Від ненудної гравітації до захопливої антиматерії: 7 фактів про науку від консультанта з космології Маркуса Чоуна
Ви більше ніколи не зможете дивитися на світ так, як робили це раніше. Адже освоєння квантової механіки, теорії відносності, дослідження проблеми глобального потепління і структури атома вперше стали такими легкодоступними й цікавими! «Необхідне і достатнє» — незвичайна мандрівка науками, яка пропонує простіше глянути на складні концепції й розбиває великі ідеї на легкі для сприйняття частини. Замість заглиблюватися в заплутані й контроверсійні деталі, Маркус Чоун пропонує концентруватися на головній істині, яка є фундаментом усіх наук. Про 7 ненудних наукових фактів із книги Маркуса Чоуна «Необхідне і достатнє» розповідаємо у матеріалі.
Факт 1. Гравітація — феноменально слабка сила
Гравітація — це «універсальна» сила тяжіння. Вона наявна між вами й кимось, хто проходить повз вас на вулиці. Сила тяжіння є й між вами і монетами у вашій кишені. Однак ви ніколи не помітите вищезгаданих взаємодій неозброєним оком, тому що гравітація — це феноменально слабка сила. На перший погляд може здатися, що вона не така вже й слабка. Зрештою, важко підстрибнути більш ніж на метр угору, адже гравітація миттєво потягне вас донизу. Проте сила тяжіння є справді незначною. Потримайте руку горизонтально деякий час. Сила тяжіння всієї Землі, яка важить незліченні квадрильйони тонн, не здатна потягнути вашу руку вниз.
Факт 2. Енергія вибуху комара еквівалентна астероїду, який знищив динозаврів 66 мільйонів років тому
Використовуючи силу, яка в 10 000 мільярдів мільярдів мільярдів мільярдів разів сильніша за гравітацію, ми живимо електроенергією весь світ.
Щоб осягнути всю потужність електричної сили, уявіть собі комара. Він складається з атомів, які є будівельним матеріалом як для мене, так і для вас і всього, що нас оточує. Ядро атома має позитивний електричний заряд, а електрони — негативний. Протилежно заряджені часточки притягуються, тому сила притягання між ядром і електронами тримає атом докупи. А тепер уявіть, що можна магічним способом видалити з нашого уявного комара всі електрони. Тобто в ньому залишаться тільки позитивно заряджені ядра. Через те що частинки з однаковим зарядом завжди відштовхуються, всі ядра розлетяться в різні боки. І комар вибухне. І вибухне він не з силою бенгальського вогника чи динамітної шашки, чи ба навіть водневої бомби, а з енергією, здатною спричинити глобальне масове вимирання. Енергія вибуху комара була б еквівалентною тому астероїду розміром із місто, який урізався в Землю та знищив динозаврів 66 мільйонів років тому!
Факт 3. Сонце — неефективний генератор тепла
Джерелом енергії Сонця є злиття ядер найлегшого елемента — водню. У результаті цього злиття утворюються атоми другого за легкістю елемента — гелію. Побічним продуктом такого ядерного синтезу є сонячне світло. Чесно кажучи, Сонце дуже неефективно генерує тепло. Якщо порівняти людський шлунок і шматок сонячного ядра таких самих розміру й форми, то ваш шлунок генеруватиме тепло швидше! У вас може виникнути логічне запитання: чому ж тоді Сонце залишається гарячим попри те, що воно настільки неефективно виробляє тепло? А все тому, що сонце у квадрильйони разів більше за розміром за ваш шлунок. Той факт, що Сонце генерує тепло з тією самою швидкістю, з якою втрачає його в космос, натякає на наявність у нього природного термостата. І він справді є. Якщо генерується занадто багато тепла, то газ розширюється й охолоджується, через що ядерні реакції сповільнюються. Якщо ж Сонце генерує занадто мало тепла, то газ стискається та нагрівається, а ядерні реакції прискорюються.
Факт 4. Кава на столі охолоджується, тому що далекі галактики відлітають від нас!
Фундаментальні закони фізики допускають, що всі процеси в нашому світі можуть рухатися як уперед, так і у зворотний бік. Припустімо: вам показують відео супутника, що обертається навколо планети, і те саме відео, відтворене задом наперед. Як би ви дізналися, яка з версій зображує реальність? Закон тяжіння дає супутнику обертатися по орбіті як в один бік, так і в протилежний. Обидва однаково правдоподібні. А тепер припустімо, що вам показують відео, як ваза розбивається на тисячі уламків, а потім відео про тисячу уламків, що збираються в цілу вазу. Тут уже цілком очевидно, що перше відео відтворює реальність, а друге — ні. Ніхто ніколи не бачив, щоб уламки вази спонтанно зібралися разом, щоб утворити вазу. Але чому ні? Закон, який керує рухом супутника, є часосиметричним. І закони, що керують рухом атомів, з яких складається ваза, також є часосиметричними. Чому ж тоді ні? Очевидно, річ полягає в масштабах. З одного боку, ми маємо масштаб атомів, з яких складається ваза, а з іншого — масштаб вази. Десь у проміжку між цими величинами має ховатись якесь обмеження.
Ми живемо у Всесвіті, який бере свій початок у Великому вибуху. Отже, мається на увазі, що Великий вибух мав бути високовпорядкованим, низькоентропійним станом. Цей висновок — вельми незручний для фізики, оскільки впорядкований стан є особливим. А фізики дуже не люблять визнавати, що щось у Всесвіті може бути особливим. Але водночас такий висновок є не чим іншим, як природним наслідком законів фізики. А втім, факт зародження Всесвіту в низькоентропійному стані потребує пояснення. Проте такого пояснення науковці поки що не знайшли.
Причиною того, що вази розбиваються є те, що Всесвіт розширюється від Великого вибуху. Який яскравий зв’язок між далеким космосом і близьким повсякденням! Ваша кава, яку ви забули на столі, охолоджується, тому що далекі галактики відлітають від нас!
Факт 5. У багатоповерхівці люди з верхніх поверхів старіють швидше і всьому виною гравітація!
Той факт, що матерія викривлює простір-час, має ще один важливий наслідок. Уявіть собі ідеалізований годинник, який складається з лазера, що випускає промінь горизонтально в бік дзеркала, яке відбиває світло назад у його джерело. Час проходження променя лазера туди й назад є цоканням (тактом) годинника. А тепер уявіть собі два таких годинники: один розташований близько до поверхні Землі, а інший вище над поверхнею. Близько до маси Землі, де сила тяжіння сильніша, простір більш викривлений, ніж у більш віддаленій від маси точці. Отже, шлях променя лазера в нижньому годиннику буде більш викривленим, аніж у верхньому годиннику. Якщо його шлях кривіший, то світлу знадобиться більше часу, щоб подолати його. Тому такт нижнього годинника повільніший, ніж у верхнього годинника. Інакше кажучи, гравітація сповільнює час.
Кумедно, але це означає, що на нижньому поверсі будівлі ви старієте повільніше, ніж на верхньому, тому що на нижньому поверсі ви ближче до маси Землі, де гравітація трохи сильніша. І справді, 2010 року фізики з Національного інституту стандартів і технології США довели: якщо ви стоїте на нижній сходинці, то старієте повільніше, ніж той, хто стоїть на сходинку вище. Звісно, цей ефект надзвичайно незначний (тому що сила тяжіння Землі є відносно слабкою), але його можна виміряти за допомогою двох надчутливих атомних годинників.
Факт 6. Гравітаційні хвилі, які створює помах руки в повітрі, через чотири роки виявить інша цивілізація!
Гравітаційні хвилі — це брижі в полотні простору-часу. Вони поширюються від свого джерела, як концентричні хвилі на поверхні ставка. Вони виникають щоразу, коли матерія змінює свій рух або прискорюється. Помахайте рукою в повітрі. Ви щойно згенерували невидимі брижі простору-часу, які тепер поширюються в усі сторони від вашої руки зі швидкістю світла. Вони вже вийшли за межі атмосфери Землі. Вони проминули Місяць і вже на шляху до планети Марс. Трохи більш ніж за чотири роки вони досягнуть найближчої зоряної системи. Як нам відомо, навколо однієї з трьох зірок системи Альфи Центавра, Проксими Центавра, обертаються планети. Може бути, що на планеті Проксима Центавра b вже існує розвинена технологічна цивілізація, яка побудувала надчутливий детектор гравітаційних хвиль. Якщо це так, то гравітаційні хвилі, які ви щойно створили, змахнувши рукою в повітрі, через чотири роки виявить ця цивілізація!
Факт 7. Антиматерія — ракетне паливо із «Зоряного шляху» і найбільша загадка науки
Анігіляція матерії й антиматерії перетворює 100 % їхньої маси-енергії на інші форми енергії, як-от тепло. Порівняйте це з реакціями термоядерного синтезу, що генерують сонячне світло на Сонці. Вони перетворюють менш ніж 1 %. Отже, анігіляція матерії й антиматерії здатна генерувати найбільшу кількість енергії з усіх ядерних реакцій, що робить антиматерію ідеальним ракетним паливом. Саме таке паливо використовує корабель «Ентерпрайз» у серіалі «Зоряний шлях». На жаль, головним недоліком є те, що для створення антиматерії потрібно більше енергії, ніж можна отримати з неї за допомогою анігіляції.
Причиною того, чому позитрони відразу після своєї появи швидко наштовхуються на електрони у звичайній матерії та анігілюють, є те, що наш Усесвіт майже повністю складається з матерії. Але чому ситуація склалася саме так — одна з найбільших загадок у науці. Проблема полягає ось у чому: науковці дослідили немало субатомних процесів, і майже в усіх матерія й антиматерія утворюються в рівних кількостях. Отже, за підрахунками, у Великому вибуху мали утворитися рівні кількості матерії й антиматерії. Однак якби все сталося саме так, то все анігілювало б, і в результаті залишився б Усесвіт, що містив би тільки одні фотони!
Усе ж є підказка, чому ми натомість живемо у Всесвіті, де переважає матерія. Вона випливає зі спостереження за космосом: сьогодні у Всесвіті є близько 10 мільярдів фотонів на кожну частинку матерії. Це означає, що фундаментальні закони фізики повинні бути дещо асиметричними. Якщо є викривлення симетрії законів, то під час Великого вибуху на що 10 мільярдів + 1 частинки матерії утворилося б 10 мільярдів частинок антиматерії. Після вакханалії тотальної анігіляції у Всесвіті не залишилося б жодної частинки антиматерії, а лише одна частинка матерії на що 10 мільярдів фотонів. Що ми й спостерігаємо нині.
Наразі фізики спеціально досліджують субатомні процеси, які є асиметричними та надають перевагу матерії над антиматерією. Однак поки що вони не знайшли того рівня асиметрії, який зміг би пояснити Всесвіт, який ми бачимо навколо себе. Загадка антиматерії залишається нерозгаданою!
Передзамовити книгу Маркуса Чоуна «Необхідне і достатнє. Ключ до розуміння найважливіших ідей науки»
В нашому інтернет-магазині представлені книги українською у різних форматах. Паперове видання, електронна книжка чи аудіоформат — обирати лише вам. Ми видаємо нонфікшн і художні книги, книги про психологію, бізнес, суспільство та інші теми, які сьогодні є актуальними
Більше книг про науку шукайте за посиланням книжкового інтернет-магазину laboratoria.pro
