В связи с тестированием сетевых блокировок в РФ на стороне нашего хостинг-провайдера наблюдаются проблемы с сетью. Сайт может работать нестабильно. Проблема известна, ожидаем восстановления маршрутов.
Атом представляется нам в школьных учебниках как маленькая, аккуратная сфера с электронами, вращающимися вокруг ядра, как планеты вращаются вокруг солнца. Но эта картина – лишь удобное упрощение. В реальности, атом – это гораздо более странный объект и лучше было запомнить модель Шрёдингера, а не Резерфорда.
Он не имеет ни четкой поверхности, ни определенной формы в привычном нам понимании. Но как тогда атом можно называть материальным и что это за материя такая? Разберем этот и сопутствующие вопросы.
Для начала нужно всегда помнить, что абсолютно любая частица находится в непрерывном тепловом движении. Даже при приближении к температуре абсолютного нуля система всё равно продолжает пульсировать в пространстве, хотя движения замедляются и становятся редкими.
Это означает, что абсолютно все субатомные частицы постоянно двигаются. Протоны, нейтроны и электроны - они перемещаются, ползают, двигаются и вращаются. Один только этот факт исключает, что у целого атома будет какая-то постоянная форма и осязаемая поверхность. Но это не самое главное.
Основная причина, по которой у атома нет четкой поверхности, кроется в фундаментальном принципе квантовой механики – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что мы не можем одновременно точно знать положение и импульс (скорость) электрона. Чем точнее мы определяем положение электрона, тем менее точно мы знаем его скорость, и наоборот.
Ядро атома окружено электронами и это уже неоспоримый факт. Даже самые современные модели описывают это как факт.
Электроны не вращаются вокруг ядра по четким орбитам, как планеты. Вместо этого они существуют в виде “электронных облаков” или “атомных орбиталей” – областей пространства вокруг ядра, где вероятность обнаружения электрона наиболее высока. Эти облака представляют собой распределение вероятностей, а не твердые границы.
Представьте себе вентилятор. Когда он выключен, вы видите отдельные лопасти. Но когда он включен на высокой скорости, лопасти сливаются в размытый диск. Аналогично, электроны, движущиеся с огромной скоростью, создают размытый электронный след, а не четкую поверхность.
Электронные облака не имеют четких границ. Вероятность обнаружения электрона уменьшается с расстоянием от ядра, но никогда не становится строго равной нулю. Это означает, что теоретически электрон может находиться очень далеко от ядра, хотя вероятность этого и невелика.
Таким образом, нельзя сказать, что атом “заканчивается” в какой-то конкретной точке. Где провести границу? Где вероятность обнаружения электрона становится достаточно низкой, чтобы сказать: “Вот здесь атом заканчивается, а дальше – пустота”? Этот вопрос не имеет однозначного ответа.
Более того, некоторые источники утверждают, что "принадлежащий" ядру электрон может с ненулевой вероятностью оказаться на другой части Вселенной. О какой тут форме можно тогда говорить?
Даже если бы у атома была четкая поверхность, она не была бы сферической, как часто изображают. Форма электронных облаков определяется квантовыми числами электронов и может быть весьма сложной.
Существуют различные типы атомных орбиталей, обозначаемые буквами s, p, d, f и т.д. s-орбитали имеют сферическую форму, но p-орбитали имеют форму гантели, а d- и f-орбитали – еще более сложные трехмерные структуры. Форма атомных орбиталей определяет направление химических связей и, следовательно, форму молекул.
Поскольку форма электронных облаков не является сферической, то и “форма” атома, определяемая распределением электронов, не является сферой.
Реальные атомы редко существуют изолированно. Они взаимодействуют с другими атомами, образуя молекулы и твердые тела. Это взаимодействие влияет на распределение электронов и, следовательно, на “форму” атома.
В молекуле атом уже не является изолированной системой. Электронные облака атомов перекрываются и деформируются под влиянием электрических полей, создаваемых соседними атомами. Таким образом, “форма” атома в молекуле отличается от “формы” изолированного атома.
Наконец, стоит помнить о масштабе. Атом чрезвычайно мал. Если представить атом размером с футбольный мяч, то ядро будет размером с горошину в центре поля, а электроны – как пылинки, летающие по стадиону. Большая часть атома – это пустота.
Поэтому на микроскопическом уровне даже само понятие “поверхности” и “формы” теряет свой привычный смысл. Атом – это скорее вероятностное распределение электрического заряда, а не твердый объект с четкими границами.
Субатомные частицы не закреплены на жёстких точках, а больше напоминают конструктор неокуб, который находится в равновесии. Силы взаимодействия заставляют, например, протоны, находиться на некотором расстоянии друг от друга, но сохранять при этом связь. Всё это бурлит, вращается и перемещается. О каких тут точных границах и форме можно вообще говорить.
Атом – это не миниатюрная солнечная система, как нас учили в школе. Это квантово-механический объект, описываемый вероятностными функциями. Он не имеет четкой поверхности, определенной формы или траекторий движения электронов.
Атом – это скорее размытое, вероятностное распределение электрического заряда вокруг ядра. Понимание этой квантовой природы атома – ключ к более глубокому пониманию химии, физики и фундаментальных законов Вселенной. Вместо того, чтобы представлять атом как твердую сферу, лучше думать о нем как о призрачном, динамичном облаке вероятностей, которое формирует реальность, которую мы видим и ощущаем.
То, что мы видим в электронный микроскоп - это лишь некоторый объект, который способен отклонять электроны. Вся область, где есть атома, отклоняет их движение, а потому выглядит, как горошина или точка.
2 марта 1972 года и 6 апреля 1973 состоялись запуски космических аппаратов NASA "Пионер-10" и "Пионер-11" соответственно. Эти зонды стали первыми в истории аппаратами, которые не только преодолели пояс астероидов, но и посетили планеты-гиганты нашей Солнечной системы — Юпитер и Сатурн.
Организуя столь сложную миссию, NASA, конечно, рассматривало вероятность того, что что-то пойдет не по плану. Но то, что случилось с "Пионером-10" и "Пионером-11" стало странной и очень интригующей загадкой.
На расстоянии около 20 астрономических единиц (а.е.) от Солнца (одна а.е. равна среднему расстоянию между Землей и Солнцем — примерно 150 миллионов километров) с зондами начало происходить нечто странное — они демонстрировали необъяснимое торможение, словно что-то тянуло их назад к звезде.
И хотя "Пионеры" уверенно продолжали свой путь к границам Солнечной системы, игнорировать загадочную силу, которая как будто тянула их обратно к нашему светилу, было невозможно. Совпадение расстояния, на котором начала проявляться аномалия у обоих аппаратов, заставило физиков предположить, что, возможно, с нашим пониманием гравитации что-то не так.
Согласно закону обратных квадратов Ньютона, сила притяжения между телами пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Проще говоря, чем дальше объект удаляется от Солнца, тем слабее должно быть его гравитационное влияние. Однако данные с "Пионеров" словно противоречили этому фундаментальному закону физики.
Некоторые ученые начали рассматривать возможность того, что странное поведение "Пионеров" указывает на необходимость пересмотра существующих физических теорий. Однако тот факт, что последующие космические аппараты не сталкивались с подобной аномалией, намекал на то, что разгадку стоит искать в другом направлении.
Спустя десятилетия команда исследователей, восстановив и проанализировав данные допплерографии и телеметрии, нашла гораздо более прозаичное объяснение. Причина крылась в особенностях конструкции самих аппаратов.
"Пионеры" были стабилизированы вращением*, их большие антенны всегда указывали на Землю. РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) — источники питания аппаратов — излучали тепло на заднюю сторону антенн. Антенны отражали и переизлучали это тепло в направлении движения корабля. Кроме того, нагретый приборный отсек располагался в передней части аппарата, что приводило к еще большему излучению тепла в том же направлении.
*Стабилизация вращением — это метод, который используется для поддержания ориентации космических аппаратов в пространстве без использования активных систем управления ориентацией, таких как двигатели или маховики.
Создаваемое фотонами давление (тот же принцип, что используется в солнечных парусах) действовало против движения, вызывая крошечное, но измеримое торможение — ту самую "аномалию Пионеров".
Стоит отметить, что аномальное торможение зондов на самом деле началось гораздо раньше и нарастало постепенно по мере их удаления от Солнца. На расстоянии около 20 а.е. эффект стал достаточно заметным, чтобы его уверенно зафиксировали приборы.
История "аномалии Пионеров" служит прекрасным примером того, как важны тщательный анализ данных и проверка всех возможных объяснений, прежде чем делать выводы о необходимости пересмотра фундаментальных законов физики. Восстановление и детальное изучение данных позволило разгадать эту космическую загадку, еще раз подтвердив надежность существующих физических теорий.
P.S. Зонды продолжают свое путешествие к границам Солнечной системы. "Пионер-10" находится на расстоянии около 20 миллиардов километров от Земли и движется в направлении звезды Альдебаран, удаленной примерно на 65 световых лет от нас. Последний слабый сигнал от "Пионера-10" был получен 23 января 2003 года. С тех пор связь с ним потеряна, скорее всего, из-за истощения энергии радиоизотопного генератора.
"Пионер-11" сейчас находится на расстоянии около 16 миллиардов километров от Земли и летит в направлении созвездия Щита. Последний раз с ним удалось связаться 30 сентября 1995 года. Официально "Пионер-11" функционально "умер" из-за недостатка энергии, но, как и его "брат", зонд продолжает путешествие.
Протон — одна из самых стабильных частиц во Вселенной. Эти фундаментальные кирпичики мироздания настолько долговечны, что их теоретическое время жизни превышает возраст самой Вселенной.
Все видимое вещество, от кончика вашего носа до самых далеких галактик, построено из протонов, которые вместе с нейтронами образуют ядра атомов, окруженные электронами. За всю историю наблюдений ученые ни разу не зафиксировали самопроизвольный распад протона — настолько он стабилен.
Сомнения в абсолютной стабильности протона породили одну из самых интригующих гипотез современной физики — идею о его возможном самопроизвольном распаде. Если этот краеугольный камень мироздания способен спонтанно распадаться, пусть даже через умопомрачительные 10^35 лет (единица и 35 нулей!), то это перевернет наши представления о фундаментальных законах природы. Ведь согласно Стандартной модели физики элементарных частиц — нашей лучшей на сегодня теории устройства микромира — протон считается абсолютно стабильной частицей, поскольку в этой теории строго выполняется закон сохранения барионного числа. Самопроизвольный распад* отдельного протона как раз и означал бы нарушение барионного числа.
*Распады протона во взаимодействиях, где рождаются другие барионы (семейство элементарных частиц), не нарушают этот закон сохранения.
Ученые строят гигантские подземные детекторы, заполненные тысячами тонн сверхчистой воды. В этих резервуарах триллионы триллионов протонов терпеливо ждут своего звездного часа. Сверхчувствительные датчики непрерывно следят за водой в надежде заметить вспышку света — потенциальные следы распада протона. Пока безуспешно, но поиски продолжаются с неослабевающим упорством.
Теории Великого объединения, стремящиеся объединить все фундаментальные взаимодействия в единую силу, предсказывают неизбежность распада протона. Более того, обнаружение распада протона могло бы пролить свет на одну из главных загадок космологии — почему во Вселенной так много вещества и так мало антивещества (барионная асимметрия Вселенной). Возможно, эта асимметрия возникла на заре существования космоса именно из-за разницы в распадах протонов и антипротонов.
Поэтому физики с таким упорством продолжают искать следы распада протона, несмотря на исчезающе малую вероятность этого события. Цена такого открытия неизмерима — оно откроет новую главу в понимании фундаментальных законов природы и прольет свет на тайны происхождения самой Вселенной.
Протон может оказаться не таким вечным, как мы думали, но разгадка его секретов сулит бессмертие для человеческого знания о Вселенной.
Позитроний — самый легкий "атом" во Вселенной. В отличие от обычных атомов, он состоит не из ядра и электронов, а представляет собой связанную пару электрона и его античастицы — позитрона.
Это невероятно короткоживущая система: просуществовав всего 142 наносекунды, электрон и позитрон аннигилируют, превращаясь во вспышку гамма-излучения. Но за это мгновение позитроний ведет себя как настоящий атом — может поглощать и испускать фотоны, переходить между энергетическими уровнями и даже образовывать "молекулы" с другими атомами.
В 1951 году физик Мартин Дойч впервые экспериментально обнаружил позитроний, изучая излучение радиоактивного изотопа натрия-22. Измеряя спектр гамма-излучения, он заметил характерные линии, которые могли появиться только при аннигиляции связанной пары электрон-позитрон.
Сегодня физики используют позитроний как уникальную лабораторию для изучения квантовой электродинамики и поиска "новой физики" за пределами Стандартной модели.
Сегодня просто поделюсь с вами интересным роликом :)
Почти уверен, что твёрдое состояние воды ассоциируется у вас только лишь со льдом. С самым обычным холодным льдом. Это агрегатное состояние, которое появляется в результате охлаждения физической системы до низкой температуры. С точки зрения термодинамики у частиц есть тепловая энергия. Она, как вы возможно помните из курса физики, является мерой движения частиц. Пока температура высокая и энергии много, частицы сильно подвижны. При этом характерным агрегатным состоянием будут являться или газ, или жидкость. Они характеризуются хаотическим положением частиц, которое и проявляется из-за большой подвижности элементов системы. Когда температура падает, частички начинают потихоньку останавливаться.
При температуре, близкой к формированию твёрдого агрегатного состояния, частички замирают и упорядочиваются. Получается, что вода замерзает из-за уменьшения интенсивности колебаний частичек, которое связанно преимущественно с отводом тепла. А что, если не отнимать у частичек энергию, а ограничить их движение и чисто механически подвинуть ближе друг к другу?
Получится ли лёд или твёрдое состояние? Или вообще что? В этом ролике мы обсудим специфическое упорядочивание системы при её механическом сжатии. Да, по сути жидкое можно так уплотнить, что оно станет твёрдым.
Наверняка вы слышали эту байку. Лист бумаги можно сложить только 7 раз. Почему именно столько и откуда такое число? Да и правда ли это? Попробуйте провернуть это мероприятие с обычным офисным листочком и опишите результат в комментариях!
Но мне уже знаком ответ. Поэтому, продолжу повествование для тех, кто уже увидел результат теста.
Обычная офисная бумага имеет толщину около 0,1 мм и быстро увеличивается в размерах и "толстеет" при сгибании. Давайте прикинем процесс математически.
Складываем бумагу 7 раз: без сгиба - 0,1 мм, первый сгиб - 0,2 мм, второй сгиб - 0,4 мм, третий сгиб - 0,8 мм, четвертый сгиб - 1,6 мм, пятый сгиб - 3,2 мм, шестой сгиб - 6,4 мм, седьмой сгиб - 12,8 мм. Согласитесь, что 12,8 - это не так-то и много. Последняя складка соответствует 128 листам бумаги. Достаточно сложно сложить лист даже уже в 5 раз.
Но проблема на самом деле даже ни в этом. Проблема в том, что радиус сгиба в конечном итоге будет слишком большим, чтобы лист можно было сложить еще больше, не разорвав бумагу.
Представьте себе систему, которая состоит из слоёв. Например, тут очень хорошо подойдёт панель из вспененного материала, облицованного ПВХ. Такие панели активно используются для облицовки и утепления. Нам подойдёт любой аналогичный вариант, поэтому если этот материал вам не знаком, то представьте, что нечто относительно мягкое зажимается между жёсткими слоями.
Когда такую конструкцию пытаешься согнуть, то происходит интересный процесс. Слой ведут себя неравномерно и это более, чем очевидно. Тот слой, который оказывается снаружи угла будет не просто изгибаться и складываться. Он будет стремиться к растяжению.
Пока внутренней слой тонкий, то система будет изгибаться. Но когда внутри толщина слоя всё увеличивается, в какой-то момент наступит предел, где для получения складки нужно будет интенсивно растягивать внешний слой. Если материал податливый, то это не будет проблемой. Он просто деформируется. Примерно так повёл бы себя лист алюминия. Но бумага - это другой материал. Она практически не растяжима.
Соответственно, пока у бумаги хватает пластичности, она образует складку. Когда складка уже формироваться не может - она рвётся.
С механической точки зрения сложить бумагу уже не получится. Это действительно невозможно физически. Потому что бумагу нужно не складывать, а рвать. И рвать нужно по сути кусок фанеры, толщиной 12,8 мм. Сможете порвать такой кусок руками? Скорее всего нет.
Полезно отметить, что размер листа играет роль. Это оказывает влияние на минимальный радиус изгиба. Чем больше лист, тем меньше можно растягивать внешний слой. Поэтому 7 раз -это предел для листа офисного размера.
Лист бумаги большего размера можно сложить более 7 раз. Разрушители мифов однажды сложили лист бумаги размером с футбольное поле 11 раз.
Ну а как антипод тут поведёт себя какой-нибудь полимерный материал. Лист спасательного одеяла (одеяло из термомайлара) можно сложить минимум 12 раз руками. Толщина этих одеял всего 15 микрон. Пластичность этого материала высока и предел излома, который будет требовать порвать внешний слой, будет достигнут гораздо позже.
Такой простой процесс, а внутри спрятана столь интересная физика.
Гравитация как-то связана со временем, а "напряженность" гравитационного поля каким-то образом способна повлиять на скорость течения времени. Вспомните что происходит около горизонта событий чёрной дыры. Объект видит, как пролетают годы и столетия со скоростью света, а его движение со стороны кажется настолько медленным, что это затягивается на миллионы лет. При этом в системе отсчёта замедленного объекта всё идёт как надо. Не кажется ли вам, что тут не обошлось без теории относительности и игр прострнаства-времени? Точно. Именно так. Но как всё это работает на физическом уровне? Что такое жуткое делает гравитация и какой тут механизм работает? Давайте попробуем найти физическую суть путешествий во времени с участием гравитации и дадим простой ответ на этот вопрос!
Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.
В стандартном случае принцип суперпозиции означает, что если у вас есть несколько решений некоторого уравнения, описывающего физическую систему, то любая линейная комбинация этих решений также будет решением этого уравнения.
Звучит довольно путанно, но поможет простой пример. Представьте себе, что вы бросаете два камня в пруд. Каждый камень создает механические волны на поверхности воды. В тех местах, где волны от разных камней встречаются, они накладываются друг на друга (суперпозиционируются) или... если ещё проще...Складываются.
Можно смело сказать, что итоговая волна, которую вы видите на поверхности пруда, является результатом суперпозиции волн от каждого камня. Это линейная суперпозиция, потому что амплитуда результирующей волны в каждой точке является суммой амплитуд волн от каждого источника. Ну и важно отметить, что складывается оно по всем правилам математической обработки результата - плюс складывается с минусом, учитывается направление вектора и так далее. Некоторые почему-то притягивают сюда логику абсолютного значения.
И тут всё хорошо и логично. Но потом мы сталкиваемся с квантовой физикой. Там есть квантовая суперпозиция.
Это совсем другое понятие, хотя логика суммирования тоже может к нему применяться. Нам важно понимать что это такое, потому что суперпозиция - это база для всей квантовой механики.
Начнём с примера. Процитирую, пожалуй, классическое представление проблемы и не менее классический пример.
Представьте, что у вас есть монетка, которая крутится в воздухе. Пока она не упала, нельзя сказать, орёл там или решка – она как бы “и то, и другое сразу”. Вот это и есть квантовая суперпозиция!
В квантовой физике частицы (например, электроны) могут находиться в нескольких состояниях одновременно (например, иметь разный спин или энергию). Пока мы не измерили, в каком именно состоянии частица, она находится в “суперпозиции” всех возможных состояний. Только в момент измерения частица “выбирает” одно конкретное состояние.
Суперпозиция - это как “квантовая неопределенность” до момента наблюдения.
Осознать это в здравом уме не так-то и просто.
Вот и Шрёдингер подумал, что это какой-то бред и привёл легендарный пример с котом. Да, я не устаю напоминать, что кот Шрёдингера был примером того, что квантовая физика - это безумие. Но в историю, как это часто бывает с событиями, он вошёл как милое животное, которое и живое и мёртвое.
Он предложил мысленный эксперимент. В закрытом ящике следует расположить кота и флакон с ядом. Флакон с ядом может быть разрушен, а зависит это от системы срабатывания, которая зависит от вероятности распада частицы. Мы умышленно подбираем такой вариант, когда это фифти-фифти или 50 на 50. Мы сможем узнать, что именно случилось с котом только в том случае, когда откроем ящик. Но до того момента кот сразу и живой, и мёртвый с равно вероятностью. Эксперимент иллюстрирует сразу и эффект наблюдателя, и состояние квантовой суперпозиции.
А теперь прочитайте это ещё раз и попробуйте перенести состояние фифти-фифти на обычную жизнь. Не получается? Именно так! Всё потому, что между квантовой физикой и физикой стандартной (которая нами легко воспринимается) существует серьезный барьер.
По сути любое квантовое событие рассматривается именно как кот в закрытом ящике. Я много раз поднимал эти темы на канале.
Состояние любой квантовой системы описывается квантовой или волновой функцией. Это база. И она не имеет определенного описания конкретного варианта или состояния системы.
Мы получаем результат только в случае наблюдения (парадокс наблюдателя). По сути дела это можно перефразировать, что конкретное состояние из множества вариантов проявляет себя только в момент взаимодействия с системой (это детектирование или что-то аналогичное). Такое взаимодействие принято называть коллапсом волновой функции.
И тут целая вереница интересных размышлений и разбора сопутствующих проблем (например про варианты, которые были у системы или про скрытые параметры). Но не будем пока отвлекаться. Всё это интересно, однако нам нужно познать квантовую суперпозицию.
Очень важно осознать, что квантовая физика отталкивается от математики. Переносить туда знания о макромире не то, чтобы сильно правильно.
Квантовая суперпозиция - это математика и только потом попытка наложить её на физику.
Для того, чтобы в должной мере понимать проблему, полезно изучать историю физики. Но я упрощу вам задачу и сделаю это за вас. Вывод там один - почти все квантовые явления начинаются с математического анализа. Это не физика, в которой встречается математика, это математика, которую потом пытаются найти в реальности и даже частенько находят.
Вот, например, в 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать студенческую задачу про частицу в ящике в реальной жизни. Это как раз способ моделирования суперпозиции.
Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности и про это было на канале), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра. Затем они инжектировали электроны в эту яму. Используя сканирующий туннельный микроскоп, который может улавливать отдельные электроны с поверхности, они измерили плотность электронов в разных точках загона.
При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне. Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).
По сути это наблюдение загадочной волновой функции на практике, где электроны вели себя согласно расчёту.
Получается, что как-то доходчиво представить математическую суперпозицию в терминах стандартной физики очень сложно. Механику сюда не притянуть. Лучшим примером остаётся монетка в воздухе, но и тут не всё так просто.
В классической механике объекты всегда имеют определенные значения своих свойств (например, положение или скорость). Суперпозиция просто описывает, как комбинируются значения этих свойств от разных источников.
В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объект не имеет определенного значения свойства до момента измерения. Он находится в “смеси” всех возможных значений. Это принципиальное отличие, которое делает квантовую суперпозицию гораздо более загадочной и контринтуитивной, чем классическую.
Это говорит лишь о том, что не зря квантовые системы отталкиваются от математики, накладывая расчётные состояния на реальность. И можно было бы плеваться и говорить, что это не настоящая физика, но примеров, когда это работает успешно, вполне хватает. Например, в вашем устройстве, на котором вы сейчас читаете текст, есть транзисторы с квантовым туннелированием и это работает.
Дальше нам остаётся спорить про выбор конкретных состояний или про существование истинной случайности, про хаос или детерминированную, но сложную математическую модель и про то, что происходит при детектировании частицы в опыте Юнга. Но это уже совсем другая история.
Многие из нас, глядя на ночное небо, задавались вопросом: почему Луна не падает на Землю? Ведь наша планета притягивает к себе все, проходящие слишком близко, объекты — от пылинок до астероидов. Что же удерживает Луну на безопасном расстоянии?
На самом деле Луна все же падает на Землю. Однако благодаря своей огромной орбитальной скорости — более 3 682 километров в час — она постоянно "промахивается" мимо нашей планеты. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, эта скорость напрямую зависит от массы Земли и расстояния до нее. Чем ближе объект к Земле, тем быстрее он должен двигаться, чтобы оставаться на орбите. Чем дальше — тем медленнее может быть его движение. Например, Международная космическая станция летает низко над Землей (около 400 километров), поэтому она двигается со скоростью около 27 600 километров в час, чтобы продолжать "промахиваться" и оставаться на стабильной орбите.
При этом важно понимать, что система Земля-Луна — это не статичная конструкция, а динамическое взаимодействие двух тел. Земля и Луна непрерывно влияют друг на друга, хотя влияние Луны меньше из-за разницы в массах. Более того, под действием приливных сил Луна постепенно удаляется от Земли в среднем на 3,8 сантиметра в год.
Орбита нашего спутника имеет форму эллипса. Поэтому расстояние между Землей и Луной меняется от ~363 до ~405 тысяч километров в течение каждого оборота. При этом скорость движения Луны тоже не остается постоянной — она увеличивается при приближении к Земле и уменьшается при удалении от нее, подчиняясь законам Кеплера.
Этот же принцип действует и в масштабах всей Солнечной системы. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по тому же закону. Наша планета движется по орбите со средней скоростью около 107 200 километров в час — именно такая скорость необходима, чтобы оставаться на орбите вокруг Солнца на расстоянии одной астрономической единицы (~150 миллионов километров). А Плутон, находясь значительно дальше от Солнца, движется со средней скоростью 16 809 километров в час — это прекрасно иллюстрирует, как орбитальная скорость уменьшается с увеличением расстояния от центрального (доминирующего) тела.
В масштабах Вселенной этот баланс между движением и притяжением создает удивительно устойчивые системы. Именно благодаря этому существуют галактики, звездные и планетные системы, включая нашу Солнечную систему.
Почему мы помним прошлое, но не будущее? Почему чашка может разбиться, но ее осколки никогда сами не соберутся обратно? Почему мы стареем, а не молодеем? Все эти вопросы связаны с одной из самых загадочных особенностей нашей Вселенной - направлением времени.
Большинство фундаментальных уравнений физики (законы Ньютона, уравнения Максвелла для электромагнетизма, уравнение Шрёдингера в квантовой механике) симметричны относительно обращения времени. Это означает, что если мы заменим в этих уравнениях t на -t, они останутся верными. То есть теоретически все процессы могли бы идти в обратном направлении, не нарушая базовых законов физики. Однако в реальности мы наблюдаем строгую направленность времени вперед.
Ключ к пониманию направления времени лежит в понятии энтропии - меры хаоса в системе. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы может только возрастать. Это фундаментальное ограничение определяет:
Необратимость теплообмена: тепло самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному;
Невозможность создания вечного двигателя второго рода;
Необратимость спонтанных процессов в природе (например, процесс горения дров в костре необратим — продукты горения уже не превратятся обратно в древесину).
Современная космология связывает направление времени с начальным состоянием Вселенной. В момент Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии предельного порядка (низкой энтропии). С тех пор она непрерывно движется к состоянию все большего беспорядка, и именно это движение от порядка к хаосу определяет направление времени во всей Вселенной. Подобно тому, как вода течет только вниз по склону, все процессы во Вселенной "текут" в сторону увеличения беспорядка.
На квантовом уровне физическая реальность ведет себя иначе, чем в привычном нам мире. В изолированных квантовых системах время может как бы "течь" в обе стороны — процессы обратимы. Например, квантовая частица может свободно переходить между различными состояниями в обоих направлениях времени.
Однако эта квантовая обратимость времени сохраняется только пока система изолирована от окружающего мира. Как только происходит взаимодействие с окружением (например, измерение состояния частицы), запускается процесс декогеренции — квантовая система теряет свои уникальные свойства и начинает подчиняться классическим законам физики. Этот процесс:
Создает квантовую стрелу времени — момент необратимого изменения в квантовой системе;
Определяет переход от квантового мира к классическому через взаимодействие с окружением;
Делает процессы необратимыми при переходе от микромира к макромиру.
В физике существует понятие термодинамических флуктуаций — это случайные отклонения от равновесного состояния в микроскопических системах. Теоретически в таких флуктуациях возможно временное уменьшение энтропии (беспорядка). Однако:
Вероятность таких событий ничтожно мала и становится еще меньше с увеличением масштаба отклонения;
Эти флуктуации происходят только на микроуровне и никогда не достигают заметных размеров;
На общее увеличение энтропии во Вселенной эти микроскопические события не влияют — время продолжает течь в одном направлении.
Физики разработали целый математический аппарат для описания однонаправленности времени. Это описание включает в себя несколько важных направлений:
Уравнения необратимых процессов, которые описывают явления, происходящие только в одном направлении времени (например, уравнения теплопроводности и диффузии);
Статистическую механику неравновесных систем, изучающую поведение систем, стремящихся к равновесию, но никогда самопроизвольно не возвращающихся в исходное состояние;
Теорию динамических систем и хаоса, показывающую, как даже простые системы могут развиваться так, что их возвращение в исходное состояние становится практически невозможным (представьте, что у вас есть новая упорядоченная колода из 52 карт. Вы начинаете тщательно ее тасовать, меняя порядок карт случайным образом. С каждым перемешиванием порядок карт становится все более хаотичным и непредсказуемым).
Однонаправленность времени — фундаментальное свойство нашей Вселенной, возникающее из сложного взаимодействия между законами физики, начальными условиями космоса и статистической природой термодинамики. Хотя базовые физические законы симметричны во времени, реальные процессы строго направлены из-за роста энтропии и квантовой декогеренции.
Этот рост энтропии (меры беспорядка системы) начался с момента Большого взрыва, когда Вселенная находилась в состоянии максимального порядка. Именно постоянное увеличение энтропии создает единую космологическую стрелу времени, определяющую ход всех процессов во Вселенной — от квантовых флуктуаций до эволюции галактик.
Представьте, что вы смотрите на песчинку через увеличительное стекло. Она кажется просто маленькой точкой. Но что если бы мы могли заглянуть внутрь этой песчинки, глубже, чем позволяет самый мощный микроскоп в мире? Именно здесь начинается удивительное путешествие в мир теории струн.
Согласно современной физике, наш мир состоит из крошечных частиц – электронов, кварков и других фундаментальных "кирпичиков". Это представление лежит в основе Стандартной модели – нашей самой успешной теории элементарных частиц. Однако теория струн предлагает альтернативный взгляд на устройство Вселенной. Согласно этой гипотезе (да, это именно гипотеза, несмотря на название), в основе всего лежат не частицы, а крошечные вибрирующие струны.
Эти струны настолько малы, что если бы мы увеличили атом до размеров Солнечной системы, одна струна была бы размером с небольшое дерево. Но несмотря на свои микроскопические размеры, именно эти струны создают все, что мы видим вокруг.
Каждая струна может колебаться по-разному, и характер этих колебаний определяет, какой именно частицей она проявит себя в нашем мире. Когда струна колеблется одним образом, мы наблюдаем электрон, другой тип колебаний создает фотон, третий – кварк. Получается, что вся Вселенная – это своеобразная космическая симфония, исполняемая на струнах невообразимо малого размера.
Дело в том, что современная физика столкнулась с серьезной проблемой. У нас есть две великие теории: общая теория относительности, которая описывает поведение больших объектов вроде планет и галактик, и квантовая механика, объясняющая мир мельчайших частиц. Но эти теории никак не хотят работать вместе. Это все равно что иметь два разных языка для описания одного мира, которые противоречат друг другу.
Теория струн пытается решить эту проблему, предлагая единый "язык" для описания всего во Вселенной. Она говорит, что все физические явления в нашей реальности – это просто разные проявления колебаний одних и тех же струн.
Правда, у этой красивой идеи есть один существенный недостаток – проверить ее экспериментально пока невозможно. Струны настолько малы, что современные технологии не позволяют их обнаружить. Поэтому многие физики относятся к теории струн скептически, считая ее скорее математическим трюком, чем реальным механизмом описания природы.
Но даже если теория струн окажется неверной, она уже подарила физикам множество полезных математических инструментов и заставила по-новому взглянуть на устройство Вселенной. Она напоминает нам, что реальность может быть гораздо удивительнее, чем мы можем себе представить.
Возможно, когда-нибудь мы создадим достаточно мощные и чувствительные приборы, чтобы проверить существование струн. А пока эта красивая гипотеза остается одной из самых элегантных попыток человечества разгадать глубочайшие тайны мироздания.
Обычно я встраиваю ролик на Тубчике прямо в статью, но сейчас у некоторых оно тормозит, а потому приглашаю посмотреть моё новое видео по ссылке.
Квантовая механика - штука уж точно не очевидная и множество вопросов переворачиваются в ней с ног на голову. Но это ещё половина беды. Сложность ещё и в том, что в терминах квантовой механики нет ни ног, ни головы. Поэтому, бытует мнение, что искать тут хоть какую-то логику бесполезно.
Но всё-таки сделать это очень хочется. Я уже много раз разбирал на канале проблему наблюдателя. Для тех, кто не помнит суть проблемы - у нас есть такая двойственность природы частиц и квантовая система проявляет себя только при взаимодействии с наблюдателем.
Та самая жуткая жуть
Пока мы не измерили фотон, он ведёт себя как волна с характерной для этой сущности природой. После измерения он становится чем-то типа частицы. Это уже прописные истины.
Вот только самый главный вопрос - а что было ДО того, как его измерили? Будет ли выбранное состояние действительно случайным (то есть не будет подразумевать существование конкретного варианта до измерения) или же мы выберем один из возможных вариантов, который прописан в системе?
Этот вопрос занимает меня уже долгое время. В попытках проработать его я записал ролик про истинную суть случайности и обдумал самые разные варианты. Если вы всё ещё не понимаете о чём тут спор, то вот вам пример.
Представьте себе, что добраться до парка можно тремя различным маршрутами. Пускай это исчерпывающее количество комбинаций, которое только возможно. Опустим тот факт, что порой новый маршрут есть комбинация старых участков пути и так может родиться ещё десяток вариантов маршрута. Допустим, что это технически невозможно по любой причине.
Предположим, что мы измеряем такую систему и результат измерения должен зафиксировать конечный вариант. Один из трёх. Согласно моей логике измерение в квантовом мире должно выбрать вариант случайный, но из трёх обозначенных в обсуждении.
Как пройти в библиотеку
Но появляется специалист, который говорит вам, что не существует ни вариантов, ни маршрутов, ни заведомом проложенного пути. Путь рождается в момент взаимодействия наблюдателя и системы, и он отличается от того, что мы нарисовали на карте. Ни один из исчерпывающих вариантов тут не будет случайным. По-настоящему случайный вариант, отвечающей принципам квантовой механики, будет отличаться от всего сразу.
На это я отвечу ему - эй, дружище, но ведь это ересь! В любой реальной системе невозможно представить себе такую ситуацию, что выбор не будет включать один из уже существующих вариантов. Вопрос в вероятности...
В ответ на это мне скажут, что я сторонник скрытых параметров. И что эта концепция мертва и бессмысленна. Что случайности абсолютно случайны и это не проблема математики, а проблема природы вещей.
Что же, мы подходим к самому интересному.
По этой теме написано очень много и для её полной проработки нужно написать книгу. Но мы коснёмся только верхушек для формирования общего понимания.
Суть проблемы такова, что вроде как настоящая квантовая физика подразумевает полный отказ от даже зачатков детерминизма. Даже логика, что сама математическая природа случайности должна подразумевать существование вариантов (вероятных и не очень) порицается. Такой подход окрестили скрытыми параметрами.
Скрытые параметры – это свойства объектов, остающиеся за гранью нашего восприятия и измерений, но при этом оказывающие влияние на то, что мы наблюдаем. В квантовой механике эта идея проявляется в гипотезе о существовании внутренних, недоступных для экспериментального определения характеристик систем (например, частиц), которые, тем не менее, определяют исход любого измерения.
Логика существования таких параметров кажется более чем правильной.
Ведь если опираться на историю становления научного знания, то множество вещей когда-то описывались как нечто непонятное. Сродни появлению настоящей случайности. Но после более детального изучения системы оказывалось, что существует НЕКОТОРАЯ ВЕЛИЧИНА, которая влияла на явление. Просто этот фактор нельзя было обнаружить.
Само собой, что хотелось бы понять откуда появилась идея о проверенной гипотезе отсутствия этих самых скрытых параметров.
Неравенства Белла, появившиеся как следствие разбора ЭПР-парадокса Эйнштейна, Подольского и Розена, стали ключевым инструментом для проверки локального реализма и демонстрации квантовой нелокальности. Они представляют собой решающий аргумент в этом фундаментальном споре о природе реальности.
Скрытый параметр
Стоит отметить, что на заре формирования квантовой физики многие физики, включая Эйнштейна, воспринимали вопрос с позиции классического взгляда на проблема. Эйнштейн даже говорил про игру в кости. По его логике существование абсолютной случайности в науке должно было быть полностью исключено.
Само собой неравенства Белла - это сугубо математический вариант объяснения проблемы. Опять-таки, мы не полезем в сложную математику, но выжимка проблемы будет простой - исходя из математического аппарата и математического анализа следует, что добавление коэффициентов, которые иллюстрируют существование возможных скрытых параметров не меняют систему.
Любители истинно квантового подхода зацепились за этот факт и начали его активно тиражировать...Вот только...
На самом деле, неравенства Белла не доказывают, что абсолютно никаких скрытых параметров не существует. Они доказывают, что не существует локальных скрытых параметров, которые могли бы объяснить все предсказания квантовой механики. Это очень важное различие.
Джон Белл вывел математическое неравенство, которое должно выполняться, если верен локальный реализм. Эти неравенства связывают результаты измерений различных свойств запутанных частиц (например, спина).
Реализм тут в том, что физические величины имеют определенные значения, независимо от того, измеряем мы их или нет. То есть, у частицы есть какое-то значение спина до того, как мы его измерили.
Локальность в том, что Объект может быть подвержен влиянию только своего непосредственного окружения. Информация не может передаваться быстрее скорости света. Это означает, что если мы измеряем спин одной частицы в запутанной паре, это измерение не может мгновенно влиять на спин другой частицы, находящейся далеко.
Идея скрытых параметров была предложена как способ спасти реализм. Предположим, что у частиц есть определенные значения свойств до измерения, но мы просто не знаем этих значений. Эти “скрытые параметры” определяют результат измерения. Белл показал, что если эти скрытые параметры локальны (то есть, не нарушают принцип локальности), то они должны подчиняться его неравенствам. Поскольку эксперименты нарушают эти неравенства, теория локальных скрытых параметров не может объяснить квантовую механику.
Неравенства Белла многократно подтвердили экспериментально. Например, В 2023 году физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки.
Вот только для меня остаётся вопросом другое. Хорошо, я и не претендую на существование скрытых параметров. Я даже не спорю, что конкретные значения могут быть неизвестны до измерения. Не ясно ещё кое-что - любой вариант всё равно может оставаться случайностью в рамках математической модели. При этом логика Белла может остаться правильной.
Магнитное поле Земли создает вокруг планеты особые области, заполненные заряженными частицами. Эти области, известные как радиационные пояса или пояса Ван Аллена, являются частью общей системы магнитной защиты нашей планеты.
История их открытия началась в 1958 году. Джеймс Ван Аллен, американский физик из Университета Айовы, установил на первом американском спутнике "Эксплорер-1" счетчик Гейгера. Ученый хотел измерить космические лучи вокруг Земли. Но когда спутник достиг высоты около 1 000 километров, прибор перестал работать.
Поначалу думали, что прибор был неисправен или произошел технический сбой. Однако Ван Аллен предположил иное: счетчик перестал работать из-за перенасыщения — уровень радиации оказался слишком высоким. Последующие запуски "Эксплорер-3" и "Эксплорер-4" подтвердили его догадку – вокруг Земли существуют особые области, где магнитное поле планеты способно захватывать и удерживать заряженные частицы из космического пространства. Так наука узнала о существовании радиационных поясов, которые были справедливо названы в честь их первооткрывателя.
Это две кольцевые области, расположенные одна внутри другой вокруг нашей планеты:
Внутренний пояс располагается на высоте 1 000 — 6 000 километров;
Внешний пояс находится на высоте 13 000— 60 000 километров.
В этих областях магнитное поле Земли захватывает и удерживает заряженные частицы: протоны и электроны, приходящие в основном от Солнца и от других источников космического излучения.
Радиация в поясах действительно представляет опасность, но:
Космические корабли проектируются с учетом прохождения через пояса;
Траектории полетов рассчитываются так, чтобы минимизировать время пребывания в опасных зонах;
Современная защита космических аппаратов способна значительно снизить воздействие радиации.
В ходе лунной программы NASA "Аполлон" пояса преодолевались за 30-60 минут по специально рассчитанной траектории. При этом астронавты получали допустимую дозу радиации, которая была значительно ниже опасного для здоровья уровня.
Пояса Ван Аллена динамичны: их форма и интенсивность меняются под влиянием солнечной активности. В 2012 году NASA запустило специальные зонды Van Allen Probes для детального изучения поясов. Было установлено, что во время сильных солнечных бурь иногда может формироваться временный третий пояс.
Пояса Ван Аллена - важная часть магнитной защиты Земли. Здесь магнитное поле планеты захватывает и удерживает заряженные частицы из космоса. Современные исследования этих областей помогают лучше понимать взаимодействие Земли с космической средой и прогнозировать космическую погоду.
Несмотря на высокий уровень радиации, пояса Ван Аллена не являются непреодолимой преградой для космических полетов. Современные технологии защиты космических аппаратов и правильно рассчитанные траектории позволяют безопасно пересекать эти области.
В повседневной жизни мы даже не задумываемся о том, что постоянно участвуем в грандиозном космическом движении. Наша планета не только вращается вокруг своей оси, но и движется по орбите вокруг Солнца, а вместе с Солнечной системой — вокруг центра Млечного Пути. Почему же мы не ощущаем этого движения? Давайте разбираться.
Земля вращается вокруг своей оси со скоростью около 1675 км/ч на экваторе. В средних широтах скорость вращения меньше — чем ближе к полюсам, тем медленнее движение, так как точки на поверхности Земли описывают окружности меньшего диаметра за те же 24 часа. При этом мы совершенно не замечаем этого движения.
Основной принцип, объясняющий наше спокойное существование на вращающейся планете, — это равномерность движения и отсутствие изменений в ускорении. Все на Земле, включая нас, атмосферу и океаны, движется с одинаковой скоростью относительно оси вращения планеты. Это похоже на то, как мы не чувствуем движения в плавно летящем самолете или едущем поезде - пока скорость постоянна, наши органы чувств не регистрируют перемещение. Они реагируют только на изменения скорости или направления движения: ускорение, торможение, повороты.
Гравитация играет ключевую роль в том, что мы не улетаем с поверхности вращающейся планеты. Она удерживает не только нас, но и атмосферу Земли, которая вращается вместе с планетой как единое целое. Это создает стабильную среду, в которой мы живем.
Хотя мы не чувствуем вращения планеты напрямую, его влияние проявляется во многих явлениях:
Смена дня и ночи;
Сила Кориолиса, влияющая на движение воздушных масс;
Экваториальная выпуклость Земли;
Приливы и отливы (в сочетании с влиянием Луны).
Если бы Земля внезапно прекратила вращение вокруг своей оси, последствия были бы катастрофическими. По закону инерции все на поверхности Земли сохранило бы скорость движения: на экваторе — 1675 км/ч, а ближе к полюсам — немного меньше. Люди и все незакрепленные объекты были бы мгновенно сметены этим движением, а здания разрушены чудовищными перегрузками. Кроме того, резкая остановка вращения вызвала бы:
Разрушительные ураганы;
Гигантские цунами;
Масштабные землетрясения;
Катастрофическое изменение климата.
Вращение Земли - это не просто механическое движение. Оно создает условия, необходимые для жизни:
Равномерное распределение солнечного тепла;
Магнитное поле, защищающее от космической радиации;
Стабильный климат;
Циркуляция океанов и атмосферы.
Вращение Земли - удивительный пример того, как грандиозные космические процессы становятся частью нашей повседневной жизни. Мы не замечаем этого движения благодаря его равномерности и постоянству, но именно оно создает условия, делающие нашу планету пригодной для жизни.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало одним из самых значительных достижений современной физики. Эта элементарная частица, предсказанная еще в 1964 году, является ключом к пониманию того, как устроена материя и почему объекты во Вселенной обладают массой. Попробуем разобраться в этом удивительном явлении, не прибегая к сложным формулам и заумным терминам.
В физике долгое время существовал парадокс: почему одни частицы имеют массу, а другие (например, фотоны) нет? Откуда вообще берется масса? Этот вопрос мучил ученых десятилетиями, пока не появилась идея о существовании особого поля, пронизывающего всю Вселенную — поля Хиггса.
Поле Хиггса — это особое квантовое поле, заполняющее все пространство Вселенной. Различные элементарные частицы взаимодействуют с этим полем с разной интенсивностью. Некоторые частицы, такие как фотоны, практически не взаимодействуют с полем Хиггса и потому не имеют массы. Другие частицы активно взаимодействуют с полем, и именно сила этого взаимодействия определяет их массу — чем сильнее взаимодействие, тем больше масса частицы.
Бозон Хиггса — это квантовое возбуждение поля Хиггса, элементарная частица, которая является своеобразным проявлением этого поля. При столкновении частиц высоких энергий возникают условия, при которых поле Хиггса может локально передать часть своей энергии, порождая бозон Хиггса.
Эта частица крайне нестабильна и практически мгновенно распадается на другие частицы, что долгое время делало невозможным ее экспериментальное обнаружение.
Без поля Хиггса и его бозона существование материи в известной нам форме было бы невозможно: все частицы двигались бы со скоростью света, не образуя ни атомов, ни молекул. Именно благодаря полю Хиггса во Вселенной существуют звезды, планеты и сама жизнь.
Примечательно, что сами физики не приветствуют популярное название "частица Бога", данное бозону Хиггса журналистами. Они предпочитают называть его просто бозоном Хиггса, в честь одного из ученых, предсказавших его существование — Питера Хиггса (29 мая 1929 года — 8 апреля 2024 года).
Поиск бозона Хиггса стал одной из самых сложных задач в истории физики. Для этого был построен Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель частиц в мире. В нем протоны разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом, создавая условия, похожие на те, что были сразу после Большого взрыва. При этих столкновениях высвобождается колоссальная энергия, достаточная для рождения бозона Хиггса.
Бозон Хиггса живет всего лишь одну секстиллионную долю секунды, почти мгновенно распадаясь на другие частицы. Обнаружение этой частицы происходит путем тщательного анализа продуктов распада в детекторах коллайдера — сложнейших устройствах, способных фиксировать мельчайшие следы взаимодействия частиц. Именно таким образом физики получают экспериментальные доказательства существования бозона Хиггса.
Открытие бозона Хиггса стало триумфом человеческой мысли, технологий и международного сотрудничества. Оно показало, что даже самые смелые теоретические предсказания, основанные на математических расчетах, могут найти подтверждение в реальности при наличии достаточного упорства, технологических возможностей и финансовых ресурсов.
Если стрелять по толстому льду, то пули будут оставаться на поверхности и бешено вращаться.
Физиков прошу в комментарии, а для нас это магия
Вся теория прочности материалов строится на поиске какого-то дефекта в его структуре. Если материал, например, начал ломаться под нагрузкой, то это означает, что какое-то несовершенство в его строении оказало фатальное влияние и произошло разрушение.
Процессы тут описываются довольно разнообразно, но я предлагаю акцентировать внимание на металлических кристаллических материалах. Там всё линейно и легче представить, а общая идея будет одинаковой во всех системах и типах конструкций материалов.
Кристаллический - это значит, что атома металла упорядочены некоторым стандартным образом и картинка их пространственного расположения повторяется с некоторым периодом. Тут хорошо вспоминать "кубик" с уроков химии.
Теперь представьте, например, что на раме вашего любимого велосипеда образовалась макротрещина. Макро - потому что мы уже видим её глазами и предполагаем, что дальнейшая эксплуатация рамы может привести к неожиданной поломке в самый неподходящий момент.
Трещина обычно появляется или из-за превышения допустимой нагрузки, или из-за усталостного износа. Причин на самом деле тут может быть больше, но мы опять-таки всё упрощаем. При этом металл, из которого сделана велосипедная рама, имеет кристаллическое строение.
Как материаловед опишет вам причину появления трещины и по сути произошедшее разрушение? Ну поскольку мы условились, что это металлический кристаллический материал, то отталкиваемся от дислокаций.
Дислокациями называется линейный дефект, который образуется из-за того, что (теперь внимательно!) в какой-то момент упорядочивание атомов в структуре оказалось дефективным. Скажем, всегда у нас получался стандартный кубик, а тут оказалось, что вместо 4 атомов на ячейку пришлось всего 3. Система при этом всё равно образовалась и металл получился. Но при этом появилась "слабая" плоскость. Если нагрузка придётся на эту точку, то дислокация "поедет" по всей структуре и в итоге образуется сначала микротрещина, а потом и макро.
Тут можно сломать голову над тем, какую ассоциацию должен использовать человек, мало знакомый с азами материаловедения. Но я предлагаю представить вам самодельный мостик через ручеёк.
Пусть он состоит из трёхметровых досок и имеет длину 3 метра. Пускай 7 досок у нас будет нужной длины, а восьмая доска короче на 10 сантиметров. Она вроде как выполняет свою функцию и кое-как лежит на своем месте. Но если наступить именно на эту доску, то она провалится, тогда как остальные доски выдержали бы.
Эта дефектная доска и будет дислокацией в случае кристалла.
Процесс упрочнения металлического изделия обычно строится на попытке играться с такими дефектами. Например, дислокациям создаются разные барьеры из других дефектов и невозможность перемещения приводит к упрочнению системы. Примерно так работает наклёп. Это когда механически воздействуют на образец с целью его упрочнения - можно бить по нему молотком или обрабатывать дробью.
Ну и как промежуточный итог отмечу, что дефектов в строении бывает невероятное множество. Примесные атомы, дислокации, вакансии, атомы замещения и куча других.
Так вот вся эта длинная речь была подводкой к нашему основному вопросу. Однажды меня спросил: Если все проблемы от этих дефектов, то почему нельзя пойти простым путём и сделать материал без таких дефектов? И вот тут начинается самое интересное.
Сделать бездефектный материал физически невозможно.
Это примерно как попытаться в реальности создать абсолютный вакуум. Сколько не старайся, а всегда там что-то да будет болтаться. Это может быть квантовая пена и результаты квантовых флуктуаций или обрывки обычных частиц. Но пустоты не получится никогда и абсолютный вакуум всегда будет чем-то из серии физической идеализации для упрощения расчёта.
Вот такая дичь творится в якобы пустоте. Частиц рождаются и пропадают, всё время что-то булькает
Точно также и идеальный кристалл для материаловеда будет чем-то типа недостижимого абсолюта.
Само собой, такие работы проводились, но их провал был ожидаемым и объясняется физикой строения материи. Например, очень активно прорабатывалась тема создания монокристаллов. Это кристалл без границ зерен. Но полноценное их использование так и осталось чисто гипотетическим.
Монокристалл удалось получить, но было не ясно, как это использовать. В лабораторных условиях система росла идеальной, да и то до некоторого предела. А дальше у нас получался "кусок материала" из которого нужно было вырезать, например, шестерню. При попытках обработки идеальная структура начинала плыть. В итоге монокристаллы стало возможным использовать только в электронике и прочих аналогичных системах. Да и то удалось лишь избавиться от сугубо "механических" неточностей конструкции.
Причин неудачи в поиске идеального материала очень много. Давайте опишем самые очевидные и простые.
Представьте себе процесс формирования металлических кристаллов. Один атом присоединяется к другому и образуется связь. Я тут всегда привожу в пример неокуб. Он очень хорошо позволяет визуализировать такие вещи.
Силы взаимного притяжения заставляют атомы сближаться и они входят в электростатическое взаимодействие. Но этому процессу препятствует взаимное отталкивание электронных оболочек. Получается этакое равновесие - атомы достаточно сблизились и притягивают друг друга с достаточной силой, чтобы не оторваться, но не сталкиваются друг с другом потому что ещё и отталкиваются.
Такая пара частичек болтается в пространстве и встречает ещё один атом металла.
При подходящих условиях этот атом тоже "приклеится" к уже существующей системе. Силы взаимодействия перераспределятся и получится, что у нас есть баланс сил уже между тремя атомами металла, которые не могут оторваться и не могут окончательно сблизиться.
Процесс повторяется множество раз и выстраивается как раз то, что мы называем кристалликом.
И теперь представим, что болталась эта конструкция из группы атомов металла в пространстве, а потом атомы металла вдруг кончились.
Конструкция из группы атомов летает свободно и ничего больше не происходит. Но рано или поздно она встретит такую же другую конструкцию. Они начнут притягиваться друг к другу посредством гравитационного и электростатического взаимодействий и в какой-то момент образуют группу. Получится два кристаллика, что в микроскопе будет выглядеть как два зёрнышка.
В идеальных условиях эти зёрна бы объединились абсолютно идеально. Но мы-то с вами в реальной Вселенной. Там происходит что угодно.
На атомы и системы из атомов влияют самые разные силы: могут подействовать магнитные силы, может повлиять простая механика, может оказать воздействие солнечный ветер. Факторов бесконечно много. Это приводит к тому, что кристаллики срастаются не идеально, а криво-косо.
Это как представить, что на лету встретились два абсолютно идеальных снежка. При том, что форма их правильная, множество воздействий всё равно не позволят слипнуться им абсолютно ровно и идеально.
Примерно также это работает и с формированием самого единичного кристаллика или ячейки, если правильно. Атомы будут выстраиваться идеально ровно до тех пор, пока что-то не произойдёт.
Мимо может пролететь комета или какой-то электрически заряженный объект. Более того, влияет и сама внутренняя энергия атомов. В каких-то случаях у атома она высокая и он находится в активном тепловом движении. Когда-то атомы наоборот практически неподвижны. И когда такие противоположности сталкиваются, то образуется дефект. Не хватит у группы атомов энергии и вместо 4 атомов на ячейку получится три. Просто потому, что мимо пролетающий атом был настолько быстрым, что оторвался от системы, которая его притягивала.
Ну а потом эта этажерка из трёх атомов встретила в пространстве этажерку из пяти атомов и всё это соединилось. Согласитесь, получившаяся система далека от идеала.
Самая важная мысль тут, что не стоит рассматривать взаимодействия атомов и их групп как идеальный процесс, который существует в изолированной системе. На частиц действует невероятное количество факторов. Мы разобрали лишь один и самый простой.
Мир частиц только на бумаге красивый и идеальный. На практике это хаотичный бульон в котором кое-как происходит некоторое упорядочивание. Поэтому удивительно было бы увидеть идеальный кристаллический материал, нежели чёрти-что с кривой структурой и неимоверным количеством дефектов. Все эти красивые ровные линии и упорядоченные картинки - результат очень сильного упрощения и идеализации. В реальности такого нет.
Даже на уровне макромира все машины едут по дороге не идеально, а каждая как может. Вот кто-то стоит на обочине, а вот машина летит быстрее потока. Ну а что, если посмотреть на муравейник? Там всё ещё интереснее. Тьма существ, которые управляются непонятно какой логикой.
Всё это сводится к логике хаоса. В невероятном хаосе из постоянных флуктуаций в какой-то момент формируется упорядоченная система, но влияние хаоса настолько сильное, что не о каких ровных линиях говорить нельзя.
И да, если вам нужны дополнительные занятия по физике материалов, то пишите на почту или в телегу проекта.
Обязательно подпишитесь на Telegram
Квантовый мир давно отделился от мира "классического". Существует две физики, которые во многом противопоставляются друг другу. Не кажется ли вам это нелогичным? Конечно же кажется. Ученые давно ломают голову над Теорией Великого объединения. Что это вообще такое и как оно работает? Давайте разбираться вместе. В этот раз просто анонсирую свой новый ролик. Думаю, что всем понравится.
