Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Сегодняшнюю лекцию мы посвятим тому, насколько огромен мир в котором мы живем и насколько из мелких составных частей он складывается. Из-за того, что в мире есть огромные и мельчайшие вещи физики весь мир поделили на три условные большие части: мегамир, макромир и микромир.
И так...все что нас окружает мы называем вселенной. На самой первой лекции мы говорили о том, что вселенная состоит из материи, которая в свою очередь состоит из вещества и поля. Когда-то думали, что был момент, что Бог сотворил мир, он это делал в течении семи дней, согласно Христианскому учению, в других религия присутствуют свои интерпретации мироустройства, но ученые предполагали немного иначе.
Сначала ученые думали, что мир существовал вечно, что мир и будет существовать вечно дальше во времени бесконечно и что мир огромен настолько, что у него нет конца, т.е пространство, которое нас окружает - бесконечно. Это представления о мире, так называемой классической физике, так, например, думал великий ученый Исаак Ньютон.
Но относительно недавно, в XX веке, люди пришли к выводу, что существовал момент когда наш мир появился и назывался этот момент - "Большой взрыв". Но тут же появилось множество вопросов, а что было до большого взрыва? Ничего не было? А что будет дальше? И появились мысли о том, что пространство и время появилось вместе с этим миром. Т.е до того как произошел большой взрыв, говорить о пространстве и времени просто не было смысла. Это себе не возможно вообразить, но к этому приводит логика научных рассуждений. Т.е вместе с появлением мира появилось пространство и появилось время. Пространство в котором мир существует и время в котором происходят изменения в этом мире.
Давайте попробуем оценить размеры нашего мира...Как это можно сделать? Можно сделать это следующим образом. Какая самая большая скорость на свете? Правильно, скорость света. Мы будем считать округленно с=300 тыс.км/с.
А теперь будем исходить из гипотезы большого взрыва. Мир возник из ничего...из точки. И если все то, из чего состояла эта точка расширялось со скоростью света, то размеры вселенной должны быть ограничены. Расстояние, пройденное частицами из которых состоит мир не может превышать произведение скорости света на время существования нашей вселенной. Ученые рассчитали, что наша Вселенная существует около t=14 млрд. лет. Давайте теперь оценим радиус Вселенной по самой высокой оценки скорости частиц. В видеоролике мы получим оценочные расчеты размера Вселенной.
Итак, примерные размеры Вселенной 1,3х10^26 м (1,3 на 10 в 26 степени или 13 с 25 нулями). Это верхний предел оценки размеров Вселенной.
Таким образом, оказывается, что мир не бесконечен и из того, что имел место Большой взрыв, и его момент достаточно точно рассчитан физиками следует, то что Вселенная имеет ограниченные размеры. Давайте ниже приведем масштаб размеров Вселенной.
Давайте прокомментируем рисунок выше. Самый большой размер во Вселенной 10^26 степени - это размеры наблюдаемой Вселенной. Размеры 10^15 степени - это размеры характерные для размеров Солнечной системы и ее ближайшего окружения. Привычные нам размеры - это величины где-то порядка 1 метра, т.е величины соизмеримые с человеческим ростом. Размеры частиц входящих в атомное ядро - это порядок 10^-15 степени. В современной физике учены обсуждают размеры и меньше, чем размеры частиц, входящих в атомное ядро. Физики утверждают, что должна быть какая-то минимальная величина длины о которой вообще имеет смысл говорить и эта величина называется Планковской длиной.
При этом шкала размеров может быть разделена на несколько участков. Первый участок - это область размеров, которая нам привычна. Этот участок называется макромиром и его размеры лежать в пределах размеров от 10^-9 метров до 10^15 метра. К макромиру относятся явления, которые мы с вами будем изучать - движение тел (например, движение Планет, их размеры 1000 и 10-ки тысяч километров) до движения атомов, их размер порядка 10^-8 - 10^-9. Раздел физики, который изучает макромир - называется классическая физика.
Давайте теперь рассмотрим мегамир. Давайте попробуем ответить на вопрос можем ли мы сейчас исследовать, что происходит на расстоянии, например, миллиарда световых лет. Ответ - нет. Потому что, если какое-то событие произошло в миллиарде световых лет от нас, то должно пройти миллиард лет, для того, что бы свет двигающийся со скоростью света достиг нас и мы смогли оценить происходившее событие. Т.е событие которое мы наблюдаем на расстоянии миллиарда световых лет мы наблюдаем в прошлом-миллиард лет тому назад. Проблема в мегамире в том, что мы можем наблюдать только прошлое и чем дальше находится объект мегамира, тем более древнее событие мы можем наблюдать, а что там происходит сейчас нам не доступно. Единственное, что можно утверждать, то что в мегамире действуют те же законы физики, что и вблизи нас. Эта идея о том, что законы физики работают во всей Вселенной она позволяет нам на основании простых логических рассуждений, на основании каких-то научных соображений сказать, что сейчас происходит с очень далекими объектами. Раздел физики, который изучает огромные миры - мегамиры называется космологией. В этих космических масштабах происходят удивительнейшие явления...Эйнштейн в свое время предсказал существование гравитационных волн. "Беда" в том, что их очень трудно обнаружить - они очень слабые. В 60-х, 70-х годах прошлого столетия делались приборы, которые эти гравитационные волны должны были излучать и пытались эти волны зарегистрировать. Ничего из этого не вышло. И буквально несколько лет тому назад были зарегистрированы, предсказанные еще Эйнштейном, примерно в 1910 году гравитационные волны. Как они были обнаружены? Мы сейчас об этом не будем рассказывать, а вот источником этих гравитационных волн были, не вращающиеся цилиндры, которые участвовали в описанных выше опытах, а две черные дыры, которые притягивались к друг к другу и слились в одну черную дыру. Понятие "черная дыра" тоже относится к космологии...Земля вращается вокруг Солнца за 1 год. А теперь давайте представим две черные дыры, которые слились в одну. Как вы думаете сколько времени займет такое слияние? Примерно...Несколько миллиардов лет, так нам кажется потому что мы привыкли так размышлять на языке классической физики. а на самом деле это происходит за сотые доли секунды. И таким образом, две черные дыры имеющие огромную массу и слившиеся за доли секунды при этом создали гравитационные волны такой мощности, которой хватило для того, чтобы они смогли достичь Земли и ученые смогли их зарегистрировать. Как это удалось сделать? Дело в том, что когда гравитационная волна достигает поверхности Земли, то размеры предметов, которые находятся на ее поверхности чуть-чуть меняются свои размеры и вот это было зарегистрировано одновременно в двух станциях, которые сами имели большие размеры - порядка нескольких километров, потому что чтобы зарегистрировать изменения в предметах необходимо, что бы станция имела такие размеры. Можно это открытие назвать не меньше, чем потрясающим. И нам повезло в том, что мы живем в то время, когда эти открытия происходят. И в конце давайте немного отступим от темы и приведем пример "красоты" современных физических открытий. Недавно на Большом адронном коллайдере был открыт "Бозон Хиггса", который объясняет на фундаментальном уровне, что такое масса.
И последнее, что мы рассмотрим - это микромир. Микромир очень необычен и первым вестником необычности микромира является свет. Свет оказывается имеет очень странные свойства. Некоторые световые явления можно объяснить, если считать, что свет - это волна. Т.е волна не механическая, как, например, водная волна, а электромагнитная волна. Это быстро сменяющее друг друга магнитное и электрическое поле. Изменение магнитного поля порождает изменение электрического поля. Изменяющееся электрическое поле, рожденное изменяющимся магнитным полем порождает снова изменяющееся магнитное поле и так они порождают друг друга и распространяется все это со скоростью света в пространстве. Обычные радиоволны и световые волны имеют одну и ту же природу - это электромагнитные волны. И можно доказать на опыте, что это действительно волна. Эти опыты изучаются в 11 классе. Это опыты по интерференции и дифракции света. Но с другой стороны существуют такие явления, которые не позволяют объяснить какие-то явления с точки зрения того, что свет - это волна. Приходится считать, что свет - это частица. Кстати, еще во времена Ньютона, сам Ньютон считал, что свет - это поток частиц, а другие ученые считали, что свет - это волны. Так а что же на самом деле представляет собой свет? Если в одних опытах он ведет себя как волна, а в других как поток частиц. А почему вообще мы говорим о частицах и о волнах? А можно ли представить, что-то что отличается от частицы и волны? На самом деле нет. Когда мы с вами росли, когда совершенствовались и развивались наши органы чувств и наш мозг. То мы вокруг себя видели только все либо в в виде волн, либо в виде частиц...волны на поверхности воды...частицы из которых состоит кусочек мела... и мы ничего кроме волн и частиц на свете ничего больше не знаем. Так вот свет оказывается не является ни волной ни частицей. Это не укладывается в наше воображение, мы не можем себе представить, что такое свет потому что это нечем представить. Но с помощью математики и с помощью логических рассуждений можно описать свойства света и можно понять...а лучше сказать... рассчитать каково будет поведение света в тех или иных опытах. И свет на самом деле называется не волной и не частицей, а микрообъектом. Т.е микромир - это мир состоящий из микрообъектов. Свет - это не единственный микрообъект. Электроны, протоны - любые другие частицы обладают не только свойствами частиц, но и обладают свойствами волн. Все зависит от того в каких опытах вы работаете с этими частицами. И раздел физики, который изучает микромир называется - квантовая физика. Квантовая физика родилась тогда, когда Макс Планк, работая для фирмы "Филлипс", которая в то время делала электрические лампы, получил научное задание как добиться того, чтобы при наименьшем расходе энергии лампа светила как можно ярче. И он попробовал построит теорию светового излучения нагретых тел. И когда он пытался рассчитать свойства света, испускаемого нагретыми телами, результаты которые он получал не совпадали с экспериментами. И для того, чтобы результаты которые были получены на опыте совпали с результатами расчетов, Планк был вынужден...он сам этого не хотел, так как не понимал, как такое может быть...и он был вынужден был предположить, что свет испускается не непрерывно, а порциями. Эти порции получили название - кванты. Планку самому не нравилось это, но как только он пытался отказаться от идеи квантов, получались формулы, которые не соответствовали экспериментам. Так в 1900 году появился зародыш квантовой физики.
А Альберт Эйнштейн используя понятие квантов объяснил другие явления, например, когда свет попадает на металл из него вылетают электроны - это явление называется фотоэффектом.
Объяснить это понятие можно только используя понятие света, как потока частиц. Вот так родилась квантовая физика. Квантовая физика - это очень необычная наука, она вся держится на математике. Почему она необычная? Потому что она описывает объекты, которые недоступны непосредственно нашему восприятию. Вы можете мне возразить...Что вы тут такое описываете? Описываете свет, как микрообъект и микрообъекты недоступны нашему восприятию, но мы же не слепые, мы видим свет. Мы видим не свет, а мы воспринимаем нашим мозгом нервный импульс который появился уже после того как свет был поглощен внутри нашего глаза. Света уже нет, только через некоторое время мы воспринимаем последствия того, что этот свет поглотился. Т.е света со стороны никто не видел и никогда не увидит. Единственный способ изучить микромир - это математика и логика. Даже те кто профессионально занимаются квантовой физикой говорят: "понять квантовую механику невозможно, к ней можно только привыкнуть". Те кто в университете будет заниматься физикой поймут насколько это необычный раздел.
И так посмотрите, что получается: от размера мегамира до микромира получается 41 порядок, а на самом деле еще больше, еще учитывать размеры микромира Планковской длины. Вот настолько разнообразен наш мир. Мы привыкли к макромиру. То что происходит в мега- и микромире физики изучают опираясь на математику. Оказывается, например, изучая мегамир можно придти к выводу о том, что пространство в котором мы живем оно необычно, оно так скажем искривлено. Что это означает мы сейчас не будем говорить. С другой стороны изучая микромир физики приходят к выводу, что вакуум...Что такое вакуум? Раньше физики думали, что это безвоздушное простанство...Ньютон считал, что это пространство где ничего нет. Оказывается, что квантовая физика микромира требует от вакуума, чтобы он обладал некоторыми свойствами. В вакууме на короткое время могут рождаться некоторые частицы и они называются виртуальными частицами. Но пока эти частицы очень короткое время существуют, они умудряются про взаимодействовать с реальными частицами, например с электронами в атоме. И это взаимодействие было экспериментально обнаружено.
Мир в котором мы живем очень необычен и мы только самое начало будем изучать в рамках школьного курса физики. Впереди нас ждет очень много интересного. И в заключении, чтобы мы могли представить размеры нашего мира рекомендую вам посмотреть ролик на YouTube - "Powers of Ten" на русском, который отражает размеры нашего мира.
Давайте подведем итог этой лекции. И так на этой лекции мы узнали, что вселенная в которой мы находимся состоит из мега, макро и микро миров. Оценили примерные размеры нашей Вселенной и отдельных ее объектов. Далее, подробнее рассмотрели какие разделы физики занимаются изучением мега, макро и микромиров и оценили порядок величин отделяющих микро от мега мира.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, то пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.