Фізика й астрономія - цікаві науки. Вони вважаються "точними" і начебто оперують постійними, константами і всілякими багаторазово перевіреними вимірами.
Однак якщо копнути трохи глибше, то... перед нами відкривається порожнеча. У тому плані, що картковий будиночок науки розсипається при найменшому аналізі "фактів", які виявляються і не фактами зовсім.
Подивимося на прикладі десяти очевидностей, які викладають ще в школі. І про існування яких знають усі. Принаймні ті, хто вважає себе освіченою людиною.
1. Швидкість світла - це постійна
Дійсно, швидкість світла у вакуумі є постійною і становить 299 792,458 кілометрів на секунду. На даний момент це найвища швидкість, досяжна у Всесвіті.
Однак, коли світло проходить через матеріальне середовище, - повітря, воду, скло або будь-який інший прозорий матеріал, - воно взаємодіє з атомами і молекулами цього матеріалу.
Така взаємодія уповільнює світло, його швидкість перестає бути "постійною", тобто тією, що у вакуумі.
При цьому величина уповільнення залежить від властивостей матеріалу. На передній план виходить ступінь заломлення, міра того, наскільки матеріал заломлює світло.
Як правило, показник заломлення матеріалу більший за одиницю, а це означає, що світло в будь-якому фізичному середовищі поширюється повільніше, ніж у вакуумі. Що вищий показник заломлення матеріалу, то більше зменшується швидкість світла під час проходження через нього.
Наприклад, показник заломлення скла становить близько 1,5 і, таким чином, світло в склі поширюється приблизно в 1/1,5 раза повільніше, ніж у вакуумі.
Інакше кажучи, швидкість світла не є постійною величиною. Хоча б тому, що світло матеріальне, а матерія, як відомо, перебуває в постійній системі взаємодії. Виходить, що швидкість світла - це всього лише зручне для математичних розрахунків оціночне судження. Не більше того.
2. Закони термодинаміки описують поведінку енергії у фізичних системах
Перший закон термодинаміки свідчить, що енергія не створюється або знищується, вона тільки може бути перетворена з однієї форми в іншу.
Другий закон стверджує, що під час будь-якого передання або перетворення енергії кількість корисної енергії зменшується, що призводить до загального збільшення безладу або ентропії.
З практичної точки зору під "корисною енергією" розуміють енергію, яка використовується для виконання роботи. Механічна робота або електрична енергія, з певною ефективністю.
До слова, у паровій машині корисна енергія - це частина теплової енергії пари, перетворена для приводу двигуна, тоді як решта - теплова енергія - витрачається даремно.
Водночас на "космологічному" рівні виникає дещо інша ситуація. Теорія розширення Всесвіту пов'язана з другим законом термодинаміки, оскільки розширення Всесвіту можна розглядати як процес розсіювання енергії.
У міру розширення Всесвіту енергія стає менш щільною, ми спостерігаємо збільшення ентропії.
Уявімо собі коробку, заповнену молекулами газу. Якщо коробку розширити, молекули стануть більш рухливими і заповнять більший об'єм.
У результаті ентропія системи (молекули газу) збільшиться. Точно так само, коли Всесвіт розширюється, енергія всередині нього стає більш розосередженою, що і призводить до збільшення ентропії.
Всесвіт подібний до гігантської замкнутої системи. У міру його розширення його ентропія збільшується, як і передбачає другий закон термодинаміки. Ця ідея отримала назву гіпотези "ентропії Всесвіту".
3. Гравітація - це фундаментальна сила природи, яка відповідає за взаємодію об'єктів великої маси
З ньютонівської точки зору, сила гравітації залежить від маси об'єктів і відстані між ними. Сила тяжіння зменшується в міру збільшення відстані між об'єктами.
Але гравітацію, за Ейнштейном, можна розуміти і як прояв геометрії простору-часу. Тут гравітація - це не сила між масами, а особлива форма викривлення простору-часу, спричинене наявністю маси та енергії.
Інакше кажучи, об'єкти з масою та енергією спотворюють геометрію простору-часу, і це спотворення змушує інші об'єкти рухатися криволінійною траєкторією, яку ми описуємо як дію гравітації.
Тобто одночасно присутні два взаємовиключні пояснення, що таке гравітація. Чому так?
Та все просто. У філософії це називається "цілепокладанням". Теорія гравітації Ньютона простіша і зручніша для практичних розрахунків, тоді як загальна теорія відносності точніша і пояснює деякі явища, які не помічає теорія Ньютона.
Однак на мікроскопічному рівні ефекти гравітації переплітаються з ефектами інших фундаментальних взаємодій, таких як сильна і слабка ядерна взаємодія та електромагнетизм. Опис гравітації як сили чи прояву геометрії простору-часу стає складнішим.
Утім, ми пропонуємо подивитися на описаний вище інтелектуальний контур по-іншому. По-перше, фізикам необхідно чітко визначитися, з чим вони мають справу - чи то з "силою природи", чи то з "геометрією простору-часу".
По-друге, якщо вони остаточно вирішать, що гравітація - це геометрія і описується відповідними термінами, тоді необхідно відмовитися від трактування "тяжіння" як "фундаментальної сили". Що, своєю чергою, тягне за собою концептуальне перевизначення інших феноменів - сильної і слабкої взаємодії, електромагнетизму. Страшно, я розумію.
4. Відоме рівняння Ейнштейна E=mc² показує, що енергія і маса еквівалентні і можуть бути перетворені один в одного
Навіть невелика кількість маси може бути перетворена у велику кількість енергії.
Коли масивна частинка піддається ядерній реакції або розпаду, невелика кількість її маси може бути перетворена на енергію. Енергія вивільняється із сильних ядерних сил, які пов'язують ядра разом. Кількість вивільненої енергії розраховується за формулою E=mc², де E - вивільнена енергія, m - перетворена маса, а c - швидкість світла.
Точно так само енергія може бути перетворена на масу за певних умов. Згідно з принципами квантової механіки, енергія перетворюється на матерію, коли високоенергетичний фотон стикається з важким ядром або іншою часткою, створюючи пару, одна з яких є матерією, а інша антиматерією. Цей процес відомий як виробництво пар. І є переважно теоретичною моделлю.
Водночас об'єкти макромасштабу, такі, як предмети повсякденного вжитку, з якими ми стикаємося в повсякденному житті, містять велику кількість енергії у формі своєї маси. Теоретично ця енергія еквівалентна масі об'єкта, помноженій на квадрат швидкості світла.
Однак перетворення макрооб'єктів безпосередньо на енергію не є "практичним" процесом, тому що кількість енергії, яку можна було б отримати, набагато менша, ніж енергія, необхідна для розриву атомних зв'язків об'єкта.
На практиці перетворення макрооб'єктів на енергію досягається завдяки ядерним реакціям, на кшталт тих, що відбуваються на атомних електростанціях або при застосуванні ядерної зброї. У подібних реакціях маса атомного ядра перетворюється на енергію, яка використовується для виробництва електрики, або вона вивільняється вибухом.
Що тоді виходить? Знамените рівняння Ейнштейна, по суті, ніде ні на якому рівні не працює. В умовах мікрокосму необхідні додаткові зусилля для розриву сильних і слабких зв'язків. А на макрорівні ми навіть не розуміємо, як енергія перетікає в "відчутну" матерію і навпаки. Тому виникає ідея "тотожності", - ну, якщо фізика не сходиться, нехай хоча б математика зійдеться.
5. Квантова механіка - це розділ фізики, що вивчає поведінку матерії та енергії на атомному і субатомному рівні
Вона передбачає, що частинки існують у кількох станах або місцях одночасно. Таке явище відоме як суперпозиція, хоча сам акт спостереження за частинкою впливає на її поведінку. Враховуємо знаменитий "ефект спостерігача".
Питання в іншому: чи є частинка фізичним або математичним об'єктом? Ось уже реально дискусійне питання, на яке фізики не знають, як відповісти.
З одного боку, елементарні частинки можна розглядати як фізичні об'єкти, оскільки вони мають вимірні властивості, такі як маса, заряд і обертання. Крім того, вони взаємодіють з іншими елементарними частинками за допомогою різних сил.
Вчені спостерігають і вивчають ці властивості, проводять експерименти і водночас використовують математичні моделі для опису і передбачення їхньої поведінки. З цієї точки зору частинки розглядаються як конкретні сутності, що існують незалежно від наших математичних описів, хоча й об'єктивізуються математикою.
З іншого боку, низка фізиків стверджує, що частинки точніше описуються саме як математичні об'єкти. Вони вказують, що наші знання виходять тільки з рівнянь, що описують їхню поведінку.
Ми не можемо безпосередньо спостерігати за самими частинками або взаємодіяти з ними. Фактично йдеться про абстрактні об'єкти, які існують лише в рамках математичних моделей і не обов'язково відповідають будь-чому в реальному фізичному світі.
6. Теорія відносності, розроблена Ейнштейном, описує відносини між простором і часом, а також вплив гравітації на ці відносини
Теорія Ейнштейна передбачає, що час рухається повільніше в сильніших гравітаційних полях, а маса і швидкість об'єкта можуть спотворювати простір-час, створюючи ефект гравітаційного лінзування.
Уповільнення часу є наслідком викривлення простору-часу, спричиненого великою масою або енергією. Що сильніше гравітаційне поле, то сильніше викривлення простору-часу та уповільнення часу.
Приміром, за горизонтом подій чорної діри гравітаційне поле настільки сильне, що навіть світло не може покинути його. Тому час сповільнюється надзвичайно значно.
Проблема в такому: чи може екстремальна гравітація, як у чорній дірі, повністю зупинити час, "обнулити" його?
Згідно із загальною теорією відносності, уповільнення часу поблизу горизонту подій чорної діри настільки велике, що час фактично зупиняється на межі цього самого горизонту.
Для спостерігача, який перебуває за межами горизонту подій і бачить, як хтось падає в чорну діру, здається, що час сповільнюється в міру того, як людина наближається до горизонту подій.
Насправді, з точки зору спостерігача за межами чорної діри, об'єкту знадобилася б нескінченна кількість часу, щоб дійсно досягти горизонту подій. Це пов'язано з тим, що уповільнення часу стає настільки екстремальним, що годинник об'єкта фактично зупиняється, коли він наближається до заповітної точки неповернення.
Наразі невідомо, що відбувається з часом, коли всередині ЧД досягається сингулярність, "кінцевий шлях" цього астрономічного об'єкта.
Згідно з нашим розумінням фізики, закони фізики, мабуть, порушуються в сингулярності, однак у нас поки немає повної теорії квантової гравітації, яка могла б описати, що відбувається далі. Якщо термін "Далі" доречний у цьому контексті.
Але все ж час вважається фундаментальним аспектом Всесвіту. Академічна точка зору, за всіх застережень, стверджує, що він продовжує існувати навіть в екстремальних умовах, наприклад, у сингулярності.
Альтернативні теорії, на кшталт петльової квантової гравітації та деякі інтерпретації теорії струн, припускають, що час, навпаки, емерджентний, а не фундаментальний.
7 Електромагнітний спектр містить усі різні типи електромагнітного випромінювання - від радіохвиль до гамма-променів
Подібне випромінювання поширюється зі швидкістю світла і може використовуватися для зв'язку, візуалізації та лікування.
Наразі невідомо, чи існує Всесвіт за межами електромагнітних спектрів, що сприймаються телескопами. Так, телескопи можуть виявляти електромагнітне випромінювання і дозволяють нам спостерігати за Всесвітом у різних довжинах хвиль. Але на цьому все.
Однак у всесвіті можуть бути явища або об'єкти, які випромінюють або взаємодіють з випромінюванням за межами електромагнітного спектра, який "бачать" наші телескопи. Або за допомогою інших типів фізичної взаємодії, невідомих науці.
Ті ж теорія струн і петльова квантова гравітація припускають існування додаткових вимірів, крім довжини, ширини і висоти, які ми відчуваємо. А це, своєю чергою, означає існування інших типів частинок або енергій.
Крім того, вважається, що темна матерія, тип матерії, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, становить значну частину маси Всесвіту. Ми ще не виявили темну матерію безпосередньо, але про її існування судять за її гравітаційним впливом на видиму матерію. Начебто як.
8. Чотири фундаментальні сили природи - це гравітація, електромагнетизм, сильна ядерна взаємодія і слабка ядерна взаємодія
Гравітація - найслабша з цих сил, а сильна ядерна взаємодія - найсильніша.
А ось електромагнітна сила виникає між двома електронами. Вона приблизно в 10^36 разів сильніша, ніж гравітаційна взаємодія. Так само сильна ядерна взаємодія, що утримує атомні ядра разом, приблизно в 10^38 разів сильніша, ніж гравітація. Слабка ядерна взаємодія, відповідальна за деякі види радіоактивного розпаду, також набагато сильніша за гравітацію.
Річ у тім, що гравітація має найменшу константу зв'язку, яка визначає силу взаємодії між двома частинками.
Тобто гравітація - це єдина фундаментальна сила природи (якщо ми дотримуємося "класичної" ньютонівської парадигми), що діє на всі частинки з масою, у той час як інші сили визначаються електричними зарядами або слабкими ізоспінами.
Крім того, інші фундаментальні взаємодії опосередковані калібрувальними бозонами, що взаємодіють один з одним. Вони можуть посилювати або послаблювати взаємодію.
Не виключено, що гравітаційна сила опосередкована гіпотетичною частинкою, званою гравітоном. Остання ще не спостерігалася безпосередньо.
Ба більше, інші фундаментальні сили мають набагато менший радіус дії, ніж гравітація. Наприклад, електромагнітна сила екранована матерією і має ефективний діапазон лише в кілька нанометрів.
Навпаки, гравітаційна сила має нескінченний діапазон і діє на всі частинки, що володіють масою (водночас поняття "маса" у квантовій фізиці і, по суті, обчислюється як енергія).
Однак слід зазначити, що гравітація, як і раніше, відіграє домінантну роль у макроскопічному масштабі, оскільки вона відповідає за формування і динаміку великомасштабних структур, таких як планети, зірки і галактики.
9. Поняття симетрії відіграє ключову роль у багатьох галузях фізики - від поведінки субатомних частинок до законів термодинаміки
Симетрія може описувати те, як об'єкти і системи поводяться і взаємодіють один з одним.
Симетрія - це концепція, яка пояснює, як об'єкти і системи поводяться і взаємодіють один з одним. Скажімо, об'єкт або система залишаються незмінними або вони виглядають такими самими після трансформації чи зміни.
Загалом існує два основні типи симетрії:
Відбивна симетрія - цей тип симетрії пояснює, чому об'єкт або система виглядають однаково після відображення вздовж лінії або площини.
Наприклад, якщо ви подивитеся на своє обличчя в дзеркало, ви побачите відображення свого обличчя. Воно здається ідентичним, але з перевернутим "лівим" і "правим".
Відбивна симетрія також відома як дзеркальна симетрія і поширена в природних і штучних об'єктах, а також у математичних і фізичних системах.
Обертальна симетрія - це тип симетрії, який виникає тоді, коли об'єкт або система мають однаковий вигляд після повороту на певний кут навколо фіксованої точки або осі.
Наприклад, коло має обертальну симетрію, бо воно виглядає однаково після повороту на будь-який кут навколо свого центру.
10. Теорія Великого вибуху є переважним науковим підходом, який пояснює походження та еволюцію Всесвіту
Згідно з теорією, Всесвіт зародився як гаряча, щільна і нескінченно маленька точка, сингулярність.
Близько 13,8 мільярдів років тому ця сингулярність швидко розширилася внаслідок Великого вибуху. Таким чином народився Всесвіт.
У перші кілька миттєвостей після Великого вибуху вона була заповнена високоенергетичними частинками і випромінюванням, які поступово охолоджувалися і трансформувалися в матерію.
Згодом гравітація змусила цю матерію злипатися, утворюючи перші зірки та галактики.
Всесвіт розширюється з моменту Великого вибуху, швидкість такого розширення збільшується. При цьому космос наповнювався темною енергією, яка спричинила прискорення розширення.
Теорія Великого вибуху підтверджується великою кількістю доказів із різних галузей науки, включно з астрономією, фізикою та хімією.
Ось деякі з ключових доказів теорії Великого вибуху:
- Космічне мікрохвильове фонове випромінювання. У 1964 році астрономи виявили слабке рівномірне світіння мікрохвиль, що виходять з усіх боків неба. Це випромінювання отримало назву "космічний мікрохвильовий фон" (CMB) і вважається залишковим теплом Великого вибуху. Реліктове випромінювання надзвичайно однорідне і має температуру близько 2,7 Кельвіна, що узгоджується з передбаченнями моделі Великого вибуху.
- Червоне зміщення галактик. Астрономи помітили, що далекі галактики віддаляються від нас. І що далі вони перебувають, то швидше вони рухаються (Закон Габбла). Розширення Всесвіту можна простежити в часі, аж до епохи сингулярності.
- Достаток легких елементів. Модель Великого вибуху передбачає, що на ранніх стадіях Всесвіт був заповнений гарячою і щільною плазмою. Згодом вона охолола і розширилася. Цей процес призвів до утворення легких елементів, на кшталт водню і гелію.
- Великомасштабна структура Всесвіту. Розподіл галактик та іншої матерії в космічному просторі нерівномірний. Ми спостерігаємо складну структуру скупчень і ниток. Формування цієї структури пояснюється гравітаційним колапсом малих флуктуацій густини в ранньому Всесвіті.
- Космічна інфляція. Інфляція - це гіпотетичний період експоненціального розширення, який стався незабаром після Великого вибуху. Ця теорія була запропонована для пояснення однорідності та площинності всесвіту.
Водночас жоден астроном або космолог вам не скаже, що Великий Вибух мав місце в минулому. Вони відхрестяться від самого терміна. У кращому разі теоретики міркуватимуть про розширення всесвіту, але не про його появу.
Питання "звідки все?" не ставиться. За визначенням.
