Несколько полезных советов о том, как не попасть впросак в кругу научной интеллигенции и поддержать беседу о сингулярности, термоядерном синтезе или теории струн.

физические теории наука физика термины сингулярность термоядерный синтез теория струн

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Звучит страшно, но на деле это самый легкий пункт из сегодняшнего списка. Этот термин относится к области квантовой физики, а квантовая физика многим попортила кровь в начале 20-го века тем, что открыла двойственную природу многих вещей. Итак, дуализм – это свойство света (не только его, но и многих частиц – как электрон или протон) быть одновременно и отдельной частицей, и волной, а точнее иметь их свойства. Ученые долго спорили на этот счет. Одни утверждали, что свет – это поток очень маленьких частиц, потому что он отражается, в то время как другие утверждали, что свет – волна, так как огибает предметы без образования тени, как волна воды – камни.

Цитата для поддержания беседы:

«Ох уж эта двойственная природа…Никого не напоминает?» — если вдруг захотите испортить с кем-нибудь отношения.

КОТ ШРЕДИНГЕРА

физические теории наука физика термины сингулярность термоядерный синтез теория струн кот Шредингера

Этот кот (которого в принципе не существовало) стал суперзвездой мира науки после того, как гениальный ученый Эрвин Шредингер опубликовал свой мыслительный эксперимент, в котором пытался доказать несостоятельность квантовой теории (той самой, о которой я говорила в предыдущем пункте). Вот как выглядел этот эксперимент:

1. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается емкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.

2. Закрываем кота в ящик, ждем час и задаемся вопросом: жив ли кот или мертв?

3. Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив и мертв одновременно. Чего в принципе не может быть. А следовательно, квантовой теории нужны множественные уточнения.

Цитата для поддержания беседы:

«А ведь если б не Фридрих Хазенерль, то нам тут и обсуждать было бы нечего!» И громко засмейтесь. Сразу сойдете за своего. Но есть вероятность, что кто-то может и не знать главного учителя Эрвина.

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Все когда-нибудь да слышали это словосочетание – те, кто дремал на уроках физики, наверняка встречались с ним при просмотре фильмов, фильмов о войне в частности. Термоядерная реакция – это реакция, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые. Для того чтобы она произошла, ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, а для этого они должны обладать огромной энергией. То есть реакция должна происходить при очень высокой температуре, поэтому она и названа «термоядерной». После столкновения ядер высвобождается огромное количество энергии – сила электростатического отталкивания одна из самых мощных в природе. Ученые рассматривают синтез как один из будущих источников энергии, правда, будет это только тогда, когда затраты на его воспроизведение станут меньше, чем профит от продажи энергии.

Цитата для поддержания беседы:

«Сегодня слышал по радио, что в Казахстане токамак (камера для управляемой ядерной реакции) строить собираются. Чувствую, 2 млрд тенге кому-то на дачу уйдут». Разговоры о распиле бюджета – вневременная классика в любой компании.

ПЛАЗМА

Еще одно часто встречающееся в повседневной жизни слово. Правда, если мы говорим не о телевизорах и не о плазме крови, вероятность столкнуться с плазмой у нас очень мала – она обитает только в космосе. Проще говоря, плазма – это четвертое состояние вещества. После того как жидкость превращается в газ, есть возможность превратить газ в плазму, то есть продолжать нагревать до очень высоких температур. На Земле мы такого позволить себе не можем, а вот в космосе она занимает 90% межзвездного пространства.

Цитата для поддержания беседы:

просто не говорите, что вы верите в эктоплазму. Этого будет более чем достаточно для демонстрации высокого IQ.

СИНГУЛЯРНОСТЬ

Этот термин и звучит красиво, и объясняется сравнительно легко. На самом деле, сингулярность бывает разная – такое обозначение есть и в математике, и в психологии, но мы сейчас говорим о космологической сингулярности. Этим термином ученые всего мира описывают состояние, в котором пребывала Вселенная до Большого взрыва (см. ниже), –  вся материя была сжата в одну точку, обладающую бесконечной плотностью и температурой. Есть еще и гравитационная сингулярность –  бесконечная кривизна пространства-времени в экстремальных условиях.

Цитата для поддержания беседы:

«Примером координатной сингулярности служит сфера Шварцшильда в пространстве-времени Шварцшильда в шварцшильдовских координатах, где компоненты метрического тензора обращаются в бесконечность». После этого предложения настоящие нерды должны будут утереть скупую мужскую слезу и принять вас в семью, а если слезы вы так и не увидите — вы выбрали не ту компанию.

наука физика термины сингулярность термоядерный синтез теория струн

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Самая популярная теория происхождения мира получила даже собственное шоу на телевидении, все про нее знают, но никто не знает, почему этот самый взрыв произошел. И это нормально, потому что ученые сами этого до сих пор не выяснили до конца, а любое его объяснение становится запутанным и очень неточным.

Начать стоит с сингулярности. Длилась она по земным меркам очень недолго – 10-43 секунды. Но рассуждать о времени очень проблематично – до взрыва его попросту не существовало. Сам Большой взрыв стал вспышкой энергии, которая, скорее всего, высвободилась от столкновения всей материи Вселенной, сжатой под чудовищным давлением при бесконечной температуре. Спустя еще какую-то долю секунды началось охлаждение и образование частиц. Огненный шар начал остывать, превращаясь в густую смесь атомных частиц и образуя газы водород и гелий. Шар начал превращаться в облако материи, и постепенно из этого облака стали рождаться галактики.

Цитата для поддержания беседы:

просто не говорите ничего ни о «Теории Большого взрыва», ни о Шелдоне Купере. Забудьте об этом сериале, пожалуйста.

ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ

наука физика термины сингулярность термоядерный синтез теория струн

Еще одно звучное понятие, пришедшее из области теоретической физики, которое даже заслужило фильм в свою честь (с неправильно переведенным названием, к сожалению). Горизонт событий – это некая гипотетическая сфера, окаймляющая черную дыру (см. ниже), за пределы которой ничто не может выйти. И под «ничто» космологи подразумевают и материю, и энергию, и даже информацию. Правда, сейчас ученые опять спорят о его существовании, так как он противоречит принципам квантовой механики.

Цитата для поддержания беседы:

«Вы никогда не замечали, что у Пола Андерсона горизонт завален?» — шутка за 200 для среды киношников. Вполне возможно, что и среди научной интеллигенции кто-то ее оценит.

ТЕОРИЯ СТРУН

С тех далеких времен, когда ученые узнали о существовании макромира (звезды, планеты, черные дыры) и микромира (атомы, ядра, частицы), их стал интересовать вопрос – возможно ли выработать единый свод правил, который бы работал и для того, и для другого мира. Это стало самой большой проблемой физиков-теоретиков – как объединить все фундаментальные силы (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия) в единую теорию. Гравитационное работает только для больших объектов, так как зависит от массы, электромагнитное – только для очень мелких, так как зависит от притяжения и отталкивания одноименно заряженных мелких частиц (электроны и протоны, например). А вот теория струн как раз претендует на роль Теории Всего, потому что предполагает существование гораздо большего количества измерений.

Оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории, – целых десять (девять из которых пространственные и одно  временное)! Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, уходящие в бесконечность – сингулярность.

наука физика термины сингулярность термоядерный синтез теория струн

В основе теории струн лежит идея, что все элементарные частицы можно представить в виде одного элементарного «первокирпичика» – струны. Струны могут вибрировать, и разные моды таких колебаний на большом удалении будут выглядеть для нас как различные элементарные частицы. Одна мода – фотон, другая – электрон. Грубо говоря, эти струны создают частицы всех четырех элементарных взаимодействий, даже пока неоткрытой (но уже теоретически существующей частицы гравитационного взаимодействия – гравитрона). Другое дело, что все они будут действовать в разных измерениях, но это уже никого не волнует. Точнее, этому даже придумали объяснение – так, чтобы объяснить, почему они могут работать по одним правилам, ученые заговорили о том, как несчастным остальным измерениям пришлось скукожиться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу. Это такие трехмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Двухмерная проекция подобных многообразий выглядит приблизительно так:

Конечно, теоретическая физика не зря называется теоретической. Все ее достижения существуют пока что только на бумаге и для человека непосвященного кажутся откровенно притянутыми за уши. Но именно теория суперструн сейчас является самой популярной теорией существования мира, и тысячи ученых по всему миру бьются над ее разгадкой, а богатые дяди вкладывают в нее огромные средства (один большой андронный коллайдер чего стоит). Это может показаться блажью, но именно теория струн позволила нам представить, что мы наконец-то хоть ненамного приоткрыли завесу тайны сотворения Вселенной.

Цитата для поддержания беседы:

для 99.97% населения нашей планеты хотя бы приблизительное понимание теории струн недоступно в принципе. Не переживайте, что ничего не поняли, просто повторяйте почаще «Калаби-Яу» — это хотя бы красиво звучит. 


Записала Екатерина Милославская

Иллюстратор Полина Менжулина (Instagram: @menzhulina)

Читайте похожие материалы в рубрике «Наука»