Как устроен окружающий нас мир с точки зрения физиков

Теоретическая физика изучает глобальное устройство мира, в котором мы живем, и законы, которым этот мир подчиняется. Есть, конечно, и другие естественные науки – химия, биология, геология и далее по списку. Но они, все-таки, решают локальные, хотя и очень важные задачи. А вот физика лежит в основе всего. Это такой краеугольный камень науки, на котором строится остальное. Все основные достижения современной цивилизации, все то, что мы называем научно-техническим прогрессом, без которого современное человечество жить бы просто не могло и ютилось бы в пещерах, все это, в конечном итоге, основано на физике.

Современная физика

В современной физике есть масса всего – от чисто прикладных исследований до огромных экспериментальных установок – вспомните «Большой Андронный Коллайдер». Но мы, сегодня, поговорим о тех основополагающих идеях, которые объясняют то, как устроен наш мир, от элементарных частиц до Вселенной в целом. Этим занимается «теоретическая физика». Вот что она собой представляет.

Теоретическая физика

Представьте себе полоску бумаги, разделенную на три части вертикальными линиями. Средняя часть – это так называемая классическая физика, основателем которой считается Ньютон. Она описывает природные явления, непосредственно окружающие нас. Движения планет, атмосферные процессы, принципы работы различных технических устройств – автомобилей, самолетов, пароходов. Да всего и не перечислить. Конечно, современная классическая физика несравнима с тем, что сделал Ньютон. Это земля и небо. Но основополагающие принципы остались те же - Ньютоновские. За исключением теории электромагнитного поля, созданной в середине 19 века великими английскими учеными Фарадеем и Максвеллом.

Вернемся к нашей полоске бумаге. Справа от ее серединной части (классической физики) находится Эйнштейновская теория относительности (специальная СТО и общая - ОТО), объясняющая свойства пространства времени и устройство Вселенной в целом. Эти теории были созданы в начале прошлого века. Практического значения они не имеют, разве что для систем GPS – навигации, которые без поправок, вносимых ОТО в классическую физику, работать бы просто не могли. Почему теория относительности имеет так мало практических применений? Тут все дело в том, что масштабы, на которых проявляются действия СТО и ОТО недоступны и вряд ли когда-нибудь будут доступны человеку. Хотя, вот в GPS такие применения нашлись.

Теория относительности

Создание ее – очень интересная история, о которой следует рассказать немного подробнее. СТО была создана Эйнштейном на основании других работ, прежде всего Лоренца и Пуанкаре. Но те были математиками и не могли придать своим результатам того, что называется «физическим смыслом». Эйнштейн собрал все эти «кирпичики», дополнил их необходимыми построениями и выстроил из них единую конструкцию, так называемую специальную теорию относительности (СТО), объясняющую устройство пространства и времени. Но пустого. Без материи.

Но материя – вот она, вокруг нас. Планеты, звезды, галактики. Как это все существует и по каким законам живет? Со времен Ньютона было ясно – действует открытый им закон всемирного тяготения. Он прекрасно объяснял законы движения всех планет солнечной системы. «Чего же боле»? Но тут вот какая незадача выходила. Философия и физика конца 19-го - начала 20 века, считала, что Вселенная существовала всегда. Да, рождались и потухали звезды, не говоря уж о прочей космической мелочи, Но в целом, во вселенских масштабах, ничего глобально не менялось. Вот представьте себе, что вы летите на самолете над пляжем. Вы видите такую однородную желтую полосу. А если спуститесь, то обнаружите, что эта полоса состоит из разных маленьких песчинок, которые могут отличаться друг от друга. Вы можете взять в руку горсть этого песка и бросить в море. Но пляж останется. Так и тут. Вселенная, как считалось, существовала всегда, она была безграничной и бескрайней и никакие местные катаклизмы изменить ее жизнь не могли.

Но тут возникает вот какой вопрос. Если Вселенная существовала всегда, если действует закон всемирного тяготения Ньютона, то вся материальная сущность должна была давно слипнуться в один комок под действием всемирного тяготения. А этого не случилось. И Эйнштейн решил, что Ньютоновской закон всемирного тяготения не совсем верен. Тогда-то и возникла ОТО – Общая Теория Относительности. Эйнштейн работал над ней 10 лет. Каково же было разочарование ученого, когда он обнаружил, что его уравнения не имеют стационарного, т.е. независимого от времени решения. Это значило, что Вселенная не могла существовать вечно. У нее должно было быть свое начало (это так называемый «Большой взрыв», природа которого пока непонятна) и свой конец.

Что же? Десять лет жизни и все, как в народе говорится, «псу под хвост»? Эйнштейн стал судорожно искать ошибки, которые он мог допустить в своей работе. И нашел! Но не ошибки, а одну неточность. Его рассуждения допускали существования некого дополнительно члена в уравнениях. При определенном его значении стационарная вселенная могла существовать! Эйнштейн сразу написал по этому поводу статью в один из ведущих немецких физических журналов, которая тут же и была опубликована.

А потом уж стал разбираться, в чем тут дело. И к своему ужасу выяснил, что эта добавка означала существование антигравитации. Представить себе он этого не мог. Поэтому отправил в журнал «покаянное письмо», признаваясь в своей ошибке, которую он, впоследствии называл, самой главной ошибкой в своей научной карьере. Интересно, что уже после смерти Эйнштейна выяснилось, что антигравитация существует. Сейчас она называется «темной энергией», хотя природа этого явления никому не понятна.

Квантовая физика

Остался левый кусок нашей полоски бумаги. Это – квантовая физика, объясняющая устройство микромира, т.е. тех элементарных сущностей, из которых все и состоит. Квантовый мир, его устройство, принципиально отличается от наших обыденных представлений. Недаром великий американский физик, Нобелевский лауреат Фейнман (он занимался как раз квантовой физикой), будучи очень остроумным человеком, произнес ставшую уже знаменитой фразу «Если кто-то сказал, что он понимает, что такое квантовая физика – значит, он ничего в ней не понимает».

В отличие от СТО и ОТО, квантовая физика имеет множество практических приложений. На ее принципах работают компьютеры, различные мобильные устройства. Квантовую физику, в отличие от СТО и ОТО, создавало множество ученых. В частности, наши Нобелевские лауреаты Ландау, Абрикосов, Гинзбург, Алферов, Басов, Прохоров, Черенков, Тамм, Франк, которые работали именно в этой или смежных областях. А еще были экспериментаторы, тоже Нобелевские лауреаты - Капица, Новоселов, Гейм.

О полоске бумаги

Теперь опять о нашей полоске бумаги. Три ее части стыкуются между собой, но существуют по отдельности. Так уравнения квантовой физики переходят в классическую механику Ньютона, если так называемая «длина волны Де Бройля - кстати тоже Нобелевского лауреата, мала. Так вот для всех макрообъектов, которые окружают нас в повседневной жизни, она действительно пренебрежимо мала. Поэтому классическая физика занимает свое заслуженное место и ее выводы сомнениям не подвергаются, что и подтверждают достижения научно-технического прогресса.

Теперь классическая физика и теория относительности – центральная и правая части полоски бумаги. Здесь тоже все прекрасно. Если скорость движения объекта много меньше скорости света (а так оно и есть в окружающем нас мире), а «кривизна пространства» мала (что это такое – не важно - слишком сложное математическое понятие), то классическая физика и теория относительности совпадают друг с другом. На Земле и в Солнечной системе оба этих условия выполняются. Все прекрасно. Все три теории стыкуются между собой - каждая из них находит себе свои области применения.

Теория всего

Но, не все так просто. Граалем современной физики является так называемая «Теория всего». Это означает, что нашу полоску бумаги, хотелось бы превратить в колечко, склеив левую и правую части, т.е. квантовую физику и теорию относительности. Зачем это надо? Ну, во-первых, красиво бы все получилось. Такое единое видение устройства мира. Но, кроме эстетики, есть практические соображения. Вот, например, одни из самых загадочных объектов Вселенной – «Черные дыры», самые массивные из которых находятся в центрах всех галактик. Их существование фактически доказано. Даже, как писали недавно, фотография одной из них получена. Хотя это – и некоторое журналистское преувеличение.

Дело в том, что «Черная дыра» - это такой объект, который поглощает всю окружающую его материю и ничего не выпускает назад. Даже электромагнитные волны. Так что увидеть его нельзя. Зато можно зафиксировать эти потоки материи, которые в дыру проваливаются. Что на упомянутой фотографии и было сделано. Образование и существование «Черных дыр» было предсказано теорий относительности. Но что происходит там, внутри?На этот вопрос может ответить только квантовая механика. Но две эти теории не стыкуются.

Темные материя и энергия

Или, например, «темная материя». Что это такое – непонятно. Ее существование сейчас не вызывает сомнений. Если бы этой субстанции не было, то звезды в галактиках двигались бы совсем не так, как показывают результаты наблюдений. А ведь на эту самую темную материю, по расчетам приходится от 20 до 25 процентов всего того, что есть во Вселенной.

Предполагается, что это какие-то элементарные частицы, которые участвуют в гравитационном взаимодействии, но никак не реагируют на электромагнитные волны. Потому мы их и не можем наблюдать. Тут та же ситуация. Само существование темной материи следует из выводов общей теории относительности (законы движения звезд в галактиках), а ее природа – область квантовой физики. Но одно с другим не стыкуется. Пока тупик.

Наша Вселенная расширяется, причем с ускорением. Согласно общепринятой теории относительности, такого быть не может. Но есть! Внятного объяснения этому эффекту нет. Какая-то антигравитация. Причем, на нее приходится до 75 % всей массы – энергии Вселенной. Сейчас пытаются как-то это объяснить исходя из сомнительных представлений о спонтанных флуктуациях вакуума. Мол, и «Большой взрыв», породивший нашу Вселенную, возник именно по такой же причине. Флуктуации вакуума, если они действительно есть, это область квантовой физики. А глобальные процессы во Вселенной – общей теории относительности. Такие вот дела. На все про все, что мы знаем о Вселенной (звезды, планеты, межзвездный газ и пыль, излучение), приходится только 5% от ее, Вселенной, общей массы-энергии. А все остальные 95% - не пойми что.

Резюме

Вот такие пироги. Вы можете спросить. А для чего все эти знания нужны? У нас и тут на Земле своих проблем хватает. Так-то оно так. Но! Во-первых, такова природа человека – познавать этот окружающий его мир и использовать добытые знания для совершенствования своей жизни. И потом. Как это там говорится. «Нам не дано предугадать, чем слово наше отзовется». Это относится не только к словам, но и к тому, что делает наука. Источник