокинг получил ещё один повод для торжества: экспериментатор-одиночка из Израильского технологического института, Джефф Штейнхауэр обнаружил следы неуловимого излучения Хокинга в аналоговой чёрной дыре. Проблемы с наблюдением этого излучения в обычных чёрных дырах связаны с его низкой интенсивностью и температурой. Для дыры массой с Солнце следы излучения Хокинга будут полностью теряться на фоне реликтового излучения, заполняющего Вселенную.
Штейнхауэр построил модель чёрной дыры с помощью бозе-конденсата холодных атомов. Он содержал в себе две области, одна из которых двигалась с небольшой скоростью - символизируя падение материи на чёрную дыру, - а другая со сверхзвуковой скоростью. Граница между областями играла роль горизонта событий чёрной дыры - никакие колебания атомов (фононы) не могли пересекать её в направлении от быстрых атомов к медленным. Оказалось, что из-за квантовых флуктуаций на границе всё равно рождались волны колебаний, которые распространялись в сторону дозвукового конденсата. Эти волны являются полным аналогом излучения, предсказанного Хокингом.
4. Надежда и разочарование физики элементарных частиц
2016 год выдался очень удачным для физиков Большого адронного коллайдера: учёные перевыполнили план по количеству протон-протонных столкновений и получили огромный массив данных, на полную обработку которого уйдёт ещё несколько лет. Самые большие ожидания теоретиков были связаны с наметившимся ещё в 2015 году пиком двухфотонных распадов при 750 гигаэлектронвольтах. Он указывал на неизвестную сверхмассивную частицу, которую не предсказывала ни одна теория. Теоретики успели подготовить около 500 статей, посвящённых новой физике и новым законам нашего мира. Но в августе экспериментаторы рассказали, что никакого открытия не будет: пик, привлёкший внимание нескольких тысяч физиков со всего мира, оказался простой статистической флуктуацией.
Кстати, в этом году об открытии новой необычной частицы заявили эксперты из другого эксперимента в мире элементарных частиц - коллаборации D0 Тэватрона. До открытия БАКа этот ускоритель был крупнейшим в мире. Физики обнаружили в архивных данных протон-антипротонных столкновений , носящей в себе сразу четыре разных квантовых аромата. Эта частица состоит из четырёх кварков - мельчайших кирпичиков материи. В отличие от других открытых тетракварков в ней были одновременно "верхний", "нижний", "странный" и "прелестный" кварки. Правда, подтвердить находку на БАКе не удалось. Ряд физиков высказался по этому поводу довольно скептично, указав, что специалисты Тэватрона могли принять за частицу случайную флуктуацию.
5. Фундаментальная симметрия и антиматерия
Важным результатом для ЦЕРН стало первое измерение оптического спектра антиводорода. Почти двадцать лет физики шли к тому, чтобы научиться получать антиматерию в больших количествах и работать с ней. Главная сложность здесь в том, что антиматерия способна очень быстро аннигилировать при контакте с обычным веществом, поэтому крайне важно не только создать античастицы, но и научиться их хранить.
Антиводород - это простейший антиатом, который способны получать физики. Он состоит из позитрона (антиэлектрона) и антипротона - электрические заряды этих частиц противоположны зарядам электрона и протона. У общепринятых физических теорий есть важное свойство: их законы симметричны при одновременном зеркальном отражении, обращении времени и замене зарядов частиц (CPT-инвариантность). Следствие этого свойства - почти полное совпадение свойств у материи и антиматерии. Однако некоторые теории "новой физики" нарушают это свойство. Эксперимент по измерению спектра антиводорода позволил с большой точностью сравнить его характеристики с обычным водородом. Пока, на уровне точности в миллиардные доли, спектры совпадают.
6. Самый маленький транзистор
Есть среди важных результатов этого года и практически применимые, хотя бы и в отдалённом будущем. Физики из Национальной лаборатории в Беркли самый маленький в мире транзистор - размер его затвора составляет всего один нанометр. Обычные кремниевые транзисторы при таких размерах не способны работать, квантовые эффекты (туннелирование) превращают их в обычные проводники, не способные перекрывать электрический ток. Ключом к победе над квантовыми эффектами оказался компонент автомобильной смазки - дисульфид молибдена.
7. Новое состояние вещества - спиновая жидкость
Другой потенциально применимый результат - в 2016 году нового примера квантовой жидкости, хлорида рутения. Это вещество обладает необычными магнитными свойствами. Некоторые атомы ведут себя в кристаллах как маленькие магнитики, пытающиеся выстроиться в какую-нибудь упорядоченную структуру. Например, оказаться полностью сонаправленными. При температурах вблизи абсолютного нуля почти все магнитные вещества становятся упорядоченными, кроме одного - спиновых жидкостей.
У такого необычного поведения есть одно полезное свойство. Физики построили модель поведения спиновых жидкостей и выяснили, что в них могут существовать специальные состояния "расщеплённых" электронов. На самом деле электрон, конечно, не расщепляется - он по-прежнему остаётся единой частицей. Такие состояния-квазичастицы могут стать основой для квантовых компьютеров, абсолютно защищённых от внешних воздействий, разрушающих их квантовое состояние.
8. Рекордная плотность записи информации
Физики из Университета Делфта (Голландия) отчитались в этом году о создании элементов памяти, в которых информация записывается в отдельных атомах. На квадратном сантиметре такого элемента можно записать около 10 терабайт информации. Единственный минус - небольшая скорость работы. Для перезаписи информации используется манипулирование одиночными атомами - для записи нового бита специальный микроскоп поднимает и поодиночке переносит частицу на новое место. Пока объём памяти тестового образца составляет всего один килобайт, а полная перезапись требует несколько минут. Зато технология вплотную приблизилась к теоретическому пределу плотности записи информации.
9. Пополнение в семействе графенов
Химики из Мадридского автономного университета в 2016 году создали новый двумерный материал, расширяющий количество собратьев графена. На тот раз в основу плоского одноатомного листа легла сурьма - элемент, широко применяющийся в полупроводниковой промышленности. В отличие от остальных двумерных материалов графен из сурьмы - антимонен - чрезвычайно стабилен. Он даже способен выдержать погружение в воду. Теперь двумерные формы есть у углерода, кремния, германия, олова, бора, фосфора и сурьмы. Учитывая, какими необычными свойствами обладает графен, остаётся только ждать более подробных исследований его собратьев.
10. Главная научная премия года
Особняком выделим в списке Нобелевские премии по химии и физике, которые были вручены 10 декабря 2016 года. Соответствующие им открытия были сделаны ещё во второй половине XX века, но сама премия - важное ежегодное событие научного мира. Премию по химии (золотую медаль и 58 миллионов рублей) получили Жан-Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга "за проектирование и синтез молекулярных машин". Это невидимые человеческому глазу и даже самому мощному оптическому микроскопу механизмы, способные выполнять простейшие действия: вращаться или двигаться на манер поршня. Несколько миллиардов таких роторов вполне способны заставить вращаться стеклянную бусину в воде. В будущем такие конструкции вполне можно использовать в молекулярной хирургии. Подробнее об открытии :
"Физическую" премию получили британские учёные Дэвид Таулес, Дункан Халдан и Джон Майкл Костерлиц за, как указал нобелевский комитет, "теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи". Эти переходы помогли объяснить очень странные, с точки зрения экспериментаторов, наблюдения: например, если взять тонкий слой вещества и измерять его электрическое сопротивление в магнитном поле, то окажется, что в ответ на равномерное изменение поля проводимость меняется ступенчато. О том, как это связано с бубликами и кексами, можно прочитать в нашем .
Правообладатель иллюстрации Science Photo Library Image caption Парадокс Шрёдингера известен давно, но продемонстировать его на физическом уровне до сих пор не удавалось
Обнаружение гравитационных волн в пространстве-времени, а также первая практическая демонстрация знаменитого парадокса Шрёдингера включены в список крупнейших достижений физики за 2016 год, по версии журнала Physics World .
В нем также присутствует и открытие первой экзопланеты в ближайшей к нам звездной системе.
Обнаружение гравитационных волн , признанное крупнейшим открытием года, было достигнуто научным сообществом LIGO, в котором участвует более 80 научных институтов всего мира.
Сообщество использует несколько лабораторий, пытающихся обнаружить отклонения в структуре пространства-времени, возникающие при прохождении мощного лазерного импульса в вакуумном тоннеле.
Первый сигнал, зафиксированный ими, был порождением столкновения двух черных дыр на расстоянии более миллиарда световых лет от Земли.
По словам Хамиша Джонстона, редактора журнала Physics World, где опубликован список достижений, эти наблюдения стали первым прямым свидетельством существования черных дыр.
Правообладатель иллюстрации LIGO/T. Pyle/SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Альберт Эйнштейн первым предположил возможность существования гравитационных волнСреди других крупнейших физических открытий года:
Кот Шрёдингера: ученые в течение многих лет ломают голову над загадкой кота Шрёдингера. Это мысленный эксперимент австрийского ученого Эрвина Шредингера. Кот находится в ящике. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Парадокс заключается в том, что животное может быть живым или мертвым в одно и то же время. Узнать это точно можно, только открыв ящик. Это означает, что открытие ящика выделяет одно из множества состояний кота. Но до того, как ящик будет открыт, животное нельзя считать живым или мертвым - кот может находиться в двух состояниях одновременно.
Однако американские и французские физики впервые смогли отследить состояние кота на примере внутреннего устройства молекулы, проявляющегося в одновременном нахождении системы в двух квантовых состояниях.
Для этого специалисты привели молекулы в возбужденное состояние с помощью рентгеновского лазера (разера). Из полученных дифракционных картин высокого пространственного и временного разрешений физики смонтировали видео.
Компактный "гравиметр": ученые из университета Глазго построили гравиметр, которые способен очень точно измерять силу тяжести на Земле. Это компактное, точное и недорогое устройство. Прибор может быть использован при поиске полезных ископаемых, в строительстве и исследовании вулканов.
Ближайшая к нам экзопланета: астрономы обнаружили признаки присутствия в системе Проксима Центавра планеты, находящейся в обитаемой зоне. Эта планета, получившая название Proxima b, по массе всего в 1,3 больше Земли и может иметь жидкую воду на своей поверхности.
Правообладатель иллюстрации ESO/M.Kornmesser Image caption Так может выглядить поверхность планеты Proxima bКвантовое запутывание: группе физиков из США удалось впервые продемонстрировать эффект квантовомеханического запутывания на примере макроскопической механической системы.
Развитие экспериментальных методов изучения квантовых систем и отработка методик по запутыванию разного рода объектов должна, по прогнозам физиков, привести к появлению принципиально новых компьютеров.
Чудо-материал: ученым удалось впервые измерить свойство материала графена - так называемую негативную рефракцию. Это явление может быть использовано при создании новых типов оптических устройств, например, крайне чувствительных линз и объективов.
Атомные часы: немецкие физики обнаружили трансмутацию изотопа тория-229, которая может стать основой конструкции нового типа атомных часов. Такие часы будут гораздо более устойчивыми, чем существующие приборы этого типа.
Оптика для микроскопов: шотландские ученые из Университета Стратклайда создали новый тип линзы для микроскопов, получившей название Mesolens. Новые линзы имеют большое поле зрения и высокое разрешение.
Правообладатель иллюстрации Mesolens Image caption Эти структуры в мозгу крыс были зафиксированы новым микроскопом на основе линз MesolensСверхбыстрый компьютер: австрийские ученые достигли крупного успеха в разработке квантовых компьютеров. Они создали модель фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, которая может применяться прототипами квантовых компьютеров.
Атомный двигатель: ученые из университета Майнца в Германии разработали прототип теплового двигателя, который состоит из одного атома. Он конвертирует разницу в температуре в механическую работу, помещая единственный ион кальция в ловушку в форме воронки.
Типа Ia был сделан вывод, что постоянная Хаббла изменяется, и расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения , гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва . Полученные данные хорошо объясняются наличием тёмной энергии , заполняющей всё пространство Вселенной.
Физика элементарных частиц
Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение Стандартной модели физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она - единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10 −18 м.
В последнее время имеются опубликованные экспериментальные результаты, не укладывающиеся в рамки Стандартной модели, - рождение мюонных струй на коллайдере Тэватрон , установке CDF в протон -антипротонных столкновениях при полной энергии 1,96 ГэВ . Впрочем, многие физики считают найденный эффект артефактом анализа данных (статью коллаборации CDF согласились подписать только около двух третей её участников).
Перед физиками, работающими в области теоретической ФЭЧ, стоят две основные задачи: создание новых моделей для описания экспериментов и доведение предсказаний этих моделей (в том числе и Стандартной модели) до экспериментально проверяемых величин.
Квантовая гравитация
Два основных направления, пытающихся построить квантовую гравитацию , - это теории суперструн и петлевая квантовая гравитация .
В первой из них вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги - браны . Для многомерных задач браны являются как бы многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Во втором подходе осуществляется попытка сформулировать квантовую теорию поля с отсутствием привязки к пространственно-временному фону. Большинство физиков сейчас полагают, что правильный второй путь.
Квантовые компьютеры
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям .
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Последние достижения в физике" в других словарях:
Результат столкновения ионов золота с энергией 100 ГэВ, зарегистрированный детектором STAR на коллайдере тяжелых релятивистских ионов RHIC. Тысячи линий обозначают пути частиц, родившихся в одном столкновении. Физика элементарных частиц (ФЭЧ),… … Википедия
Результат столкновения ионов золота с энергией 100 ГэВ, зарегистрированный детектором STAR на коллайдере тяжелых релятивистских ионов RHIC. Тысячи линий обозначают пути частиц, родившихся в одном столкновении. Физика элементарных частиц (ФЭЧ),… … Википедия
В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Гамов. Георгий Антонович Гамов (Джордж Гамов) … Википедия
Нанотехнология - (Nanotechnology) Содержание Содержание 1. Определения и терминология 2. : история возникновения и развития 3. Фундаментальные положения Сканирующая зондовая микроскопия Наноматериалы Наночастицы Самоорганизация наночастиц Проблема образования… … Энциклопедия инвестора
Хокинг, Стивен - Британский физик теоретик Британский ученый, известный теоретик в области черных дыр и космологии. С 1979 по 2009 год занимал престижный пост Лукасовского профессора Кэмбриджского университета. Занимается наукой несмотря на тяжелую болезнь,… … Энциклопедия ньюсмейкеров
Ярослав Гейровский Дата рождения … Википедия
1 . в России и СССР. Предшественниками Э. и с. на Руси были рукописные сборники общего содержания, а также перечни (реестры) иноземных слов, прилагавшиеся к рукописям церковных книг. Уже наиболее ранние памятники др. рус. письменности Изборники… … Советская историческая энциклопедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Тесла. Никола Тесла серб. Никола Тесла … Википедия
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
Книги
- Изотопы: свойства, получение, применение. Том 2 , Коллектив авторов. В данной книге собраны статьи по широкому кругу интенсивно развивающихся направлений науки и техники, которые связаны с получением и применением стабильных и радиоактивных изотопов.…
Во время своих экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее, чем тяжелому.
Решение Галилея проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием гравитации.
Всемирное тяготение
Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и Луну действует единая сила гравитации.
Ньютон представил себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не додумывался.
Согласно этому закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.
Вода в той части океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так, как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода оказывается дальше привычных берегов.
Понимание Ньютоном того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.
Законы движения
Возьмем, например хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей ускорение.
Второй закон гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела.
А согласно третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.
Законы движения Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они стали основой классической физики.
Второй закон термодинамики
Наука о термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.
Тепловая энергия может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы, используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.
Среди тех, кто занимался этим вопросом, был немецкий ученый . В 1865 году он сформулировал Второй закон термодинамики . Согласно этому закону, при любом энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле, часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия , объясняя с его помощью ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется во время преобразования в механическую.
Это утверждение изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о том, насколько расточительны такие механизмы.
Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.
Электромагнетизм
Ученые научились создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток, возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.
Электрогенератор в своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита. Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.
Фарадей вел записи о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству оценены физикомДжеймсом Клерком Максвеллом , который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма . Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.
Если вы хотите знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе, что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.
Совершая открытия, Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим юношей был Альберт Эйнштейн.
Теория относительности
Эйнштейн однажды сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.
В юношестве, вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в размышления понятие света, времени и пространства.
В мире, который описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.
Время – это река, которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и вообще о Вселенной!
Эйнштейн демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов. Самый известный из них – это «парадокс близнецов» . Итак, у нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется. После возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет время.
Этот эксперимент в какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например, спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч, поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать, ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем собьется и система GPS не будет работать.
E=mc 2
Вероятно, это самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом: время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость, тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее. Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции, равной c 2 . Все просто.
Эта формула показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.
Теперь что касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил, что даже в состоянии покоя тело обладает энергией. Посчитав это значение по формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.
Открытие Эйнштейна было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь повергло всех в шок.
Квантовая теория
Квантовый скачок – самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим прорывом научной мысли.
Субатомные частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне атома – это закон.
Квантовая теория появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике. Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри , например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах .
Если представить себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в определенном количестве, это называется квантовым эффектом и означает, что энергия волнообразна.
Тогда думали, что Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то, напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?
В 1925 году австрийский физик , наконец, составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными.
Можно ли вычислить возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка. Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у электронов это случается постоянно.
Все современные «чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь играет во Вселенной в кости.
Несмотря на всю странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим представлением о субатомном мире.
Природа света
Древние задавались вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли, воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный, но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели свет, но не знали, что это такое.
Физики пытались ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.
Ньютон показал, что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая теория – корпускулярная.
Представьте себе морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место пересечения было отчетливо видно.
Итак, тогда было все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга . И тогда за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл. Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем, например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма света , т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.
Чтобы увидеть свет таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в раннем Средневековье.
Нейтрон
Атом так мал, что его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов. Открытие атома привело к другому открытию.
О существовании атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом», потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм внутри пудинга.
В начале 20 века провел эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет, когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и не изменяя направление.
Однако, результат был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество вещества ядром .
Чедвик провел эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц, которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.
Сверхпроводники
Лаборатория Ферми обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как появились сверхпроводники .
Сверхпроводники были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени стал первым, кто понял, как превратить гелий из газа в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление металла зависит от температуры – растет она или падает.
Он использовал для опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без всяких потерь и нарушений потока. Это и называетсясверхпроводимостью .
Сверхпроводники позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном кольце. Их скорость почти равняется скорости света.
Ускоритель частиц в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то, чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион долларов.
Теперь главная задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких температурах и требовали бы меньше затрат.
В начале 80-х группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на 100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее. С разработкой ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы. Физики стали называть все это «зоопарком частиц».
Американский физик Мюррей Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц «зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из которых состоят сами протоны и нейтроны.
Открытые Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».
Хотя Гелл-Маном был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок протона. Оказалось, что в нем было три кварка .
Ядерные силы
Наше стремление найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих людей на протяжении столетий.
После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы, объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил стало четыре.
Каждая сила действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио, телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации, которая переходи в тепло.
Как обнаружить пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера . Частицы, которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.
Как же измерить ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые пианино издает, ударяясь о ступеньки. (weak force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно, это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез – физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.
Неизвестно, сможем ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и открывать.