Почему небо синее? И ещё 7 наивных вопросов физику

Доцент кафедры теоретической физики ПГНИУ Алексей Алабужев ответил на 8 наивных вопросов о физике и рассказал, почему по льду лучше ходить в мороз, с какой высоты можно ронять бутерброд и почему адронный коллайдер — это так важно.

hi-tech.mail.ru

Почему короткое замыкание есть, а длинного нет?

Корот­кое замы­ка­ние — это усто­яв­ший­ся тер­мин, озна­ча­ю­щий, что элек­три­че­ский ток идёт по пути с наи­мень­шим сопро­тив­ле­ни­ем, то есть по «корот­ко­му». Если воз­ни­ка­ет пере­мыч­ка, кото­рая име­ет низ­кое сопро­тив­ле­ние, то ток идёт через неё, а не по длин­но­му пути, не по схе­ме. Поэто­му гово­рят, что замкну­то нако­рот­ко, то есть, вклю­чен какой-то малень­кий про­вод­ник, кото­рый замы­ка­ет два кон­так­та. Тер­мин «длин­ное замы­ка­ние» — бес­смыс­лен­ный, пото­му что это нор­маль­но рабо­та­ю­щая элек­три­че­ская уста­нов­ка, в кото­рой элек­три­че­ство идёт по само­му длин­но­му пути.

Почему небо синее?

Небо синее из-за того, что в верх­них сло­ях атмо­сфе­ры наи­бо­лее силь­но рас­се­и­ва­ют­ся корот­кие вол­ны: синий, фио­ле­то­вый и частич­но зеле­ный. Эти фото­ны, кото­рые летят от солн­ца, вза­и­мо­дей­ству­ют с воз­ду­хом, а крас­ные — про­хо­дят через атмо­сфе­ру. Если смот­реть на солн­це, то небо вокруг него жел­то­ва­то-белое, а само солн­це сле­пит. Там про­хо­дит прак­ти­че­ски весь спек­тр. Если смот­реть на зака­те или на заре, то солн­це крас­ное, пото­му что синий и фио­ле­то­вый рас­се­я­лись где-то в верх­них сло­ях атмо­сфе­ры и до наблю­да­те­ля дошёл толь­ко крас­ный свет.

Если бы у Зем­ли был дру­гой состав атмо­сфе­ры или дру­гая мас­са наше­го солн­ца, то мы бы могли видеть дру­гой цвет солн­ца.

Суще­ству­ют мас­сив­ные плот­ные звёз­ды, кото­рые све­тят в уль­тра­фи­о­ле­то­вом или рент­ге­нов­ском све­те. Такую звез­ду не вид­но, но наблю­да­тель очень быст­ро сго­рит в её све­те.

Почему снежинки — шестигранные?

Сне­жин­ки шести­гран­ные пото­му, что тако­ва струк­ту­ра моле­кулы воды. Одна моле­ку­ла состо­ит из ато­ма кис­ло­ро­да и двух ато­мов водо­ро­да. Если рисо­вать угол, где атом кис­ло­ро­да в цен­тре, то полу­ча­ет­ся тре­уголь­ник с углом 120°. С дру­ги­ми моле­ку­ла­ми воды могут вза­и­мо­дей­ство­вать толь­ко кон­чи­ки отрез­ков — ато­мы водо­ро­да. Они вза­и­мо­дей­ству­ют с вер­шин­ка­ми — ато­ма­ми кис­ло­ро­да. В резуль­та­те из такой струк­ту­ры самая про­стая фигу­ра, кото­рая может обра­зо­вать­ся — это шести­уголь­ник, гек­са­гон.

Четы­рёх­гран­ные сне­жин­ки тоже воз­мож­ны, но это более ред­кий слу­чай. Могут обра­зо­вать­ся пла­стин­ки, цилин­дри­ки. Это зави­сит от того, в какие усло­вия попа­да­ла сне­жин­ка. Все сне­жин­ки пада­ют за раз­ное вре­мя, попа­да­ют в более тёп­лые или более холод­ные усло­вия, поэто­му все сне­жин­ки раз­ные. Встре­тить почти оди­на­ко­вые сне­жин­ки воз­мож­но. Обра­зо­ва­ние сне­жи­нок — слу­чай­ный про­цесс. С очень малень­кой долей веро­ят­но­сти мож­но встре­тить оди­на­ко­вые сне­жин­ки.

Почему бутерброд падает маслом вниз?

Это свя­за­но с тем, что мас­ло тяже­лее, чем хлеб. Поэто­му если с одной сто­ро­ны нама­за­но более тяже­лое мас­ло, то цен­тр тяже­сти этой двой­ной систе­мы сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну мас­ла. Тяжё­лая часть все­гда пыта­ет­ся упасть пер­вой.

Если у вас есть пал­ка, один конец кото­рой дере­вян­ный, а дру­гой свин­цо­вый, то даже если её отпу­стить парал­лель­но зем­ле, то она будет падать тяжё­лым кон­цом вниз. То же самое и с бутер­бро­дом.

Пере­во­ра­чи­ва­ние бутер­бро­да свя­за­но с неустой­чи­во­стью воз­душ­ных пото­ков. Если создать такие иде­аль­ные усло­вия, когда не будет воз­ду­ха, и абсо­лют­но гори­зон­таль­но отпу­стить бутер­брод, то не воз­ник­нет вра­ща­тель­ной неустой­чи­во­сти и он упа­дёт иде­аль­но мас­лом вверх. Для это­го цен­тр тяже­сти и все точ­ки бутер­бро­да долж­ны падать иде­аль­но вер­ти­каль­но.

Про­во­ди­лись экс­пе­ри­мен­ты и есть тео­рия, что бутер­бро­ду, что­бы пере­вер­нуть­ся пол­но­стью, нуж­но око­ло мет­ра. Если вы уро­ни­те бутер­брод с мень­шей высо­ты, то, воз­мож­но, он даже не успе­ет пере­вер­нуть­ся.

Почему адронный коллайдер — это так важно?

Боль­шой адрон­ный кол­лай­дер (БАК) — сей­час на нашей пла­не­те это самый боль­шой, самый мощ­ный уско­ри­тель. Он может раз­го­нять части­цы до самых боль­ших воз­мож­ных ско­ро­стей. Он раз­го­ня­ет адро­ны, кото­рые очень тяже­лые. Для это­го тре­бу­ет­ся создать очень мощ­ное элек­тро­маг­нит­ное поле.

Он создан для того, что­бы про­ве­рить так назы­ва­е­мую Cтан­дарт­ную модель, суще­ству­ю­щую в кван­то­вой меха­ни­ке, физи­ке эле­мен­тар­ных частиц. В ней всё опи­са­но через части­цы: суще­ству­ют части­цы веще­ства, части­цы четы­рёх вза­и­мо­дей­ствий (силь­ное, сла­бое, элек­тро­маг­нит­ное и гра­ви­та­ци­он­ное). В Cтан­дарт­ной моде­ли есть гипо­те­ти­че­ская части­ца гра­ви­тон, но она пока не откры­та. Когда пла­ни­ро­ва­ли БАК, пред­по­ла­га­лось, что будем под­твер­ждать стан­дарт­ную модель и, если пове­зёт, то откро­ем что-то новое, что стан­дарт­ная модель не пред­ска­зы­ва­ет. На БАК откры­ли бозон Хиггса, «части­цу Бога», кото­рая отве­ча­ет за воз­мож­но­сть веще­ства иметь мас­су. Нашли ещё ряд частиц, но всё, что обна­ру­жи­ли, было в рам­ках стан­дарт­ной моде­ли. В резуль­та­те стан­дарт­ную модель под­твер­ди­ли и даже улуч­ши­ли, но ниче­го ново­го и неожи­дан­но­го не нашли.

Выход за пре­де­лы Cтан­дарт­ной моде­ли мир не пере­вер­нёт. Она пока не опи­сы­ва­ет тём­ную энер­гию и тём­ную мате­рию, кото­рые мы еще не можем объ­яс­нить. Может, они и встро­ят­ся в модель, если мы будем боль­ше знать, что это такое. Может, там тоже есть части­цы, кото­рые есть в стан­дарт­ной моде­ли, но мы их пока не нашли. Про­цесс изу­че­ния идёт.

Под­зем­ный зал, в кото­ром смон­ти­ро­ван детек­тор для поис­ка бозо­на Хиггса и тем­ной мате­рии — ATLAS (октябрь 2004 года). Фото: Nikolai Schwerg / Wikipedia
Пред­по­ла­га­ет­ся, что если будем повы­шать мощ­но­сть БАК, то части­цы будут летать с более высо­ки­ми ско­ро­стя­ми и, когда они будут стал­ки­вать­ся, то будут появ­лять­ся новые эффек­ты и части­цы, о суще­ство­ва­нии кото­рых мы даже не пред­по­ла­га­ем.

Воз­мож­но, эти явле­ния не будут впи­сы­вать­ся в совре­мен­ные тео­рии и гипо­те­зы. Тем не менее, если мы полу­ча­ем что-то новое, это все­гда хоро­шо, даже если мы не пони­ма­ем, что полу­чи­ли. Это сти­му­ли­ру­ет даль­ней­шие иссле­до­ва­ния.

Откры­тий на БАКе чего-то тако­го, что пере­вер­нет физи­ку, ско­рее все­го, не будет. Та кар­ти­на мира, кото­рая сей­час суще­ству­ет, более-менее закон­чен­ная и осно­ва­тель­ная. После появ­ле­ния спе­ци­аль­ной тео­рии отно­си­тель­но­сти Эйн­штей­на меха­ни­ку Нью­то­на это не опро­верг­ло. Может быть, на БАКе мы откро­ем что-то, что ска­жет, что суще­ству­ю­щие тео­рии рабо­та­ют толь­ко до опре­де­лён­но­го уров­ня, а даль­ше — уже дей­ству­ют дру­гие тео­рии. Все суще­ству­ю­щие тео­рии име­ют какие-то огра­ни­че­ния, а за ними начи­на­ет­ся что-то новое.

Почему металлические предметы холодные, а пластиковые — теплее?

Это свя­за­но с теп­ло­про­вод­но­стью мате­ри­а­лов. Чем луч­ше веще­ство про­во­дит теп­ло, тем фор­маль­но оно более холод­ное. Вы при­кос­ну­лись к поверх­но­сти тела, теп­ло­вая энер­гия от вашей руки начи­на­ет ухо­дить более актив­но, от это­го кажет­ся, что металл более холод­ный. Если пере­да­ча теп­ло­вой энер­гии пло­хая, то когда вы при­ка­са­е­тесь, энер­гия нику­да не ухо­дит. Кажет­ся, что тем­пе­ра­ту­ра веще­ства такая же, как у вашей руки.

Нель­зя ска­зать, что веще­ство теп­лое или холод­ное, оно про­сто хоро­шо или пло­хо про­во­дит теп­ло.

То же самое с оде­я­лом: оно ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ры, но из-за того, что оно изо­ли­ру­ет ваше тело от внеш­ней сре­ды, его назы­ва­ют тёп­лым.

Теп­ло­про­вод­но­сть свя­за­на с внут­рен­ним стро­е­ни­ем веще­ства. Чем актив­нее части­цы вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом, тем луч­ше осу­ществ­ля­ет­ся пере­да­ча теп­ла. Напри­мер, метал­лы из-за того, что они более плот­ные, а элек­тро­ны в них актив­нее вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом, луч­ше про­во­дят теп­ло. Кир­пич, бетон или дере­во менее плот­ные, в них мень­ше частиц, фор­маль­но они пори­стые. В них есть газо­вые вклю­че­ния, а газ очень пло­хо про­во­дит теп­ло, пото­му что моле­кулы газа гораз­до реже вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом.

Почему лед скользкий?
Поче­му он скольз­кий — до кон­ца не выяс­не­но. Суще­ству­ет три меха­низ­ма появ­ле­ния этой скольз­ко­сти:

— Дав­ле­ние. Фигу­ри­сты сколь­зят по льду из-за того, что у конь­ков очень тон­кая поверх­но­сть. Когда они едут по льду, он начи­на­ет пла­вить­ся. Поверх­ност­ный слой воды дей­ству­ет как смаз­ка, и конь­ко­бе­жец сколь­зит по льду. Для обыч­ной обу­ви этот меха­низм не рабо­та­ет, пото­му что у обу­ви боль­ше пло­ща­дь вза­и­мо­дей­ствия со льдом, чем у лез­вия. Из-за это­го тем­пе­ра­ту­ра льда повы­ша­ет­ся все­го на пару гра­ду­сов.

 Поверх­ност­ный слой моле­кул льда гораз­до хуже свя­зан друг с дру­гом, чем те моле­кулы, кото­рые нахо­дят­ся внут­ри льда. Моле­ку­лу с поверх­но­сти, гра­ни­ча­щую с воз­ду­хом, достать про­ще, чем изнут­ри. Поэто­му раз­ру­шить поверх­ност­ный слой льда про­ще, чем внут­рен­ние. Когда пеше­ход начи­на­ет вза­и­мо­дей­ство­вать со льдом, он как бы выры­ва­ет моле­кулы из поверх­ност­но­го слоя, что умень­ша­ет силу тре­ния и пеше­ход сколь­зит.

 Меха­низм тре­ния. Пеше­хо­ды шар­ка­ют по льду, вслед­ствие чего лёд пла­вит­ся из-за пере­хо­да энер­гии в теп­ло­вую бла­го­да­ря силе тре­ния. Но оцен­ки пока­зы­ва­ют, что это доволь­но сла­бый меха­низм. Вза­и­мо­дей­ствие меж­ду подош­вой и льдом сла­бое и вряд ли мож­но так нашар­кать, что­бы рас­пла­вить лёд.

Обыч­но все три меха­низ­ма дей­ству­ют вме­сте.

Чем тем­пе­ра­ту­ра ниже, тем лёд менее скольз­кий. Если при −10°С вы поскаль­зы­ва­е­тесь, то при −30° на этом же льду веро­ят­но­сть поскольз­нуть­ся мень­ше.

Это свя­за­но с тем, что при такой тем­пе­ра­ту­ре раз­ру­шить его слож­нее.

Есть ли что-то невозможное с точки зрения физики?

Такое, без­услов­но, суще­ству­ет. Но суще­ству­ет это толь­ко на дан­ном уров­не нау­ки. Воз­мож­но, в буду­щем что-то и ста­нет воз­мож­ным.

Во-пер­вых, это хре­сто­ма­тий­ный при­мер о том, что вы не може­те пере­да­вать инфор­ма­цию и энер­гию быст­рее, чем ско­ро­сть све­та в ваку­у­ме. Это гло­баль­ное огра­ни­че­ние, кото­рое есть на дан­ном эта­пе раз­ви­тия физи­ки. Пре­одо­леть эту ско­ро­сть не уда­ёт­ся.

Мы не можем полу­чить тем­пе­ра­ту­ру ниже, чем абсо­лют­ный ноль (-273°С или 0°К). Тео­ре­ти­че­ски пред­ска­за­но, что охла­дить тело силь­нее невоз­мож­но. В экс­пе­ри­мен­тах абсо­лют­ный ноль пока не дости­жим, но уче­ные уже почти добра­лись до этой отмет­ки экс­пе­ри­мен­таль­но.

Невоз­мо­жен веч­ный дви­га­тель. Вы не може­те чер­пать энер­гию из ниче­го, закон сохра­не­ния энер­гии отме­нить невоз­мож­но. По-види­мо­му, нет ника­ких пред­по­сы­лок, что закон пере­ста­нет «рабо­тать». Суще­ству­ет доволь­но мно­го меха­низ­мов, похо­жих на веч­ный дви­га­тель. Напри­мер, часы, кото­рые рабо­та­ют от пере­па­дов атмо­сфер­но­го дав­ле­ния. Вро­де бы и заво­дить не надо, и маят­ник пере­во­дить. Но веч­ным дви­га­те­лем их счи­тать нель­зя, так как есть внеш­ний источ­ник энер­гии.