Топ странных, но крутых вопросов современной физики

В физике много интересных идей, особенно в современной. Материя существует как состояние энергии, а волны вероятности распространяются по Вселенной. Вот лишь некоторые из наиболее увлекательных открытий в современной физике. Часть из них представляют собой полноценные теории, такие как теория относительности, другие являют собой принципы (допущения, на которых строятся теории), а некоторые оформлены лишь как выводы, сделанные на основе существующих теоретических рамок.
Однако все они действительно необычные и заслуживают внимания.

Двойственность волновых частиц 

Материя и свет обладают одновременно свойствами и волн, и частиц. Опыты квантовой механики ясно показывают, что волны проявляют свойства, присущие частицам, а частицы демонстрируют свойства волн, в зависимости от конкретного эксперимента. 

В начале XX века ученые обнаружили, что некоторые частицы могут вести себя одновременно и как частицы, и как волны. Они получили двойную натуру — корпускулярную (частицы) и волновую (волны). Это явление и получило название корпускулярно-волновой дуализм.

Но как такое может происходить? Представим себе эксперимент, который называется «двойная щель». Мы кидаем камни в воду, и на поверхности образуются волны. Если мы поставим перегородку с двумя узкими щелями перед этими волнами, то после прохождения через щели, волны начинают взаимодействовать друг с другом, «складываясь» или «вычитаясь». В результате, на поверхности воды образуются зоны с максимальной и минимальной высотой волн.

Теперь проведем такой же эксперимент, но вместо волн на воде используем электроны. Что мы видим? Оказывается, электроны тоже проявляют волновые свойства, и на экране за щелями возникает такая же интерференционная картина, как и в случае с волнами на воде!



Получается, что электроны, и многие другие частицы, могут вести себя и как частицы, и как волны в зависимости от определенных условий.

Таким образом, квантовая физика способна давать описания материи и энергии на основе волновых уравнений, которые связаны с вероятностью существования частицы в определенном месте в определенное время.

Теория относительности

Теория относительности Эйнштейна основана на том принципе, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, независимо от того, где они находятся или как быстро они движутся или ускоряются. Этот, казалось бы, здравый принцип предсказывает локальные эффекты в форме специальной теории относительности и определяет гравитацию как геометрическое явление в форме общей теории относительности.

Начнем с того, что теория относительности состоит на самом деле из двух частей: специальной и общей теории относительности. Всё началось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности. Она сформулирована на основе двух принципов:

1. Принцип относительности Галилея: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (то есть в тех системах, в которых нет ускорений).
   
2. Закон постоянства скорости света: свет распространяется со скоростью 299 792 458 м/с, и эта цифра остается постоянной для всех инерциальных систем отсчета.
   

Давайте попробуем разобраться в этих принципах. Представим, что вы стоите на платформе железнодорожного вокзала и видите движущийся поезд. Внутри поезда пассажиры идут по вагону. Для них перемещение происходит спокойно и привычно. Но вы на платформе видите, что пассажир стремительно проносится мимо вас из-за движения поезда. Так проявляется принцип относительности Галилея.

А что насчет скорости света? Она является постоянной величиной, что подтверждается множеством экспериментов и наблюдений. Скорость света не зависит от движения наблюдателя и является фундаментальной константой природы. Важно отметить, что скорость света не является обычной скоростью, так как она не может быть складываться со скоростью других объектов. То есть при движении автомобиля со скоростью 100 км/ч скорость света его фар не равна скорости света+100 км/ч!

А теперь, немного сложнее. Эйнштейн обнаружил, что в нашем неидеальном мире не существует идеально равномерных систем. Значит, нам нужна новая теория, которая будет работать везде и всегда — это и есть общая теория относительности.

Ее главная идея состоит в том, что гравитация обусловлена не силой притяжения, а искривлением пространства и времени под действием массы. Непонятно? Давайте вспомним старое доброе время, когда яблоки радовали нас, падая на головы известных ученых. Итак, почему падает яблоко? Из-за притяжения Земли, скажете вы. Эйнштейн же утверждает, что это происходит из-за искривления пространства и времени вокруг Земли.



Если вам это до сих пор кажется сложным, проведем простую аналогию. Представьте, что наше пространство-время — это огромный батут, на котором лежит мяч. Когда мяч лежит неподвижно, батут искривлен. Если мы положим на поверхность другой, меньший мяч, он будет двигаться вокруг первого под действием искривленной поверхности батута, постепенно приближаясь как малое космическое тело, притягиваемое массивной планетой.

Квантовая вероятность и проблема измерения

Начнем с квантовой вероятности. В отличие от классической вероятности, где события могут быть точно предсказаны, в квантовой механике все гораздо интереснее! Здесь состояние системы описывается волновой функцией, а вероятность обнаружить частицу в определенном месте находится путем возведения модуля состояния системы в квадрат.

Но почему большинство из нас никогда не сталкивались с этими загадочными квантовыми феноменами в своей повседневной жизни? Потому что на макроскопическом уровне, эффекты квантовой механики становятся пренебрежимо малы, и классическая механика отлично справляется с описанием всего, что нас окружает.



А теперь перейдем к проблеме измерения. В квантовой механике есть принцип неопределенности Гейзенберга, который говорит, что невозможно точно измерить одновременно например местоположение и импульс частицы. Таким образом, получается, что измерение одной величины вносит «помехи» в другие и задает системе определенное состояние.

Забавный пример можно привести с камерой, которая снимает ночью движение автомобилей на дороге. Если вы сделаете фотографию с короткой выдержкой, вы точно сможете определить положение автомобилей, но их скорость уже будет неопределенной. Если же поменять выдержку на долгую, то наглядно будет видно смещение проезжающих по дороге машин, но точное их местоположение определить будет невозможно.

Таким образом, квантовая вероятность и проблема измерения показывают нам, что мир квантовой механики является необычайно интересным, полным тайн и загадок. Но если бы всё было так просто и однозначно, наука потеряла бы свою привлекательность, не правда ли?

Квантовая запутанность и нелокальность

Давайте сначала разберемся с понятием квантовой запутанности. Квантовая запутанность — это состояние двух или более частиц, которые связаны между собой, как бы на расстоянии. Если вы измените состояние одной частицы, то это сразу же отразится на состоянии другой частицы, даже если они находятся далеко друг от друга.

Но как это работает на практике? Представьте, что у вас есть два совершенно одинаковых носка. Вы надеваете один из них на левую ногу. И вот тут происходит интересное. Вы можете быть уверены, что другой носок тут же становится «правым». То есть состояние носка, к которому вы даже еще не прикоснулись, зависит от состояния носка, котрый уже надет, хотя между ними нет никакой видимой связи.

Теперь перейдем к понятию нелокальности. Нелокальность означает, что две частицы могут взаимодействовать друг с другом, не передавая никакой информации. Например, мы можем запутать две частицы, а затем отправить их в разные уголки вселенной. Когда мы измерим состояние одной частицы, то вместе с этим мы определяем и состояние второй частицы, которая может находиться на другом конце галактики.



Для наглядности представим, что мы отправляем два носка из пары на разные планеты. Независимо от расстояния между планетами, когда мы будем натягивать носок на левую или правую ногу, то сразу же узнаем, каким сделался носок на другой планете. Невероятно, правда?

Итак, мы узнали, что такое квантовая запутанность и нелокальность. Но зачем это нужно? Квантовые системы, такие как квантовые компьютеры, основываются именно на этих явлениях. Запутанные частицы могут использоваться для передачи информации и хранения данных. Кроме того, квантовое парадоксальное свойство нелокальности помогает улучшить криптографические системы и защитить данные от взлома.

Теория поля

Вы наверняка знаете, что все вокруг нас состоит из мелких частиц, называемых атомами. Эти атомы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц, которые мы называем элементарными.

И когда мы говорим о Теории поля, то мы говорим о поиске объединенной теории, которая описывала бы все взаимодействия между этими элементарными частицами.



Например, давайте представим, что вы решили сделать себе чашку горячего шоколада. Вы запускаете в микроволновку чашку с молоком и шоколадом. И вот, когда микроволновка начинает работать, все начинает происходить очень быстро.

Электромагнитные волны, которые создаются микроволнами взаимодействуют с молекулами молока и шоколада, заставляя их двигаться и тереться друг о друга. Движение и трение, в свою очередь, производят тепло и греют вашу чашку с шоколадом.

Именно такие взаимодействия ученые исследуют в Теории поля, но только для атомов и элементарных частиц. Таким образом единая теория поля — тип теории, которая пытается согласовать квантовую физику с общей теорией относительности Эйнштейна.

Существует несколько конкретных теорий, которые подпадают под рубрику единой теории поля, включая квантовую гравитацию, теорию струн/теорию суперструн/М-теорию и петлевую квантовую гравитацию.

Большой взрыв

Начнем с того, что около 13,8 миллиардов лет назад произошло самое потрясающее событие во Вселенной. Все началось с очень маленькой области, которая была настолько жаркой и плотной, что не смогла удержать материю и взорвалась. Это событие называется Большим Взрывом.



Когда Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, она предсказала возможное расширение Вселенной. Жорж Леметр считал, что это указывает на то, что Вселенная родилась в одной точке. Название «Большой взрыв» дал Фред Хойл, высмеивая теорию во время радиопередачи.

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил красное смещение в далеких галактиках, указывающее на то, что они удаляются от Земли. Космическое фоновое микроволновое излучение, открытое в 1965 году, подтвердило теорию Леметра.

Одним из основных вопросов, который интересует ученых: как и из чего сформировалась наша галактика Млечный Путь. В результате многих лет исследований они пришли к выводу, что это произошло благодаря притяжению между различными газами и материалами, которые были в недрах Вселенной.

Существует идея, что если бы не произошел Большой Взрыв, то никогда не существовали бы звезды, а галактики были бы не более чем космическими облаками пыли и газа. 

Кроме того, ученые пытаются понять, как жизнь могла возникнуть во вселенной, и какие условия нужны для существования жизни. Недавно астрономы открыли планету, которая находится на расстоянии всего 11 световых лет от Земли. Это настолько близко, что мы можем присмотреться к ней и изучить, есть ли там жизнь.

Темная материя и темная энергия

На астрономических расстояниях единственной значимой фундаментальной физической силой является гравитация. Однако астрономы обнаруживают, что их расчеты и наблюдения не совсем совпадают.

Теоретически, необнаруженная форма материи, называемая темной материей, должна исправить это. Последние данные подтверждают существование темной материи.

Темная материя — это загадочная материя, которая не излучает, не отражает и не поглощает свет. Наша Галактика и многие другие галактики сильно расширяются и вращаются, что ненормально для видимой материи, которую мы видим. Так вот, темная материя вполне может быть причиной ускоренного расширения и движения галактик.



А теперь перейдем к темной энергии — это ещё более загадочная сила, которая тоже вызывает много вопросов. Кажется, что темная энергия отталкивает друг от друга галактики, вызывая наблюдаемое расширение Вселенной. Так что, в отличие от тёмной материи, тёмная энергия может быть вовсе не материей, а какой-то энергией, которая наполняет всю вселенную.

Учёные пытаются понять эту загадку на протяжении десятилетий, и текущие оценки таковы, что Вселенная на 70% состоит из темной энергии, на 25% из темной материи и только 5% из Вселенной состоит из видимой материи или энергии.

Квантовое сознание

При попытках решить проблему измерения в квантовой физике (см. выше) физики часто сталкиваются с проблемой сознания. Хотя большинство ученых стараются обойти этот вопрос, кажется, что существует связь между сознательным выбором экспериментатора и результатом эксперимента. Некоторые физики считают, что современная наука не может объяснить сознание и что само сознание связано со странным квантовым механизмом.



Квантовая физика говорит о том, что вещи могут находиться во всех возможных состояниях, пока мы не смотрим на них. Когда мы это делаем, выбирается только одно состояние, и оно становится реальностью. Но что это имеет общего сознанием? Ну, мы можем рассмотреть пример с работой нашего мозга.

Наш мозг может находиться в множестве состояний, пока мы не совершаем действия и не принимаем решения. Когда мы принимаем решение, выбирается только одно состояние, и оно определяет наш следующий шаг. Это похоже на выбор состояния объекта в квантовой физике. 

Давайте рассмотрим идею, что наши мысли и эмоции также являются квантовыми. Мысли и эмоции у нас могут быть в диапазоне состояний, пока мы не фокусируемся на них, и только после этого они становятся реальностью. 

Антропный принцип

Давайте разберемся в терминологии. Антропный происходит от греческого слова «антропос», что означает «человек». То есть, антропный принцип — принцип, связанный с человечеством.

Так, антропный принцип утверждает, что некоторые особенности нашей вселенной оказались именно такими, потому что если бы они были другими, то мы, люди, не могли бы существовать и обсуждать эту тему. В простых словах, мы существуем, потому что наша вселенная позволяет нам существовать.



Для примера, представьте, что вы играете в лотерею, но правила таковы, что вы можете выиграть только в том случае, если на билете стоит определенная последовательность цифр. Если эта последовательность другая, вы проигрываете. Антропный принцип говорит о том, что мы здесь и сейчас, потому что выиграли в лотерею, то есть наша вселенная подходит для нашего существования.

Но теперь интересный вопрос — почему наша вселенная подходит для нашего существования? Здесь мы сталкиваемся с множеством теорий и предположений. Например, одна из версий гласит, что вселенная была создана соответствующим образом Богом или высшим разумом. Другие версии утверждают, что есть бесконечное количество вселенных, и мы просто живем в той, где условия позволяют нам существовать.

Независимо от теории, антропный принцип остается интересным и значимым для науки. Это помогает нам лучше понимать, почему наша вселенная такая, какая она есть, и какую роль играет наше существование в этом процессе.