Сергей Александрович Чумаков

Законы Вселенной: от атома до галактик

Шрифты предоставлены компанией «ПараТайп»

© Сергей Александрович Чумаков, 2019

Знаете ли вы, что такое антивещество? А почему небо ночью чёрное? О чём не пишут в учебниках по физике?

Перед читателем не просто ещё одна научно-популярная книга. Автор — практикующий преподаватель, который не только знает о чём пишет, но и умеет просто и с юмором донести до читателя самые фундаментальные теории физики и самые необычные проявления законов этой науки в повседневной жизни!

6+

ISBN 978-5-4496-5941-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Оглавление

1. Законы Вселенной: от атома до галактик
2. Вместо рецензии
3. Предисловие автора
4. Часть первая. Физика
   1. Знакомство с антивеществом
   2. Как правильно валяться на диване
   3. Цветной мир
   4. Почему небо… чёрное?
   5. Преодолеваем скорость света (на самом деле, нет)
   6. Кротовые норы бесполезны…
   7. Когда даже свет обламывается
   8. Фарш невозможно прокрутить назад
   9. Ничего определённого
   10. Маркиза физики
   11. Разоблачаем колдунов
   12. Невесомость заказывали?
   13. У Вселенной всё ровно
   14. Когда в учебниках недоговаривают
   15. Физика для всех
   16. Да, физики ошибаются
   17. Один мир. Одни законы
   18. Что-то стало холодать
   19. О фотонах по существу
   20. Таинственные сосульки
   21. Спин. Краткое знакомство
   22. Внезапная волна
   23. Не беги, а то сократишься!
   24. Да у вас масса в минус ушла…
   25. Так сколько их здесь?
   26. У гравитации какая-то слабость…
   27. Течёт смола, бежит смола…
   28. Ньютон был прав. И ошибался
   29. Ох уж эта квантовая механика!
   30. Звуки подземелий
   31. Модная шляпка
   32. Если вы считаете, что облака состоят из пара, то эта заметка как раз для вас
   33. Температура — выбираем любую!
   34. Теория о гипотезах
   35. Бесчеловечный опыт над временем
   36. Пустота отменяется
   37. Снег и физика
   38. Снежинки и физика
   39. Вакуум-обманщик
   40. Лохотрон как он есть
   41. Понеслись! Вставать не надо
   42. Опять что-то непонятное
   43. Тревога отменяется
5. Часть вторая. Астрономия
   1. Властелин колец
   2. Плутон — это планета!
   3. Воздушные шары на Венере
   4. Окрестности Солнца необитаемы
   5. Что-то притаилось с краю
   6. Луна, какой вы её не знали
   7. В ожидании Апофиса
   8. Солнечный удар по всей планете
   9. Кто после Плутона крайний?
   10. У нас тут два пропущенных с Земли
   11. Вы уж определитесь наконец…
   12. Планета не пролетала?
   13. Когда Солнце — мелочь
   14. Холодный, как вулкан
   15. Звёзды виноваты?
6. p.s.Благодарности

Вместо рецензии

Мы живём в те времена, когда после долгого периода угасания популярная наука снова становится востребованной. Различные фестивали, тематические сайты и издания находят свою аудиторию, и это прекрасно.

Надеюсь, что и эта книга вызовет у читателя интерес и заставит его задуматься о сложности этого мира и красоте современного естествознания. По крайней мере, именно такие впечатления остались у меня после знакомства с рукописью. Сергей Чумаков, конечно, не входит в топ авторов научно-популярных книг, но в современном мире понятие популярности и элитарности уже не имеет большого значения.

Важно то, что перед вами сборник статей практикующего преподавателя, члена Академии Естествознания, который не только знает, что говорит, но и умеет увлекательно и просто донести до читателя стройные и разнообразные теории из физики и астрономии. Впрочем, вы сами можете оценить стиль и глубину мысли, которая позволила в коротких заметках охватить множество тем, от мира атомов до скопления Вселенных.

Рад, что автор не останавливается на достигнутом, и «Законы Вселенной: от атома до галактик» уже не первая книга Сергея Александровича. Так же хочу пожелать читателям приятного ознакомления и новых открытий, а автору — вдохновения и новых идей.

Доцент, профессор РАЕ, В.В.Озеров

Предисловие автора

Дорогие читатели! Я очень благодарен вам за то, что вы держите в руках эту книгу. Несмотря на то, что быть оптимистом и верить в человечество ныне не вполне модно, я всё же не устаю рассказывать о том, как устроен мир, в надежде, что понимание приведёт к изменению. Чем больше мы знаем о происходящем, чем глубже мы постигаем тайны природы, тем легче осознаём своё место в мире и понимаем, что познанию нет предела. А там, где понимание — там и попытки создать нечто лучшее, там гордость за свой разум, который бросает вызов тайнам и загадкам.

Знание — освобождает.

Преподаватель физики, советник Академии Естествознания, Сергей Чумаков

Часть первая. Физика

Знакомство с антивеществом

По мнению фантастов, антивещество — самый захватывающий и загадочный объект, с которым сталкивались физики. Подумать только, обычные частицы, но имеющие совершенно невообразимые свойства. Так ли они удивительны и как их можно использовать?

Начнём с того, что тела состоят из молекул и атомов. Атомы, хоть и называются греческим словом «неделимый», не являются чем-то монолитным. Если набрать достаточно энергии и воздействовать на атом, то выяснится, что его окружают мелкие электроны, а в ядре множество других частиц. Сразу хочу сказать, что понятия размера и формы в микромире применять надо очень осторожно, потому что перед нами квантовые масштабы, где всё совершенно непохоже на привычные вещи.

Итак, возьмём электрон, который находится на некотором расстоянии от атомного ядра. У него есть масса, электрический заряд и ещё несколько характеристик. Если мы найдём античастицу, антиэлектрон (а он уже давно получен и описан, даже есть название — позитрон), то с первого взгляда не определим, в чём отличие.

Основная разница только в знаке заряда: электрон отрицателен, а позитрон положителен. И при встрече частицы и античастицы происходит невообразимое — обоюдное уничтожение с выделением очень большого количества энергии, так называемая аннигиляция. Например, во время аннигиляции электрона и его двойника выделяются радиоактивные лучи и очень много осколков, которые почти не имеют массы, но быстро двигаются. И именно данное свойство является определяющим, когда мы обнаруживаем любое антивещество («зеркальные» собратья есть не только у электрона, но и у множества иных, обычных элементарных частиц).

Кстати, если нам удастся получить несколько сотен грамм антивещества и сделать из него телефон, то на него точно так же можно будет позвонить, вот только подносить к уху явно не следует. Да и держать его надо будет где-то в абсолютном вакууме. Если создать кирпич из антиматерии и столкнуть его с «нормальной» версией себя, то сила взрыва составит десятки миллионов тонн в тротиловом эквиваленте, многие ядерные взрывы окажутся ерундой на фоне случившегося.

Антивещество самое дорогое — на получение одной миллионной доли грамма затрачивается около 25 миллионов долларов

Как правильно валяться на диване

Наверное, очень приятно после работы рухнуть на диван с книжкой или смартфоном, чтобы хорошо и долго отдохнуть. В этом случае вы не просто проводите время в заслуженном безделье, но и находитесь в одном важнейшем состоянии природы, которое тоже изучает физика. Я говорю о равновесии.

Равновесие применимо к любому количеству объектов (будем называть их системой, если они как-то связаны), от звёзд в галактиках до чая и сахара в одном стакане. Невероятно, но системы стремятся к равновесию вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Так, человек и диван из примера выше, тоже находятся в равновесии: тело продавливает мягкую поверхность обивки, за счёт деформации диван и человек сохраняют своё состояние.

Выделяют несколько видов «равновесий», каждое из которых встречаются в природе достаточно часто. Первое — это устойчивое равновесие, как в случае с диваном и человеком. Какие бы внешние воздействия ни стремились изменить эту систему, она всё равно будет оставаться в похожем состоянии (диван не опрокинется, если к отдыхающему присоединится котик). Хорошей иллюстрацией будет раковина и яблоко: когда вы моете яблоко, то как ни старайся, оно всё равно будет сдвигаться ближе к центру.

Бывает равновесие неустойчивое. Я бы ещё назвал его слабым. Стоит немного вмешаться в систему с неустойчивым равновесием, как всё поменяется и в лучшем случае, развалится. Если вы строили карточные домики, то понимаете, о чём речь. Атмосферные процессы, между прочим, тоже находятся в подобном состоянии: если, например, в одну из зим какое-то полушарие получит больше снега, чем обычно, то потребуется больше времени на его таяние. А это повлечёт за собой большой расход тепловой энергии и как следствие, следующие сезоны станут холоднее.

Наконец, последний вид равновесия — безразличное. Его можно охарактеризовать как переходное между двумя уже известными вам, видами. В таком состоянии любые действия приводят только к одному — тело или система всегда возвращаются в состояние равновесия, потому что в равновесии находятся все её точки. Примером является мячик, который катится по полу. Как бы он ни катился, он всё равно останется на поверхности, а не утонет в ней, как в болоте.

Цветной мир

Все мы знаем, что цвета разных предметов или объектов так или иначе связаны с падающим на них светом. Осенний закат способен придать окружающему миру красноватые тона, хотя в полдень мы наблюдали вполне обычную картину.

Вплоть до 1670 года ни учёные, ни обычные люди не могли понять, отчего все тела имеют окраску. Высказывались разные предположения, вплоть до того, что цвет есть некая неизменная характеристика, и помидор даже в темноте будет красным.

Однако благодаря Ньютону было открыто одно из важных свойств света: он состоит их разных потоков энергии, то есть волн (хотя они же способны вести себя и как частицы). Эти волны не тождественны: некоторые замедляются сильнее остальных, попадая в вещество, а некоторые и вовсе отражаются. И вот как раз от того, какие именно элементы луча света смогут пройти через объект, а какие отразятся, и будет зависеть цвет, воспринимаемый нами.

Забегая вперёд — зелёные листья растений содержат вещество, хлорофилл, который активно участвует в фотосинтезе и тем самым является залогом выживания растительного мира. Но всегда ли он зелёный? Ответ будет скоро.

Каждое вещество в мире имеет три основных показателя, влияющих на цвет: это коэффициент отражения r, коэффициент пропускания t и поглощения а. И если, например, тело хорошо пропускает красный (значение t высоко), а отражает лучше всего зелёный (большое значение r), то… На просвет зелёное тело будет казаться красным. Да, так ведёт себя хлорофилл, если его растворить в спирте.

Кстати, из этого же следует очень интересная особенность. Можно ли создать фонарик, который будет светить синими лучами? Да легко, найдя соответствующий материал, через который будем пропускать лучи. Но почему нельзя создать чёрный? Направил его на человека — и всё, он уже ничего не видит и готов сдаваться.

Дело в том, что чёрный цвет присущ телам, которые имеют большой коэффициент поглощения, и малые — отражения и пропускания. Они поп