Чердак. Только физика, только хардкор! бесплатное чтение

Дмитрий Побединский
Чердак. Только физика, только хардкор!

0. Вступление

Для многих из нас физика – это заунывный школьный предмет, суперсложный и от этого ни разу не понятный. Кажется, что физики – это люди из другого мира, торчащие сутки напролет в лаборатории и исследующие протоны, электроны и прочие фундаментальные частицы.

Ну… отчасти это правда, но все не так печально! Ведь есть физики, которые не сидят в лаборатории, а отправляются в экспедиции, ставят опыты на людях, создают инновационные технологии или даже летают в космос! Ведь физика изучает все и вся, и вокруг нас происходит столько интересного, что не хватит и библиотеки, чтобы все перечислить!

Как раз-таки эта книга об этом. О том, что физика – не какая-то удаленная от реальной жизни наука. Она намного ближе к нам, чем кажется! С помощью законов физики можно не только объяснить почему возникают полярные сияния и что внутри черной дыры. Можно также понять, как обмануть сканер в аэропорту или почему гелий меняет голос! Есть очень много интересных вопросов, например, можно ли стать невидимым, как именно убивает радиация, почему животные симметричны, как растут наши мышцы, почему нот именно семь и многое многое другое!

Безусловно, все это описывается с помощью законов физики. И пускай она сложна, книга написана простым языком и будет интересна каждому, даже без какого-либо технического образования. Автор книги, выпускник МФТИ, старается объяснить все простейшим языком, без формул и терминов, однако не теряя при этом научной достоверности повествования. И речь не только о фундаментальных теориях, будь то теория струн или относительности, но и о простых житейских вопросах – почему жара утомительна, как убивает ток, почему насекомые маленькие?

Эта книга – своего рода краткий анонс всего захватывающего, что можно найти вокруг. И порой ответы на возникающие вопросы бывают удивительно простыми! А иногда и вовсе неожиданными! В этой книге привычные нам вещи предстают в совсем другом свете, и рассказывается, насколько удивителен и многогранен мир вокруг нас!

1. Человек – венец эволюции!

1.1. Как растут мышцы?

С течением времени меняются нравы, мода, технологии, политические течения, социальные устои. Однако красивое человеческое тело востребовано всегда. Развитая мускулатура – это инвестиция, которая будет актуальна в любую эпоху. Поэтому мы ходим в спортзал, поднимаем разные тяжести, придерживаемся плана тренировок, правильно питаемся… Если все делать правильно, телосложение меняется. Но вот какие же процессы происходят в организме и позволяют «наращивать мышцу», то есть приводят к тому, что мышцы увеличиваются?

Устройство мышц

Сначала разберемся, как устроены мышцы. Они представляют собой набор длинных волокон, которые состоят из двух типов клеток – миотуб и клеток-спутников. Миотубы – это множество сросшихся клеток, объединенных в одну. Ядра, митохондрии и прочие части клетки оттеснены на периферию, а центральную часть занимают так называемые миофибриллы. Это длинные тонкие эластичные трубочки, которые могут сжиматься, именно они отвечают за сокращение мышц. Клетки-спутники облепляют миотубы со всех сторон и в случае повреждения волокон начинают активно делиться и восстанавливать эти повреждения.

Как видите, объем мышц может увеличиваться двумя путями: либо увеличением количества волокон (гиперплазия), либо увеличением размеров самих волокон (гипертрофия). Так как же этого добиться?

Рост мышц

Мы до сих пор точно не знаем, каким образом растут мышцы. Конечно, известно, что тренировки способствуют этому, но вот детальный механизм увеличения мышц по-прежнему загадка. На этот счет есть только теории, и самая популярная – теория разрушения.

Основная мысль этой теории звучит довольно красиво: согласно ей, ничего строить не нужно! Напротив, мышцу нужно как можно сильнее испортить, и чем больше урон, тем крупнее она станет при дальнейшем самовосстановлении. Сторонники этой теории утверждают, что при высоких нагрузках некоторые миофибриллы повреждаются (например, из-за трения составляющих их структур друг о друга). В результате клетки-спутники начинают активно делиться и восстанавливать микротравмы миофибрилл. В конечном счете происходит так называемая гиперкомпенсация: восстановленные миотубы становятся больше в поперечном сечении. Это происходит потому, что организм приспосабливается к возрастающим нагрузкам. Кроме того, сам процесс восстановления очень инертен, то есть заканчивается лишь спустя некоторое время после того, как восстановлен нормальный объем.

Есть и другие мнения, например, теория сохранения. Согласно ей микротравмы мышц не являются основной причиной их роста и даже нежелательны. Ведь на их восстановление требуются ресурсы.

Теория сохранения, так же как и теория разрушения, исходит из того, что в процессе тренировок миофибриллы повреждаются. Но это случается далеко не со всеми из них: повреждаются только самые короткие, не параллельные большинству других и в целом ущербные миофибриллы. И именно это является причиной мышечной боли после первых тренировок. При восстановлении они заменяются новыми, более качественными миофибриллами. Уже через два месяца никаких микротравм не происходит, но мышцы продолжают расти. И, согласно этой теории, есть определенные факторы, благоприятствующие росту мышц. А именно:

Первый фактор – наличие аминокислот, то есть кирпичиков, из которых строятся белковые молекулы, а именно из них и состоят мышцы.

Второй фактор – рост концентрации анаболических гормонов, то есть гормонов роста. Он достигается в результате стресса мышц и запускает процесс синтеза миофибрилл в клетке.

Третий фактор – увеличение концентрации креатинина. Это вещество улучшает энергетический обмен в клетках, и мышцы могут работать дольше на критических режимах.

И четвертый фактор – рост концентрации ионов водорода: поры в мембранах увеличиваются и гормоны легче проникают в клетку.

Как видим, обе теории подразумевают, что рост мышц носит приспособительный, адаптивный характер. Только в одной теории процесс роста запускают травмы, а в другой – процесс запускается сам, и травмы там совсем ни к чему. Но, согласно любым теориям, рост мышц происходит не на тренировке, а после нее – при восстановлении. Именно поэтому так важно питание. Оно должно быть богато белками, аминокислотами, которые, по сути, являются кирпичиками, из которых состоят наши мышцы!

Сложности

Накачать мышцы не составляло бы никакого труда, если бы не множество сложностей.

Помимо процессов анаболизма (то есть роста) в организме непрерывно идут обратные процессы – катаболизма. То есть организм специально немного разрушает некоторые свои ткани, расщепляет их на более простые составляющие. Делает он это для того, чтобы в случае экстренной ситуации можно было из этих составляющих быстро восполнить силы или восстановить поврежденные ткани. Под раздачу попадают и мышцы: белки расщепляются на аминокислоты. Таким же образом накапливается жир.

Катаболизм усиливается при стрессе, нерегулярном питании, нехватке питательных веществ. Поэтому когда спортсмен набирает массу, он должен исключить все эти факторы, иначе, по-простому говоря, организм будет есть сам себя. И все спортивное питание нацелено на то, чтобы подавить реакции катаболизма: в нем большое количество аминокислот и прочих строительных кирпичиков тела.

Ну и конечно, имеет значение генетика. Зачастую она служит оправданием для лентяев, но на самом деле это не пустой звук. Мышечная ткань бывает двух типов. Условно она называется красной и белой. Красные мышечные волокна активно снабжаются кровью, используют много кислорода, больше приспособлены к непрерывным монотонным нагрузкам, а главное – не склонны к сильному росту. Белые мышечные волокна, наоборот, скуднее снабжаются кровью и кислородом, способны к большим усилиям, но на непродолжительное время, и при тренировках сильно увеличиваются в размерах.

Соотношение белых и красных волокон у человека определяется генетически, и в процессе тренировок это соотношение может поменяться не более чем на 10 %. Так что если у вас 80 % красных волокон, тяжелым и мускулистым бодибилдером вам не стать. Однако это не повод сидеть на диване, ведь и в этом случае можно добиться красивого и гармоничного телосложения.

1.2 Мы все немножко дальтоники!

Вы когда-нибудь задумывались, как видят мир дальтоники?

На самом деле, мы все немного дальтоники. Давайте разберемся. Для начала вспомним, что цвет – это электромагнитная волна и каждому цвету соответствует определенная частота и длина волны. И разбиение по длинным волнам мы можем увидеть, когда свет проходит через призму или мы наблюдаем радугу. Если перед нами красное яблоко, то волны, соответствующие красному цвету, отражаются от него, попадают нам в глаза и воспринимаются нашими светочувствительными клетками.

Но, оказывается, человеческий глаз не способен воспринимать все цвета радуги. В глазах человека есть три типа светочувствительных клеток, которые ответственны за восприятие красного, зеленого и синего цветов. Например, лампу синего цвета видят клетки, которые воспринимают синий цвет. Но что делать с промежуточными цветами, например, с голубым? Оказывается, светочувствительные клетки восприимчивы к некоему диапазону вокруг их основного цвета. Соответственно, когда мы видим, например, предмет голубого цвета, работают как зеленые, так и синие клетки. Они передают эту информацию мозгу, и он понимает, что это что-то промежуточное между зеленым и синим.

Длина волны, нм Чувствительность человеческого глаза к цвету

Так как все-таки видят дальтоники? В большинстве случаев дальтонизм – это генетическое заболевание, из-за которого у людей отсутствуют клетки, восприимчивые к красному цвету. Поэтому дальтоники очень плохо различают оттенки красного цвета и видят их немного желтоватыми. И это не такая уж редкость: по статистике двое из ста человек больны дальтонизмом. Однако они к этому привыкают, и это не особо мешает им жить. Ну разве что на светофорах. И в общем-то, у всех людей со временем чувствительность к цветам ослабевает, поэтому с возрастом мы становимся немножечко дальтониками. Совсем чуть-чуть.

Но все мы немного дальтоники совсем не из-за этого. Оказывается, три вида светочувствительных клеток – это норма только лишь для человека. У других живых существ все совсем по-другому. Собаки, кошки, лошади, носороги, жирафы, слоны – короче, все млекопитающие, кроме высших приматов, имеют только два вида светочувствительных клеток, и поэтому они не видят красный цвет. Как и все дальтоники. Кстати быки на корриде реагируют больше не на красный цвет плаща матадора, а на его движения. Что касается птиц, то почти все они имеют четыре вида светочувствительных клеток, поэтому их цветовое восприятие намного лучше, чем наше. А вот, к примеру, у пчел три вида светочувствительных клеток, как и у нас, при этом одни из них находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Когда пчелы вылетают собирать нектар с цветов, они их видят намного более ярко и красочно, нежели мы. А у некоторых бабочек целых пять видов светочувствительных клеток. Поэтому их цветовое восприятие еще лучше.

Интересно, а кто же является лидером по цветовому восприятию? Есть такие милые морские существа – креветки-богомолы.

У них восемь видов светочувствительных клеток. Поэтому там, где мы видим обычную радугу, они видят просто термоядерный взрыв красок и оттенков. Это свирепые охотники, и такое зрение помогает им найти добычу на фоне ярких коралловых рифов.

Так что по сравнению с другими животными мы ой какие дальтоники. И на самом деле люди давно уже используют только три цвета для того, чтобы обмануть свой взгляд. Например, художникам достаточно только трех красок для того, чтобы при смешении получить другой цвет.

Или, например, мониторы телевизоров или компьютеров. Они состоят из трех типов пикселей: красных, зеленых и синих, и нам кажется, что из этих цветов можно получить любой цвет. Но если на наш монитор посмотрит креветка-богомол, она сделает вот так: «Пфф, что за ерунда?»

1.3. Почему гелий меняет голос?

Гелий – это газ из восьмой группы периодической таблицы Менделеева. Почему гелий так сильно меняет голос? Мало того, что голос становится более высоким, так он еще оказывается более искаженным и как будто бы игрушечным.

На этот счет существует очень много версий: повышается частота колебаний голосовых связок; гелий более легкий, поэтому выходит быстрее; гелий меняет химический состав голосовых связок. Но нет, на самом деле все по-другому.

Вспомним о том, что звук – это волна. И у нее есть частота ν, длина λ и скорость распространения V. Эти три параметра связаны очень важным соотношением, которое еще нам пригодится:

ν × λ = V

Звуковые волны могут распространяться достаточно далеко. И длина волны означает лишь ее масштабы. Звуковые волны могут быть очень большими, а могут быть очень маленькими. Но частоте соответствует высота, тон, нота, на которой мы слышим звук.

Для начала давайте разберемся, как в таком маленьком пространстве получается достаточно громкий человеческий голос? При выдохе, из-за набегающего потока воздуха, голосовые связки начинают вибрировать и издавать звук. Причем он настолько тихий, что мы его даже не слышим. И дело вот в чем: оказывается, при таких колебаниях помимо основной частоты возникают дополнительные, так называемые обертона. Их частота в 2–3 раза и более больше, чем основная. То же самое происходит при колебаниях струны, там тоже возникают дополнительные частоты. Благодаря колебаниям голосовых связок воздух в легких, в гортани, в ротовой полости тоже начинает колебаться. Это называется резонанс.

Резонанс – это резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадениях частоты вынуждающей силы и собственной частоты резонатора. Обратите внимание, практически у каждого музыкального инструмента есть резонатор, колебание воздуха в котором увеличивает громкость звучания. Резонанс происходит не на всех частотах, а на вполне определенных, с конкретной длиной волны. И вот уже эта длина волны непосредственно зависит от размеров и формы резонатора. Именно эти волны являются самыми громкими, а остальных мы практически не слышим. А в любом человеческом голосе присутствуют 4–5 длин волн, на которых происходит резонанс. У всех они, конечно, разные, поэтому каждая имеет свой окрас голоса, так называемый тембр.

Ну и теперь главное: что все-таки делает гелий с нашим голосом? Да, он легче, да, у него меньше плотность, но он не заставляет наши связки колебаться с более высокой частотой. У гелия очень маленькая молярная масса, она в 7 раз меньше, чем у воздуха. Вследствие этого скорость звука в нем практически в 3 раза больше, чем в воздухе. Но резонанс происходит на тех же длинах волн, потому что размеры резонатора не поменялись. Поэтому, если мы посмотрим на соотношение величин, то увидим, что при увеличении скорости звука должна увеличиваться частота волн.

Вот и получается, что все резонансные частоты увеличиваются, и из-за этого, во-первых, повышается тон голоса, а во-вторых, он становится не настоящим, а искусственным, потому что от их положения зависит тембр голоса. Ну, а при переходе из гелия в воздух скорость звука уменьшается, но теперь меняется длина волны, а частота остается неизменной. Именно поэтому мы слышим все тот же высокий звук. И, конечно же, можно достичь обратного эффекта – понижения голоса. Для этого нужен газ с большой молярной массой, например, гексафторид серы (элегаз). Голос становится мистическим и устрашающим. Поэтому я советую его использовать, если вы хотите кого-то напугать ночью, когда он вас не видит.

1.4. Человек на 90 % состоит из пустоты!

Из чего состоит человек? Конечно, он состоит из молекул, атомов, протонов, нейтронов, электронов, кварков. Но эти объекты скомпонованы не вплотную друг к другу и между ними есть какое-то пространство. Давайте посчитаем, сколько процентов от объема человека занимают эти пустоты.

Для упрощения будем считать, что все атомы в человеке являются шариками. Тогда, если мы будем выкладывать их слой за слоем, мы можем добиться достаточно плотной, так называемой гранецентрированной кубической упаковки шаров. В таком случае шары заполняют чуть больше, чем 74 % пространства, а остальные почти 26 % ничем не заполнены. Доказано, что это одна из самых плотных упаковок, поэтому даже в теории человек не может полностью состоять из вещества, и в нем обязательно есть пустота.

Но скорее всего, в человеке атомы не так плотно упакованы, а может быть, даже перекрываются. Поэтому давайте посчитаем по-другому. Мы достаточно точно знаем химический состав человека: это кислород, углерод, водород и т. д. Зная это, мы можем посчитать количество атомов в теле человека. И если это количество умножить на объем этих атомов, то тогда их суммарный объем будет в 10 раз меньше, чем объем тела человека. Получается, что атомы заполняют только лишь 10 % человека. Только представьте себе! Посмотрите, например, на свои руки: 90 % того, что вы видите, ничем не заполнено.

Но тут возникает несколько вопросов. Во-первых, как атомы могут держаться вместе и не разваливаться, если между ними такие большие расстояния? Конечно, между ними нет никаких палочек, как показывают на картинках в учебнике химии. Атомы действительно висят в пространстве и удерживаются благодаря электростатическим силам притяжения. Это отчасти похоже на неокуб, в котором шарики удерживаются магнитными силами. Только между атомами сила электрическая.

И во-вторых, почему мы не видим промежутки, раз мы настолько пустые? Дело в том, что видимый свет – это электромагнитная волна, размеры которой намного больше, чем расстояние между атомами. В таком случае она не проходит насквозь, а отражается. Но есть электромагнитные волны с маленьким размером – это рентген, гамма-лучи, и вот такие волны могут пронизывать человека насквозь.

Но что происходит внутри атомов? Может быть, там тоже есть пустота? Действительно, атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. И размер ядра в тысячи раз меньше, чем размеры атомов. Если бы оно было размером с яблоко, то сам атом был бы размером со стадион. А электроны – они легкие и маленькие, и, как пылинки, вращаются вокруг ядра. И получается, что атом по большей части пустой.

Но и тут не так все просто. Электрон в атоме нельзя представлять как шарик. Это квантовый объект, местоположение которого невозможно определить. Поэтому, по современным представлениям, электрон расплывается по атому и представляет собой некое электронное облако (причем порой самой причудливой формы), которое заполняет пространство вокруг ядра. Можно сказать, что ядро окружено облаком вероятности найти там электрон. Так что можно считать, что в атоме абсолютной пустоты нет.

Осталось рассмотреть только ядро: что происходит внутри него? Ядро состоит из протонов и нейтронов, а вот они, в свою очередь, состоят из кварков. Несмотря на то, что эти частицы очень-очень маленькие, между ними действует колоссальная сила в 150 000 Ньютонов. Это вес 15-тонного груза. Нет, вы только представьте: на 1 протон можно повесить 15 тонн! Но самое необычное вот в чем. Если мы захотим разорвать протон, возьмемся за два кварка и начнем их растягивать, то сила притяжения между ними будет только увеличиваться. Между кварками существует некая струна, которая в какой-то момент разрывается, и из пространства образуются еще два кварка, которые притягиваются к тем, которые у нас в руках. В итоге в одной руке у нас останется протон, а в другой руке будет мезон. Но как бы мы ни старались, у нас не получится сделать так, чтобы в руке остался только один кварк. Это явление называется конфайнмент. Оно означает, что кварки заперты в своих частицах и их вообще никак невозможно разделить.

Стоп, а откуда же берутся новые кварки? Из вакуума, что ли? Да, действительно, оказывается, вакуум наполнен виртуальными частицами, которые то рождаются, то исчезают. Это называется нулевыми колебаниями вакуума. И вы только представьте: оказывается, истинной пустоты нигде нет. Все заполнено виртуальными частицами. То есть получается, что на 90 % человек состоит не из пустоты, а из виртуальных частиц.

1.5. Почему символ сердца не похож на сердце?

Любопытно, что символ сердца интернационален: он есть во всех культурах и обозначает одно и то же на всех континентах. Но почему же он так не похож на само сердце?

Согласно историческим источникам, этот символ впервые применяется для обозначения сердца в XIV веке. Это были переломные времена – начало эпохи Возрождения. Люди стали интересоваться устройством человеческого тела, появились анатомические театры, где можно было воочию увидеть внутренние органы. До этого, в Средневековье, существовал запрет на абсолютно любую анатомическую деятельность и господствовало мнение, что сердце по форме напоминает шишку. И даже есть картина, на которой возлюбленный дарит своей избраннице сердце в форме шишки. В эпоху Возрождения появился интерес к античным учениям и трудам философов тех времен. Соответственно анатомическое описание сердца должно было соответствовать канонам того времени. И тут медики почему-то дали слабину и стали обозначать сердце неправильно.

Есть несколько версий, почему так произошло. По одной из них, форма сердца была взята из словесных описаний Аристотеля, который утверждал, что оно состоит из двух больших камер и одной маленькой. Описание, конечно же, заведомо неправильное, но ведь это же Аристотель, он не может ошибаться! По другой версии, символ сердца обязан своей формой женским ягодицам. Дело в том, что этот символ существует очень давно, только он обозначал не сердце, а был символом любви в целом. Древние греки очень ценили женскую красоту, особенно красоту некоторых частей тела. Поэтому изначально он обозначал ягодицы. Есть еще одна очень любопытная версия: в древнем Риме в качестве контрацептива были очень популярны плоды растения сильфий. Оно не сохранилось до наших дней, но в те времена его очень активно выращивали, и оно приносило столько дохода, что его даже изображали на деньгах. Так что оно было в какой-то степени символом любви, о котором вспомнили в XIV веке. Ну а в те времена любовь символизировало сердце. Вот так и прижилось.

Эпоха Возрождения подарила нам интересную логическую загадку и символ, который понятен абсолютно каждому.

1.6. Почему зеркало меняет левую и правую стороны, а верх и низ – нет?

Действительно, как ответить на вопрос, сформулированный в заголовке? Ведь обычное плоское зеркало среди всех направлений выделяет именно вертикальное. И дело не в том, что у нас два глаза, ведь когда вы смотрите одним глазом в зеркало, эффект тот же. Дело не в фундаментальном устройстве нашего мира. Дело даже не в зеркале, оно же просто отражает объекты перед ним! Все намного проще. Вы, возможно, удивитесь, но виной всему гравитация.

В нашем мозгу есть прочное понимание того, где верх, а где низ, так как мы всю свою жизнь, с рождения, ощущаем гравитацию. Для нашего сознания есть выделенное направление, вертикальное. И когда человек пытается сравнить себя со своим отражением, что он делает? Он мысленно перемещает себя за зеркало, при этом сохраняя свою ориентацию относительно вертикальной оси. Ведь у отражения гравитация должна действовать так же. Поэтому левая и правая стороны меняются, а верх и низ – нет.

Но можно мысленно передвинуть себя за зеркало по-другому, вращая вокруг горизонтальной оси. Тогда поменяются местами верх и низ, а лево и право останутся на своих местах. Так что все зависит только от нашего восприятия, а само зеркало тут ни при чем.

2. Братья наши меньшие

2.1. Можно ли летать, как птицы?

Можно ли модифицировать тело человека, чтобы он мог летать, как птица?

С древних времен людей вдохновляет полет птиц. Ученые всех эпох старались создать орнитоптер – устройство, позволяющее человеку подняться в воздух, взмахивая крыльями. Но как бы они ни старались, какие бы хитрые приспособления ни выдумывали, все попытки с использованием только мускульной силы человека были обречены на провал.

Оказывается, у птиц существует огромное количество хитрых приспособлений, способствующих полету. Давайте в них разберемся и поймем, могут ли они быть у человека.

Внешние приспособления

Начнем с того, что птицы – феноменально сильные животные. Грудные мышцы у них составляют 15–20 % от массы тела. Если увеличить голубя до размеров человека, то это будет очень мощное, сильное существо. У птиц есть специальная кость посредине груди – киль. К ней и крепятся огромные мышцы, отвечающие за движение крыльев. Человек может накачаться до такого состояния, но тогда он будет настолько тяжелым, что не сможет поднять себя в воздух.

Следующий фактор, позволяющий птицам летать, – они очень легкие! Многие кости у птиц полые внутри. Кроме того, у птиц нет челюстей и зубов, а только легкий клюв. Они покрыты перьями, а перья при прочих равных намного легче шерсти, которой покрыты другие животные. И на ногах у птиц нет мышц, там только сухожилия, которые, как ниточки, двигают пальцы. Когда будете есть птицу, обратите внимание на окорочок: мясо есть только на бедре и голени. Это обеспечивает как легкость, так и для более обтекаемую форму тела.

Конечно же, в полете птице нужна хорошая аэродинамическая форма. Прижимая небольшие лапки к телу, птицы добиваются очень хорошей обтекаемости. Обратите внимание, у птиц голова перерастает в туловище плавно, не так, как у нас.

Что касается всех этих приспособлений, то мы хотя бы можем представить, что это можно сделать с человеком. Пока что это должен быть беззубый качок с очень маленькими тоненькими ногами. Но это далеко не все!

Внутренние приспособления

У птиц есть еще определенные внутренние приспособления, делающие возможным полет. В первую очередь это метаболизм.

Полет – это очень энергозатратное мероприятие. При полете используется в десятки и даже сотни раз больше энергии, чем при ходьбе. И сильные мышцы птиц необходимо снабжать огромным количеством кислорода. Поэтому дыхание у птиц доведено чуть ли не до совершенства, и они обладают, пожалуй, самой эффективной дыхательной системой во всем животном мире. Птицы используют двойное дыхание, при котором кислород поступает в кровь непрерывно – и на вдохе, и на выдохе.

Дело в том, что для циркуляции воздуха у птиц есть специальные воздушные мешки, которые занимают до 20 % от объема тела. При вдохе воздух, богатый кислородом, затягивается и в легкие, и в воздушные мешки. При выдохе он из мешков поступает в легкие. Так что через легкие постоянно проходит свежий воздух, и кислород поступает в кровь непрерывно.

Более того, сердце у птиц относительно очень велико: оно составляет 0,8–2,5 % от веса тела. И бьется оно очень быстро, у мелких птиц – более 1000 раз в секунду! Усиленное сердцебиение и двойное дыхание многократно повышают метаболизм этих животных, и это покрывает высокие энергетические затраты, связанные с полетом.

Теоретический предел массы

Есть еще один факт, который стоит отметить. Самой тяжелой летающей птицей является дрофа, ее масса примерно 20–22 килограмма. Более тяжелых птиц не бывает. Получается, есть какой-то теоретический предел веса?

При увеличении размеров увеличивается масса тела, поэтому должны увеличиваться и подъемная сила, и мощность соответственно. Только вес тела растет пропорционально кубу размеров, а мускульная мощность – пропорционально поперечному сечению мышц, то есть квадрату размеров. Построив графики квадрата и куба, можно увидеть, что сначала сила мышц и мощность возрастают быстрее, чем масса, но в какой-то момент все меняется. Если предположить, что дрофа находится где-то на пересечении этих графиков, то человек – в области, где мощность уже слишком мала для полета с крыльями.

Что касается огромных ископаемых птиц и птеродактилей массой до 200 кг, то они вряд ли умели свободно летать. Скорее всего они просто планировали с большой высоты. И только изредка, ценой больших усилий, могли набрать немного высоты. Но существует много гипотез, описывающих полет птеродактилей, и споры об этом не утихают до сих пор.

Самолет на мускульной тяге

И все же стоит отметить, что определенных успехов людям удалось добиться. Правда, речь идет о самолетах с неподвижными крыльями, но на мускульной тяге. В 1988 году был поставлен рекорд дальности полета на самолете, который приводился в движение мускульной силой. Греческий велосипедист Канеллос Канеллопулос перелетел на расстояние 115 км чуть меньше, чем за 4 часа!

А в 2013 году человеку на мускульном вертолете удалось провисеть в воздухе 64 секунды и достичь высоты более 3 метров. Что касается машущих крыльями аппаратов, то тут до сих пор особых успехов нет.

Так что вряд ли мы сможем летать как птицы.

2.2. Почему насекомые маленькие?

Насекомые – маленькие создания, наполняющие нашу жизнь и красивыми красками, и лишними приспособлениями в доме, и полезными продуктами. Это огромный класс животного мира, включающий в себя бессчетное множество видов и подвидов (количество видов насекомых по крайней мере в 6 раз больше, чем остальных видов животных, вместе взятых). Но, несмотря на огромное многообразие, среди них нет довольно больших особей. Например, один из самых крупных жуков, дровосек-титан, достигает не больше 18 сантиметров в длину. Почему же так?

Точного ответа на этот вопрос никто не знает. Есть несколько теорий, и мы рассмотрим самые правдоподобные из них.

Экзоскелет

Согласно одной из теорий, все дело в том, что насекомые слишком хрупкие. Если увеличить насекомое до размеров, например, человека, то его хрупкое тело не выдержит своей тяжести. Насекомые – это беспозвоночные. У них нет скелета, и все органы кое-как держатся на хитиновом экзоскелете, опоясывающем все тело. Для небольших животных это очень удобно: экзоскелет выполняет одновременно несущую, защитную и многие другие функции.

Но если мы будем увеличивать насекомое, то выдержит ли это экзоскелет? Сложно сказать, ведь у нас нет экспериментальных доказательств. Однако мы можем провести некие аналогии. Например, с родственниками насекомых – ракообразными. Самые большие из них достигают трех метров в размахе. И хотя эти животные обитают под водой, где вес тела практически нулевой, они не ломаются, даже если вытащить их на сушу, ведь их хитиновый внешний скелет достаточно прочен.

Можно провести аналогии и с черепахами. Из хитина можно сделать такой же большой и прочный панцирь, как у галапагосских черепах.

К тому же, если представить скелет насекомого в виде цилиндрической трубки соответствующей прочности, то при увеличении размеров трубки ее прочность будет увеличиваться как раз в соответствии с увеличением массы животного. Поэтому внешний хитиновый скелет вряд ли является ограничивающим фактором для роста насекомых.

Слишком вкусные

Существует и другая теория, согласно которой насекомые не вырастают до больших размеров, потому что в таком случае они становятся слишком уязвимыми во время линьки. При росте насекомому периодически приходится сбрасывать свой панцирь и отращивать новый, ведь он не растет вместе с ним. Однако рост наблюдается у насекомых только в личиночной стадии, в которой скелет и так достаточно мягок и не обладает добротной защитной функцией.

Кровеносная система

Возможно, насекомые ограничены в размерах из-за очень несовершенной кровеносной системы. У них нет сосудов, а внутренние органы просто омываются кровью. Если увеличить насекомых в размерах, то под действием гравитации вся кровь будет скапливаться внизу и кровоснабжение отдельных органов будет затруднено.

Дыхательная теория

Но, пожалуй, самой правдоподобной кажется дыхательная теория. Дело в том, что насекомые дышат не так, как человек. У них нет легких, а дышат они через трахеи. Это такие трубочки, которые пронизывают все их тело. По бокам насекомого есть специальные отверстия – дыхальца. Через них воздух попадает в трахеи, которые ветвятся, как дерево, и достигают практически каждой клеточки тела насекомого.

Чем-то это напоминает кровеносную систему человека, в которой кислород переносится потоком крови в капилляры, и тем же потоком уносится ненужный углекислый газ. Развитые, крупные насекомые, например, богомолы, прокачивают воздух через трахеи дыхательными движениями. Однако они не могут добиться направленного движения воздуха в мельчайших трахеях из-за капиллярного сопротивления, поэтому туда он проникает только посредством диффузии (то есть из-за хаотичного движения молекул воздуха) максимум на 1–2 сантиметра. Это как пытаться задуть песок в маленькие отверстия: можно дуть сильнее, но больше песка через них не пройдет.

Вот тут мы и упираемся в ограничение размеров. Если насекомые будут слишком крупными, то, во-первых, трахеи будут очень длинные, поэтому воздух будет застаиваться и дыхание станет невозможным. А во-вторых, если уж очень хочется увеличиться в размерах и не задохнуться, то придется трахеи сделать настолько толстыми, что останется очень мало места для других органов.

Эта теория подтверждается экспериментами, в которых насекомых выращивали в условиях повышенного содержания кислорода. Если его содержание в атмосфере больше обычного, то даже в более длинные трахеи он будет поступать в достаточном количестве, что делает возможным увеличение размеров тела. Именно это и наблюдалось в экспериментах.

И занимательно то, что такой эксперимент для нас уже давным-давно провела матушка-природа. Насекомые – очень древние животные, намного старше динозавров, а тем более млекопитающих и людей. 300 млн лет назад атмосфера состояла из кислорода где-то на 32 %, что в полтора раза больше, чем сейчас. Поэтому насекомые были больше в размерах и могли достигать 65 см в размахе крыльев!

Не исключено, что личинки древних насекомых дышали через кожу и никак не могли этим управлять. Как известно, кислород – сильный окислитель и его чрезмерное количество вредно для здоровья. Чтобы этого избежать, личинки вырастали до особо крупных размеров, при которых весь кислород усваивался в должной мере.

Как мы видим, дыхательная теория является самой продуманной и логичной. К тому же она подтверждается разными направлениями науки.

2.3. Почему светятся светлячки?

Почему светятся светлячки? Почему, где и как происходит это чудо возникновения частиц света, фотонов? Может быть, микроскопические волшебные гномики включают в клетках огоньки?

Давайте сначала рассмотрим более общий вопрос, ответ на который физики нашли уже очень давно: где рождается свет? Представим себе атом и электроны в нем. Они спокойно вращаются на своих орбитах вокруг ядра. И тут бац! По каким-то причинам один из них может перейти в возбужденное состояние, у него появляется очень много лишней энергии, и он переходит на более высокую орбиту. В таком возбужденном состоянии электрон находится некоторое время, но потом он релаксирует и приходит в свое обычное состояние. При таком переходе электрон излучает излишек своей энергии в виде фотонов, то есть частиц света.

Самое интересное, что фотон всегда возникает одинаково, а вот способов предварительно возбудить электрон очень много. И самый простой из них – это нагреть тело, чтобы атомы с огромной скоростью бились друг о друга. Именно это происходит в пламени свечи, костре, обычной лампочке. Действительно, если нагреть любое тело до высокой температуры, то оно будет светиться. Даже ваша кошка или брокколи. Попробуйте нагреть гвоздь на плите, и он будет светиться красноватым цветом. Этому подвержены все тела, и мы никак не можем это контролировать.

Но, конечно же, светлячки не нагреваются до бешеных температур. В них происходит так называемая биолюминесценция. В этом процессе возбуждение электронов происходит за счет химических реакций с выделением энергии. Обычно эта энергия тратится на нагрев тела. Но у светлячков ее настолько много, что она идет на возбуждение электрона с последующим излучением фотона. Это реакция окисления люциферина. И регулируя окисление кислорода, светлячок может мигать и всячески управлять свечением. В отличие от обычной лампочки, в которой большая часть энергии тратится на тепло и КПД в 5–10 %, светлячок переводит в световое излучение 90 % всей энергии.

Помимо светлячков, существуют и другие организмы, которые освоили биолюминесценцию: грибы, медузы, глубоководные рыбы. И существует еще очень много видов так называемой люминесценции.

Например, фотолюминесценция. В ней возбуждение фотонов происходит под действием внешнего света. Электроны поглощают энергию падающих фотонов и переходят в возбужденное состояние. При этом существуют вещества, в которых электронам вообще запрещено переходить обратно в исходное состояние законами квантовой физики. Однако они это все-таки делают. Если такое вещество предварительно осветить ярким светом, то электроны быстро перепрыгнут в возбужденное состояние и потом долго будут переходить обратно. С такими веществами мы знакомы, это любые фосфорные штучки. А есть вещества, в которых электроны релаксируют практически сразу после возбуждения. Только поглощают они одно, а излучают немножечко другое. Ну, например, поглощают невидимый ультрафиолет и излучают зеленое свечение. Именно поэтому флуоресцентные краски так ярко светятся в ночном клубе. Именно так работают все отбеливатели: они поглощают ультрафиолет и излучают в видимом диапазоне, поэтому белье кажется намного светлее.

И кратко о других любопытных видах люминесценции.

Радиолюминесценция. В ней электроны возбуждаются и излучают свет благодаря радиоактивному излучению. Такие приборы служат десятки лет, а защитное стекло полностью защищает от небольшой радиации.

Триболюминесценция возникает при раскалывании и разрушении тел за счет энергии и деформации кристаллической решетки. Наблюдать это свечение можно при раскалывании кристаллов сахара или песчинок в воздухе при взлете вертолета.

Сонолюминесценция. Если обычную воду облучать ультразвуком, то в ней возникают области сжатия и разрежения. И разрежение может быть настолько сильно, что вода может разорваться и в ней образуется микропузырек с практически вакуумом внутри. Через мгновение этот бедный пузырек начинает сжиматься и схлопывается. И в последний момент перед тем как исчезнуть, он выпускает вспышку голубоватого цвета. Это возникает из-за моментального нагрева до 5000 Кельвинов. Однако сонолюминесценция по-прежнему остается самым неизученным видом люминесценции.

2.4. Почему животные симметричны?

Приблизительно 75000 человек на Земле обладают зеркальным расположением внутренних органов – сердце у них располагается справа, а печень слева. Это называется транспозицией внутренних органов, объясняется разными факторами, не передается по наследству и никак не мешает жизни этих людей.

Как видите, природа может запросто отразить нас, словно в зеркале, и ничего особо не поменяется. Ну а внешне и отражать ничего не надо, ведь люди, как и почти все остальные животные, обладают практически идеальной внешней зеркальной симметрией. Ее еще называют билатеральной.

Но зачем нужна эта симметрия? Действительно, у высших животных все органы обладают узкой специализацией: руки, ноги, голова, хвост – все они выполняют разные функции. Отсюда понятно, что верхняя и нижняя, передняя и задняя части туловища должны отличаться. Однако, несмотря на все это, левая и правая стороны тела абсолютно идентичны, как будто природа забыла придумать, с чем будет лучше справляться левая сторона, а с чем – правая. Или дело в другом?

Эволюция симметрии

Ответ довольно прост. Билатеральная симметрия – это, можно сказать, рудимент, особенность, которая передалась нам от наших предков, но при этом не мешала дальнейшей эволюции и осталась, хотя особо сильно мы в ней не нуждаемся.

Давайте перенесемся на 4 миллиарда лет назад. На заре возникновения жизни на Земле, когда все живые организмы были еще одноклеточными, самой идеальной формой для них был шар. Это диктовалось тем, что взаимодействовать с окружающей средой им приходилось во всех направлениях, ни одно из которых особо не выделялось, отсюда и такая форма. То есть тела были сферически симметричны: как их ни поворачивай, они похожи сами на себя. К тому же шар, при заданном объеме, обладает минимальной площадью поверхности, что достаточно экономно и практично.

Но в процессе эволюции организмы усложнялись и увеличивали свою массу. И вот тут вступила в действие гравитация! Из-за нее у живых существ появилась асимметрия по направлению верх – низ. Сверху теперь располагались преимущественно органы чувств, рот. Внизу – средства передвижения. Но осталась симметрия по окружности – радиальная. Можно было вращать тело вокруг вертикальной оси, и ничего не менялось.

Следующий виток эволюции начался, когда организмы поняли, что неплохо было бы перемещаться. Например, чтобы есть друг друга. Тогда появились хищники и жертвы. Тем и другим понадобились скорость и внимание: одним – чтобы догонять, другим – чтобы убегать. Так и появилась асимметрия по направлению перед – зад. Спереди расположились органы восприятия, мозги, рот – в общем, самое важное. Сзади – все остальное.

А вот симметрию между левой и правой сторонами эволюция не затронула. Эта симметрия эволюции никак не мешала, наоборот, она дублировала некоторые органы, и это было даже полезно. Например, два уха нужно, чтобы по задержке сигнала определять, откуда пришел звук. Два глаза необходимо для бинокулярного, объемного зрения. Даже ноздрей нужно две! Хотя, казалось бы, мы можем обойтись и одной. Дело в том, что почти всегда воздух через одну ноздрю движется медленней, чем через другую. Благодаря этому мы можем почувствовать запахи, которым для восприятия нами требуется немного больше времени, чем обычно. Таким образом, две ноздри расширяют диапазон доступных нам ароматов.

Что касается асимметрии внутренних органов, то она появилась из-за их чрезмерного усложнения. Заметьте, это проявляется только в пищеварительной системе – вы только представьте, что вы едите! Для переваривания всего этого нужен целый парк органов! И это чудо, что они хоть как-то поместились в организме, пусть даже несимметрично. И в кровеносной системе то же: сердце смещено из-за возникновения второго круга кровообращения. Если посмотреть на животных попроще (червяков, насекомых, рыб), то мы увидим, что у них внутренние органы абсолютно симметричны.

Другие виды симметрии

Кстати, и другие виды симметрии в природе тоже продиктованы взаимодействием с окружающей средой.

Существует, например, радиальная симметрия, когда тело, повернутое вокруг определенной оси на некий угол, повторяет само себя. Такой симметрией обладают морские звезды, большинство цветов, деревья. Как правило, продиктована она тем же – специализацией по одному направлению (верх – низ), так как по остальным направлениям взаимодействие с окружающей средой абсолютно одинаково. Цветы, которые растут просто вверх, радиально симметричны, а растущие вбок (орхидея, львиный зев) теряют симметрию перед – зад и становятся только зеркально симметричны. Листья, как правило, растут вбок, им радиальная симметрия не нужна, поэтому они симметричны только зеркально.

Конечно, здесь бывают исключения. Но, как говорит великий Шерлок Холмс, это исключения, но только подтверждающие правило! Например, манящий краб, камбала.

Раз мы говорим о симметрии, надо обсудить пчелиные соты. Они кажутся парадоксальным явлением, каким-то чудом природы. Действительно, как пчелам интуитивно удается создать такие стройные ряды одинаковых шестиугольников? Человек не может нормально шестиугольник нарисовать, а тут пчелы! Да и почему соты шестиугольные, а не квадратные, например?

Соты необходимы для хранения меда, яиц, куколок. Их нужно много, они должны быть одинаковы и просты. Существует не так много фигур, которыми можно замостить некую площадь без зазоров, а именно три: треугольник, квадрат и шестиугольник. И вот тут кроется главный секрет. Если взять три этих фигуры одинаковой площади, то наименьший периметр будет у шестиугольника! Значит, при построении именно шестиугольных сот строительного материала на них будет уходить максимально мало. Так что шестиугольность сот – результат хладнокровной оптимизации, достигнутый в процессе эволюции.

А как обстоят дела с симметрией в неживой природе? Возьмем снежинки. Это тот же самый снег, маленький кусочек льда, но какой удивительной формы, и каждый раз неповторимой! Снежинка образуется так. На начальном этапе молекулы воды соединяются друг с другом по три штуки и образуют шестиугольник. Потом на края шестиугольника начинают нарастать еще слои льда, причем со всех сторон одинаково. Правда, этот процесс роста идет с разной скоростью, то быстрее, то медленее. Поэтому и снежинки всегда получаются разными и двух абсолютно одинаковых вы не найдете.

Да и вообще, в неживой природе практически всегда так: если есть симметрия, то, скорей всего, из-за симметричности кристаллической решетки.

3. Тайна электричества

3.1. Как убивает ток?

Как убивает электрический ток? На самом деле вопрос очень сложный, потому что ток оказывает на человека различное воздействие: тепловое, химическое, психологическое. Поэтому существует очень много факторов, из-за которых можно погибнуть. И почему-то очень мало экспериментов проведено на эту тематику. Поэтому давайте рассмотрим только три самых частых причины смерти от электрического тока.

Первая – это фибрилляция. Сердце перекачивает кровь благодаря ритмичному сокращению мышц. Это происходит из-за слабых ритмических импульсов, которые генерируются в определенных клетках сердца и передаются мышцам. И если через сердце пройдет очень сильный электрический ток, то мышцы могут потерять чувствительность к этим слабым электрическим импульсам. Они выходят из-под контроля и словно становятся сумасшедшими. Они начинают быстро, хаотично и нескоординированно сокращаться, и в таком состоянии кровь уже не перекачивается. Это и называется фибрилляция. Кровоток останавливается, кислород не поступает в мозг, и он может умереть через 5 минут от кислородного голодания. Что примечательно: прекратить фибрилляцию можно также благодаря электрическому току, с помощью дефибриллятора. Это такая встряска напряжением в 7 тысяч вольт, которая может заставить сердце восстановить свою стабильную работу.

Еще одна причина гибели от электрического тока – это паралич дыхательных мышц. Для начала надо уточнить, что объем легких увеличивается и уменьшается не из-за того, что там становится больше или меньше воздуха, а из-за того, что благодаря мышцам грудная клетка то увеличивает объем, и тогда воздух втягивается внутрь, то уменьшает объем, и тогда воздух выходит обратно. Вот так происходит дыхание, и контролируется этот процесс тоже благодаря электрическим импульсам, которые в данном случае генерирует мозг. Электрический ток может заблокировать мышцы грудной клетки, так как они потеряют чувствительность к этим электрическим импульсам. Человек не может ни вдохнуть, ни выдохнуть, и поэтому умирает от удушья.

И еще одна причина смерти от электрического тока – это ожоги. Когда по проводнику движется электрический ток, то заряженные частицы ударяются о молекулы проводника, эти молекулы увеличивают свою скорость, и температура проводника в целом увеличивается. Именно так устроены утюг, паяльник, плита. Абсолютно такой же нагрев может происходить в теле человека, и тогда он может получить смертельные ожоги внутренних органов.

Есть еще один вопрос: что же все-таки убивает? Ток или напряжение? Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, а напряжение – это всего лишь характеристика электрического поля, под воздействием которого и начинается это упорядоченное движение. Поэтому можно считать, что электрический ток – это следствие напряжения и напряжение первично. Но убивает все равно электрический ток. Напряжение можно уподобить лучнику, а ток – стреле. Да, лучник создает движение, но убивает все равно стрела. Если будет очень большой ток, то вам точно крышка. А если будет очень высокое напряжение, то еще не факт.

В подтверждение этому можно привести скин-эффект. Электрический ток бывает постоянный, который течет только в одном направлении, и переменный, который меняет свое направление. И если он меняет направление тысячи раз в секунду, то тогда он протекает лишь по поверхности, не заходя внутрь проводника. Самый простой пример скин-эффекта – это плазменный шар. Если человек дотрагивается до него, по нему протекает электрический ток и уходит в землю и окружающее пространство. Напряжение здесь очень высокое – до 5 тысяч вольт. Однако из-за высокой частоты ток протекает только по коже и не причиняет никакого вреда.

Есть еще один интересный эффект – люминесценция. Если к плазменному шару поднести неподключенную лампу дневного света, она начинает светиться. Дело в том, что когда лампа подключается к сети, в ней возникает очень высокое напряжение (с помощью преобразователя), намного больше, чем 220 вольт, именно из-за этого она и светится. В данном случае происходит почти то же самое. Вокруг шара возникает высоковольтное электрическое поле, которое пронизывает все тела вокруг. Оно проходит внутрь лампы и заставляет ее светиться.

Ток – опасная штука. Будьте аккуратны с электричеством!

3.2. Что будет, если электричество исчезнет?

Согласитесь, самое нужное в нашей жизни работает на электричестве: холодильник, плазма, приставки, кулер в офисе, электроблинницы, в конце концов… Серьезно, без электричества мы бы умерли! Ведь по нашим нервным клеткам протекают электрические импульсы. Сердце бьется благодаря им. Так что, если электричества не будет, наша жизнь станет просто невозможна.

Но все же давайте представим, что будет происходить во вселенной, если электричество вдруг исчезнет.

Тут нужно уточнить. Большинство наших приборов – ноутбук, чайник, блинница – работают на электрическом токе. Это направленное движение электрических зарядов. Но они также могут быть и неподвижны. Тогда мы имеем дело со статическим электричеством. Давайте представим, что исчезнет не ток, а именно электрические заряды.

Тогда, конечно же, все электроприборы перестанут работать. Перестанут идти грозы, прекратится фотосинтез, да более того, остановится любая жизнь! Ведь многие процессы в клетках регулируются электричеством: синтез АТФ, проницаемость мембран, движение органелл. А в многоклеточных организмах вся нервная система устроена на электрических импульсах. Без этого мы не будем такими нервными, однако в живых мы тоже не останемся.

Магнитное поле

Но если углубиться в вопрос, все еще интереснее. Дело в том, что магнитное поле тоже возникает благодаря электрическим зарядам! Точнее, благодаря их движению. Вокруг проводов с током всегда есть магнитное поле, так устроены электромагниты. Да даже в обычном магните поле создается электричеством, ведь электроны в атомах движутся, и вокруг них возникают маленькие магнитные поля, которые складываются в большое магнитное поле. Можно даже говорить о едином электромагнитном поле, а электричество и магнетизм – это разные его проявления.

Движущиеся электроны – это словно маленькие электротоки

Вы только представьте, как только исчезнет электричество, все магнитики с холодильников отвалятся. Замочки на сумочках станут бесполезны. Да и вообще исчезнет магнитное поле Земли. Из-за этого часть атмосферы снесет солнечным ветром, усилится доза радиации от солнца, получаемая людьми, перелетные птицы будут сбиваться с пути. В целом произойдет много мелких, но не самых приятных изменений.

Атомы

Но это еще не самое страшное. При исчезновении электрических зарядов мы все просто распадемся на атомы! Действительно, любое химическое соединение основывается на том, что «+» одних атомов притягиваются к «–» других атомов, и наоборот. Именно благодаря этим силам образуется кристаллическая решетка и твердые тела сохраняют свою форму. Если эти силы исчезнут, то молекулы распадутся и все мы моментально превратимся в пыль!

К тому же сами атомы тоже распадутся, ведь исчезнет притяжение между отрицательными электронами и положительным ядром. Это будет настоящий апокалипсис!

Нейтронная материя

Но и это еще далеко не все! На все тела во вселенной всегда действует гравитация. Отдельные составляющие притягиваются друг к другу, поэтому гравитация старается сжать тела. Этому обычно противостоит отталкивание электронов в атомах, так как они имеют одинаковый заряд. Но если эта сдерживающая сила исчезнет, гравитация может сжать любое тело до неимоверно микроскопических размеров. В результате мы получим настолько плотную материю, что одна чайная ложка ее будет весить как 25000 останкинских телебашен.

Такая материя называется нейтронной.

Дальнейшему сжатию препятствует отталкивание нейтронов атомов, но это силы уже другой природы, не электрической. Астрономы обнаружили в далеком космосе много объектов из такой материи и назвали их нейтронными звездами. Так что если исчезнет электричество, то мы все станем маленькими звездочками… в каком-то смысле.

Фотоны

Но все-таки увидеть красоту всей этой катастрофы мы не сможем. И не только потому, что все наши атомы развалятся. Дело в том, что все фотоны, частицы света, исчезнут!

Согласно современным представлениям, поля, электромагнитные и прочие, представляют собой концентрации виртуальных частиц. Электроны, протоны, нейтроны перекидываются виртуальными частицами и таким образом отталкиваются или притягиваются. И каждому виду поля соответствуют свои виртуальные частицы. У электромагнитного поля это фотоны, частицы света. То есть раз электромагнитное поле исчезнет, то исчезнут и фотоны, исчезнет свет. Только представьте себе это: тьма поглотит всю вселенную от края до края…

Темная материя

К счастью, электромагнитные взаимодействия вряд ли исчезнут. Экспериментально еще не удалось доказать, что они могут куда-то деться.

Но стоит отметить, что существует материя, которая не восприимчива к электромагнетизму. Фотоны спокойно проходят сквозь нее, она для них абсолютно прозрачна. Поэтому ее называют темной материей. Вполне может быть, что мы полностью окружены темной материей. Но ее частицы не отталкиваются и не притягиваются к нашим атомам, поэтому пролетают сквозь нас абсолютно незаметно. Ведь причина, по которой один человек не может пройти сквозь другого, – это электрическое отталкивание электронных оболочек. Более того, благодаря электричеству ни один человек не может прикоснуться к другому: поднесите ладонь к другому человеку – ваши электроны будут отталкиваться от его электронов. А вот если бы мы состояли из темной материи, электричество для нас не играло бы никакой роли. И если бы оно исчезло, мы бы взяли попкорн и с удовольствием наблюдали за этим зрелищем.

3.3. Никола Тесла: гений или шарлатан?

Только ленивый не знает Николу Теслу. Его именем называют автокомпании, музыкальные группы, видеокарты… Выдающийся изобретатель, пионер в освоении переменного электрического тока, он создал огромное количество устройств, которые мы применяем до сих пор. Но все ли его разработки были столь новаторскими и уникальными? Ведь многие идеи Теслы не были воплощены в жизнь. Что это? Жуткое стечение обстоятельств, в которые попал гениальный изобретатель, или вполне закономерный ход событий, связанный с ошибками Теслы, а может быть, даже его лукавством? Чтобы лучше понять, кем же он является, самое правильное – проанализировать его изобретения.

Двигатель переменного тока

В те времена остальные ученые исследовали более простой постоянный ток, но бурно развивающаяся промышленность торопила исследователей. Поэтому создавались электродвигатели на принципах, которые были не самыми эффективными. Упрощенно говоря, в таких двигателях постоянного тока между двух полюсов неподвижного магнита происходит вращение электромагнита, полярность которого должна постоянно меняться. Для этого по нему пускают ток в разных направлениях, используя подвижный контакт, в котором щеточки трутся о вращающиеся электроды, искрят и доставляют много хлопот.

Тесла заметил неэффективность таких машин и изобрел двигатель, основанный на другом принципе. В нем используется сразу две пары проводов с переменным током, который меняет свое направление туда-обратно. Причем колебания тока не синхронизированы. Это называется двухфазный переменный ток. При подключении тока к электромагнитам возникает два магнитных поля, полярность и направление которых постоянно меняется. Но, складываясь, они образуют единое вращающееся магнитное поле. Теперь достаточно поместить в него любой металлический предмет: в нем будут наводиться индукционные токи, и он будет послушно поворачиваться вслед за полем! Эта задумка позволила создать простой и эффективный двигатель переменного тока без искрения и прочих недостатков.

Однако Тесла не все рассчитал до конца. Оказывается, если использовать трехфазный ток, то конструкция становится еще более эффективной, да и передача энергии становится проще, ведь в сумме токи смогут давать ноль, и нужно не шесть проводов, а всего три, потому что в качестве вторых проводов можно использовать землю! Эту систему разработал инженер Доливо-Добровольский, и именно она используется по сей день на всех электростанциях и производствах.

Переменный ток

Но все же вклад Теслы в развертывание систем переменного тока очень велик. И действительно, переменный ток намного практичней постоянного. Например, при протекании любого тока по проводам всегда присутствуют потери на нагрев. Напряжение и силу переменного тока можно легко менять с помощью трансформаторов, поэтому его можно передавать на сотни километров без ощутимых потерь. А вот с постоянным током такой фокус не получается, и эффективная дальность передачи – около полутора километров. Вы только представьте, если бы сейчас в Москве на таком расстоянии везде бы стояли небольшие электростанции. Их бы потребовалось бы около 140 штук! Вместо 15, которые есть сейчас!

Токи высокой частоты

Дальнейшие исследования Теслы по-прежнему были связаны с переменным током, но теперь – очень высокой частоты. Оказалось, что если увеличить ее до 700 Герц, то ток не проникает в глубь проводника, а течет только по его поверхности! Его можно пускать по человеку, и он не причиняет никакого вреда, так как протекает только по коже. Это называется скин-эффект.

Сейчас этим мало кого удивишь, однако в то время это давало просто ошеломительный эффект. Тесла показывал удивительные опыты, в которых в его руках зажигались лампочки без каких-либо проводов. Более того, в установках Теслы были очень сильные электрические поля. Настолько сильные, что, проникая в колбы с разреженным воздухом, они ионизировали его и заставляли светиться без контакта с каким-либо проводником! Казалось бы, это было явным предвестником беспроводной передачи энергии. Но стоит понимать, что огромное ее количество тратилось впустую и эффективность такого метода была крайне низкой.

Радио

Но Теслу это не останавливало. Продолжая наращивать частоту переменного тока, он добился уверенного приема получающихся электромагнитных волн на большом расстоянии. Например, в 1898 году он уже демонстрировал первую радиоуправляемую модель кораблика. И его по праву можно считать изобретателем радио, хотя в это время дюжина отличных ученых успешно работала в этом направлении, поэтому единоличного права на изобретение радио ему давать все-таки не стоит.

Передача энергии

Логическим продолжением исследований Теслы было увеличение мощности передаваемого сигнала и, в перспективе, передача энергии по всему земному шару без проводов! Он сооружал огромные установки, изучал грозы. Он пытался использовать проводимость ионосферы и земной поверхности, однако натолкнулся на ряд сложностей.

Во-первых, для таких масштабных экспериментов требовалось очень много дорогостоящего оборудования. Но в то время никто не хотел жертвовать огромные деньги на такие фундаментальные исследования. Хотя, наверное, логичней было скупать все технологии Теслы и патентовать их, дабы никто другой не мог их использовать.

Во-вторых, Тесла, в силу своего характера, всегда работал один. У него не было команды, записей он вел мало, в основном все держал в голове. Из-за этого его деятельность быстро обрастала ореолом таинственности и загадочности.

Ну и в-третьих, вполне возможно, что он ошибался. Известно, что стоячие волны не переносят энергию. В своих наблюдениях он мог путать их с результатом интерференции обычных бегущих волн. Он пользовался своей логикой, уподоблял поля некой вязкой среде, что является не вполне верной аналогией, так что, начиная с каких-то масштабов, его суждения давали неверные предсказания.

Как видим, на протяжении всей исследовательской деятельности Тесла не изобрел ничего революционного. Все его идеи были эволюционными, и в то или иное время на земле находился ученый, который независимо от него исследовал ту же область. И если бы Тесла изобрел действительно что-то грандиозное, но ему помешали бытовые проблемы, то, без сомнения, другие ученые нашли бы способ реализовать это. Так что, скорее всего, неосуществленные планы Теслы – это результат его ошибки. Он очень красиво описывал открывающиеся перспективы своих изобретений, но не смог воплотить их в жизнь. Возможно, тогда и появилось недоверие к нему.

Гений Теслы в другом. В том, что поле его научной деятельности настолько широко, что он мог один заменить десятку лучших физиков тех времен! И тех изобретений, которые удалось реализовать, достаточно, чтобы утверждать, что Тесла – гениальный изобретатель своего времени, сделавший наш мир лучше.

3.4. Что такое шаровая молния?

Всем известно, что шаровая молния – это светящийся шар, который возникает в грозовую погоду, имеет в диаметре около 30 сантиметров и может двигаться по непредсказуемой траектории в течение нескольких десятков секунд.

Но на самом деле физики до сих пор не знают, что же такое шаровая молния. Сложность ее изучения заключается в том, что невозможно понять, где и когда она появится. Ее невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, и поэтому приходится опираться только на свидетельства очевидцев.

Существует более 400 теорий, описывающих шаровые молнии. Среди них есть такие, как козни дьявола, происки инопланетян, маленькие светящиеся феи, галлюцинации. Давайте их отбросим и рассмотрим лишь самые основные.

Одну из гипотез предложил Петр Леонидович Капица, советский физик, нобелевский лауреат. В ней утверждается, что шаровая молния появляется в пучности стоячей электромагнитной волны, которая возникает в результате грозовой активности. Действительно, если волна падает на поверхность, то при отражении гребни волн могут наложиться друг на друга, и тогда возникнет стабильная, не меняющаяся во времени, так называемая стоячая волна. В стоячих волнах есть области, которые называются пучность (только наоборот, на картинке помечен узел – самое узкое место, а надо пометить самое широкое. Это и будет пучность). В таких областях очень высокое электрическое поле, и может возникнуть очень сильно ионизированная плазма, которую мы и называем шаровой молнией. По этой гипотезе шаровая молния подпитывается энергией электромагнитной волны, именно поэтому она может так много излучать.

Согласно другой гипотезе, шаровая молния берет энергию не из электромагнитной волны, а из химических реакций. По этой теории шаровая молния состоит из оксидов азота и озона. Внутри молнии происходят химические реакции. Однако по грубым подсчетам этой энергии не хватает для того, чтобы молния светилась так ярко. Так что наиболее состоятельной выглядит теория, в которой шаровая молния является плазмой, то есть положительными и отрицательными ионами, которые образуются в результате удара обычной молнии. В этом случае положительные и отрицательные ионы постоянно соединяются вместе и нейтрализуют друг друга. Это называется рекомбинацией. И по подсчетам, этой энергии хватает для того, чтобы шаровая молния достаточно ярко светилась.

Но есть одна проблема. Если все ионы будут перемешаны равномерно, то рекомбинация будет происходить за 1 миллиардную секунды. Вы только представьте, насколько это быстро! Но из этого затруднения был найден выход. Давайте представим молекулу воды. В ней кислород перетягивает на себя электроны, и она с одной стороны становится отрицательной, а с другой положительной. Поэтому они начинают притягиваться к положительным и отрицательным ионам, которые уже содержатся в шаровой молнии, окружают их и образуют вокруг них что-то вроде шубы. Эта водяная шуба препятствует рекомбинации ионов, поэтому очень сильно замедляет процесс.

Но из каких именно веществ состоит шаровая молния? Ответ на это может дать фульгурит. Когда обычная молния попадает в песчаный грунт, из-за высокого нагрева песок может расплавиться и при последующем охлаждении застыть в виде трубочки. Это и есть фульгурит. Их очень часто находят, и самое главное, что они внутри полые. То есть внутри них может образоваться газ, это оксид кремния, и он может вырваться наружу и образовать шаровую молнию. Более того, в 2012 году китайские ученые смогли заснять 1,5 секунды полета шаровой молнии. Благодаря прибору, на который производилась съемка, они смогли разложить свечение шаровой молнии в спектр и узнать, из каких веществ она состоит. Оказывается, что шаровая молния, помимо азота, содержит еще железо, кальций и кремний, которые в большом количестве присутствуют в почве. И это подтверждает, что шаровая молния состоит из веществ почвы, которые испаряются в результате удара обычной молнии.

Конечно же, в реальности все может быть по-другому, ведь это хоть и подробная, но все-таки гипотеза.

3.5. Топ-5 заблуждений о молниях

Обычные молнии не менее интересны, чем шаровые. Только посмотрите на них – как они красивы в замедленной съемке! Хотя молнии – явление достаточно привычное, но относительно него существуют распространенные заблуждения. Рассмотрим некоторые из них.

Заблуждение № 1

Многие считают, что молния – это единственное электрическое явление в атмосфере. Но и сама атмосфера наэлектризована до 400 000 Вольт. Более того, на открытом пространстве, на расстоянии между пятками и носом человека, может действовать напряжение 200 В. Но человек – это хороший проводник. Поэтому электрическое поле как бы огибает человека и не оказывает на него практически никакого влияния.

Некоторые электрические явления очень красивы. Например, огни святого Эльма. Они возникают на концах острых объектов, на линиях электропередачи. Дело в том, что чем тоньше острие, тем сильнее искривляется и, как следствие, усиливается электрическое поле. И в этой области возможна ионизация газа, который светится. А всего лишь 25 лет назад были открыты новые виды молний, которые возникают выше грозовых туч – эльфы, джеты, спрайты. Они могут быть огромных размеров и простираться до высоты 200 километров. Эти виды молний очень слабо изучены.

Возможно, есть еще какие-то электрические явления, о которых мы пока что даже не знаем.

Заблуждение № 2

Всем кажется, что молния бьет из облака в землю, хотя на самом деле все совсем наоборот. Давайте представим себе, как возникает молния. Между землей и заряженным грозовым облаком может быть напряжение до миллиарда вольт. Когда начинается молния, из облака выходит ступенчатый лидер. Мелкими шажками со скоростью 50 тысяч километров в секунду он пробирается к земле, останавливаясь каждые 50 метров и постоянно меняя направление. Можно сказать, что это электроныразведчики, которые слабо светятся и прокладывают путь для основного разряда. И когда они доходят до земли, обратный разряд устремляется из земли в облако. Электроны начинают двигаться, но не все одновременно, а как автомобили на светофоре – один за другим. Эта волна движения распространяется снизу вверх, и поэтому свечение движется от земли к облаку.

Заблуждение № 3

Еще один интересный факт: оказывается, молния может убить не только при прямом попадании. Когда молния попадает в землю, она расходится в разные стороны. Поэтому электрический ток может ответвиться от земли и пройти по человеку, который стоял рядом. Но электрический ток, проходящий по человеку, зависит от расстояния между его ногами. Поэтому, если человек просто стоит на земле, то ток очень слабенький и не может его убить. А вот лошади или коровы часто гибнут от молний, потому что между передними и задними ногами проходит очень сильный ток. Так что во время грозы не надо тренировать шпагат или ложиться на землю. Лучше принять самую безопасную невысокую позу: сесть на корточки.

Заблуждение № 4

Еще одно интересное наблюдение. Многие считают, что после молнии мы всегда должны слышать гром. Но это не так. Молнии дальше 25 километров не слышно. Давайте представим себе звуковую волну. Она, подобно световой волне, может преломляться. Во время грозы это происходит на стыке теплого и холодного воздуха. Звук от молний меняет свое направление и не доходит до нас, а движется вдоль поверхности земли, постепенно угасая.

Заблуждение № 5

Многие считают, что молния не может бить в одно и то же место два раза. Но, во-первых, молния может многократно бить по одному и тому же каналу. Именно поэтому они и мерцают. А во-вторых, например, в Останкинскую башню молния бьет до 50 раз в год, ведь башня работает как огромный молниеотвод. Принцип работы молниеотвода такой: он очень острый, поэтому с него постоянно стекают электрические заряды, область вокруг него становится менее заряженной, и вероятность попадания молнии уменьшается. Но если уж молния и попадет в него (а такое бывает), то электрический ток уйдет в землю, потому что молниеотвод хорошо закопан. Так что молния при этом не причинит никакого вреда.

4. Наш дом родной, планета наша

4.1. Почему небо голубое?

Почему небо голубое, если воздух прозрачный? Почему на каком-то удалении появляется синева, откуда она берется?

Этот эффект обеспечивают несколько факторов. Первый из них – это рассеивание света. Мы знаем, что свет представляет собой электромагнитные волны. Причем каждому цвету из спектра соответствует строго определенная частота. Белый солнечный свет – смесь всех этих цветов. И когда он попадает в атмосферу, то начинает рассеиваться, то есть немного менять направление. Но законы рассеивания таковы, что чем больше частота, тем сильнее отклонения лучей. Получается, что красный, оранжевый, желтый оттенки проходят атмосферу практически по прямой. А вот голубые, синие, фиолетовые лучи рассеиваются намного сильнее. Поэтому они начинают путешествовать в атмосфере, постоянно меняя направление. Соответственно, если мы смотрим не на солнце, то именно эти лучи-путешественники и должны приходить нам в глаза со всех сторон.

Можно привести аналогию с шариками разных размеров, которые скатываются с наклонной ребристой поверхности. Более крупные шарики движутся по ней практически по прямой. Более мелкие начинают рассеиваться и немного менять направление движения.

Но почему небо не фиолетовое? Ведь рассеивается сильнее всего именно этот оттенок. Вот тут сказывается второй фактор: в солнечном спектре разные цвета имеют разную интенсивность. Что касается фиолетового, то его интенсивность меньше, чем голубого или синего. Именно поэтому в атмосфере наибольшее количество рассеянных лучей именно голубого оттенка. Что касается закатного, красного неба, то в таком случае лучи падают по касательной к поверхности земли и проходят огромную толщу атмосферы, настолько большую, что слабенькое рассеивание красных оттенков уже дает о себе знать. Именно поэтому небо имеет такой цвет, несмотря на то, что воздух прозрачный.

Кстати, облака тоже должны быть прозрачными, ведь они состоят из воды. Но мы видим, какие они белые. Это происходит опять же из-за рассеяния. Однако облака состоят из более крупных частичек, микроскопических капелек жидкости, и поэтому рассеиваются абсолютно все оттенки: от красного до фиолетового. Ну а при смешивании они дают белый цвет.

И раз уж мы заговорили о спектре солнца, то нужно понимать, что оно испускает и радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и даже немного рентгеновского. Так что видимое излучение – это всего лишь маленькая часть того, что излучает наше светило. Все это электромагнитные волны, и они обладают такими же свойствами, как и обычный свет.

Но вот почему на нашей планете вообще нет существ с чисто инфракрасным зрением? Или, например, с ультрафиолетовым? Во всем виновата эволюция. Если вы посмотрите на интенсивность солнечного света во всем спектре, то окажется, что самым ярким является зеленый свет. И живые существа в процессе естественного отбора приспособились к самому яркому излучению, которое падает к нам от солнца. Именно эти электромагнитные волны и стали видимым диапазоном спектра.

4.2. Как возникает полярное сияние?

Повезло тому, кто хоть раз видел яркое, завораживающее полярное сияние. Кажется, что словно природа рисует на небе невидимой кистью светящиеся полосы. Это удивительная игра света, на все небо – от края до края! Это самое удивительное световое шоу, которое только можно увидеть на Земле. У него нет аналогов. И самое главное, оно притягивает своей эксклюзивностью, тем, что только в холодных, суровых областях у вас есть возможность любоваться полярным сиянием довольно часто. И, конечно, шарма полярному сиянию добавляют льды и снега полярных областей, которые получили эксклюзивное право на трансляцию этого явления.

Но не всегда это сияние такое уж и полярное. Ведь совсем недавно мы могли наблюдать полярное сияние даже в Москве и других городах средних широт. Более того, непосредственно на полюсах оно бывает не очень часто. Так как же оно образуется и какие у него особенности?

Наша планета – удивительный везунчик, ведь для полярного сияния нужно два фактора: наличие атмосферы и магнитного поля. Они есть только у Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна.

Полярное сияние – это удивительное сочетание солнечной активности, магнитосферы Земли и воздействия всего этого на атмосферу.

Просто удивительно, насколько красиво, элегантно и гармонично устроена природа, как простейшие законы физики приводят к возникновению поистине поразительных явлений… Но обо всем по порядку.

Полярные сияния возможны благодаря тому, что Солнце испускает в пространство огромное количество не только излучения, но и вещества. От него непрерывно, с невероятной скоростью, отлетает бесчисленное количество протонов и электронов. Это явление называется солнечный ветер. По сути это плазма, но только светится она слабо, так как достаточно разреженная.

Иногда Солнце перебарщивает и выплевывает огромные кучи вещества. Это уже не просто небольшая вспышка. Через два-три дня полета все это вещество достигает Земли. При этом скорости у частиц разные, они обладают разной энергией, и вот тут начинается самое интересное. Они захватываются магнитным полем Земли, которое по структуре похоже на кочан капусты или лук и представляет собой множество магнитных оболочек.

Каждый одиннадцатиклассник должен знать, что на заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца, под воздействием которой они начинают заворачивать и двигаться по спирали. Получается, они как бы наматываются на линии магнитного поля и начинают двигаться к полюсам. Это чем-то напоминает макароны. Причем шаг винтовой линии зависит от силы поля: чем ближе к полюсам, тем оно сильнее и шаг меньше. В какой-то момент частица может остановиться и полететь обратно, закручиваясь вокруг линии магнитного поля. Таким образом она оказывается в ловушке и начинает колебаться около Земли в космосе.

Оказывается, что Земля просто опоясана такими областями, где частицы попали в западню, словно Индиана Джонс в комнате со сдвигающимися стенами. Это радиационные пояса. Таких поясов, как минимум, два. В ближнем к нам – самые быстрые частицы, но они не доходят до атмосферы и колеблются пока еще в космосе. Подальше – пояс с частицами помедленней. Его края находятся уже поближе, но все равно не касаются атмосферы.

Есть и третий пояс. На самом деле его не существует, потому что его края – в атмосфере, и когда частица попадает в этот пояс, она, дойдя до края, попадает в атмосферу. Зона вхождения этого пояса квазизахвата, как его называют, лежит на широте около 60–70 градусов. Там и наблюдают максимум сияний. Существуют сайты в Интернете, где можно онлайн отследить интенсивность сияний. А вот непосредственно на полюсах сияний мало, так как очень мало частиц с такими маленькими энергиями.

Когда частицы попадают в атмосферу, они летят с большой скоростью. Сшибая на своем пути атомы, они переводят их в возбужденное состояние, в котором у них есть излишек энергии. Долго атомы в таком состоянии не находятся и через доли секунды сбрасывают эту энергию в виде фотонов. Так что, видя полярное сияние, помните, что вы видите свет, созданный частицами солнца.

На разных высотах состав атмосферы разный, разные газы имеют разные энергии возбуждения, поэтому и цвет получается разный. В основном это зеленый (благодаря кислороду, азоту), но бывает и красный, и синий и так далее.

4.3. Разгон туч перед парадом

Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.

Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!..

Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?

Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.

ЖИДКИЙ АЗОТ

tкип = −196 °С

СУХОЙ ЛЕД

tсубл = −78 ℃

Если мы хотим, чтобы облако расплакалось, у нас есть два способа. Первый способ – это посыпать облако какими-то крупными частицами. Дешевый вариант – это цемент в виде порошка, более дорогой вариант – это йодистое серебро. В результате на этих крупных частицах образуются большие капли, которые выпадают в виде дождя. И второй способ – это охлаждение облака для усиления естественной конденсации. Для этого в туче распыляют жидкий азот или сухой лед. Эти вещества обладают очень низкой температурой, и общая температура в облаке немного понижается. Этого понижения достаточно для того, чтобы образовывались более крупные капли, которые выпадают в виде дождя. Ну и, конечно же, цена вопроса. Самый простой способ – это закидать все цементом, однако образующийся дождь получается очень грязным и противным. А вот качественный разгон облаков стоит около 2,5 миллиона долларов.

4.4. Народные приметы о погоде. Миф или правда?

Существует огромное множество народных примет о погоде. Некоторые из них появляются благодаря многолетним наблюдениям и обобщению фактов. Некоторые – просто шуточные фразы, не имеющие ничего общего с действительностью. Давайте рассмотрим самые известные и найдем им физическое подтверждение.

Ласточки низко летают – к дождю

Стандартное объяснение таково. Ласточки – насекомоядные птицы. В основном они любят охотиться на мух и комаров, залетая в их рой и выхватывая их на лету. Перед дождем влажность воздуха повышается, на крылышках насекомых начинают конденсироваться маленькие капельки, насекомым становится тяжелее летать, и они опускаются к земле. Вероятно, чтобы делать частые передышки. Соответственно ласточки устремляются за ними и летают на небольшой высоте.

Но, во-первых, влажность может меняться и по другим причинам, не только из-за приближающегося дождя. А во-вторых, недавние исследования с помощью замедленной съемки показали, что при полете мух и комаров вокруг крылышек образуются микровихри, эффективно стряхивающие маленькие капельки. А комары даже не боятся дождевых капель и могут пролетать их насквозь! Так что эта примета не больше чем миф, хоть и очень красивый.

Пузыри на лужах – к долгому дождю

Вот тут посложнее. Дело в том, что пузыри на лужах образуются всегда. Только вот время жизни у них всегда разное. Иногда они очень быстро исчезают, и мы не успеваем их заметить. Но иногда они держатся очень долго. Почему же так?

Разница эта зависит от влажности. Когда образуется пузырь, с его поверхности сразу начинает испаряться влага. Если влажность небольшая, то испарение происходит очень интенсивно, стенка пузыря быстро становится тонкой, и он практически сразу лопается, ускользая от нашего взора. Соответственно при большой влажности испарение происходит слабо, и пузырь живет намного дольше, в течение нескольких секунд.

Значит, длительность дождя зависит от влажности. Действительно, короткий дождь выпадает из небольшой тучи, которая быстро появляется, быстро выплакивает дождь, быстро исчезает. Поэтому влажность не успевает подняться. Но длительные дожди проливаются под большой тучей, под которой влажность уже успела подняться. Так что пузыри на лужах – это действительно верный признак длинного дождя.

Дым стелется по земле – к дождю

Достаточно известная примета со следующим простым объяснением. Перед дождем влажность воздуха более или менее повышается, поэтому на частичках дыма конденсируется влага. В таком случае дым становится тяжелее, поэтому стелется по земле, а не поднимается ввысь.

Скорее всего, это неправильное объяснение, ведь частицы дыма наверняка горячее воздуха, поэтому конденсация на них будет затруднена. При конденсации выделяется скрытая теплота фазового перехода из газа в жидкость, что только увеличивает температуру дыма. К тому же конденсированный пар не всегда тяжелее воздуха. Например, пар из чайника очень легок и быстро устремляется вверх.

Однако эта примета работает, значит, у нее должно быть какое-то объяснение. Дело в том, что плотность у сухого и у влажного воздуха отличается. И при одинаковом давлении и температуре влажный воздух будет легче, чем сухой, как бы странно это ни казалось. Все дело в том, что масса молекулы воды меньше, чем молекулы кислорода и азота, из которых состоит воздух. Поэтому при увеличении влажности в одном кубометре воздуха доля легких молекул воды будет расти и этот кубометр будет легче!

Обычно дым поднимается вверх по простому закону Архимеда. Он горячее, легче, поэтому сила Архимеда выталкивает его вверх. Но если сам воздух становится легче, то выталкивающая сила уменьшается и дыму ничего не остается, кроме как стелиться по земле. Грубо говоря, теперь воздух и дым поменялись ролями: дым стал тяжелее воздуха, поэтому стелется по земле. Примета доказана!

Кстати, раз влажный воздух легче, то этим можно объяснить уменьшение атмосферного давления перед дождем. Ведь оно обуславливается тяжестью столба воздуха, нависающего над нами. Понижением давления объясняется чувствительность суставов, зубов, головные боли, сонливость перед дождем. Во всем виновато давление!

4.5. Почему жара так утомительна?

Жара вызывает чувство сонливости и усталости. Почему это происходит?

Температура человеческого тела около 37 градусов Цельсия. И при температуре воздуха 30 градусов человеческое тело должно охлаждаться, ведь тепло переходит от более горячего тела к более холодному. Но мы почему-то чувствуем совсем противоположное: при такой температуре воздуха нам жарко.

Дело в том, что человек теплокровен, и он может вырабатывать тепло внутри себя для поддержания постоянной температуры тела. В холодную погоду нам это очень сильно помогает, ну а в жаркую погоду мы от этого немного страдаем. Тогда почему мы не можем выключить свою внутреннюю печку и довольствоваться только окружающей теплотой?

Давайте представим: даже если нет физической и умственной нагрузки, в организме происходят реакции катаболизма, в ходе которых сложные вещества переходят в более простые, а их организм использует в качестве источника энергии. Конечно же, эти реакции неидеальные, и КПД далеко не 100 %, поэтому очень много энергии теряется в виде тепла. Но и остановить эти реакции мы не можем, потому что в них вырабатываются вещества, необходимые мозгу, сердцу и другим жизненно важным органам. Остается только один способ избавиться от излишнего тепла – это сбросить его.

Что для этого нужно сделать? Во-первых, тепло из внутренностей нужно перенести на периферию. Для этого кровоток кожных покровов увеличивается аж в 4 раза! Именно поэтому некоторые краснеют при высокой температуре. Таким образом кровь эффективно передает тепло внутренних органов на поверхность тела. И во-вторых, это тепло с поверхности кожи нужно передать окружающей среде. Для этого есть несколько способов: теплопроводность – это просто передача тепла от более горячего тела к более холодному; излучение – это инфракрасные волны, которые излучает любое нагретое тело; дыхание – воздух в легких немного нагревается, и мы выдыхаем более горячий воздух; испарение пота с поверхности тела – при испарении улетают самые быстрые молекулы, а самые медленные остаются, поэтому температура тела немного понижается. Вот и все.

И все же, почему жара так утомляет? Во всем виновата нехватка кислорода. Во-первых, из-за того, что кровь приливает к коже, ее остается меньше для кровоснабжения мышц и мозга. Поэтому человек находится в состоянии небольшого кислородного голодания, от которого возникают чувства сонливости и усталости. Ну и во-вторых, этот эффект усиливается еще и тем, что при увеличении температуры плотность кислорода в атмосфере уменьшается. Проверить это очень просто. Выразим из уравнения Менделеева – Клапейрона плотность p:

Молярная масса M и константа R уже известны, а давление p и температуру T мы возьмем с gismeteo.ru. Возьмем данные за июнь, поставим в формулу и увидим, что при любом увеличении температуры плотность кислорода p уменьшалась.

Но всякая ли жара такая уж и жара? На самом деле не все зависит от температуры, очень большое значение имеет влажность. При высокой влажности интенсивность испарения уменьшается, и поэтому человек охлаждается слабее и чувствует очень большой дискомфорт. Может быть даже так, что 25 градусов при высокой влажности будут переноситься намного хуже, чем 35 градусов при низкой. Поэтому, просматривая прогноз погоды, всегда обращайте внимание не только на температуру, но и на влажность. Если она очень высокая – берегитесь, будет очень жарко! Ну и конечно же, благодаря потоотделению человек может переносить очень высокие температуры в пустыне или даже бане. Действительно, человек в бане не нагревается до 100 градусов Цельсия, потому что там очень низкая влажность и идет интенсивное испарение с поверхности тела. Возникает некий баланс между нагревом и охлаждением. И благодаря этому температура тела человека остается практически постоянной.

4.6. Вся правда об алмазах

Лучшие друзья девушек – это, конечно же, бриллианты. Яркие, искрящиеся ограненные алмазы, переливающиеся всеми цветами радуги. Они поистине красивы, уникальны и отчасти неповторимы. Но что делает их такими особенными? Почему их практически невозможно заменить другим веществом, минералом? Неужели они обладают таким набором качеств, которых просто нет у всего остального?

Да, они уникальны. Представьте себе красивую девушку, шею которой украшает бриллиантовое колье. Откуда взялись эти камни? Конечно, они огранены из мутного самородка алмаза, который был добыт в руднике, среди прочей руды, каким-то неизвестным нам работником за какую-то скромную зарплату. Пока все очень прозаично, но вот как образуются залежи алмазов? Вот это интересно.

Происхождение

Оказывается, среди всех драгоценных камней алмазы образуются на самой большой глубине – вплоть до 660 км! Вы только представьте! Земная кора имеет толщину до 75 километров. Под ней на многие километры простирается вязкая мантия с очень разнообразным химическим составом, температурой в тысячи градусов и колоссальным давлением в десятки тысяч атмосфер (из-за тяжести вышележащих слоев земли). И именно там, только в таких условиях, атомы углерода слой за слоем могут формировать кристаллы алмаза. Действительно, нужно высокое давление, чтобы при кристаллизации получался именно алмаз, а не графит. И высокая температура, для достижения определенной вязкости (углерод как бы переходит из жидкого состояния в твердое, но это очень условно).

Эти процессы происходят очень давно, и современным алмазам может быть до 3 миллиардов лет! Но как эти алмазы с такой глубины попадают на поверхность? В этом им помогает вулканическая активность.

Вулканы

Интересный факт: вулканы извергают вовсе не мантию, а магму. Это жидкий расплав, получающийся на границе земной коры и мантии, по сути их смесь. В коре Земли есть газообразные вещества, поэтому магма – это что-то вроде газировки. И в ней могут образовываться пузырьки, если давление резко уменьшается. Когда это происходит, магма пузырится, пузырьки устремляются вверх, увлекают за собой магму, и так происходит извержение.

Сотни тысяч лет назад в определенных местах на Земле происходили прорывы коры, и раскаленная магма выходила на поверхность. Само собой, она увлекала за собой и алмазы, находящиеся в мантии. В дальнейшем вся эта порода застывала, образуя так называемые кимберлитовые трубки. В сечении они напоминают морковку, сверху их диаметр может достигать километра. И около 10 % таких трубок на Земле усыпаны алмазами! Сейчас практически вся добыча алмазов идет так: находим трубку, вырываем огромную яму в земле глубиной до километра, тщательно просеиваем руду, – профит! Сейчас крупнейшие такие трубки разведаны на юге Африки, в России (в Якутии) и в Канаде.

Искусственные алмазы

Стоит отметить, что с середины XX века освоены технологии получения синтетических алмазов ювелирного качества. Принцип тот же: углерод при высокой температуре под высоким давлением медленно кристаллизуется в алмаз. Качество получается отменное.

Так что девушки правильно делают, что ценят алмазы сильнее всего. Это самые древние камни, которые создала для них Земля, причем ближе всего к своему сердцу! Ведь сапфиры, рубины, изумруды и все остальное образуется уже в земной коре, то есть не глубже 70 км.

Блеск и мерцание

Отчасти благодаря своему происхождению алмаз обладает уникальными свойствами. Это самый твердый природный материал с очень высоким коэффициентом преломления и дисперсией. Последние два качества как раз и влияют на игру цвета в бриллиантах, на блеск и красоту.

Только подумайте, алмаз – камень прозрачный. Но блестит ярче зеркала! Как так получается? Как лучи отражаются от него? Вся хитрость в полном внутреннем отражении. Оказывается, лучи света могут отражаться от внутренней поверхности вещества словно от зеркала, а не проходить насквозь. Вы можете это сами проверить в бассейне. Нырните и посмотрите на поверхность. Вдалеке в ней будет отлично отражаться дно и все, что на нем есть. И оказывается, чем больше показатель преломления, тем для большего количества лучей и происходит полное внутреннее отражение, а не пропускание. Так что ограненные алмазы рекордсмены по блеску именно благодаря этому качеству.

А второй фактор – дисперсия. Белый свет – это смесь всех цветов, а разные цвета преломляются по-разному. Красный слабее всех, фиолетовый сильнее всех. Поэтому, войдя в камень, они словно расщепляются, расходятся там, отражаются, выходят обратно и как бы расходятся еще сильнее. Поэтому мы видим мерцание всех цветов радуги. И у алмаза очень велика разница между показателями преломления разных цветов, поэтому и эффект этот очень силен.

Бриллианты подходят ко всему, так как не имеют цвета. Непомерно высокая цена на них во многом объясняется монополией на добычу и производство алмазов, которая принадлежала компании «Де Бирс» вплоть до 70-х годов XX века. Самый большой алмаз в мире «Куллинан» стоит как 94 тонны золота.

Девушки, носите бриллианты… но и не забывайте тех, кто их вам дарит!

5. Космические дали

5.1. Как человек погибнет в космосе без скафандра?

Что произойдет с человеком в открытом космосе без скафандра? Ни у кого нет сомнений, что он умрет. Но от чего именно? Его разорвет на части, он задохнется, у него вскипит кровь, он сгорит на солнце?.. Версий очень много, несомненно только то, что человек погибнет. Так от чего он умрет быстрее всего?

Представьте себе, что вы находитесь в открытом космосе. Там очень холодно, – 271 градус по Цельсию. Конечно, практически все тела превращаются в ледышку при такой температуре. Но как это происходит? Мы знаем, что чем выше температура тела, тем быстрее движутся молекулы в нем. Быстрые молекулы горячего тела ударяются о молекулы холодного тела, теряют свою скорость, при этом тело остывает. Однако у космоса очень маленькая плотность. Например, на высоте 400 километров – меньше 1 квадриллионной грамма на кубический сантиметр. Так что передавать свое тепло там будет просто-напросто некому. Поэтому человек не замерзнет, а будет ощущать всего лишь легкую прохладу.

Теперь давайте рассмотрим другой эффект. От солнца можно получить очень сильный ожог или перегреться. Действительно, в космосе очень много ультрафиолета. На Земле он задерживается атмосферой, однако в космосе такого защитного барьера нет. Поэтому получить ожог открытых частей тела можно уже через 10 секунд. Впрочем, одежда может от этого полностью защитить. А что насчет перегрева? Даже если вы будете поглощать все солнечное излучение, то тогда потребуется как минимум 24 минуты, чтобы достичь летальной температуры в 43 градуса Цельсия.

Следующий фактор, который может привести к смерти, – давление. В космосе чертовски низкое давление, оно практически равно нулю. А внутри человека сохраняется одна атмосфера. Казалось бы, из-за этого перепада человека может разорвать. Но действительно ли этот перепад такой большой? Вовсе нет, ведь разница составляет всего одну атмосферу. Наши ткани достаточно прочны для того, чтобы выдержать такую нагрузку. Человек может раздуться, но не лопнуть. Однако это раздутие приведет к сжатию кровеносных сосудов, и уже через 90 секунд кровоток может прекратиться, что приведет к кислородному голоданию и дальнейшей смерти.

Но что может прикончить человека еще раньше? Может быть, у него закипит кровь? Действительно, при понижении давления температура кипения любой жидкости понижается. Но даже если снаружи давление будет нулевым, давление внутри кровеносных сосудов (то самое, которое меряют, обжимая руку) останется. При давлении в 75 мм ртутного столба кровь будет закипать при 46 градусах Цельсия. Но ведь кровь наверняка имеет температуру тела 36,6⁰. Поэтому она будет недостаточно горячей для того, чтобы закипеть.

Может быть, кессонная болезнь? Все жидкости обладают таким свойством: они могут растворять в себе газ. И кровь тоже может растворять в себе азот и кислород, которые мы вдыхаем. При резком понижении давления возможен следующий эффект: этот растворенный газ выделяется обратно в виде пузырьков, которые могут закупоривать кровеносные сосуды и приводить к трагическим последствиям. Больше всего этой опасности подвержены водолазы. На глубине 40 метров давление в пять раз больше, чем атмосферное давление. Соответственно, при резком всплытии возможен такой эффект, который и называют кессонной болезнью. Но когда мы в космосе, мы имеем дело с перепадом давления от одной до нуля атмосфер. При таких параметрах диаметр образующихся пузырьков меньше 8 микрометров. А диаметр самых маленьких кровеносных сосудов – от 8 до 12 микрометров. Получается, что этот эффект абсолютно безопасен и не влечет никаких серьезных последствий.

Ну и осталась последняя причина – недостаток кислорода. Если я не сгорю, не замерзну и у меня не закипит кровь, разве я не могу задержать дыхание? Ан нет! Давление в легких достаточно высокое, поэтому сила, с которой воздух будет вырываться наружу, очень большая, и этому нельзя будет воспрепятствовать. В результате такого выдоха человек потеряет весь запас кислорода, и у него останется около 10 секунд до того, как он потеряет сознание. За это время он может совершить пару разумных действий, направленных на спасение. Например, набрать 03.

Итак, если в каком-то фильме вы увидите, что люди перемещаются по космосу без скафандра, не такая уж это и выдумка. Оказывается, человеческий организм настолько крепок, что может выдерживать даже такие экстремальные условия.

5.2. Что будет, если гравитация исчезнет?

Гравитация – это сила, которая действует между любыми телами. Как Земля притягивается к Солнцу, так и Статуя Свободы притягивается к Эйфелевой башне, а кремлевские башни притягиваются к вашему телефону. Правда, эта сила ощутима, только если мы имеем дело с планетарными масштабами, но не стоит забывать, что она действует всюду, везде во вселенной, в каждой ее точке, внутри вас и снаружи. Давайте пофантазируем и представим, что будет, если она мгновенно исчезнет во всей вселенной.

Конечно, в первые моменты мы почувствуем невероятную легкость и невесомость. Мы сможем оттолкнуться от земли и парить в воздухе. Правда, обратно мы не сможем упасть, но это не самое страшное. Гораздо хуже, что что остановятся реки, перестанут литься дожди, исчезнут приливы, гидроэлектростанции перестанут работать, все тяжести не будут твердо стоять на поверхности. К тому же если исчезнет гравитация, то атмосфера не будет притягиваться к Земле и начнет рассеиваться в открытый космос. И уже через несколько дней наша планета будет безжизненной из-за никого содержания кислорода и огромной солнечной радиации, которая до этого задерживалась озоновым слоем.

И не стоит забывать, что Земля вращается, поэтому центробежная сила будет стремиться вытолкнуть наружу атмосферу и все, что плохо держится. Она действует всегда, но намного слабее гравитации, поэтому мы ее не замечаем. При исчезновении гравитации эта слабая сила даст о себе знать. Только представьте, автомобили, самолеты, корабли, слоны, бегемоты, люди, весь песок, вода в морях и океанах медленно начнут подниматься вверх… Ну, точнее, вверх только на экваторе, а на остальных широтах они с меньшей силой начнут подниматься под углом.

Но давайте представим, что произойдет во всей Солнечной системе, после того как исчезнет гравитация. Конечно же, Земля, остальные планеты, кометы, астероиды сойдут с орбиты и начнут двигаться по прямой. Скорость орбитального движения убывает с расстоянием, поэтому все тела, которые находятся от Солнца дальше, чем Земля, будут двигаться медленней, и получается, что мы сможем догнать их. Где-то через полгода мы пересечем пояс астероидов, через 7 лет достигнем орбиты Плутона. Далекие объекты, такие, как Плутон, пояс Койпера и облако Оорта, будут двигаться медленно, а мы быстро. Где-то через полгода мы пересечем пояс астероидов, так что мы их догоним и будем двигаться среди них. Это произойдет приблизительно через 400 лет (да, настолько Солнечная система огромна). Правда, плотность облака очень мала, и мы вряд ли врежемся в какой-нибудь астероид, так что бояться нужно не этого.

По всей Земле одновременно начнут извергаться все спящие вулканы. Дело в том, что они располагаются на местах стыков тектонических плит. Плиты наезжают друг на друга, и одна из них погружается вниз. Там она достигает мантии, плавится, и из нее образуется магма, насыщенная кучей элементов и растворенными газами. Пока есть гравитация, есть и давление, из-за которого газы содержатся в магме в растворенном виде. Но как только давление вышележащих слоев исчезнет, произойдет дегазация, как в бутылке минералки, образуется просто шквал пузырьков, и резко увеличивающаяся в объеме магма начнет искать выходы на поверхность, что приведет к обширным извержениям… Хотя они будут смотреться странно: гравитации же не будет!

Но и это далеко не самое ужасное. Пожалуй, самое страшное то, что при исчезновении гравитации Земля… взорвется! Дело в том, что внутри нашей планеты вещество мантии и ядра находится под колоссальным давлением. Оно возникает из-за тяжести вышележащих слоев, которые гравитационно притягиваются к центру. Как раз-таки под действием этого давления вещество очень сильно сжимается. Представьте: если гравитация исчезнет, давления тогда тоже не будет. Внутренности земли начнут расширяться, и это приведет к одновременному извержению всех вулканов и разрывам между тектоническими плитами! Правда, мантия достаточно вязкая, так что это будет похоже больше не на взрыв, а на плавное расширение с разлетающимися кусками земли во все стороны. Вот это действительно апокалипсис!

Но мы ведь считаем, что гравитация пропала везде, во всей вселенной. Для Солнца это обернется полнейшей катастрофой. Дело в том, что оно достаточно массивное, и внешние слои очень сильно притягиваются к центру. Гравитация как будто облачает его в корсет, сжимая и уменьшая в объеме. В противовес этому внутри солнца есть сила, распирающая его наружу, которая появляется благодаря огромному давлению термоядерных реакций. Сейчас эти силы сбалансированы, поэтому у Солнца стабильный размер. Но если гравитация исчезнет, то Солнце начнет с невероятной быстротой расширяться. Это приведет к невероятно огромному взрыву, от которого сразу же можно ослепнуть! В дальнейшем Солнце, точнее то, что от него останется, будет остывать и в какой-то момент затухнет, превратившись просто в туманность.

Это произойдет со всеми звездами во Вселенной, правда, увидим мы это не сразу. Ведь свет от них идет до Земли очень долго. Но через какое-то время на небосводе будут видны яркие вспышки и угасание звезд, одна за другой.

Но ведь и галактики вращаются вокруг определенного центра. Если гравитация исчезнет, притяжение пропадет и галактики рассеются в пространстве. Правда, этого уже не будет видно, так как все звезды в них потухнут, и вся Вселенная погрузится во тьму.

Так что спасибо тебе, гравитация, за то, что ты есть!

5.3. ТОП-5 способов побыть в невесомости

Что общего между падающим лифтом, космической станцией и центром Земли? Ну кроме того, что долго там не живут? Оказывается, во всех этих местах вы будете ощущать невесомость!

Что же такое невесомость? Это не то состояние, когда вы просто висите в воздухе, как в аэротрубе или на стропах парашюта. В невесомости все части тела теряют свою тяжесть: легкие не давят на желудок, желудок не давит на кишечник и так далее. Очень необычное ощущение. И мы привыкли думать, что невесомость доступна только космонавтам. Но на самом деле каждый может побывать в таком состоянии! Давайте посмотрим, как можно почувствовать невесомость.

Центр земли

Пожалуй, самый сложный, но интересный способ – оказаться в центре Земли. Представьте, что вы начали рыть глубокий колодец. Сила тяжести при этом будет уменьшаться. Ведь если мысленно разрезать планету на кусочки, как дольки апельсина, вы будете гравитационно притягиваться к каждой из долек. Но по мере продвижения в глубь планеты направления сил будут меняться, и они частично начнут компенсировать друг друга. В самом центре все силы будут полностью уравновешены, суммарная сила будет нулевой, и вы будете парить в невесомости! Конечно, вряд ли у нас получится так сделать, так что перейдем к реальным способам.

Падающий лифт

Представьте, что вы находитесь в обычном лифте. Если вдруг он начнет падать, вы окажетесь в невесомости. Если вы будете падать не в кабине, а рядом, падение будет синхронным. Но если вы в лифте, то все будет так же. Вы вместе с кабиной падаете с одинаковыми скоростями, поэтому ничего удивительного, что вы сможете висеть относительно стен. То же можно сказать и про все органы тела – все они падают с одинаковой скоростью, не давят друг на друга, поэтому вы не ощущаете их вес.

В такой ситуации не стоит пытаться поймать момент приземления и подпрыгнуть, чтобы остаться в живых. Это провальная идея! Ведь подловить момент приземления практически невозможно. Ну только если вы не победитель битвы экстрасенсов, конечно. К тому же скорость, которую развивает человек в прыжке, – около 10 км/ч. А скорость лифта при приземлении с семнадцатого этажа – около 90 км/ч. У вас не получится ее погасить.

Единственная рекомендация – принять горизонтальное положение. Вертикально вы рискуете сломать позвоночник и ноги. А в горизонтальном положении сломаете ребра – все-таки меньшее из зол. Но не стоит беспокоиться: нынешняя техника и средства защиты лифта от падения очень хороши и надежны.

Космическая станция

Вообще с физической точки зрения и лифт, и орбитальная станция движутся одинаково. Они находятся в свободном падении. Единственная разница состоит в том, что станция падает не вертикально вниз, а вбок. Ракета нужна не только для того, чтобы взлететь повыше, где нет сопротивления воздуха, но и для того, чтобы придать станции огромную скорость. Благодаря этому станция падает как бы вбок, настолько быстро, что постоянно проскакивает планету, улетает за горизонт – ведь Земля круглая. И, в отличие от лифта, станция не сталкивается с поверхностью. Ну, это если все хорошо рассчитано.

Так что космонавты оказываются в такой же ситуации, что и человек в лифте. Они падают синхронно со станцией, поэтому могут висеть в воздухе относительно стен. Удивительно, но на них по-прежнему действует сила тяжести, только она не вдавливает их в пол. Этот способ побывать в невесомости самый эффективный, но и самый дорогой – придется заплатить более 30 млн долларов.

Самолет

Как вы уже поняли, самое главное – свободное падение. И если какой-нибудь великан возьмет нашу несчастную кабину лифта и кинет ее под углом к горизонту, она полетит по параболе. Но все, что находится в кабине, тоже будет лететь по параболе и зависнет в невесомости! Это состояние достигается на всем пути: и при полете вверх, и в высшей точке траектории, и при полете вниз. По этому принципу устроены самолеты для тренировки космонавтов. Они задирают нос вверх, разгоняются, а потом в какой-то момент выключают двигатели и в итоге летят по параболе. Длится невесомость около 25 секунд, за вылет делают более 10 таких подъемов. Стоит это около 200 000 рублей.

Прыжок

Но есть и бесплатный способ ощутить невесомость – просто подпрыгнуть. Пока вы в воздухе, пока летите по параболе, вы ничего не весите! Это трудно почувствовать, потому что мышцы в прыжке напряжены. Да и воздух создает ощущение полета, а не зависания. К тому же на больших скоростях он оказывает сильное сопротивление. Но все же это действительно просто. Можно усилить эффект – прыгать на батуте, или из стратосферы, или на Луне. С трамплина, на мотоцикле, с тарзанки… Так что не сидите дома, отдыхайте активней! Ведь даже просто на долю секунды оторвавшись от Земли, вы становитесь чуть-чуть похожи на настоящих космонавтов.

5.4. Что такое черная дыра? Что внутри?

Поговорим о черных дырах. Загадочные космические объекты, поглощающие все вокруг… Но что они собой представляют? Так ли страшно падать в черную дыру? И самое главное, можно ли сделать ее из пончика?

Итак, черная дыра – это объект, гравитация которого настолько велика, что любое тело, выброшенное из него со сколь угодно большой скоростью, будет неизбежно падать обратно. Максимальной скоростью во вселенной обладает свет, и даже он не может преодолеть гравитацию и вырваться за пределы черной дыры. Наша черная дыра ничего не излучает, вот потому-то она и черная.

Образование черных дыр

Сценариев образования черной дыры может быть несколько. Самые реалистичные рассматривают сжатие материи в очень маленький объем. Как правило черная дыра – это маленький трупик звезды. Как было сказано в предыдущей главе, любая звезда – это огромный газовый шар, в котором действуют силы гравитации, которые стараются сжать его. Им противостоят силы внутреннего давления, возникающие из-за колоссальной температуры термоядерных реакций внутри звезды. Кстати, это словно воздушный шарик: давление изнутри распирает его, но в то же самое время оболочка стягивает его, сдавливает. Вот в таком балансирующем состоянии находится Солнце, да и любая звезда на небосводе.

Но когда запасы топлива заканчиваются, распирающая сила пропадает, и звезда начинает сжиматься под действием собственной гравитации. И если она сожмется меньше определенного радиуса, который называется радиусом Шварцшильда, то она станет черной дырой.

Черная дыра из пончика

На самом деле любой объект обладает таким радиусом. Можно взять человека, и если каким-то неимоверным образом сжать его до размеров в 20 миллиардов раз меньше электрона, то тогда он станет черной дырой. Если взять пончик, айфон, куропатку, арбуз, семечку, учителя географии, Кремль и сжать до определенного радиуса, то образуется маленькая черная дыра.

Землю нужно сжать до размеров черешни, Солнце – до шара диаметром 6 километров. Звезды тяжелее трех солнц уже сами по себе могут сжаться до черной дыры, только за счет собственной гравитации. Меньшим объектам не хватает массы и, соответственно, гравитационного сжатия, чтобы этого достигнуть.

Черные дыры без сжатия

Интересно, что средняя плотность черной дыры тем меньше, чем больше ее масса. Например, если черная дыра в 135 миллиардов раз тяжелее Солнца, то ее средняя плотность будет равна плотности воды. Только представьте, если взять всю воду на Земле, потом еще столько же, и еще столько же, и так 2000 миллионов миллиардов раз, и собрать всю эту воду где-то в космосе в огромную-огромную каплищу, то она станет черной дырой! И ничего сжимать не придется.

Устройство черной дыры

Но что находится внутри черной дыры? Как она устроена? Под действием колоссальной гравитации вся материя сжимается в одну точку. Эта точка имеет бесконечную плотность и называется сингулярностью. Вокруг нее образуется область, из которой ничто не может выбраться, даже свет. Ограничена эта область пространства так называемым горизонтом событий.

Падение в черную дыру (с точки зрения наблюдателя)

Интересно, а что же произойдет, если вы упадете в черную дыру? Сначала посмотрим со стороны вашего предполагаемого напарника. Тут будут сказываться эффекты общей теории относительности. В области с сильной гравитацией время течет медленней относительно областей со слабой гравитацией. Поэтому со стороны будет видно, что по приближении к горизонту событий ваша скорость уменьшается и уменьшается. Вы движетесь все медленней и застываете вблизи горизонта событий. Ваш напарник никогда не увидит, как вы пересекаете его, ведь там время останавливается полностью (с точки зрения стороннего наблюдателя, конечно). Более того, световые волны, отраженные от вас, будут испытывать все большее красное смещение и тускнеть. Так что напарник увидит, как вы потихоньку краснеете, тускнеете и в итоге исчезаете.

Падение в черную дыру (с точки зрения падающего)

Однако для вас все будет происходить совсем по-другому! Если черная дыра достаточно большая, то вы спокойно пролетите горизонт событий, ничего не заметив. Ведь внешне эта граница в пространстве особо ничем не примечательна, хотя обратно дороги уже не будет. Другое дело, что в какой-то момент времени вы превратитесь в спагетти! То есть вы почувствуете, что вас начинает вытягивать по направлению к сингулярности. Ученые решили назвать этот процесс креативно – спагеттификация. Происходит он из-за того, что гравитационное поле вокруг сингулярности очень неоднородно. Чем ближе к ней, тем оно сильнее, поэтому ваши ноги будут притягиваться намного сильнее, чем голова, и будет происходить такое вот растяжение. Так что вас разорвет еще до подлета к точке сингулярности. Ну а когда атомы, из которых вы состоите, все-таки упадут на нее, что будет с ними происходить, пока загадка.

Черные дыры являются крайне интересными объектами даже для теоретиков, ведь в них проверяются научные теории в экстремальных условиях. Опасаться их тоже не стоит, просто так они по космосу не летают. Но если уж вас и занесет в одну такую, просто наслаждайтесь, не каждому уготована такая судьба.

5.4.1. Почему черная дыра притягивает свет, если у него нет массы?

Каким образом черные дыры притягивают свет при помощи гравитации, если он не имеет массы?

Действительно, у фотона нет массы покоя, и, казалось бы, гравитация на него не должна действовать. Тогда почему говорят, что свет не может покинуть черную дыру?

Дело в том, что массивные тела (звезды, планеты… рюкзаки первоклашек…) искривляют пространство-время. А в искривленном пространстве свет может двигаться уже не по прямой, а по искривленной траектории, даже по замкнутой. Этот эффект подтвержден экспериментально: например, свет от далеких звезд искривляется, когда проходит вблизи Солнца. А вот около черной дыры пространство искривлено настолько сильно, что свет просто не может, грубо говоря, взобраться на слишком крутую стену искривленного пространства. Вот истинная причина черноты черных дыр.

5.5. Как далеко можно увидеть в телескоп?

С первобытных времен человек всегда хотел заглянуть за горизонт. Ему было интересно, что там? Есть ли край света? Если да, то что там происходит?

После Великих географических открытий не осталось сомнений, что у Земли нет края. Это всего лишь шар, вращающийся вокруг Солнца наряду с другими планетами.

После изобретения телескопа были открыты самые далекие планеты Солнечной системы. Стало понятно, что Солнце – это всего лишь одна из миллиардов звезд, которые мы каждую ночь видим на небосводе. Все эти звезды входят в огромную галактику Млечный Путь, диаметр которой 9,46 × 10¹⁷ километров.

И, как оказалось, наша галактика – это только одна из миллиардов галактик, которыми наполнена наша вселенная. Они объединяются в кластеры, скопления, и их очень много.

Это колоссальные масштабы, и то, что сейчас люди знают об этом, только доказывает гениальность человеческого разума. Но что дальше? Может, этот океан галактик тоже является частью чего-то большего?

Ну хватит, хватит!

Предел дальности современных телескопов

Давайте разберемся, насколько далеко в космос удалось заглянуть современным телескопам. Одни из самых глубоких изображений космоса дает орбитальный телескоп «Хаббл». В 2004 году он сделал фотографию маленького кусочка неба, на котором около 10 звезд, а все остальное – другие галактики. Среди них есть крошечная красная точка. Это самая удаленная обнаруженная галактика. Только представьте, фотоны от нее летели к нам 13,42 млрд лет! И все ради того, чтобы мы ее увидели.

Интересно то, что она очень красная. Дело в том, что вселенная расширяется, и все галактики удаляются от нас. Это как будто на воздушный шарик наклеить пуговицы и начать надувать его. Пространство, в котором находятся галактики-пуговицы, будет раздуваться. Причем пуговицы не расширяются, так как между молекулами действуют силы притяжения, точно так же, как и галактики, где действуют гравитационные силы притяжения.

Из-за удаления световые волны испытывают красное смещение, то есть их длина волны увеличивается и свет смещается в красную сторону спектра. Так что все далекие объекты – красные. Причем чем дальше галактика, тем быстрей она удаляется, тем сильней ее красное смещение.

Большие надежды мы возлагаем на новый орбитальный телескоп имени Джеймса Уэбба, который будет видеть в инфракрасном диапазоне, поэтому сможет показать нам еще более удаленные части космоса.

Но на самом деле есть еще более далекий объект, который виден в телескоп. Это реликтовый фон. Дело в том, что наша вселенная не такая уж и старая, ей всего 13,8 млрд лет. Поначалу она была молодая, горячая и испускала море излучения. Но через 400 млн лет подостыла и значительно расширилась, поэтому свет стал очень долго беспрепятственно распространяться из одной точки в другую. Реликтовое излучение – это тот свет, который образовался 400 млн лет назад и только сейчас смог до нас дойти из самых дальних точек нашей вселенной. Это излучение достаточно однородно и приходит со всех точек небесной сферы. Оно тоже удаляется и поэтому испытывает красное смещение. Но оно настолько сильно, что волны смещаются в микроволновую область. Так что его видно только в радиотелескопы, а глазами вы, конечно же, его никогда не увидите.

Но что насчет будущего? С развитием техники нам же наверняка откроются новые горизонты? Оказывается, нет. Существует теоретический предел, дальше которого мы никогда не сможем увидеть, как бы наша техника ни совершенствовалась и какие бы телескопы мы ни запускали.

Теоретический предел наблюдений

Вселенная расширяется, и чем дальше точка пространства, тем быстрее она от нас удаляется. И наверняка есть такое расстояние, на котором объекты удаляются от нас со скоростью света. Это расстояние называют сферой Хаббла, и все объекты, которые находятся на ней, движутся быстрее скорости света. Нынешний радиус сферы Хаббла – 13,8 млрд световых лет.

Поэтому все излученные фотоны не смогут нас достигнуть, и мы никогда не увидим этих объектов. Это как будто вы идете по эскалатору вниз, а он движется вверх, причем с одинаковыми скоростями. Таким образом, вы остаетесь на месте и никогда не дойдете до конца эскалатора.

Но все-таки сфера Хаббла не ограничивает область пространства, которую мы можем увидеть. Давайте представим себе галактику, которая находится за сферой Хаббла. Она испускает фотон, однако он удаляется от нас, потому что сама галактика и все пространство движутся от нас быстрее скорости света. Но сфера Хаббла расширяется, и через какое-то время фотон может попасть внутрь нее и начать движение уже к нам! И таким образом мы увидим эту галактику.

То есть существует сверхсветовая область пространства, из которой фотоны смогли попасть в сферу Хаббла и достичь нас, поэтому мы видим эти объекты. Эта область ограничена так называемым горизонтом частиц, и все, что находится дальше него, действительно невозможно увидеть.

Горизонт частиц образует сферу, и самые дальние объекты, которые теоретически могут быть видны, находятся от нас очень далеко. Дело в том, что пока их свет летел до нас, вселенная существенно расширилась и они улетели очень далеко – на 46 млрд световых лет. Жаль, что такие объекты заслоняет непрозрачный реликтовый фон, который находится сейчас на расстоянии около 44 млрд световых лет. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть практически до горизонта частиц и увидеть, что происходило сразу после большого взрыва!

Так что границу видимой вселенной очерчивает горизонт частиц. И хоть вселенная бесконечна, мы никогда не сможем заглянуть во все ее уголки. Пока мы остаемся на Земле, мы видим только часть Вселенной.

Но, я уверен, это лучшая ее часть.

5.6. Зачем нужен високосный год?

Всем известно, что каждый четвертый год длится 366 дней, потому что в нем есть один добавочный день – 29 февраля. Но зачем это нужно? Неужели за многовековую историю астрономических наблюдений ученые не придумали более простого и удобного способа летоисчисления?

Давайте мысленно перенесемся в 31 декабря: елка, магазины, подарки, «Ирония судьбы»… Так, не отвлекаться! У нас очень важная миссия: в тот момент, когда куранты пробьют ровно 12, мы поставим в космосе воображаемый флажок, а лучше елку, которая будет неподвижна относительно Солнца. И дальше мы будем жить своей обычной жизнью, ходить на работу, готовиться к ЕГЭ, смотреть видеоролики в Интернете. Через 365 дней, когда куранты снова будут бить 12, окажется, что необходимо около 6 часов, чтобы долететь до того места, где мы оставили нашу космическую елку в прошлом году. Поэтому, если вы хотите праздновать Новый год абсолютно там же, где и раньше, это необходимо делать около 6 утра.

Так что весь следующий год Земля бежит с 6-часовым отставанием от нашего времени. В следующем году ситуация повторяется, и отставание составляет уже 12 часов. На третий год отставание – 18 часов, и на четвертый год, когда отставание составляет 24 часа, мы, такие великодушные, даем еще один день Земле, чтобы она все-таки долетела до того места, где стояла наша елка. Тогда она проходит мимо нее ровно в полночь. А потом все повторяется.

Но и это только приблизительно. Если подождать 100 лет, то окажется, что мы очень много себе позволяли, добавляя каждые 4 года один день, и слишком сильно убежали с того места, где изначально проводили Новый год. Поэтому каждые 100 лет високосный год отменяется.

Представьте себе, и этой точности оказалось недостаточно! И каждые 400 лет, мы, несмотря на запрет, проводим високосный год. Таким образом, календарный год в среднем длится 365,2425 суток, что очень близко к реальному значению в 365,242799. Это григорианский календарь, и сейчас практически все им пользуются. Однако до него был юлианский календарь, в котором високосный год каждые 100 лет не отменялся. Его ввел сам Юлий Цезарь, и где-то в XVI веке люди почувствовали, что что-то не то. Начали разбираться, а там инквизиция и все такое… просто ужас! И оказалось, что ошибка календаря составила 10 дней. Поэтому было решено все даты сдвинуть на этот промежуток времени. Подумать только, когда-то было после 4 октября сразу 15-е! Интересно, как зарплату выдавали, стипендию… Но некоторые до сих пор используют юлианский календарь, который на данный момент сдвинут относительно григорианского на 13 суток. Именно поэтому православные Рождество и Пасха не совпадают с католическими. Исторические даты пишутся по старому стилю и по новому стилю. Именно благодаря этому мы празднуем старый Новый год.

365 + 0,25 − 0,01 + 0,0025

365 + 1/4 + 1/100 + 1/400

И еще один интересный факт: оказывается, существует високосная секунда. Казалось бы, вполне логично определить секунду, поделив сутки на 24, потом на 60 и еще на 60. Однако, ученые обнаружили крайнюю неравномерность вращения Земли, связанную с сейсмической активностью, покачиванием относительно оси вращения, приливами, отливами. Поэтому было решено определить секунду с помощью процессов, которые происходят в атомах. Эти процессы всегда происходят одинаково, хоть в научной обсерватории, хоть у вас на антресоли. Для этого подошел цезий-133. Он излучает очень стабильное излучение, и было принято 9 192 631 770 периодов этого излучения и взять за 1 секунду. Но так получилось, что эта секунда оказалась чуть мельче той, что рассчитывается по вращению Земли. Поэтому в сутках 86400, 002 секунды. Поэтому приблизительно каждые 500 дней приходится добавлять 1 високосную секунду. И с 1972 года было произведено 35 таких добавлений. Кстати, последнее добавление производили в июне 2015 года.

5.7. Исследования Плутона (данные на июль 2015)

Мы живем в эпохальное время и являемся свидетелями исторических, грандиозных событий. 14 июля 2015 года космический аппарат «Новые горизонты» приблизился к Плутону на минимальное расстояние в 12 500 км.

«Новые горизонты»

Что же в этом такого? Начнем с того, что впервые в истории космический аппарат подлетает к Плутону. Этому беспилотному кораблю потребовалось 9 лет, чтобы преодолеть 4,5 млрд километров и достигнуть столь отдаленного объекта Солнечной системы. Это самый быстрый объект, который люди запускали с Земли. Согласитесь, такое происходит не каждый день, не каждый год, а примерно… один раз в историю человечества!

Но что особенного именно в Плутоне (помимо того, что все остальные планеты уже изучены)? На что потрачены 650 млн долларов? Поверьте, необычностей хватает, это уникальный объект.

Плутон

Плутон – очень маленькая планета. Россия не поместилась бы на Плутоне: его площадь меньше, чем площадь нашей страны. Он находится на огромном расстоянии от Солнца, оно там видно уже как точка, а не как диск. Со времени открытия в 1930 году он еще даже не совершил одного оборота вокруг Солнца! Его период обращения вокруг Солнца – 247,9 земных лет! Он резко отличается от предшествующих ему планет-гигантов приблизительно во всем, поэтому так интересен ученым.

Вообще говоря, Плутон сейчас за планету не считают. Его относят в разряд карликовых планет. Почему? В последнее время было открыто очень много космических объектов за орбитой Нептуна, которые по размеру схожи с Плутоном. Оказывается, это один из многих объектов, которые образуют так называемый Пояс Койпера, и то, что его открыли первым, не должно наделять его особыми полномочиями.

Пояс Койпера

Это скопление ледяных глыб, карликовых планет, зародышей комет (чем-то похоже на пояс астероидов). Миллиарды лет они вращаются вокруг Солнца, и в них словно законсервированы секреты возникновения Солнечной системы. И изучив строение Плутона и его спутников, следы древних метеоритных бомбардировок, состав льдов, мы лучше сможем понять, как образовывалась Солнечная система. Так что Плутон интересен тем, что это крупнейший и ближайший представитель древнего пояса Койпера. Именно поэтому он так важен для астрономии.

Установленные приборы

Конечно же, на космическом аппарате установлены фотокамеры, одна обзорная Ralph, одна узконаправленная LORRI. На максимальном сближении разрешение будет 50 м на пиксель.

На нем также установлены различные приборы для исследования атмосферы (представьте, она там есть), тепловых свойств Плутона и даже частиц, которые как бы сдуваются солнечным ветром и словно образуют хвост кометы.

Есть даже прибор, измеряющий концентрацию пыли от столкновений астероидов, комет и прочих тел. Самое интересное, что этот детектор разрабатывался, создавался и управляется студентами. Беспрецедентный случай! Да уж, у кого-то будет очень интересный диплом.

Радиоизотопный генератор (РИТЭГ)

На таком огромном расстоянии от Солнца солнечные батареи, конечно, неэффективны. Поэтому используется другой источник энергии – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Он использует радиоактивный плутоний, но это не ядерный реактор! В нем не протекает цепная реакция, просто происходит естественный радиоактивный распад, из-за чего вещество нагревается. Далее это тепло преобразуется в электроэнергию. КПД, конечно, невысок, зато требуемая мощность в сотни ватт поддерживается десятки лет.

Гравитационный маневр

При пролете около Юпитера аппарат совершил некий гравитационный маневр. Оказывается, можно сделать так: при подлете к планете спутник как бы увлекается гравитационным полем и получает приращение скорости, не расходуя ни капли топлива. Как так? Просто происходит обмен энергиями с планетой. На сколько возрастает энергия спутника, на столько же уменьшается и у планеты. Но у нее такая огромная масса, что ее скорость изменяется ничтожнейше мало. Проще сказать – никак.

Двойная система

У Плутона, у этого крошки, целых 5 спутников. 4 из них очень крохотные, до 60 километров в диаметре. А вот один из них, Харон, большой, всего в два раза меньше самого Плутона в диаметре. Поэтому центр масс этой системы находится между ними, и они вращаются вокруг него. Тут уж нельзя утверждать, что Харон вращается вокруг Плутона, корректней сказать, что это двойная система. Можете сами это почувствовать. Возьмите легкий предмет и покрутитесь с ним. А теперь тяжелый. Чтобы его крутить, вы вынуждены будете сами вращаться.

«Новые горизонты» – самый далекий космический аппарат?

Вовсе нет. На данный момент самым удаленным рукотворным объектом является «Вояджер-1» – один из пяти космических аппаратов, покидающих Солнечную систему. Он был запущен еще в 1977 году, пролетел мимо Сатурна и Юпитера, а сейчас находится на расстоянии около 19 млрд км от Солнца. Свет туда идет больше 18 минут.

Сейчас сложно оценить значимость этой миссии, но пока такие есть, мы уверены – в нас еще есть дух первооткрывателей, исследователей, мечтателей, странников и путешественников. Тех, кто открывает новые горизонты!

6. Только физика, только хардкор

6.1. Что такое время?

Мне больше нравится следующее определение: это то, что заставляет все события происходить не одновременно. Некоторые считают, что время – это фундаментальное понятие нашего мира, наряду с пространством. Другие полагают, что это субъективное ощущение, продукт мышления и восприятия нами окружающего мира. Так что единого подхода к глубинному пониманию времени пока что нет. Но есть вещи, в которых уверены практически все, ведь они проверены очень точными экспериментами.

Например, согласно общей теории относительности время – это всего лишь одна из координат четырехмерного пространства-времени, в котором мы все с вами живем. И для того понять связь с привычным нам 3-мерным, рассмотрим следующий пример. Давайте вообразим себе 2-мерное пространство, в котором живут какие-то 2-мерные существа. Они конечно же плоские, двигаются только вдоль осей X и Y, не умеют подпрыгивать и заглядывать сверху. Если человек окажется в таком пространстве, то он не будет для них виден полностью. Он же 3-мерный! Будет видно только лишь его сечение, проекция человека на это пространство. А теперь давайте представим себе, что третья координата – это время. Соответственно, наша плоскость будет плавно перемещаться вдоль этой оси. И наши 2-мерные создания мы можем представить в виде длиннющих-длиннющих червяков, которые проецируются в определенные моменты времени на плоскость в 2-мерные создания. Абсолютно такие же рассуждения можно привести и для 4-мерного пространства. Мы в нем являемся длиннющими-длиннющими червяками, которые начинаются при рождении и заканчиваются при смерти. Но в 3-мерном пространстве мы всегда видим только лишь проекцию, сечение этого объекта. Так что время можно запросто представлять в виде одной из координат 4-мерного пространства.

Но почему вдоль осей X, Y и Z мы можем двигаться как угодно, а вдоль оси времени – нет? Мы же не можем его остановить, ускорить или замедлить. Или можем? Оказывается, согласно теории относительности, время может протекать везде по-разному. Например, если вы движетесь с огромной скоростью мимо неподвижного наблюдателя, то, с его точки зрения, стрелки ваших часов будут двигаться медленней.

Есть и еще один фактор, влияющий на течение времени. Это гравитация. Чем она сильнее, тем время протекает медленней. И, кстати, чем ближе к Земле, тем гравитация же больше. Поэтому у всех у нас ноги моложе, чем голова! Конечно же эти эффекты несущественны при небольших скоростях и в слабых гравитационных полях. Однако они все равно учитываются при работе ускорителей, атомных часов, систем навигации. Время можно даже замедлить до полной остановки. Для этого надо, всего лишь навсего, оказаться на горизонте событий черной дыры, там, где колоссальная гравитация. Ну или двигаться со скоростью света. Хм… Только представьте, если у каждого фотона на руке были бы часы, они бы стояли. Так что при определенных условиях мы, в принципе, можем менять течение времени.

Но вот повернуть его вспять вряд ли получится. Время протекает только в одном направлении, и с этим связаны фундаментальные законы, как ни странно, термодинамики.

Давайте рассмотрим такой пример: представьте себе фермера, у которого есть три разных овечки и три стойла, в которые он их загнал. Но по каким-то причинам он забыл закрыть стойла, и овечки, предоставленные самим себе, естественно, разбрелись по всей ферме. В таком состоянии вариантов расположения овечек намного больше! Величина, показывающая количество способов реализации того или иного состояния, называется энтропией. В нашем примере она увеличилась.

Короче, условно можно считать энтропию связанной с упорядоченностью системы. Чем меньше порядка, тем больше энтропия. И можно представить вместо овечек молекулы и их хаотичное движение. В замкнутой системе с течением времени порядка будет становиться все меньше и меньше, и энтропия будет возрастать. Кофе растворяется в молоке, воздушные шарики сдуваются. Можно более глобально: египетские пирамиды рано или поздно развалятся, звезды взорвутся и рассеются, каждый из нас когда-нибудь умрет и распадется на отдельные молекулы. Все во Вселенной стремится из более упорядоченного состояния перейти в более хаотичное, с увеличением энтропии. Именно в эту сторону направлено течение времени. Это можно использовать и в корыстных целях. Если у вас комнате беспорядок, вы можете просто оправдаться тем, что: «Это не я, это энтропия увеличивается!»

6.2. Теория струн для «чайников»

Теория струн в наше время у всех на слуху, это модный тренд в современной науке. Но что же это такое и почему к ней так много внимания? Давайте попытаемся разобраться.

Для начала надо сказать, что истинного знания в науке нет. Любая теория – это всего лишь математическая модель, описывающая реальность с какой-то определенной точностью. Взять, например, электрон. Есть море теорий, благодаря которым можно рассчитать его координаты, размеры, массу, заряд: классическая, релятивистская, квантовая, струнная. В каждой из теорий учитываются определенные свойства электрона, но вряд ли абсолютно все. Поэтому они выдают результат определенной точности все по-разному.

Для сравнения представим художника, который рисует картину. Он может изобразить на полотне основные характерные особенности объекта – цвет, форму, объем, не уделяя внимания более тонким деталям типа бликов, фактуры, крапинок. Так же и научные теории: в них передается реальность, но через математические термины, причем физические объекты в ней могут быть похожи на что угодно – шарики, волны, стрелочки, палочки. Но это не так важно, если теория дает точные результаты и верные предсказания.

На данный момент есть две глобальные, очень точные теории. Первая – общая теория относительности (ОТО), которая объясняет все свойства гравитации и считает пространство гладким. Вторая – квантовая теория поля (КТП), объясняющая поведение частиц в микромире и считающая пространство заполненным непрерывными осцилляциями и флуктуациями (хаотичными колебаниями) полей. Но есть проблема. ОТО выдает очень точный результат на больших масштабах, но на микроскопическом уровне ее формулы дают нелепые значения. В свою очередь, квантовая теория поля отлично описывает микромир, однако на больших расстояниях трудно применима. Можно сказать, две эти теории, примененные на одинаковом масштабе, противоречат друг другу.

Но внутренний голос подсказывает нам, что мир не может быть устроен так, что на разных масштабах действуют разные формулы и принципы. Должна существовать теория, которая одинаково хороша на всех масштабах. Это и будет самое точное описание мира, самая детальная картина вселенной.

Одним из вариантов такой теории является теория струн.

Суть теории

Согласно этой теории, в пространстве на очень малых масштабах (10⁻³⁵ метра, это на 20 порядков меньше протона) возникают полевые колебания, стоячие волны, которые похожи на колебания обычных струн. Эти колебания несут в себе энергию, которая соответствует определенной массе по знаменитой формуле E=mc² и, соответственно, частице с такой массой. Спектр колебаний широк, поэтому из него мы и получаем все многообразие элементарных частиц – электроны, нейтрино, кварки и т. д.

Еще раз повторим, это – математическая абстракция. Просто она очень хорошо подходит для описания взаимодействия частиц, да и сами частицы можно представить как энергию колебания струн.

Эта теория хорошо объясняет, почему у разных частиц именно такая масса, почему физические константы именно такие. Оказалось, что колебания струн могут гасить и уравновешивать микроскопические квантовые флуктуации и приводить в согласование ОТО и КТП, чего так долго добивались физики.

И на момент создания теории, в начале 70-х годов, казалось, что именно этот подход может быть универсальным для абсолютно любых масштабов и может стать основой единой теории, описывающей наш мир. Но в струнной теории оказалось много проблем. Некоторые уже решены, некоторые еще нет.

Решенные проблемы

Тахион. В первой редакции теории струн присутствовала частица с мнимой массой, квадрат которой был отрицателен. Такие частицы могут двигаться быстрее скорости света, что противоречит всем опытным наблюдениям и предыдущим теориям. Решение этой проблемы – введение суперсимметрии. Дело в том, что все частицы делятся на фермионы – это частицы вещества, и бозоны – это переносчики взаимодействий. Фермионы как бы перекидываются бозонами и таким образом притягиваются, отталкиваются – в общем, взаимодействуют. И пока никаких соответствий между двумя этими классами не найдено.

Суперсимметрия провозглашает, что у каждого фермиона есть родственник из мира бозонов, очень на него похожий. Если это так, то никаких тахионов не должно существовать, и проблема исчезает.

Минимальная суперсимметричная стандартная модель

К тому же в четырехмерном мире эта теория не сходится с КТП. Адекватно теория струн выглядит только в 11 измерениях. Почему мы не видим лишние 7 пространственных измерений? Пока ответ такой: на очень малых масштабах они сворачиваются и замыкаются сами в себя, как лента Мебиуса, так что в нынешних экспериментах не наблюдаются.

Нерешенные проблемы

В 2003 году выяснилось, что свернуть 11 измерений в 4 можно разными способами. Существует 10⁵⁰⁰ вариантов, как это сделать, и в каждом варианте получается разная вселенная, с разными фундаментальными постоянными, разными размерами бургеров, разными конституциями и разными вкусами фисташек. Есть мнение, что здесь замешан антропный принцип: человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно.

К тому же математический аппарат теории струн необычайно сложен. Частенько пользуются упрощенными вычислениями, что, конечно, точности не повышает. Для многих новых идей в этой теории еще не существует математических методов, поэтому все приходится придумывать с нуля.

И одна из самых важных проблем теории: пока нет опытных доказательств, даже косвенных. Ни суперсимметрия, ни какие-то другие следствия теории струн не подтверждены. Так что многие к ней относятся скептически, больше как к математике, нежели физике. Большие надежды возлагали на Большой адронный коллайдер, однако пока все серии опытов не привели к успеху.

Но все же ученые по всему земному шару продолжают работать в этом направлении, и каждые несколько месяцев появляются новые достижения, новые открытия. Действительно, слишком заманчивой кажется теория, которая может объяснить все. И наверняка каждый, кто работает над ней, хочет поставить в ней точку, чтобы у человечества появилась ясная и четкая картина, «как устроен мир».

6.3. Теория относительности для «чайников»

Так ли прост окружающий нас мир?

В каждой науке, пожалуй, есть самая интересная, основополагающая и фундаментальнейшая теория. Такая теория, которая в корне сменила научную парадигму и дала невероятный импульс для развития этой науки. В биологии – эволюция, в химии – периодический закон Менделеева, в физике – пожалуй, теория относительности.

Чем она такая особенная, как заслужила такую популярность? Ведь поначалу она казалась настолько необычной, новаторской, экстраординарной и мозговзрывательной, что не все видные физики хотели ее принимать. А в наши дни наверняка о ней слышали все.

Все дело в том, что она ликвидировала все несостыковки в физике того времени, заставила в корне поменять мнение о структуре пространства и времени и, прекрасно согласуясь с экспериментом, позволила предсказать много новых физических явлений, на основе которых созданы новые успешные теории и устройства, которыми мы сейчас пользуемся и даже этого не замечаем.

Для начала нужно отметить, что есть две теории относительности: специальная, которая рассматривает протекание физических процессов в равномерно движущихся объектах, и общая, которая рассматривает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение гравитации. Понятное дело, специальная теория относительности (СТО) появилась раньше и по сути является частью общей.

Специальная теория относительности

Сначала речь пойдет о частной теории относительности. В ее основе лежит принцип относительности: все законы природы одинаковы и относительно неподвижных, и относительно равномерно движущихся тел. Казалось бы, все очень просто. Но из этого следует, что и скорость света, огромная величина, относительно любых тел будет одинакова. И вот из этого следует очень много необычных выводов, которые сложно укладываются в голове.

Например, представьте себе, что вы летите на космическом корабле со скоростью 100 000 км/с. На борту установлена лазерная пушка, которая стреляет вперед фотонами. Относительно корабля они летят со скоростью 300 000 км/с. А относительно неподвижного наблюдателя? Казалось бы, скорости должны складываться, но нет! Точнейшие эксперименты показывают, что тоже со скоростью 300 000 км/с. То есть как будто скорость корабля не добавляется!

Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, с какой бы скоростью вы ни двигались. То, что свет движется всюду одинаково, влечет за собой очень много необычных следствий.

Первое – замедление времени. Вообразите два корабля, которые летят на очень больших скоростях параллельно друг другу на расстоянии. Если один из них посылает световой импульс другому, и тогда он проходит это расстояние за время t’=L’/c, то есть расстояние между ними L’=ct’. Но со стороны мы видим, что свет шел по наклонной траектории. Согласно Эйнштейну, с той же скоростью. Но теперь он прошел другой путь! А именно L=sqrt(L’²+v²t²)=ct. И если отсюда выразить время t, то получится, что на одно и то же действие со стороны свету потребовалось больше времени, чем с точки зрения капитанов кораблей. Значит, время протекает медленнее у движущихся кораблей, нежели у неподвижного наблюдателя. Степень замедления зависит от скорости. Чем она ближе к скорости света, тем медленнее течет время. Самое необычное, что по достижении скорости света время вообще останавливается! И фотоны, движущиеся с этой скоростью, вообще не знают, что такое время. Оно для них остановлено. Их рождение, полет и смерть происходят в один миг.

t’ = t × √ (1 − v²/c²)

Вот видите, предположив, что скорость света всегда одинакова и использовав теорему Пифагора, мы доказали то, что 100 лет назад просто взрывало мозг лучшим физикам планеты. Самое главное, этот эффект на малых скоростях проявляется ничтожно мало, но точнейшие эксперименты, в которых атомные часы сутками летают на самолете, это подтверждают. Это правда! Замедление времени дает о себе знать, когда из космоса, с расстояний в миллионы световых лет, к нам прилетают частицы, которые живут всего доли секунды. Просто они движутся с настолько огромной скоростью, что время у них замедляется очень сильно и они успевают пролететь это расстояние.

Стоит отметить, что замедление времени будет происходить с точки зрения неподвижного наблюдателя. На самих ракетах никто не заметит ничего необычного. Вот именно, что все дело в относительности. Только в относительно движущемся теле проявляется этот эффект.

Теперь становится понятным, почему фотоны, испущенные лазерной пушкой, не движутся быстрей скорости света. Просто там замедляется время. И когда проходит одна секунда, у света, испущенного с корабля, прошла не секунда, а меньше. Поэтому он и проходит меньше, но к этому добавляется скорость корабля, и получается опять же скорость света! Бинго!

Второе. По ходу движения предметы сокращаются! Действительно, длину предмета можно рассчитать, умножив скорость света на время, за которое он пройдет из начала в конец предмета. Но опять же, раз в движении время замедляется, то и длина будет меньше. Представьте себе, если мимо вас будет пролетать ракета длиной в 100 метров со скоростью 250000 км/ч, то по нашим измерениям, ее длина будет около 55 метров.

L’ = L × √ (1 − v²/c²)

Третье. События, одновременные с точки зрения движущегося наблюдателя, будут не одновременны для неподвижного.

Действительно, представьте себе, что спереди и сзади ракеты есть огни, которые загораются при попадании на них светового сигнала, посланного из центра ракеты. Относительно ракеты лампочки загораются одновременно, но относительно неподвижного наблюдателя световой сигнал движется влево и вправо с одинаковой скоростью, а значит, задняя загорится быстрее, чем передняя.

Четвертое. При движении масса тела увеличивается вплоть до бесконечности. Правда, сейчас считается моветоном так говорить, лучше считать, что увеличивается импульс, но это уже тонкости.

И пятое. Согласно специальной теории относительности получается, что энергия рассчитывается так:

Если скорости небольшие, то выражение можно разложить в ряд:

Тут вы можете увидеть кинетическую энергию mv²/2. Остальные слагаемые крайне малы. И если тело покоится, то формула превращается в ту самую, которая является чуть ли не символом теории относительности:

E = mc²

Как видите, даже в покое у тела есть энергия мс²! Это энергия покоя, она есть в каждом теле. Можете даже посчитать, сколько в вас энергии. Проблема в том, что извлечь ее достаточно трудно, ведь для этого ваша масса должна куда-то исчезнуть. Но как раз-таки в ядерных реакциях масса продуктов совсем чуть-чуть отличается от массы реагентов. И эта разница превращается в колоссальную энергию! Например, если потеря массы всего 0,0006 грамма, то выделяется 54 000 000 000 000 Дж энергии! Это энергия ядерного взрыва бомбы, сброшенной на Хиросиму!

Все эти следствия приводят к тому, что скорость света – максимально возможная скорость движения тел и распространения информации. Ведь если ее превысить, время и длина теряют смысл. А для тел, имеющих массу, она вообще недостижима, ведь при разгоне масса увеличивается до бесконечности, и никакой энергии не хватит, чтобы достичь скорости света. Так могут двигаться только безмассовые частицы, например фотоны.

Вот так и получается, что у каждого движущегося объекта могут быть свое собственное время и свои размеры. И это поистине удивительно, ведь получается, что такие абсолютные величины, как время, длина и энергия, относительны.

Теория относительности учитывается при движении электронов в крупных атомах, где их скорость может быть близка к скорости света. Она может объяснить притяжение к электромагнитам, ведь при пропускании электрического тока заряды определенного знака начинают двигаться, при этом сокращаясь и уплотняясь, и тем самым создавая силу электрического притяжения, хотя мы привыкли называть это магнетизмом. Теория относительности дала ключ к пониманию процессов в ядре и многому другому, всего не перечислить.

Общая теория относительности

До сих пор мы говорили о специальной теории относительности и ее эффектах. А сейчас перейдем к ее логическому продолжению, обобщению – ОТО. И чтобы лучше ее понять, нам необходимо объединить два факта.

Первое. Мы живем в четырехмерном пространстве-времени. Испокон веков считалось, что такие фундаментальные понятия, как пространство и время, не зависят друг от друга. Но СТО нашла связь между ними, и она оказалось такой сильной, что стало понятно: это проявление одной сущности, которую назвали пространственно-временной континуум. Это и есть четырехмерное пространство-время. И все мы являемся четырехмерными объектами. Просто мы, жалкие создания в этой вселенной, не можем видеть все 4 измерения одновременно, а только лишь по частям: либо как пространство, либо как время. По сути, мы всегда воспринимаем проекцию четырехмерного объекта либо на пространство, либо на время, словно объекты отбрасывают тени на координатные оси. (Можно привести в пример следующую абстракцию: пространство-время – это словно цилиндр. Но мы видим либо его проекцию как круг, например время, либо как прямоугольник – пространство.)

Примечательно, что теория относительности не утверждает, будто объекты меняются при движении. Заметьте, размеры теней/проекций не должны совпадать с размерами объекта. Четырехмерные объекты остаются неизменными, но при относительном движении их проекции меняются, и мы воспринимаем это как замедление времени, сокращение размеров и так далее.

И второй факт: все тела падают с постоянной скоростью, а не разгоняются. Как это так?

Давайте проведем мысленный страшный эксперимент. Представьте, что вы теряете сознание, потом приходите в себя и оказываетесь в непрозрачной кабине лифта. На вас наручники, рядом пила, в общем, ужас. Необычности добавляет то, что вы находитесь в невесомости. На экране телевизора появляется кукла и говорит: «Сейчас ты находишься в невесомости, и это могло произойти по двум причинам. Либо ты находишься в далеком-далеком космосе и просто летишь по инерции равномерно. Либо ты свободно падаешь на землю под действием гравитации (действительно, и вы, и лифт будете падать синхронно, поэтому относительно стенок лифта вы будете висеть в невесомости). Угадай, в какой ситуации ты находишься, иначе…»

Проблема в том, что, не выглядывая из лифта, вы никак не сможете отличить эти два случая. Так что вы обречены.

Ну да ладно! Это мысленный эксперимент, все остались живы. Интересно то, что отличить эти два случая друг от друга невозможно. Хотя в первом случае скорость постоянна, а во втором – увеличивается. Падение-то происходит в четырехмерном пространстве.

Эйнштейн выдвинул дерзкую мысль: а что, если движение под действием гравитации – это и есть равномерное движение по инерции? Все удивились: как это может быть? Ведь по инерции движутся равномерно, с постоянной скоростью. Но равномерным это движение является в четырехмерном пространстве-времени. Массивные тела искривляют четырехмерное пространство, и равномерное движение объектов в нем проецируется в трехмерное в виде ускоренного под действием гравитации. Ну или вообще по окружности, параболе и т. д.

Невероятно трудно представить, как искривляется четырехмерное пространство. Чтобы это воочию увидеть, нужно быть пятимерным существом. Давайте рассмотрим более простой, хоть и не очень корректный пример.

Каждое массивное тело искривляет под собой пространство, создавая тем самым некую образную воронку. Другие тела, пролетающие мимо, не могут продолжить движение по прямой и изменяют свою траекторию согласно изгибам. Ну а если энергии у тела не очень много, его движение может стать даже замкнутым. Стоит отметить, что с точки зрения движущихся тел они перемещаются по прямой, по инерции, и не чувствуют ничего такого, что заставляет их повернуть. Просто они попали в плохую компанию, то есть в искривленное пространство, в котором, сами того не осознавая, скатываются по наклонной, то есть имеют непрямолинейную траекторию. Для них это равномерное движение. Конечно, не стоит забывать, что искривляется на самом деле четырехмерное пространство, в том числе и время, так что к этой аналогии нужно относиться очень осторожно.

Таким образом, в ОТО гравитация – это вообще не сила. Это не сила действует на падающее яблоко. Это пространство кривое, и нам кажется, что тела в нем притягиваются. Хотя это просто проявление искривления. Общая теория относительности на данный момент является самой рабочей теорией возникновения гравитации и хорошо согласуется с экспериментом.

Следствие № 1. Гравитационные линзы

Общая теория относительности порождает удивительные следствия. Например, искривление световых лучей около массивных объектов. Сейчас это называют гравитационным линзированием. Обнаружено очень много далеких космических объектов, которые прячутся от нас за другими. Но мы их все равно увидели. Ведь лучи света, пройдя мимо массивного объекта, искривляются и попадают к нам. В итоге мы даже видим несколько искаженных изображений объекта, а не одно.

0. Вступление

1. Человек – венец эволюции!

1.1. Как растут мышцы?

Устройство мышц

Рост мышц

Сложности

Накачать мышцы не составляло бы никакого труда, если бы не множество сложностей.

1.2 Мы все немножко дальтоники!

Вы когда-нибудь задумывались, как видят мир дальтоники?

Длина волны, нм Чувствительность человеческого глаза к цвету

1.3. Почему гелий меняет голос?

ν × λ = V

1.4. Человек на 90 % состоит из пустоты!

1.5. Почему символ сердца не похож на сердце?

Эпоха Возрождения подарила нам интересную логическую загадку и символ, который понятен абсолютно каждому.

1.6. Почему зеркало меняет левую и правую стороны, а верх и низ – нет?

2. Братья наши меньшие

2.1. Можно ли летать, как птицы?

Можно ли модифицировать тело человека, чтобы он мог летать, как птица?

Внешние приспособления

Внутренние приспособления

Продолжение книги

Чердак. Только физика, только хардкор! бесплатное чтение

Дмитрий Побединский Чердак. Только физика, только хардкор!

0. Вступление

1. Человек – венец эволюции!

1.1. Как растут мышцы?

Устройство мышц

Рост мышц

Сложности

1.2 Мы все немножко дальтоники!

1.3. Почему гелий меняет голос?

1.4. Человек на 90 % состоит из пустоты!

1.5. Почему символ сердца не похож на сердце?

1.6. Почему зеркало меняет левую и правую стороны, а верх и низ – нет?

2. Братья наши меньшие

2.1. Можно ли летать, как птицы?

Внешние приспособления

Внутренние приспособления

Теоретический предел массы

Самолет на мускульной тяге

2.2. Почему насекомые маленькие?

Экзоскелет

Слишком вкусные

Кровеносная система

Дыхательная теория

2.3. Почему светятся светлячки?

2.4. Почему животные симметричны?

Эволюция симметрии

Другие виды симметрии

3. Тайна электричества

3.1. Как убивает ток?

3.2. Что будет, если электричество исчезнет?

Магнитное поле

Атомы

Нейтронная материя

Фотоны

Темная материя

3.3. Никола Тесла: гений или шарлатан?

Двигатель переменного тока

Переменный ток

Токи высокой частоты

Радио

Передача энергии

3.4. Что такое шаровая молния?

3.5. Топ-5 заблуждений о молниях

Заблуждение № 1

Заблуждение № 2

Заблуждение № 3

Заблуждение № 4

Заблуждение № 5

4. Наш дом родной, планета наша

4.1. Почему небо голубое?

4.2. Как возникает полярное сияние?

4.3. Разгон туч перед парадом

4.4. Народные приметы о погоде. Миф или правда?

Ласточки низко летают – к дождю

Пузыри на лужах – к долгому дождю

Дым стелется по земле – к дождю

4.5. Почему жара так утомительна?

4.6. Вся правда об алмазах

Происхождение

Вулканы

Искусственные алмазы

Блеск и мерцание

5. Космические дали

5.1. Как человек погибнет в космосе без скафандра?

5.2. Что будет, если гравитация исчезнет?

5.3. ТОП-5 способов побыть в невесомости

Центр земли

Падающий лифт

Космическая станция

Самолет

Прыжок

5.4. Что такое черная дыра? Что внутри?

Образование черных дыр

Черная дыра из пончика

Черные дыры без сжатия

Устройство черной дыры

Падение в черную дыру (с точки зрения наблюдателя)

Падение в черную дыру (с точки зрения падающего)

5.4.1. Почему черная дыра притягивает свет, если у него нет массы?

Дмитрий Побединский
Чердак. Только физика, только хардкор!