Гравитационная постоянная за пределами школьных учебников
Каждый, кто начинает изучать физику или хотя бы помнит некоторые темы из школьного курса, знаком с физическими константами, которые иногда называют «коэффициентами пропорциональности». Все эти неизменные цифры, которые предлагается выучить наизусть, на самом деле нужны не только для того, чтобы облегчить вычисления. Фактически, они описывают наш мир и его границы. Например, постоянная Планка, названная так по фамилии одного из основоположников квантовой механики. В чём её смысл?
Представьте, что вы бросаете связку ключей, которую ловит ваш друг или подруга. Полёт этого объекта можно отлично описать принципами и законами классической механики, правилами, по которым в природе существуют массивные и большие тела. Не составит труда найти скорость ключей, ускорение, построить траекторию полёта и даже вычислить место приземления. Но если мы попытаемся применить те же законы к элементарным частицам, чьи размеры гораздо меньше тех, которые человек способен изучать с помощью оптических микроскопов, нас ждёт глубокое разочарование. Результат получится абсолютно нереальный, расходящийся с наблюдаемыми явлениями.
И вот тут у природы есть одна чудесная особенность, своеобразная граница существования привычного мира с его достаточно простыми свойствами бытия эту границу описывает постоянная Планка. Если какое-то действие, пространственная величина существует в масштабах меньше этой постоянной, то мы имеем дело с квантовым миром и его эффектами, а если больше, то в дело вступают законы классической науки. Например, когда вы добавляете сахар в стакан, то крупицы, размеры которых гораздо больше планковских, спокойно покидают ложку и оказываются в чае или кофе. А вот если бы это были планковские размеры и масштабы, то применялся бы принцип неопределённости и вот уже сахар в стакане найти проблематично. Зато, совершенно спокойно определялась бы вероятность нахождения сахара в сосуде.
Изначально постоянную Планка ввели как некоторую теоретическую абстракцию, но очень скоро оказалось, что подобная константа входит во все законы микромира. Фактически, будь она чуть больше или чуть меньше, реальность вселенной могла бы стать совершенно другой квантовые законы, которые очень трудно себе представить, смогли бы действовать и в «большом» мире.
Но мы оставим этот сюжет фантастике.
Если вернуться к строгим определением, то постоянную Планка ещё называют квантом действия, то есть мельчайшей и универсальной частицей в описании процессов. Она связывает энергию колебательной системы с её частотой. Чтобы понять физический смысл этого описания, представьте, что в ваших руках верёвка и вы начинаете ею трясти в горизонтальной плоскости. Чем больше движений рукой вы делаете, тем чаще происходят колебания и тем сильнее верёвка ударит по тому, кто захочет вмешаться в этот интересный процесс.
Но мы оставим этот сюжет фантастике.
Если вернуться к строгим определением, то постоянную Планка ещё называют квантом действия, то есть мельчайшей и универсальной частицей в описании процессов. Она связывает энергию колебательной системы с её частотой. Чтобы понять физический смысл этого описания, представьте, что в ваших руках верёвка и вы начинаете ею трясти в горизонтальной плоскости. Чем больше движений рукой вы делаете, тем чаще происходят колебания и тем сильнее верёвка ударит по тому, кто захочет вмешаться в этот интересный процесс.
Эксперимент здорового человека
Научные опыты это, пожалуй, один из главных номеров любого крупного просветительского шоу или лекции. Попытка воссоздать в лабораторных условиях природные явления является самым важным элементом науки, который не только раскрывает красоту законов вселенной, но и проверяет гипотезы. Практика всегда служит критерием подтверждения, пусть даже эксперимент является мысленным. Поэтому настало время рассказать о двух важных и удивительных экспериментах из истории естествознания.
Сделаю небольшую оговорку. Для того, чтобы эксперимент считался истинным, он должен удовлетворять нескольким критериям, и одни из них носит название воспроизводимость. Опыт должен быть поставлен так, чтобы в похожих условиях, при повторении, получился похожий результат. То есть, если вам захотелось посмотреть, а как долго сахар будет растворяться в чае, если его не размешивать, то одного опыта будет мало, необходим следующий. И для него нужно взять идентичную ёмкость, такое же количество чая и сахара, добиться равной температуры и много другое Поэтому после одного удачного эксперимента непременно должен последовать другой, третий и так далее, пока явление не будет исследовано полностью и результаты не сойдутся. Или покажут некоторое противоречие и гипотеза эксперимента окажется ошибочной.
Итак, первый удивительный опыт. Для него понадобился поезд и несколько музыкантов. В XIX веке физик Христиан Доплер высказал предположение, что частота источника звука будет меняться в зависимости от того, движется ли источник к наблюдателю, или удаляется. Вспомните звук сирены приближающейся и удаляющейся машины скорой помощи и вы поймёте о чём речь. Гипотезу Доплера проверил метеоролог Христофор Бейс-Баллот. Он арендовал паровоз и грузовую платформу, на которую посадил двух трубачей. С помощью своих инструментов музыканты исполняли одну и ту же ноту соль. На перрон станции пригласили людей с отличным слухом, задачей которых было регистрировать, а какую же ноту слышат именно они. Паровоз приближался и удалялся с разной скоростью, затем слушатели и музыканты поменялись местами. Бейс-Баллот даже озаботился об изменении скорости, с которым возили музыкантов и слушателей. Два дня продолжался опыт, результатом которого стал вывод да, эффект Доплера существует.
Альфред Рассел Уоллес в том же столетии поставил точку в споре о форме Земли. Конечно, он бы здорово удивился, что спустя две сотни лет до сих пор находятся люди, которым надо доказывать очевидное. Для своего эксперимента Уоллес выбрал участок канала длиной в 11 километров, ограниченный мостами. На первом мосту он разместил телескоп, на втором, на такой же высоте горизонтальную доску. Между ними, посреди воды, установил шест с отметкой. При этом высота отметки, доски и телескопа была одинакова.
Если бы Земля была плоской, то в телескоп отметка на шесте и доска находились бы на одном уровне. А так как наша планета всё же условно шарообразная, то наблюдатели в телескоп увидели, что точка на шесте оказывается выше, чем доска, что подтверждается результатами вычислений. Можно было бы поставить точку в моём коротком очерке, но стоит упомянуть о человеческом факторе в опыте Уоллеса. Данный эксперимент был частью спора со сторонниками плоской Земли и один из них утверждал, что даже в телескоп видел отметку и доску на одном уровне. Не обошлось без долгого судебного разбирательства и вызова свидетелей, в результате которого даже с точки зрения закона очевидный результат эксперимента Уоллеса признали верным. Как видите, не до всех сразу доходит.
Оно не тонет!
Ещё с детства мы знаем, что сухая деревяшка способна плавать в воде, а вот гвоздь или любой другой металлический предмет очень быстро пойдёт ко дну. Но в науке границы невозможного шире, чем можно себе представить, поэтому в лабораториях уже научились изготавливать металлические материалы, которые остаются на плаву. И дело тут не в их составе, а в структуре.
Оно не тонет!
Ещё с детства мы знаем, что сухая деревяшка способна плавать в воде, а вот гвоздь или любой другой металлический предмет очень быстро пойдёт ко дну. Но в науке границы невозможного шире, чем можно себе представить, поэтому в лабораториях уже научились изготавливать металлические материалы, которые остаются на плаву. И дело тут не в их составе, а в структуре.
Из курса физики многие помнят закон Архимеда, того самого грека, о котором ходят очень популярные легенды. Главная из них гласит, что принимая ванну, Архимед вдруг понял на объект в жидкой или газообразной среде действует выталкивающая сила, равная по весу веществу, которое вытесняет погружённая часть тела. Действительно ли эта мысль пришла Архимеду в голову во время водных процедур, утверждать не берусь, однако замечу, что его открытие сделало возможным существование всех современных плавательных средств. И не только плавательных, ведь законы природы универсальны для многих ситуаций, поэтому закон Архимеда справедлив даже для воздуха. Да и мы держимся на воде во многом благодаря объёму грудной клетки.
Но как учёные заставили металл, который во много раз тяжелее воды, плавать на поверхности? Сделали из него огромный сосуд? Нет, хотя это самое очевидное решение вопроса. В дело пошли лазеры.
Согласно экспериментам кафедры оптики и физики Университета Рочестера, для создания плавучего металла нужно немного изменить его структуру. С помощью оптических инструментов на поверхности металлической заготовки были созданы микроскопические узоры, в которых долгое время способен «застревать» воздух. Напомню, что если речь идёт о величине с приставкой микро-, то эта величина в миллион раз меньше чего-то. В нашем случае, лазеры создавали структуры размером не более микрометра, т.е. миллионной доли метра. Совместив две пластины сторонами, на которых размещались узоры, учёные получили универсальную конструкцию, которая способна оставаться на плаву, даже если получит повреждения. Заметьте, при этом объём плавающих железяк значительно не изменился не пришлось делать большие пустоты.
По результатам экспериментов стало понятно такой способ лазерной обработки позволяет преобразовывать почти любые металлы, что открывает широкие перспективы применения на практике.
Фантастика? Реальность.
Демон против
Вечный двигатель. Как часто мы слышим этот интригующий термин. Любые его авторы и конструкторы, случись им соорудить нечто, что способно производить полезную работу без затрат энергии извне, вошли бы во все учебники, спровоцировали бы технологический рывок и разорили все крупные корпорации. Илон Маск, столь нелюбимый в определённых кругах, быстренько бы выкупил такую машинку и уже улетел на Марс на полученную прибыль. Но, к сожалению или счастью, в природе существуют законы, которые невозможно обойти. Давайте рассмотрим один из них второе начало термодинамики.
Суть его достаточно проста: замкнутая система, та, на которую ничто не действует извне, не способна сама перейти из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Сгоревшее полено не может взять и воссоздать себя из золы и дыма, воду можно заморозить и разморозить вновь, хотя это не приведёт к увеличению её массы и объёма без посторонних усилий. Разбитая чашка не взлетит снова на стол и не склеится сама (а вот этого порой так не хватает :-) То есть, степень упорядоченности системы будет либо падать, либо не меняться совсем.