10 приголомшливих відкриттів у фізиці

Вивчати фізику значить вивчати Всесвіт. Точніше, як працює Всесвіт. Поза всяких сумнівів, фізика – найцікавіша галузь науки, оскільки Всесвіт куди складніший, ніж здається, і він вміщує в собі все суще. Іноді світ веде себе дуже дивно, і можливо, ви повинні бути справжнім ентузіастом, щоб розділити з нами радість з приводу цього списку.

Перед вами десять найдивовижніших відкриттів у новітній фізиці, які змусили багатьох учених ламати голову не роками – десятиліттями.

На швидкості світла, час зупиняється

Згідно з спеціальною теорією відносності Ейнштейна, швидкість світла незмінна і дорівнює приблизно 300 000 000 метрів в секунду, незалежно від спостерігача. Саме це і неймовірно, враховуючи що ніщо не може рухатися швидше світла, але все ще суто теоретично. У спеціальній теорії відносності є цікава частина, яка називається «уповільнення часу» і яка говорить, що чим швидше ви рухаєтеся, тим повільніше для вас рухається час, на відміну від оточення. Якщо ви будете їхати на автомобілі годину, ви постарієте трохи менше, ніж якби просто сиділи у себе вдома за комп’ютером. Додаткові наносекунди, навряд чи істотно змінять ваше життя, але все ж факт залишається фактом.

Виходить, якщо рухатися зі швидкістю світла, час взагалі застигне на місці? Це так. Але перш ніж ви спробуєте стати безсмертним, врахуйте, що рухатися зі швидкістю світла неможливо, якщо вам не пощастило народитися світлом. З технічної точки зору рух зі швидкістю світла вимагає нескінченної кількості енергії.

Квантова заплутаність

Тільки що ми прийшли до висновку, що ніщо не може рухатися швидше за швидкість світла. Що ж… і так, і ні. Хоча технічно це залишається вірним, в теорії існує лазівка, яку знайшли в набільш неймовірній частині фізики – квантовій механіці.

Читайте також: Найдивніші відкриття та винаходи вчених

Квантова механіка, по суті, це вивчення фізики на мікроскопічних масштабах, таких як поведінка субатомних частинок. Ці типи частинок неймовірно малі, але вкрай важливі, оскільки саме вони утворюють будівельні блоки всього у Всесвіті. Можете уявити їх як крихітні електрично заряджені кульки, що обертаються. Без зайвих складнощів.

Отже, у нас є два електрони (субатомниі частинки з негативним зарядом). Квантова заплутаність – це особливий процес, який пов’язує ці частинки таким чином, що вони стають ідентичними (володіють однаковим спіном і зарядом). Коли це відбувається, з цього моменту електрони стають ідентичними. Це означає, що якщо ви зміните один з них – скажімо, змініть спін – другий відреагує негайно. Незалежно від того, де він знаходиться. Навіть якщо ви не будете чіпати. Вплив цього процесу приголомшливи – ви розумієте, що в теорії цю інформацію (у даному випадку, напрямок спіну) можна переміщувати куди завгодно у всесвіті.

Гравітація впливає на світло

Повернемося до світла і поговоримо про загальну теорію відносності (теж за авторством Ейнштейна). В цю теорію входить поняття, відоме як відхилення світла – шлях світла не завжди може бути прямим.

Як би це дивно не звучало, це було доведено неодноразово. Хоча у світла немає ніякої маси, його шлях залежить від речей, у яких ця маса є – таких як сонце. Тому якщо світло від далекої зірки пройде досить близько до іншої зірки, воно омине її. Як це стосується нас? Дуже просто: можливо, ті зірки, які ми бачимо, знаходяться зовсім в інших місцях. Пам’ятаєте, коли наступного разу будете дивитися на зірки: все це може бути просто гра світла.

Темна матерія

Завдяки деяким теоріям, які ми вже обговорили, у фізиків є досить точні способи вимірювання загальної маси, присутньої у Всесвіті. Також у них є досить точні способи вимірювання загальної маси, яку ми можемо спостерігати – але от невдача, два числа не співпадають.

Насправді, обсяг загальної маси Всесвіту значно більший, ніж загальна маса, яку ми можемо порахувати. Фізикам довелося шукати пояснення цьому, і в результаті з’явилася теорія, що включає темну матерію – таємничу речовину, яка не випускає світла і бере на себе приблизно 95% маси Всесвіту. Хоча існування темної матерії формально не доведено (тому що ми не можемо її спостерігати), на користь темної матерії говорить багато свідчень, і вона повинна існувати в тій чи іншій формі.

Наш Всесвіт швидко розширюється

Поняття ускладнюються, і щоб зрозуміти чому, нам потрібно повернутися до теорії Великого Вибуху. До того як стати популярним в телешоу, теорія Великого Вибуху була важливим поясненням походження нашого Всесвіту. Якщо простіше: наша всесвіт почався з вибуху. Уламки (планети, зірки тощо) поширилися у всіх напрямках, рухаючись з допомогою величезної енергії вибуху. Оскільки уламки досить важкі, ми очікували, що це вибухове поширення має сповільнитися з часом.

Читайте також: 8 хімічних елементів, які змінили сучасне життя

Але цього не сталося. Насправді, розширення нашого Всесвіту відбувається все швидше і швидше з плином часу. І це дивно. Це означає, що космос постійно росте. Єдиний можливий спосіб пояснити це – темна матерія, а точніше темна енергія, яка і викликає це постійне прискорення. А що таке темна енергія? Вам краще не знати.

Будь-яка матерія, – це енергія

Матерія і енергія – це просто дві сторони однієї медалі. Насправді, ви завжди це знали, якщо коли-небудь бачили формулу E = mc2. E – це енергія, а m – маса. Кількість енергії, що міститься в конкретній кількості маси, визначається множенням маси на квадрат швидкості світла.

Пояснення цього явища досить захоплює і пов’язано з тим, що маса об’єкта росте в міру наближення до швидкості світла (навіть якщо час сповільниться). Доказ досить складний, тому можете просто повірити на слово. Подивіться на атомні бомби, які перетворять досить невеликі об’єми матерії в потужні викиди енергії.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Деякі речі не так однозначні, якими здаються. На перший погляд, частинки (наприклад, електрон) і хвилі (наприклад, світло) здаються абсолютно різними. Перші – тверді шматки матерії, другі – пучки випромінюваної енергії, або щось схоже. Як яблука і апельсини. Виявляється, речі на зразок світла і електронів не обмежуються лише одним станом – вони можуть бути і частинками, і хвилями одночасно, в залежності від того, хто на них дивиться.

Серйозно. Звучить смішно, але існують конкретні докази того, що світло – це хвиля, і світло – це частинка. Світло – це і те, і інше. Одночасно. Не якийсь посередник між двома станами, а саме те, і інше. Ми повернулися в область квантової механіки, а в квантовій механіці Всесвіт любить саме так, а не інакше.

Всі об’єкти падають з однаковою швидкістю

Багатьом може здатися, що важкі об’єкти падають швидше, ніж легші- це звучить розумно. Напевно, куля для боулінгу падає швидше, ніж пір’їнка. Це дійсно так, але не з вини гравітації – єдина причина у тому, що земна атмосфера забезпечує опір. Ще 400 років тому Галілей вперше зрозумів, що гравітація працює однаково на всіх об’єктах, незалежно від їх мас. Якщо б ви повторили експеримент з кулею для боулінгу і пером на Місяці (на якій немає атмосфери) вони б впали одночасно.

Квантова піна

Ви думаєте, що простір саме по собі порожній. Це припущення досить розумне – на те воно і простір, космос. Але Всесвіт не терпить порожнечі, тому в космосі, в просторі, у порожнечі,  постійно народжуються і гинуть частинки. Вони називаються віртуальними, але насправді вони реальні, і це доведено. Вони існують мілісекунди, але це досить довго, щоб зламати деякі фундаментальні закони фізики. Вчені називають це явище «квантовою піною», оскільки воно жахливо нагадує газові бульбашки в безалкогольному газованому напої.

Експеримент з подвійною щілиною

Вище ми відзначали, що все може бути і часткою, і хвилею одночасно. Але ось у чому проблема: якщо в руці лежить яблуко, ми точно знаємо, якої воно форми. Це яблуко, а не яка-небудь яблучна хвиля. Що ж визначає стан частинки? Відповідь: ми.

Читайте також: 5 найбільш важливих і дивовижних відкриттів у генетиці останніх років

Експеримент з двома щілинами – це просто неймовірно простий і загадковий експеримент. Ось в чому він полягає. Вчені розміщують екран з двома щілинами навпроти стіни і вистрілюють пучком світла через щілину, щоб ми могли бачити, де він буде падати на стіну. Оскільки світло – це хвиля, воно створить певну дифракційну картину, і ви побачите смужки світла, розсипані по всій стіні. Хоча щілини було дві.

Але частинки повинні реагувати інакше – пролітаючи через дві щілини, вони повинні залишати дві смужки на стіні чітко навпроти щілин. І якщо світло – це частинка, чому ж воно не демонструє таку поведінку? Відповідь полягає в тому, що світло буде демонструвати таку поведінку – але тільки якщо ми захочемо. Будучи хвилею, світло пролітає через обидві щілини одночасно, але будучи частинкою, воно буде пролітати тільки через одну. Все, що нам потрібно, щоб перетворити світло в частинку – вимірювати кожну частинку світла (фотон), як крізь щілину. Уявіть собі камеру, яка фотографує кожен фотон, що пролітає через щілину. Цей же фотон не може пролітати через іншу щілину, не будучи хвилею. Інтерференційна картина на стіні буде простою: дві смужки світла. Ми фізично міняємо результати події, просто вимірюючи їх, спостерігаючи за ними.

Це називається «ефект спостерігача». І хоча це хороший спосіб закінчити цю статтю, вона навіть поверхово не привела нас до абсолютно неймовірних речей, які знаходять фізики. Є купа варіацій експерименту з подвійною щілиною, ще більш божевільні і цікаві. Можете пошукати їх, тільки якщо не боїтеся, що квантова механіка засмокче вас з головою.