Теория большого взрыва
Составили для вас краткий справочник по физике. 10 ответов на вопросы по разным темам, которые будут понятны даже первокласснику.
10 вопросов
1. Что такое Холодный ядерный синтез?2. В чем заключается идея «Теории Всего»?3. Какова суть эффекта Доплера?4. Что такое уравнение Дрейка и как его можно применить на практике?5. Как прорыв с гравитационными волнами поможет обычному человеку?6. Что такое кот Шредингера простыми словами?7. Насколько серьезно можно относиться к теории Мириам Тук о том, что люди с переполненным мочевым пузырем принимают более правильные решения?8. Как физики относятся к телесериалу «Теория большого взрыва»?9. Объясните для чайников, в чем суть теории струн?10. Объясните для чайников, что такое бозон Хиггса и в чём важность его открытия?

Если коротко, то под холодным ядерным синтезом обычно подразумевают (предполагаемую) ядерную реакцию между ядрами изотопов водорода при низких температурах. Низкая температура — это примерно комнатная. Слово «предполагаемая» здесь очень важно, потому что сегодня нет ни одной теории и ни одного эксперимента, которые указывали бы на возможность такой реакции.

Но если нет ни теорий, ни убедительных экспериментов, то почему же эта тема довольно популярна? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать проблемы ядерного синтеза вообще. Ядерный синтез (часто говорят «термоядерный синтез») — это реакция, в которой легкие ядра при столкновении объединяются в одно тяжелое ядро. Например, ядра тяжелого водорода (дейтерия и трития) превращаются в ядро гелия и один нейтрон. При этом выделяется огромное количество энергии (в виде тепла). Энергии выделяется настолько много, что 100 тонн тяжелого водорода хватило бы, чтобы обеспечить энергией все человечество на целый год (не только электричеством, но и теплом). Именно такие реакции происходят внутри звезд, благодаря чему звезды и живут.

Много энергии это хорошо, но есть проблема. Чтобы запустить такую реакцию, нужно сильно столкнуть ядра. Для этого придется разогреть вещество примерно до 100 миллионов градусов Цельсия. Люди умеют это делать, причем довольно успешно. Именно это происходит в водородной бомбе, где разогрев происходит за счет традиционного ядерного взрыва. Результат — термоядерный взрыв великой силы. Но конструктивно использовать энергию термоядерного взрыва не очень удобно. Поэтому ученые многих стран уже более 60 лет пытаются обуздать эту реакцию и сделать ее управляемой. К сегодняшнему дню управлять реакцией уже научились (например, в ITER, удерживая горячую плазму электромагнитными полями), но на управление тратится примерно столько же энергии, сколько выделяется при синтезе.

А теперь представим, что есть способ запустить ту же реакцию, но при комнатной температуре. Это было бы настоящей революцией в энергетике. Жизнь человечества изменилась бы до неузнаваемости. В 1989 году Стэнли Понс (Stanley Pons) и Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) из Университета Юты опубликовали статью, в которой утверждали, что наблюдают ядерный синтез при комнатной температуре. Аномальное тепло выделялось при электролизе тяжелой воды с катализатором из палладия. Предполагалось, что атомы водорода захватываются катализатором, и каким-то образом создаются условия для ядерного синтеза. Этот эффект и назвали холодным ядерным синтезом.

Статья Понса и Флейшмана наделала много шума. Еще бы — решена проблема энергетики! Естественно, многие другие ученые попытались воспроизвести их результаты. Однако ни у кого ничего не получилось. Далее физики начали выявлять одну ошибку оригинального эксперимента за другой, и научное сообщество пришло к однозначному выводу о несостоятельности эксперимента. С тех пор в этой области успехов не было. Но некоторым идея холодного синтеза так понравилась, что они занимаются ей до сих пор. При этом в научном сообществе таких ученых не воспринимают серьезно, а опубликовать статью по теме холодного синтеза в престижном научном журнале, скорее всего, не получится. Пока холодный ядерный синтез остается просто красивой идеей.

2/10 В чем заключается идея «Теории Всего»?

Благодаря громадному количеству накопленных экспериментальных данных и теоретических объяснений мы, то есть человечество, более-менее представляем, как устроен мир: можно сказать, что все состоит из частиц, отчасти ведущих себя как волны, и все-все-все, что происходит в мире, сводится к тому, что эти частицы постоянно рождают и поглощают другие частицы по определенным правилам (закон сохранения энергии — пример такого правила). Из этих частиц состоят атомы, из атомов — молекулы, из молекул — сложные молекулярные комплексы, например, клетки, из клеток — мы, люди. Стало быть, раз мы понимаем, как ведут себя частицы, то мы в принципе можем засунуть математическое описание огромного множества частиц в супермощный суперкомпьютер и рассчитать все, что будет происходить с человеком и планетой, собранными из этих частиц. В общем, все науки и все знания обо всем, что есть в природе — это прикладная физика (xkcd.ru).

Помимо всяких мелких неясностей, которые в науке постоянно появляются и разрешаются, есть несколько важных проблем.

1. На самом деле не все сводится к известным частицам. Данные космологии говорят, что должны существовать еще как минимум темная материя и темная энергия — штуки с известными свойствами, но не совсем понятной сущностью. Может, это тоже частицы, а может и нет.

2. Симметрии и произвольные параметры. Вот есть Стандартная модель — теория, которая описывает значительную часть процессов, происходящих с частицами. Она включает некоторые базовые принципы, общие у нее и у родственных теорий, и Самую Главную Формулу — лагранжиан Стандартной Модели. Кое-что в этой формуле опять же построено в соответствии с общими правилами, но не все. Этот лагранжиан можно некоторым образом преобразовать, но он от этого не изменится — подобно тому, как можно повернуть квадрат на 90 градусов, и он перейдет сам в себя (и это важно, с такими преобразованиями связаны законы сохранения и типы частиц, описываемых теорией). И вот этот лагранжиан обладает каким-то слишком хитрым набором симметрий. Кроме того, в лагранжиане имеется два десятка параметров — чисел, про которые вообще непонятно, откуда взялись и как между собой связаны. Масса электрона, например. Два десятка — это довольно неплохо, но все-таки многовато.

3. Почему вообще частицы? Почему вообще для описания мироздания нужно складывать всевозможные траектории через функциональный интеграл (неважно, что это), а не производить какое-то другое математическое действие? Почему базовые принципы, на которых мы основываем фундаментальные теории, именно такие, какие они есть?

Теория всего— это такая теория, которая решает если не третью, то хотя бы первую и вторую проблемы. Успешно описывает и известные частицы, и темную материю с темной энергией, и прочее. При этом выводится довольно просто: из небольшого количества базовых принципов и произвольных параметров (одного будет достаточно).

Теорию всего пока не придумали. Возможно, ее можно описать на том же языке частиц, обменивающихся другими частицами по некоторым законам; возможно, придется привлечь другие идеи, например, что частицы — это крохотные замкнутые струнки. Неизвестно, какая идея окажется успешной. Хочется надеяться, что когда-нибудь теорию всего таки построят. Тогда мы, то есть человечество (или как минимум мы — физики-теоретики), действительно успешно опишем мир на глубочайшем возможном уровне. Поймем, как он устроен на самом деле, а не каким он кажется.

3/10 Какова суть эффекта Доплера?

Эффект Доплера – это физическое явление, состоящее в изменении частоты волн в зависимости от движения источника этих волн относительно наблюдателя. При приближении источника частота излучаемых им волн увеличивается, а длина уменьшается. При удалении источника волн от наблюдателя их частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

Например, в случае звуковых волн при удалении источника высота звука понизится, а при приближении тон звука станет более высоким. Так, по изменению высоты тона можно определить, приближается или удаляется поезд, автомобиль со звуковым спецсигналом и т.д. Электромагнитные волны также демонстрируют эффект Доплера. Наблюдатель в случае удаления источника заметит смещение спектра в «красную» сторону, т.е. в сторону более длинных волн, а при приближении – в «фиолетовую», т.е. в сторону более коротких волн.

Эффект Доплера оказался крайне полезным открытием. Благодаря ему было обнаружено расширение Вселенной (спектры галактик смещены в красную сторону, следовательно, они от нас удаляются); разработан метод диагностики сердечно-сосудистой системы через определение скорости кровотока; созданы различные радары, в том числе и те, которые используются ГИБДД.

4/10 Что такое уравнение Дрейка и как его можно применить на практике?

Уравнение Дрейка - это формула, выражающая попытку как-то оценить количество цивилизаций инопланетян в нашей галактике, причем таких, что мы бы смогли детектировать какие-то исходящие от них сигналы. Это количество в формуле выражается через несколько параметров, таких как, например, количество звезд, образующихся в галактике в единицу времени, вероятность, что у звезды образуется пригодная для жизни планета, вероятность, что на ней жизнь появится и разовьется до передачи сигналов, и тому подобных. Дрейк написал эту формулу для того, чтобы определить, есть ли смысл в программе поиска инопланетян SETI. Другие галактики он не рассматривал, так как они уж слишком далеко, и вряд ли от них можно детектировать какие-то сигналы.

Естественно, достоверность оценки на основании формулы Дрейка исключительно низка, так как вероятность зарождения жизни, развития ее до посылки сигналов и тому подобные параметры оценить можно, по-видимому, только на основании своего какого-то ощущения. Что Дрейк и сделал, и получил, что хотя бы штук десять цивилизаций, с которыми можно законтачить, в нашей галактике есть. В частности, это воодушевило людей на программу SETI.

На практике уравнение можно применить, если вы планируете получить сведения от инопланетян, а, кроме того, как напоминание, что по жизни при принятии решений можно попытаться использовать численные оценки, даже когда кажется, что сделать их нереально.

5/10 Как прорыв с гравитационными волнами поможет обычному человеку?

Гравитационные волны являются довольно простым следствием общей теории относительности Эйнштейна, то есть теоретически они предсказаны почти 100 лет назад. Общая теория относительности была проверена с большой точностью во множестве экспериментов. Кроме того, существует косвенное экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн: наблюдения за системой из двух быстро вращающихся друг вокруг друга звезд в течение нескольких лет показали, что они постепенно сближаются, и скорость сближения с довольно большой точностью совпадает с предсказанным теорией сближением в результате потерь энергии на излучение гравитационных волн.

Поэтому сейчас мало кто сомневается в том, что гравитационные волны существуют. Просто они очень слабые, плюс источники волн, например, быстро вращающиеся двойные звездные системы, находятся очень далеко. Тем не менее чувствительность детекторов, которые планируется запустить в ближайшие годы, по оценкам находится примерно на пределе детектирования самых сильных гравитационных волн.

Если под «прорывом с гравитационными волнами» подразумевается их прямое экспериментальное наблюдение, то «обычному человеку» оно наверно позволит порадоваться, насколько физика хороша, а люди умны: все что ни предскажут сбывается, даже гравитационные волны. Кроме этого, теоретически гравитационные волны могли бы использоваться для изучения космоса — можно было бы увидеть мир не только в электромагнитных волнах, но и в гравитационных. Как их можно по жизни использовать, сложно себе представить, так как они суперслабые.

6/10 Что такое кот Шредингера простыми словами?

«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать, насколько странно квантовые эффекты выглядят применительно к макроскопическим системам.

Постараюсь объяснить действительно простыми словами: господа физики, не взыщите. Фраза «грубо говоря» подразумевается далее перед каждым предложением.

В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.

Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.

На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.

На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.

А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.

Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. До того, как мы откроем ящик и заглянем туда (произведем наблюдение), он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния этого атома, выходит, что кот тоже буквально жив и мертв одновременно («...размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях...» — пишет автор эксперимента). Именно так эту ситуацию описала бы квантовая теория.

Шредингер едва ли догадывался, какого шуму наделает его идея. Разумеется, сам эксперимент даже в оригинале описан чрезвычайно грубо и без претензии на научную аккуратность: автор хотел донести до коллег идею о том, что теорию необходимо дополнить более четкими определениями таких процессов, как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках из ее юрисдикции.

Идею кота использовали даже для того, чтобы «доказать» существование Бога как сверхразума, непрерывным своим наблюдением делающего возможным само наше существование. В действительности же «наблюдение» не требует наличия сознательного наблюдателя, что лишает квантовые эффекты некоторой доли мистики. Но даже при этом квантовая физика остается на сегодня фронтом науки с множеством необъясненных явлений и их интерпретаций.

7/10 Насколько серьезно можно относиться к теории Мириам Тук о том, что люди с переполненным мочевым пузырем принимают более правильные решения?

Думаю, что к этой теории не стоит относиться серьёзно. Будем рассуждать логически. У человека с переполненным мочевым пузырём есть только одно доминирующее желание - найти туалет и помочиться. Причём чем быстрее это произойдёт, тем лучше. Какие-то побочные задачи и проблемы, могущие помешать этому процессу, мозг автоматически отодвигает на второй план. Если же упорно сопротивляться желанию помочиться и пытаться вместо этого фонтанировать правильными решениями - тут, как мне кажется, надо рассматривать более общую теорию о том, правильны ли вообще решения, принимаемые наспех, в условиях стресса и резко ограниченного времени. А переполненный мочевой пузырь - лишь один из множества факторов, придающих решениям экстренность. Резкие временные ограничения и вытекающий из этого стресс лишают человека времени спокойно обдумать все варианты решения проблемы, сужая выбор до одного, зачастую самого простого и лежащего на поверхности.

8/10 Как физики относятся к телесериалу «Теория большого взрыва»?

Мне «Теория большого взрыва» не понравилась, и смотреть дальше первой серии я не стал. Однако, как правило, физикам нравится ТБВ. Конечно, этот сериал изображает физиков и их работу гротескно, но при этом и довольно точно во многих мелочах, уважительно. Константин Новоселов даже упомянул ТБВ в своей нобелевской лекции (ufn.ru)! Впрочем, в основном физики любят ТБВ за то же, за что и все: за шутки и колоритных персонажей. Ведь все-таки, вопреки этому сериалу, физики не так уж отличаются от других людей.

См. также заметку на ту же тему на сайте postnauka.ru.

9/10 Объясните для чайников, в чем суть теории струн?

Чтобы понять основную идею теории струн, сначала нужно немного вникнуть в суть её ближайшего конкурента - стандартной модели. В СМ предполагается, что материя и взаимодействия описываются определенным набором частиц, которые можно поделить на следующие группы: кварки, лептоны, бозоны. Ключевое слово здесь - частицы, то есть минимально возможные в нашем мире микрообъекты, которые невозможно поделить на части, в общем кирпичики мироздания. Отличие ТС состоит в том, что в ней такими кирпичиками выступают не частицы а ультрамикроскопические квантовые струны, которые совершают колебания. Причем разные режимы колебаний (а стало быть, разные частоты колебаний) соответствуют различным частицам стандартной модели ( так как у всех частиц в СМ разные энергии). Здесь важно понимать, что струна не представляет собой никакую материю, а по сути является энергией, и поэтому ТС как бы намекает, что всё, что существует, состоит из энергии.

Самую простую, хотя, может, и не очень удачную аналогию, какую я могу придумать для пущей наглядности - это огонь: когда вы на него смотрите, кажется, что он материален, вроде бы как объект, который можно потрогать, но на деле - просто энергия, которую нельзя потрогать. Только в отличие от огня, через струну или струны нельзя пропустить руку, так как колеблющаяся струна - это как бы возбужденное состояние пространства, которое становится осязаемым.

Кстати, важно отметить, что теория струн претендует на теорию всего. Например, стандартная модель, которая сегодня довольно неплохо подтверждается, способна описать три фундаментальных взаимодействия из четырех: электромагнитное, слабое и сильное, но с гравитацией стандартная модель испытывает проблемы. Теория струн же может описать все четыре взаимодействия, однако за такую универсальность приходится платить сложностью и некоторой неуклюжестью теории - необходимо работать в 11-мерном пространстве времени, в котором 10 пространственных и 1 временное измерение.

И вот еще одно фантастическое свойство ТС

Одна из причин, почему мы не можем наблюдать остальные измерения — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне.

Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

10/10 Объясните для чайников, что такое бозон Хиггса и в чём важность его открытия?

Бозон Хиггса был последней частицей, которой не хватало для подтверждения стандартной модели, можно сказать, что ради неё и строили Большой Адронный Коллайдер, именно поэтому открытие этой частицы было так важно и ожидаемо.

Если совсем просто, бозон Хиггса отвечает за наличие массы у частиц, и соответственно всего, что состоит из частиц. То есть БХ - это такие частицы, которыми обменивается любое тело с пространством для того, чтобы иметь массу. В некотором смысле (конечно, в очень абстрактном) при движении телА "договариваются" с пространством, где им находится в этом пространстве именно посредством обмена бозонами Хиггса.

Кстати, БХ никоим образом не является частицей бога. Автор книги о БХ хотел назвать её goddamn particle из-за того, что её никак не могли обнаружить (чёртова частица, когда ж мы тебя найдем), но по каким-то причинам (проблемы с редакторами, кажется) её назвали god particle.