Тази чудна, странна и невероятна физика

Да изучаваш физика, означава да изучаваш Вселената. По-точно – как работи Вселената.

Извън всяко съмнение физиката е най-интересната наука, тъй като Вселената е доста по-сложна, отколкото ни се струва. Понякога светът се държи доста странно и вероятно трябва да си истински ентусиаст, за да споделиш радостта от този списък.

Пред вас са десетте най-удивителни открития в новата физика, които са карали много учени да си блъскат главите не години, а десетилетия.

Времето спира на скоростта на светлината

Според специалната теория на относителността на Айнщайн скоростта на светлината е константа и е равна на приблизително 300 000 000 метра в секунда, независимо от наблюдателя.

Това само по себе си е невероятно, като се отчита, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината, но все още е строго теоретично. В специалната теория на относителността има интересна част, която се нарича „забавяне на времето“ и която говори, че колкото по-бързо се движите, толкова по-бавно тече времето за вас за разлика от обкръжението.

Тоест теоретично, ако пътувате в автомобил за час, ще остареете малко по-малко, отколкото ако си седите вкъщи пред компютъра. Някакви си наносекунди едва ли съществено ще изменят вашия живот, но все пак фактът си остава факт.

Излиза, че ако се движите със скоростта на светлината, времето ще спре на място. Но преди да се опитате да станете безсмъртни, е добре да отчетете, че засега е невъзможно да се движите със скоростта на светлината, ако не ви е провървяло да се родите светлина. От техническа гледна точка движението със скоростта на светлината изисква безкрайно количество енергия.

Квантовото заплитане

Току-що стигнахме до извода, че нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината. Всъщност и да, и не. Макар технически това да остава вярно, в теорията съществува вратичка, която открили в най-невероятния клон на физиката – квантовата механика.

Квантовата механика по своята същност е изучаване на физиката в микроскопични мащаби, такива като поведението на субатомните частици. Тези частици са невероятно малки, но изключително важни, тъй като именно те образуват строителните елементи на всичко във Вселената. Можете да си ги представите като малки въртящи се електрически заредени топчета. Без излишни сложности.

И така, имаме си два електрона (субатомни частици с отрицателен заряд). Квантовото заплитане е особен процес, който свързва тези частици по такъв начин, че те стават идентични (с еднакъв спин и заряд). Когато това се случи, от този момент електроните стават идентични.

Това означава, че ако промените един от тях – да речем, промените спина, вторият реагира незабавно, независимо къде се намира. Дори ако не го пипате. Влиянието на този процес е потресаващо – вие разбирате, че теоретично тази информация (в дадения случай посоката на спина) може да се телепортира навсякъде във Вселената.

Гравитацията влияе на светлината

Да се върнем към светлината и да поговорим за общата теория на относителността на Айнщайн. В тази теория има понятие, известно като отклонение на светлината – пътят на светлината невинаги може да е прав.

Колкото и странно да звучи, това е било доказано нееднократно. Макар светлината да няма маса, пътят ѝ зависи от нещата, които имат такава маса – от рода на Слънцето. Затова, ако светлината от далечна звезда премине достатъчно близо до друга звезда, тя я заобикаля. Как ни засяга това нас?

Ами много просто – възможно е звездите, които виждаме, да се намират на съвсем други места. Помнете, когато следващия път гледате към небето – всичко това може да е просто игра на светлина.

Тъмната материя

Благодарение на някои теории физиците имат доста точни методи за измерване на общите маси, присъстващи във Вселената. Те имат и доста точни способи за измерване на общите маси, които можем да наблюдаваме. И ето случай, в които тези две числа не съвпадат.

Всъщност обемът на общата маса във Вселената е значително повече, отколкото общата маса, която можем да изчислим. Наложило се физиците да търсят обяснение на това и в резултат се появила теория, включваща тъмна материя – тайнствено вещество, което не изпуска и не поглъща светлина, но на която се падат около 23% от масата във Вселената.

Макар съществуването на тъмната материя формално да не е доказано (понеже не можем да я наблюдаваме), в полза на тъмната материя говорят редица свидетелства и тя трябва да съществува в една или друга форма.

Нашата Вселена се разширява бързо

Понятията се усложняват и за да разберем защо, е необходимо да се върнем към теорията на Големия взрив. Преди да стане популярно тв шоу, теорията на Големия взрив била важно обяснение на произхода на нашата Вселена.

А по-просто: нашата Вселена е започнала с взрив. Отломки (планети, звезди и прочие) се разпространили във всички посоки, движени от огромната енергия на взрива. Тъй като отломките били достатъчно тежки, сме очаквали, че и взривното разпространение ще се забави с времето.

Но това не се случило. Всъщност разширението на нашата Вселена протича все по-бързо и по-бързо с времето. И това е странно. То означава, че Космосът постоянно расте. Единственият възможен начин да се обясни това е тъмната енергия, която предизвиква това постоянно ускорение. А що е то тъмна енергия? По-добре да не знаете.

Всяка материя е енергия

Материята и енергията са две страни на един медал. Но всъщност вие винаги сте го знаели, ако някога сте виждали формулата E = mc². Е е енергията, а m е масата. Количеството енергия, съдържащо се в конкретно количество маса, се определя от умножението на масата по скоростта на светлината на квадрат.

Обяснението на въпросното явление направо завладява и е свързано с това, че масата на обекта нараства с приближаването към скоростта на светлината (дори ако времето се забавя). Доказателството е доста сложно, затова просто можете да повярвате на думата. Погледнете атомните бомби, които преобразуват доста малки обеми материя в мощно изхвърляне на енергия.

Корпускулярно-вълновия дуализъм

Някои неща не са така еднозначни, каквито изглеждат. На пръв поглед частиците (например електронът) и вълните (например светлината) изглеждат съвършено различни. Първите са твърди късчета материя, вторите – снопове излъчвана енергия или нещо от този род. Като ябълките и портокалите.

Оказва се, нещата от рода на светлината и електроните не се ограничават само до едно състояние – те могат да бъдат и частици, и вълни едновременно, в зависимост от това кой ги гледа.

Сериозно. Звучи смешно, но съществуват конкретни доказателства, че светлината е вълна и че светлината е частица. Светлината е и едното, и другото едновременно. Върнахме се в областта на квантовата механика, а в квантовата механика Вселената обича именно така, а не по друг начин.

Всички обекти падат с еднаква скорост

На мнозина може да изглежда, че тежките обекти падат по-бързо, отколкото леките – това звучи логично. Вероятно топката за боулинг пада по-бързо от перото.

Това наистина е така, но не по вина на гравитацията – единствената причина, поради която се получава така, е, че земната атмосфера осигурява съпротивление. Още преди 400 години Галилей за първи път разбрал, че гравитацията работи еднакво за всички обекти, независимо от техните маси.

Ако повторите експеримента с топката за боулинг и перото на Луната (на която няма атмосфера), те ще падат едновременно.

Квантовата пяна

Е, край. На тази точка можете да спрете.

Мислите си, че пространството само по себе си е празно. Това предположение е доста разумно, затова е и пространство, Космос. Но Вселената не търпи празнини, затова в Космоса, в пространството, в празнината постоянно се раждат и гинат частици. Те се наричат виртуални, но всъщност са реални и това е доказано.

Те съществуват части от секундата, но това е достатъчно дълго, за да счупят някои фундаментални закони на физиката. Учените наричат това „квантова пяна“, тъй като то ужасно напомня газовите мехурчета в безалкохолна газирана напитка.

Експериментът с двойния процеп

По-горе отбелязахме, че светлината може да бъде и частица, и вълна едновременно. Но ето в какво е уловката – ако в ръката ни лежи ябълка, то ние знаем точно каква е нейната форма. Това е ябълка, а не някаква ябълкова вълна. Какво определя състоянието на частиците? Отговор: ние.

Експериментът с двата процепа е невероятно прост и загадъчен. Ето в какво се заключава. Учените поставят екран с два процепа срещу стена и изстрелват сноп светлина, за да видят къде ще попадне на стената. Тъй като светлината е вълна, тя създава определена дифракционна картина и вие виждате ивици светлина по цялата стена. Макар че процепите са два.

Но частиците трябвало да реагират различно – прелитайки през двете цепки, те трябвало да оставят две ивици на стената точно насреща. И ако светлината е частица, защо тя не демонстрира такова поведение?

Отговорът се заключава в това, че светлината ще демонстрира такова поведение, но само ако поискаме. Бидейки вълна, светлината прелита през двата процепа едновременно, но като частица тя ще прелита само през едната. Всичко, което ни е необходимо да превърнем светлината в частица, е да измерим всяка частица светлина (фотон), прелитаща през процепа.

Представете си камера, която заснема всеки фотон, прелитащ през процепа. Този фотон не може да прелети през другия процеп, ако не е вълна. Интерференционната картина на стената ще бъде проста – две ивици светлина. Ние физически променяме резултатите на събитието, като просто ги измерваме и наблюдаваме.

Това се нарича „ефект на наблюдателя“. И макар да е добър начин да завършим тази статия, той дори повърхностно не се докосва до невероятните неща, които откриват физиците.

Има купчина вариации на експеримента с двата процепа, още по-безумни и интересни. Можете да ги потърсите, но само ако не се страхувате, че квантовата механика ще ви погълне.