Изучаването на физика означава изучаване на Вселената. По-точно как работи Вселената. Без съмнение физиката е най-интересният клон на науката, тъй като Вселената е много по-сложна, отколкото изглежда, и съдържа всичко, което съществува. Светът понякога е много странно място и може би трябва да сте истински ентусиаст, за да споделите нашата радост от този списък. Ето десет от най-удивителните открития в съвременната физика, които накараха много, много учени да си чешат главите не с години, а с десетилетия.
Със скоростта на светлината времето спира
Според специалната теория на относителността на Айнщайн скоростта на светлината е постоянна – приблизително 300 000 000 метра в секунда, независимо от наблюдателя. Това само по себе си е невероятно, като се има предвид, че нищо не може да пътува по-бързо от светлината, но все още е силно теоретично. Има една интересна част от специалната теория на относителността, наречена забавяне на времето, която казва, че колкото по-бързо се движите, толкова по-бавно се движи времето за вас, за разлика от заобикалящата ви среда. Ако шофирате за един час, ще остареете малко по-малко, отколкото ако просто седите вкъщи пред компютъра си. Допълнителните наносекунди едва ли ще променят значително живота ви, но фактът остава.
Оказва се, че ако се движите със скоростта на светлината, времето напълно ще замръзне на място? това е вярно Но преди да се опитате да станете безсмъртен, имайте предвид, че движението със скоростта на светлината е невъзможно, освен ако нямате късмета да сте родени от светлина. От техническа гледна точка движението със скоростта на светлината би изисквало безкрайно количество енергия.
Току-що стигнахме до извода, че нищо не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината. Ами... да и не. Въпреки че това остава технически вярно, има вратичка в теорията, която е открита в най-невероятния клон на физиката: квантовата механика.
Квантовата механика по същество е изучаване на физиката в микроскопични мащаби, като например поведението на субатомните частици. Тези видове частици са невероятно малки, но изключително важни, защото формират градивните елементи на всичко във Вселената. Можете да ги мислите като малки, въртящи се, електрически заредени топки. Без излишни усложнения.
Така че имаме два електрона (субатомни частици с отрицателен заряд). Квантовото заплитане е специален процес, който свързва тези частици заедно по такъв начин, че да станат идентични (имат еднакъв спин и заряд). Когато това се случи, електроните стават идентични от този момент нататък. Това означава, че ако промените един от тях - да речем, смените въртенето - вторият ще реагира незабавно. Независимо къде се намира. Дори и да не го докосвате. Въздействието на този процес е удивително – осъзнавате, че на теория тази информация (в случая посоката на въртене) може да бъде телепортирана навсякъде във Вселената.
Гравитацията влияе на светлината
Нека се върнем към светлината и да поговорим за обща теорияотносителността (също от Айнщайн). Тази теория включва концепция, известна като огъване на светлината - пътят на светлината може да не винаги е прав.
Колкото и странно да звучи, това е доказано многократно. Въпреки че светлината няма маса, нейният път зависи от неща, които имат маса, като слънцето. Така че, ако светлината от далечна звезда премине достатъчно близо до друга звезда, тя ще я заобиколи. Как ни се отразява това? Просто е: може би звездите, които виждаме, са на напълно различни места. Помнете следващия път, когато погледнете звездите: всичко може да е просто трик на светлината.
Благодарение на някои от теориите, които вече обсъдихме, физиците разполагат с доста точни начини за измерване на общата маса, присъстваща във Вселената. Те също имат доста точни начини за измерване на общата маса, която можем да наблюдаваме - но лош късмет, тези две числа не съвпадат.
Всъщност количеството обща маса във Вселената е много по-голямо от общата маса, която можем да преброим. Физиците трябваше да потърсят обяснение за това и резултатът беше теория, включваща тъмната материя - мистериозно вещество, което не излъчва светлина и представлява приблизително 95% от масата във Вселената. Въпреки че съществуването на тъмна материя не е официално доказано (защото не можем да я наблюдаваме), доказателствата за тъмната материя са огромни и тя трябва да съществува под някаква форма.
Нашата Вселена се разширява бързо
Концепциите стават все по-сложни и за да разберем защо, трябва да се върнем към теорията за Големия взрив. Преди да стане популярно телевизионно шоу, теорията за Големия взрив беше важно обяснение за произхода на нашата вселена. Казано по-просто: нашата вселена започна с гръм и трясък. Отломки (планети, звезди и т.н.) се разпространяват във всички посоки, движени от огромната енергия на експлозията. Тъй като отломките са доста тежки, очаквахме, че това разпространение на експлозив ще се забави с времето.
Но това не се случи. Всъщност разширяването на нашата Вселена се случва все по-бързо и по-бързо с течение на времето. И е странно. Това означава, че пространството непрекъснато расте. Единственият възможен начин да се обясни това е тъмната материя или по-скоро тъмната енергия, която причинява това постоянно ускорение. Какво е тъмна енергия? По-добре е да не знаеш.
Цялата материя е енергия
Материята и енергията са просто двете страни на една и съща монета. Всъщност винаги сте знаели това, ако някога сте виждали формулата E = mc 2. E е енергия и m е маса. Количеството енергия, съдържащо се в определено количество маса, се определя чрез умножаване на масата по квадрата на скоростта на светлината.
Обяснението на този феномен е доста завладяващо и включва факта, че масата на обект се увеличава, когато се приближава до скоростта на светлината (дори ако времето се забавя). Доказателството е доста сложно, така че можете просто да повярвате на думата ми. Вижте атомни бомби, които превръщат сравнително малки количества материя в мощни изблици на енергия.
Двойственост вълна-частица
Някои неща не са толкова ясни, колкото изглеждат. На пръв поглед частиците (като електрон) и вълните (като светлина) изглеждат напълно различни. Първите са твърди парчета материя, вторите са лъчи от излъчена енергия или нещо подобно. Като ябълки и портокали. Оказва се, че неща като светлина и електрони не са ограничени само до едно състояние - те могат да бъдат и частици, и вълни едновременно, в зависимост от това кой ги гледа.
сериозно. Звучи смешно, но има конкретни доказателства, че светлината е вълна, а светлината е частица. Светлината е и двете. Едновременно. Не някакъв посредник между две държави, а точно двете. Върнахме се в царството на квантовата механика, а в квантовата механика Вселената обича този начин, а не иначе.
Всички обекти падат с еднаква скорост
Много хора може да си помислят, че тежките предмети падат по-бързо от леките - това звучи разумно. Със сигурност топка за боулинг пада по-бързо от перо. Това е вярно, но не поради гравитацията - единствената причина да се окаже така е, че земната атмосфера оказва съпротивление. Преди 400 години Галилей за първи път осъзнава, че гравитацията действа еднакво върху всички обекти, независимо от тяхната маса. Ако повторите експеримента с топка за боулинг и перо на Луната (която няма атмосфера), те ще паднат едновременно.
Това е. В този момент можете да полудеете.
Мислите, че самото пространство е празно. Това предположение е съвсем разумно - за това е пространството, пространството. Но Вселената не търпи празнотата, следователно в космоса, в космоса, в празнотата частиците постоянно се раждат и умират. Те се наричат виртуални, но всъщност са реални и това е доказано. Те съществуват за част от секундата, но това е достатъчно дълго, за да наруши някои основни закони на физиката. Учените наричат това явление "квантова пяна", защото много наподобява газовите мехурчета в газирана безалкохолна напитка.
Експеримент с двоен прорез
По-горе отбелязахме, че всяко нещо може да бъде и частица, и вълна едновременно. Но тук е уловката: ако имате ябълка в ръката си, ние знаем точно каква е формата. Това е ябълка, а не някаква ябълкова вълна. Какво определя състоянието на една частица? Отговор: нас.
Експериментът с двоен прорез е просто невероятно прост и мистериозен експеримент. Ето какво е. Учените поставят екран с два процепа срещу стената и изстрелват лъч светлина през процепа, за да видим къде ще удари стената. Тъй като светлината е вълна, тя ще създаде определен дифракционен модел и ще видите ивици светлина, разпръснати по цялата стена. Въпреки че имаше две пропуски.
Но частиците трябва да реагират по различен начин - летейки през два процепа, те трябва да оставят две ивици на стената точно срещу прорезите. И ако светлината е частица, защо тя не проявява това поведение? Отговорът е, че светлината ще прояви това поведение - но само ако го искаме. Като вълна светлината ще премине през двата процепа едновременно, но като частица ще премине само през единия. Всичко, което трябва да направим, за да превърнем светлината в частица, е да измерим всяка частица светлина (фотон), която преминава през процепа. Представете си камера, която снима всеки фотон, който преминава през процеп. Същият фотон не може да прелети през друг процеп, без да е вълна. Интерференционният модел на стената ще бъде прост: две ивици светлина. Ние физически променяме резултатите от дадено събитие просто като ги измерваме, като ги наблюдаваме.
Това се нарича "ефект на наблюдателя". И докато това е хубав начин да завършим тази статия, той дори не надраска повърхността на абсолютно невероятните неща, които физиците откриват. Има куп вариации на експеримента с двоен прорез, които са още по-щури и по-интересни. Можете да ги търсите само ако не се страхувате, че квантовата механика ще ви засмуче.
Много неща се случиха в света на науката през последните 10 години. От търсенето на вода на Марс до манипулирането на паметта и откриването на „тъмната материя“, всичко в този списък показва, че хората днес наистина живеят в невероятни времена.
1. Препрограмиране на стволови клетки
Стволовите клетки са уникални. Изглежда, че не се различават от която и да е друга клетка в тялото, освен че имат вродената способност да се трансформират във всеки друг тип клетка. Това означава, че те могат да се превърнат например в червени кръвни клетки, ако тялото няма достатъчно от тях, или в бели кръвни клетки, в мускулни клетки, в нервни клетки...
Стволовите клетки са известни от 1981 г., но до 2006 г. не беше известно, че която и да е клетка в тялото може да бъде препрограмирана и превърната в стволова клетка. И е доста лесно да се направи, както е доказано от учен на име Шиня Яманака, който беше първият в света, който добави четири специфични гена към клетките на кожата. В рамките на две до три седмици тези кожни клетки се превърнаха в стволови клетки. Това беше огромно откритие за регенеративната медицина.
2. Най-голямата черна дупка
През 2009 г. екип от астрономи започна да измерва масата на новооткрита черна дупка, наречена S5 0014+81. За тяхно учудване тя беше 10 000 пъти по-голяма от свръхмасивната черна дупка в нейния център. Млечен път, което я прави най-голямата черна дупка, познати на човека. Тази ултрамасивна черна дупка има маса с 40 милиарда повече от Слънцето. Още по-невероятното е, че то се е образувало сравнително скоро в рамките на Вселената, 1,6 милиарда години по-късно голям взрив.
3. Манипулиране на паметта
През 2014 г. учените Стив Рамирес и Сю Лиу успяха да заменят негативните спомени в мозъците на мишки с положителни и обратно. Те въведоха светлочувствителни протеини в телата на мишките и активираха тези протеини с помощта на лазер, който светеше в очите на мишките. В резултат на това негативните събития, преживяни от мишките, започват да се възприемат от гризачите като положителни и положителни събитияколко ужасно. Това отвори изцяло нова форма на потенциално лечение за тези, които страдат от посттравматично стресово разстройство или силно чувство на скръб от загубата на любим човек.
4. Компютър, който имитира човешкия мозък
Въпреки че се смяташе за невъзможно само преди няколко години, IBM пусна компютърен чип през 2014 г., който работи точно като човешкия мозък. Той съдържа 5,4 милиарда транзистора и използва 10 000 пъти по-малко енергия от конвенционалните компютърни чипове и също така работи чрез симулиране на синапси в човешки мозък. По-точно 256 мозъка. Той може да бъде програмиран да прави каквото иска потребителят, което прави този чип невероятно полезен за използване в суперкомпютри. Synapse не е ограничен по отношение на производителността, благодарение на коренно различния си дизайн в сравнение с конвенционалните компютри. Тази революционна технология има потенциала сериозно да промени компютърната индустрия към по-добро през следващите години.
5. Стъпка към глобална доминация на роботите
През 2014 г. 1024 „нанобота“ получиха задачата да се организират във формата на звезда. Без допълнителни инструкции те започнаха да работят заедно и в крайна сметка се събраха в перфектна звездна форма. Въпреки че го направиха бавно, рязко и се сблъскаха няколко пъти един с друг, те все пак успяха да го направят. Ако някой от малките роботи се заклещи, той „помоли за помощ“ съседите си и те го върнаха в правилната посока. Сега учените проучват как наноботите могат да образуват рояци, за да се борят с болести, след като бъдат въведени в човешкото тяло. А по-големи микророботи могат да се използват в операции по търсене и спасяване.
6. Потвърждение за съществуването на тъмна материя
Тъмната материя е до голяма степен теоретичен феномен, който е „изобретен“, за да обясни много странни астрономически сценарии. Пример би бил следният: има галактика с хиляда планети вътре в нея. Ако съберете масите на всички тези планети и сравните резултата с това как тази галактика действително се движи, ще откриете силно несъответствие. Галактиката се движи по такъв начин, че би трябвало да е няколко пъти по-масивна. Това може да означава, че в него има някаква материя, която хората просто не виждат. Ето защо е наречена "тъмна материя".
През 2009 г. няколко американски лаборатории обявиха, че са успели да „открият“ 2 частици от тази тъмна материя, използвайки сензори в желязна мина на 800 метра под земята. Тези данни все още се проверяват, за да се гарантира тяхната точност. Ако това се окаже вярно, тогава това може да е едно от най-значимите открития във физиката през миналия век.
7. Животът на Марс
Все пак може да съществува. През 2015 г. НАСА публикува изображения, показващи дълги тъмни ивицина повърхността на червената планета, които се появяват и изчезват през различните сезони на годината. Това е убедително доказателство, че днес на Марс съществува течна вода. Докато учените знаят от известно време, че е съществувал на Марс в миналото, това е първият път, когато се знае, че съществува днес. Следователно въпросът за съществуването на живот на Марс отново възникна. Освен това откриването на течна вода може да бъде значителна помощ за астронавтите, които планират да отидат на Марс през 2024 г.
8. Ракети за многократна употреба
Скоро няма да има нужда от ракети-носители, които извеждат кораби и сателити в орбита. SpaceX, частната компания за изследване на космоса, собственост на милиардера предприемач Илон Мъск, успя няколко пъти да приземи ракета на дистанционно управлявана баржа в средата на океана. Това може да спести милиарди долари, тъй като ракетите вече не са за еднократна употреба и могат да бъдат ремонтирани, пълнени и използвани повторно.
9. Гравитационни вълни
Гравитационните вълни са вълни в тъканта на пространство-времето, които се движат със скоростта на светлината. Те са предсказани от Алберт Айнщайн в неговата обща теория на относителността, която гласи, че масата огъва пространство-времето. Неща като черни дупки "излъчват" гравитационни вълни, които бяха открити през 2016 г. от LIGO. Така се потвърдиха предсказанията на Айнщайн, направени преди 100 години.
TRAPPIST-1 е името, което е присвоено звездна система, разположен на приблизително 39 светлинни години от нашия слънчева система. Това, което го прави специален е, че най-малко 7 планети обикалят около звезда с 12 пъти по-малка маса от Слънцето, 3 от които са в обитаемата зона, което означава, че те потенциално могат да крият живот.
Най-забележителните открития на човечеството в областта на физиката
1. Законът за падащите тела (1604)
Галилео Галилей опроверга почти 2000-годишното вярване на Аристотел, че тежките тела падат по-бързо от леките, като докаже, че всички тела падат с еднаква скорост.
2. Закон универсална гравитация (1666)
Исак Нютон стига до извода, че всички обекти във Вселената, от ябълките до планетите, упражняват гравитационно привличане (въздействие) един върху друг.
3. Закони на движението (1687)
Исак Нютон променя нашето разбиране за Вселената, като формулира три закона за описание на движението на обектите.
1. Движещ се обект остава в движение, ако върху него действа външна сила.
2. Връзката между масата на обекта (m), ускорението (a) и приложената сила (F) F = ma.
3. За всяко действие има равна и противоположна реакция (реакция).
4. Втори закон на термодинамиката (1824 - 1850)
Учени, работещи за подобряване на ефективността на парните машини, са разработили теория за разбиране на превръщането на топлината в работа. Те доказаха, че потокът от топлина от по-високи към по-ниски температури кара локомотив (или друг механизъм) да се движи, оприличавайки процеса на потока вода, който върти мелнично колело.
Тяхната работа води до три принципа: топлинните потоци са необратими от горещо към студено тяло, топлината не може да бъде напълно преобразувана в други форми на енергия и системите стават все по-дезорганизирани с течение на времето.
5. Електромагнетизъм (1807 - 1873)
Ханс Кристиан Естед
Пионерски експерименти разкриват връзката между електричеството и магнетизма и ги кодират в система от уравнения, които изразяват основните им закони.
През 1820 г. датският физик Ханс Кристиан Ерстед разказва на учениците за възможността електричеството и магнетизмът да са свързани. По време на лекцията експеримент показва истинността на неговата теория пред целия клас.
6. Специална теориятеория на относителността (1905)
Алберт Айнщайн отхвърля основните предположения за времето и пространството, описвайки как часовниците работят по-бавно и разстоянието се изкривява, когато скоростта се доближава до скоростта на светлината.
7. E = MC 2 (1905)
Или енергията е равна на масата по квадрата на скоростта на светлината. Известната формула на Алберт Айнщайн доказва, че масата и енергията са различни проявления на едно и също нещо и, което е много различно голям броймасата може да се преобразува в много големи количества енергия. Най-дълбокият смисъл на това откритие е, че никой обект с маса, различна от 0, не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината.
8. Законът за квантовия скок (1900 - 1935)
|
|
|
Законът за описание на поведението на субатомните частици е описан от Макс Планк, Алберт Айнщайн, Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер. Квантовият скок се определя като промяна на електрон в атом от едно енергийно състояние в друго. Тази промяна се случва наведнъж, а не постепенно.
9. Природата на светлината (1704 - 1905)
Резултатите от експериментите на Исак Нютон, Томас Йънг и Алберт Айнщайн водят до разбиране какво е светлина, как се държи и как се предава. Нютон използва призма, за да раздели бялата светлина на съставните й цветове, а друга призма смесва цветна светлина в бяла, доказвайки, че цветната светлина се смесва, за да образува бяла светлина. Беше открито, че светлината е вълна и че дължината на вълната определя цвета. И накрая, Айнщайн признава, че светлината винаги се движи с постоянна скорост, независимо от скоростта на измервателния уред.
10. Откриване на неутрона (1935)
Джеймс Чадуик открива неутроните, които заедно с протоните и електроните изграждат атома на материята. Това откритие значително промени модела на атома и ускори редица други открития в атомната физика.
11. Откриване на свръхпроводници (1911 - 1986)
Неочакваното откритие, че някои материали нямат устойчивост на електрически ток при ниски температури, обещава революция в индустрията и технологиите. Свръхпроводимостта възниква в голямо разнообразие от материали при ниски температури, включително прости елементи като калай и алуминий, различни метални сплави и някои керамични съединения.
12. Откриване на кварките (1962)
Мъри Гел-Ман предложи съществуването елементарни частици, които заедно образуват съставни обекти като протони и неутрони. Кваркът има свой собствен заряд. Протоните и неутроните съдържат три кварка.
13. Откриване на ядрени сили (1666 - 1957)
Откриването на фундаментална сила, действаща на субатомно ниво, доведе до разбирането, че всички взаимодействия във Вселената са резултат от четири фундаментални силиприрода - силни и слаби ядрени сили, електромагнитни сили и гравитация.
Всички тези открития са направени от учени, посветили живота си на науката. По това време беше невъзможно да се даде персонализирана диплома за MBA, за да се напише; само системната работа, постоянството и удоволствието от техните стремежи им позволиха да станат известни.
По време на своите експерименти Галилео открива, че тежките предмети падат по-бързо от леките поради по-малко въздушно съпротивление: въздухът пречи на лекия предмет повече от тежкия.
Решението на Галилей да провери закона на Аристотел беше повратна точка в науката; то бележи началото на експерименталното тестване на всички общоприети закони. Експериментите на Галилей с падащи тела доведоха до първоначалното ни разбиране за ускорението, дължащо се на гравитацията.
Универсална гравитация
Казват, че един ден Нютон седял под едно ябълково дърво в градината и си почивал. Изведнъж видя ябълка да пада от клона. Тази проста случка го накара да се зачуди защо ябълката падна, докато луната остана на небето през цялото време. Точно в този момент в мозъка на младия Нютон се случи откритие: той осъзна, че върху ябълката и луната действа една сила на гравитацията.
Нютон си представя, че цялата овощна градина е подчинена на сила, която привлича клони и ябълки. По-важното е, че той разшири тази сила чак до Луната. Нютон разбра, че силата на гравитацията е навсякъде, никой не беше мислил за това преди.
Според този закон гравитацията засяга всички тела във Вселената, включително ябълки, луни и планети. Гравитационната сила на голямо тяло като Луната може да причини явления като приливите и отливите на океаните на Земята.
Водата в тази част на океана, която е по-близо до Луната, изпитва по-голямо привличане, така че може да се каже, че Луната изтегля вода от една част на океана в друга. И тъй като Земята се върти в обратна посока, тази вода, задържана от Луната, се озовава по-далеч от обичайните си брегове.
Разбирането на Нютон за това какво има всеки обект собствена силапривличането стана голямо научно откритие. Работата му обаче все още не беше завършена.
Закони на движението
Да вземем например хокея. Удряш шайбата с пръчката си и тя се плъзга по леда. Това е първият закон: под въздействието на сила обектът се движи. Ако нямаше триене с леда, шайбата щеше да се плъзга за неопределено време. Когато ударите шайбата с пръчката си, вие й давате ускорение.
Вторият закон гласи, че ускорението е право пропорционално на приложената сила и обратно пропорционално на масата на тялото.
И според третия закон при удар шайбата действа върху стика със същата сила, както стикът върху шайбата, т.е. Силата на действие е равна на силата на реакция.
Законите за движението на Нютон бяха смело решение да обяснят механиката на функциониране на Вселената, те станаха основата на класическата физика.
Втори закон на термодинамиката
Науката за термодинамиката е наука за превръщането на топлината в механична енергия. Цялата технология зависеше от него по време на индустриалната революция.
Топлинната енергия може да се преобразува в енергия на движение, например чрез въртене на колянов вал или турбина. Най-важното е да свършите възможно най-много работа, като използвате възможно най-малко гориво. Това е най-рентабилното, така че хората започнаха да изучават принципите на работа на парните машини.
Сред тези, които изучаваха този въпрос, беше немски учен. През 1865 г. той формулира втория закон на термодинамиката. Според този закон по време на всеки енергиен обмен, например при нагряване на вода в парен котел, част от енергията се губи. Клаузий въвежда думата ентропия, за да обясни ограничената ефективност на парните машини. Част от топлинната енергия се губи по време на преобразуването в механична енергия.
Това твърдение промени нашето разбиране за това как функционира енергията. не съществува топлинен двигател, което би било 100% ефективно. Когато карате кола, само 20% от енергията на бензина всъщност се изразходва за движение. Къде отива останалото? За отопление на въздух, асфалт и гуми. Цилиндрите в блока на двигателя се нагряват и износват, а частите ръждясват. Тъжно е да си помислим колко разточителни са подобни механизми.
Въпреки че Вторият закон на термодинамиката е в основата на Индустриалната революция, следващото голямо откритие доведе света до неговото ново, модерно състояние.
Електромагнетизъм
Учените са се научили да създават магнитна сила, използвайки електричество, като пропускат ток през навита жица. Резултатът беше електромагнит. Веднага щом се приложи ток, се създава магнитно поле. Няма напрежение - няма поле.
Електрическият генератор в най-простата си форма е намотка от тел между полюсите на магнит. Майкъл Фарадей открива, че когато магнит и проводник са в непосредствена близост, през жицата протича ток. Всички електрически генератори работят на този принцип.
Фарадей води бележки за своите експерименти, но ги криптира. Въпреки това, те бяха оценени от физика Джеймс Клерк Максуел, който ги използва, за да разбере по-нататък принципите електромагнетизъм. Максуел позволи на човечеството да разбере как електричеството се разпределя по повърхността на проводник.
Ако искате да знаете какъв би бил светът без откритията на Фарадей и Максуел, тогава си представете, че електричеството не е съществувало: няма да има радио, телевизия, мобилни телефони, сателити, компютри и всички средства за комуникация. Представете си, че сте в 19-ти век, защото без електричество бихте били там.
Докато правят своите открития, Фарадей и Максуел не могат да знаят, че работата им е вдъхновила един млад мъж да разкрие тайните на светлината и да търси връзката й с най-голямата сила на Вселената. Този млад мъж беше Алберт Айнщайн.
Теория на относителността
Айнщайн веднъж каза, че всички теории трябва да се обясняват на децата. Ако те не разбират обяснението, тогава теорията е безсмислена. Като дете Айнщайн веднъж прочел детска книжка за електричеството, когато то едва се появявало, и обикновеният телеграф изглеждал като чудо. Тази книга е написана от някой си Бърнщайн, в която той покани читателя да си представи себе си как се вози в жицата заедно със сигнал. Можем да кажем, че тогава в главата на Айнщайн се ражда неговата революционна теория.
Като младеж, вдъхновен от впечатленията си от тази книга, Айнщайн си представяше как се движи с лъч светлина. Той обмисля тази идея в продължение на 10 години, включвайки концепциите за светлина, време и пространство в мислите си.
В света, който Нютон описва, времето и пространството са отделени едно от друго: когато на Земята е 10 часа сутринта, същото време е и на Венера, и на Юпитер, и в цялата Вселена. Времето беше нещо, което никога не се отклоняваше или спираше. Но Айнщайн е възприемал времето по различен начин.
Времето е река, която се вие около звездите, като забавя и ускорява. И ако пространството и времето могат да се променят, тогава нашите представи за атомите, телата и Вселената като цяло се променят!
Айнщайн демонстрира своята теория с помощта на така наречените мисловни експерименти. Най-известният от тях е „парадоксът на близнаците“. И така, имаме двама близнаци, единият от които лети в космоса с ракета. Тъй като тя лети почти със скоростта на светлината, времето в нея се забавя. След като този близнак се завръща на Земята, се оказва, че той е по-млад от този, който е останал на планетата. Така че времето е различни частиВселената е различна. Зависи от скоростта: колкото по-бързо се движите, толкова по-бавно минава времето за вас.
Този експеримент до известна степен се провежда с астронавти в орбита. Ако човек е в космическото пространство, тогава времето тече по-бавно за него. включено космическа станциявремето минава по-бавно. Това явление засяга и сателитите. Вземете например GPS сателитите: те показват вашата позиция на планетата с точност до няколко метра. Сателитите се движат около Земята със скорост 29 000 км/ч, така че за тях важат постулатите на теорията на относителността. Това трябва да се вземе предвид, защото ако часовникът работи по-бавно в космоса, тогава синхронизирането с земно времеще се обърка и GPS системата няма да работи.
E=mc 2
Това е може би най-известната формула в света. В теорията на относителността Айнщайн доказва, че когато се достигне скоростта на светлината, условията за едно тяло се променят по невъобразим начин: времето се забавя, пространството се свива и масата се увеличава. Колкото по-висока е скоростта, толкова по-голяма е телесната маса. Само помислете, енергията на движението ви прави по-тежки. Масата зависи от скоростта и енергията. Айнщайн си представяше фенерче, излъчващо лъч светлина. Знае се точно колко енергия излиза от фенерчето. В същото време той показа, че фенерчето е станало по-леко, т.е. стана по-лек, когато започна да излъчва светлина. Това означава E - енергията на фенерчето зависи от m - масата в пропорция, равна на c 2. Това е просто.
Тази формула също показа, че малък обект може да съдържа огромна енергия. Представете си, че ви хвърлят бейзболна топка и вие я хващате. Колкото по-силно е хвърлен, толкова повече енергия ще има.
Сега относно състоянието на покой. Когато Айнщайн извежда своите формули, той открива, че дори в покой тялото има енергия. Като изчислите тази стойност с помощта на формулата, ще видите, че енергията е наистина огромна.
Откритието на Айнщайн е огромен научен скок. Това беше първият поглед към силата на атома. Преди учените да имат време да разберат напълно това откритие, се случи следващото нещо, което отново шокира всички.
Квантова теория
Квантовият скок е най-малкият възможен скок в природата, но откриването му е най-големият пробив в научната мисъл.
Субатомните частици, като електроните, могат да се движат от една точка в друга, без да заемат пространството между тях. В нашия макрокосмос това е невъзможно, но на атомно ниво това е законът.
Квантовата теория се появява в самото начало на 20 век, когато има криза в класическата физика. Открити са много явления, които противоречат на законите на Нютон. Мадам Кюри например откри радия, който сам по себе си свети в тъмното; енергията идва от нищото, което противоречи на закона за запазване на енергията. През 1900 г. хората вярвали, че енергията е непрекъсната и че електричеството и магнетизмът могат да бъдат разделени на абсолютно всякакви части за неопределено време. А великият физик Макс Планк смело заяви, че енергията съществува в определени обеми – кванти.
Ако си представим, че светлината съществува само в тези обеми, тогава много явления дори на атомно ниво стават ясни. Енергията се отделя последователно и в определено количество, това се нарича квантов ефекти означава, че енергията е вълнова.
Тогава смятаха, че Вселената е създадена по съвсем различен начин. Атомът е бил представян като нещо, наподобяващо топка за боулинг. Как може една топка да има вълнови свойства?
През 1925 г. един австрийски физик най-накрая излезе с вълново уравнение, което описва движението на електроните. Изведнъж стана възможно да се погледне вътре в атома. Оказва се, че атомите са едновременно вълни и частици, но в същото време непостоянни.
Възможно ли е да се изчисли възможността човек да се раздели на атоми и след това да се материализира от другата страна на стената? Звучи абсурдно. Как можете да се събудите сутрин и да се озовете на Марс? Как можете да заспите и да се събудите на Юпитер? Това е невъзможно, но вероятността за това е напълно възможно да се изчисли. Тази вероятност е много ниска. За да се случи това, човек трябва да оцелее във Вселената, но за електроните това се случва през цялото време.
Всички съвременни „чудеса“ като лазерни лъчи и микрочипове работят въз основа на това, че един електрон може да бъде на две места едновременно. Как е възможно това? Не знаете къде точно е обектът. Това се превърна в толкова трудно препятствие, че дори Айнщайн напусна да учи квантовата теория, той каза, че не вярва, че Бог играе на зарове във Вселената.
Въпреки цялата странност и несигурност, квантовата теория остава най-доброто ни разбиране за субатомния свят досега.
Природа на светлината
Древните се чудеха: от какво се състои Вселената? Те вярвали, че се състои от земя, вода, огън и въздух. Но ако това е така, тогава какво е светлината? Не може да се постави в съд, не може да се докосне, не се усети, безформено е, но присъства навсякъде около нас. Той е навсякъде и никъде едновременно. Всички видяха светлината, но не знаеха какво е това.
Физиците се опитват да отговорят на този въпрос от хиляди години. Най-големите умове, като се започне от Исак Нютон, са работили върху търсенето на природата на светлината. Самият Нютон използва слънчевата светлина, разделена от призма, за да покаже всички цветове на дъгата в един лъч. Това означаваше, че бялата светлина се състои от лъчи от всички цветове на дъгата.
Нютон показа, че цветовете червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово могат да бъдат комбинирани в бяла светлина. Това го навежда на идеята, че светлината е разделена на частици, които той нарича корпускули. Така се появи първият светлинна теория– корпускулярен.
Представете си морските вълни: всеки знае, че когато една от вълните се сблъска с друга под определен ъгъл, двете вълни се смесват. Юнг направи същото със светлината. Той се увери, че светлината от двата източника се пресича и пресичането се вижда ясно.
И така, тогава имаше две теории за светлината: корпускулярната теория на Нютон и вълновата теория на Йънг. И тогава Айнщайн се зае с работата и каза, че може би и двете теории имат смисъл. Нютон показа, че светлината има свойства на частици, а Йънг показа, че светлината може да има свойства на вълна. Всичко това са две страни на едно и също нещо. Вземете например слон: ако го хванете за хобота, ще го помислите за змия, а ако го хванете за крака, ще помислите, че е дърво, но всъщност слонът има качества и на двете. Айнщайн въвежда концепцията дуализъм на светлината, т.е. светлината има свойства както на частици, така и на вълни.
Отне работата на трима гении в продължение на три века, за да видим света такъв, какъвто го познаваме днес. Без техните открития може би все още живеем в ранното Средновековие.
Неутрон
Един атом е толкова малък, че е трудно да си го представим. Една песъчинка съдържа 72 квинтилиона атома. Откриването на атома доведе до друго откритие.
Хората знаеха за съществуването на атома преди 100 години. Те смятаха, че електроните и протоните са равномерно разпределени в него. Това беше наречено модел "пудинг със стафиди", защото се смяташе, че електроните са разпределени в атома като стафиди в пудинг.
В началото на 20 век той провежда експеримент, за да проучи по-добре структурата на атома. Той насочил радиоактивни алфа частици към златното фолио. Той искаше да знае какво ще се случи, когато алфа частиците ударят златото. Ученият не очаквал нищо особено, тъй като смятал, че повечето алфа частици ще преминат през златото, без да се отразяват или да променят посоката си.
Резултатът обаче беше неочакван. Според него това е все едно да стреляш с 380 мм снаряд по парче материя и снарядът да отскочи от него. Някои алфа частици веднага отскочиха от златното фолио. Това може да се случи само ако вътре в атома има малко количество плътна материя, която не е разпределена като стафиди в пудинг. Ръдърфорд нарича това малко количество вещество сърцевина.
Чадуик провежда експеримент, който показва, че ядрото се състои от протони и неутрони. За да направи това, той използва много хитър метод за разпознаване. За да прихване частиците, излезли от радиоактивния процес, Чадуик използва твърд парафин.
Свръхпроводници
Fermilab разполага с един от най-големите ускорители на частици в света. Това е 7 км подземен пръстен, в който субатомните частици се ускоряват почти до скоростта на светлината и след това се сблъскват. Това стана възможно едва след появата на свръхпроводниците.
Свръхпроводниците са открити около 1909 г. Холандски физик беше първият, който измисли как да превърне хелия от газ в течност. След това той можеше да използва хелий като замръзваща течност, но искаше да изучава свойствата на материалите при много ниски температури. По това време хората се интересуваха как електрическото съпротивление на метала зависи от температурата - дали се повишава или пада.
За експерименти използвал живак, който умеел добре да пречиства. Поставя го в специален апарат, накапва го в течен хелий във фризера, намалява температурата и измерва съпротивлението. Той установи, че колкото по-ниска е температурата, толкова по-ниско е съпротивлението и когато температурата достигне минус 268 °C, съпротивлението пада до нула. При тази температура живакът ще провежда електричество без загуба или прекъсване на потока. Това се нарича свръхпроводимост.
Свръхпроводниците позволяват електрическият ток да се движи без загуба на енергия. Във Fermilab те се използват за създаване на силни магнитно поле. Необходими са магнити, за да могат протоните и антипротоните да се движат във фазотрона и огромния пръстен. Тяхната скорост е почти равна на скоростта на светлината.
Ускорителят на частици във Fermilab изисква невероятно мощна мощност. Всеки месец за охлаждане на свръхпроводници до температура от минус 270 ° C, когато съпротивлението става равно на нулаелектричество на стойност един милион долара се губи.
Сега основната задача е да се намерят свръхпроводници, които да работят при по-високи температури и да изискват по-малко разходи.
В началото на 80-те години група изследователи от швейцарския клон на IBM откриха нов тип свръхпроводник, който имаше нулево съпротивление при температури със 100 °C по-високи от обичайните. Разбира се, 100 градуса над абсолютната нула не е същата температура като вашия фризер. Трябва да намерим материал, който би бил свръхпроводник при нормални условия. стайна температура. Би било най-големият пробив, което би било революция в света на науката. Всичко, което работи сега електрически ток, би било много по-ефективно.С разработването на ускорители, които могат да разбиват субатомни частици със скоростта на светлината, човекът осъзнава съществуването на десетки други частици, на които атомите са разделени. Физиците започнаха да наричат всичко това „зоопарк от частици“.
Американският физик Мъри Гел-Ман забеляза модел в редица новооткрити "зоопарк" частици. Той раздели частиците на групи според общи характеристики. По пътя той изолира най-малките компоненти на атомното ядро, които изграждат самите протони и неутрони.
Откритието на Гел-Ман за кварките беше за субатомните частици това, което периодичната таблица беше за химически елементи. За откритието си през 1969 г. Мъри Гел-Ман е награден Нобелова наградав областта на физиката. Неговата класификация на най-малките материални частици подреди целия им „зоопарк“.
Въпреки че Гел-Маном беше уверен в съществуването на кварки, той не смяташе, че някой наистина ще може да ги открие. Първото потвърждение за правилността на неговите теории са успешните експерименти на неговите колеги, проведени в линейния ускорител Станфорд. При него електроните са отделени от протоните и е направена макро снимка на протона. Оказа се, че съдържа три кварка.
Ядрени сили
Желанието ни да намерим отговори на всички въпроси за Вселената отведе човека както в атомите и кварките, така и отвъд галактиката. Това откритие е резултат от работата на много хора в продължение на векове.
След откритията на Исак Нютон и Майкъл Фарадей учените смятат, че природата има две основни сили: гравитация и електромагнетизъм. Но през 20 век са открити още две сили, обединени от една концепция - атомна енергия. Така природните сили станаха четири.
Всяка сила действа в определен спектър. Гравитацията ни пречи да летим в космоса със скорост от 1500 км/ч. След това имаме електромагнитни сили - светлина, радио, телевизия и т.н. Освен това има още две сили, чието поле на действие е много ограничено: има ядрено привличане, което не позволява на ядрото да се разпадне, и има ядрена енергия, която излъчва радиоактивност и заразява всичко, а също и чрез начинът, загрява центъра на Земята, благодарение на него центърът на нашата планета не се е охладил няколко милиарда години - това е ефектът от пасивното излъчване, което се превръща в топлина.
Как да открием пасивно излъчване? Това е възможно благодарение на броячите на Гайгер. Частиците, които се отделят, когато един атом се раздели, пътуват в други атоми, създавайки малък електрически разряд, който може да бъде измерен. Когато бъде открит, броячът на Гайгер щраква.
Как да измерим ядреното привличане? Тук ситуацията е по-трудна, защото именно тази сила пречи на атома да се разпадне. Тук имаме нужда от атомен сплитер. Трябва буквално да разбиете атом на фрагменти, някой сравни този процес с хвърляне на пиано надолу по стълбище, за да разберете принципите на неговата работа, като слушате звуците, които пианото издава, когато удари стъпалата.(слаба сила, слабо взаимодействие) и ядрена енергия (силна сила, силно взаимодействие). Последните две се наричат квантови сили и тяхното описание може да се комбинира в нещо, наречено стандартен модел. Това може да е най-грозната теория в историята на науката, но тя наистина е възможна на субатомно ниво. Теорията на стандартния модел претендира за най-висока, но това не й пречи да е грозна. От друга страна, имаме гравитация - великолепна, прекрасна система, красива е до сълзи - физиците буквално плачат, когато видят формулите на Айнщайн. Те се стремят да обединят всички природни сили в една теория и да я нарекат „теорията на всичко“. Тя би комбинирала и четирите сили в една суперсила, която съществува от началото на времето.
Не е известно дали някога ще успеем да открием суперсила, която да включва и четирите основни сили на природата и дали ще можем да създадем физическа теорияОбщо. Но едно е сигурно: всяко откритие води до нови изследвания, а хората – най-любопитният вид на планетата – никога няма да спрат да се стремят да разбират, търсят и откриват.
Годината започна с откриването на Светия Граал - физиците успяха да превърнат водорода в метал. Експериментът потвърди теоретичните разработки от първата половина на миналия век. Изследователи от Харвардския университет охладиха елемента до −267 градуса по Целзий и го подложиха на налягане от 495 гигапаскала, което е повече, отколкото в центъра на Земята.
„На Запад ще спрат да пият алкохол и ще преминат към безвредни алкохолни напитки“
Самите експериментатори сравниха производството на първия метален водород на планетата с придобиването на свещена чаша - основната цел на легендарните рицари. Но остава въпросът дали водородът ще запази свойствата си, когато налягането отслабне. Физиците се надяват, че не.
Пътуването във времето е възможно
Преразглеждане на концепцията за времето от теоретици от Виенския университет и Австрийската академия на науките. Според законите на квантовата механика, колкото по-точен е един часовник, толкова по-бързо той излага потока на времето на ефекта на квантовата несигурност. А това ограничава възможностите на нашите измервателни уреди, колкото и добре да са направени.
Невъзможно е да се измери времето. Но можете да пътувате в него с помощта на кривини, учен от Университета на Британска Колумбия (Канада). Вярно, засега това е само теоретично признание. Няма необходими материали за създаване на истинска машина на времето.
Но квантовите частици са способни да се връщат в миналото или по-скоро да влияят на други частици във времето. Тази теория беше потвърдена през 2017 г. от учени от университета Чапман (САЩ) и Института за теоретична физика Периметър (Канада). Техните теоретични изследвания доведоха до интересен извод: или физични явленияспособни да се разпространят в миналото или науката се е натъкнала на нематериален начин на взаимодействие на частиците.
Точно два слоя графен могат да спрат куршум
Тъмната енергия не съществува. Но това не е сигурно
Дебатът за тъмната енергия - хипотетична константа, която обяснява разширяването на Вселената - не спира от началото на хилядолетието. Тази година физиците стигнаха до извода, че тъмната енергия все пак не съществува.
Учени от университета в Будапеща и техни колеги от САЩ твърдят, че грешката е в разбирането на структурата на Вселената. Привържениците на концепцията за тъмната енергия приемат, че материята е еднаква по плътност, но това не е така. Компютърният модел показа, че Вселената се състои от мехурчета и това премахва противоречията. Вече не е необходима тъмна енергия за обяснение на необясними явления.
Въпреки това, изграден на базата на суперкомпютър в университета в Дърам (Великобритания), доведе астрофизиците до точно противоположните заключения. И данните от магнитния алфа спектрометър от Международната космическа станция показват, че тъмната енергия наистина съществува. Това заявиха независимо две групи изследователи: от Германия и от Китай.
И най-важното е, че XENON1T, най-чувствителният детектор на тъмна материя в света, направи първия. Вярно, все още няма положителни резултати. Но учените са доволни, че системата изобщо работи и показва минимални грешки.
Учените вече не разбират как работи AI
Технологии
Гравитацията е ключът към другите измерения
Физиците отдавна мечтаят да изградят теория за всичко - система, която да описва изчерпателно реалността. Едно от четирите фундаментални взаимодействия не позволява – гравитацията. Не са открити частици, които биха понесли гравитационно взаимодействие. Това означава, че в съответствие със законите на квантовата механика няма вълни.
Гениално решение на проблема от учени от института Макс Планк. Според тях гравитационното поле възниква точно в момента, в който една квантова вълна се превръща в частица.
Друга пречка за изграждането на теория за всичко е липсата на действие, обратно на силата на гравитацията, този фактор също нарушава симетрията идеални формули. Въпреки това учени от Вашингтонския държавен университет през април 2017 г. откриха вещество, което се държи така, сякаш има отрицателна маса. Ефектът е постиган и преди, но резултатът никога не е бил толкова прецизен и категоричен.
Интересът към изучаването на гравитацията се увеличава от теорията, че гравитацията се влияе от други измерения. Физиците от института Макс Планк (Германия), използвайки най-модерните детектори за гравитационни вълни, потвърждават или опровергават съществуването на други измервания в рамките на една година. В края на 2018 г. или най-късно - в началото на 2019 г.
„Биткойн се провали като валута“
Технологии
Квантовата механика е обречена
Лесно е да се види, че повечето от откритията на съвременната физика са свързани с изучаването на квантовата механика. Въпреки това, учените, че квантовата теория е модерна форманяма да продължи дълго. А ключът към разбирането на света ще бъде новата математика.
В светлината на подобни твърдения не е ясно как да възприемем новината, че експериментатори от института Нилс Бор за първи път в историята на науката са накарали кубитите да се въртят в обратна посока. Или че вторият закон на термодинамиката при определени обстоятелства в квантовия свят, както твърдят физиците от MIPT. Може би всичко това трябва да се приеме като потвърждение на настоящата теория. Може би - като стъпка към нова физика, която ще описва реалността още по-точно.
Междувременно учените продължават да търсят феномени, които ще помирят световете на Айнщайн и Нютон. Може би това ще помогне - нова формаматерия. Между другото, той се оказа кондензат, въпреки че досега теоретиците спориха много за неговата природа.