Лекция: Почему школьная физика не работает в космосе
(или Краткое руководство, как не надо объяснять Вселенную)
1. С чего начинаются наши знания о космосе
Любой телескоп — от любительского до «Джеймса Уэбба» — измеряет только одно: изменения электромагнитного поля. Ни галактик, ни звёзд, ни планет приборы не видят. Они видят рябь поля, которая до них долетела.
А что создаёт эту рябь?
Движущиеся заряженные частицы. Электроны, протоны, ионы. Где-то они разгоняются, тормозятся, сталкиваются — и поле начинает колебаться. Эти колебания летят через космос, попадают в телескоп, и мы говорим: «Открыли новую звезду».
И тут мы упираемся в первый школьный закон, которым пытаются объяснять.
2. Закон Кулона — то, с чего всё начинается
В школе закон Кулона — одна из первых и самых важных формул. И учителя совершенно правы, требуя знать её на пять. Без неё вы не поймёте, как работает электричество, не соберёте простейшую схему, не сдадите экзамен. Это азбука, и её надо выучить твёрдо.
Формула проста и красива: два заряда притягиваются или отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Её проверяли в бесчисленных лабораторных опытах — с крутильными весами, в вакуумных камерах, в масле. И она всегда работала.
Но если присмотреться к условиям, в которых её проверяли, обнаруживается любопытная вещь.
- Все опыты ставились в плотной среде — воздух, жидкости, твёрдые тела. Расстояния между частицами там исчезающе малы по сравнению с космическими.
- Сигнал от одной частицы к другой идёт практически мгновенно — потому что скорость света огромна, а расстояния в лаборатории — сантиметры.
- Любое излучение, которое возникает при движении зарядов, тут же поглощается окружающим веществом и не успевает повлиять на ход эксперимента.
- И главное: мы никогда не видим взаимодействия именно двух частиц. Вокруг всегда миллионы других, и их влияние усредняется, создавая статистически надёжный результат.
Так что закон Кулона — это не «истина в последней инстанции», а блестяще работающее приближение для земных условий. Инженерный инструмент высшей пробы. И учителя, требуя его знать, готовят вас к реальной земной жизни, где он работает безотказно.
Но у этого инструмента есть границы. И они начинаются там, где кончается плотная земная среда.
3. Самое главное заблуждение: «изолированная пара» на Земле
В учебниках часто говорят: «Представим два изолированных заряда в вакууме…» И дальше применяют закон Кулона. Но проблема в том, что в реальных земных условиях таких изолированных пар не существует и не может существовать.
На Земле, если мы возьмём два заряда и попробуем проследить их взаимодействие, между ними и вокруг них всегда будет плотная среда — другие заряды, атомы, молекулы. И эта среда мгновенно реагирует на любое изменение положения наших двух частиц. Пока частицы только начали смещаться, соседние заряды уже перестроились, создали поляризацию, экранировали поле.
Именно благодаря этой мгновенной обратной связи от ближайшего окружения и возникает иллюзия, что два заряда подчиняются простой формуле Кулона. На самом деле формула описывает не пару, а пару вместе с её немедленно подстраивающимся окружением.
Закон Кулона на Земле работает не вопреки, а благодаря тому, что пары не изолированы. Плотная среда «помогает» им вести себя предсказуемо.
4. А теперь выйдем на улицу и поднимем голову к звёздам
Космос — это не земная лаборатория. Это антилаборатория.
- Там почти пустота. Плотность частиц в межгалактическом пространстве в миллиарды раз меньше, чем в самом лучшем вакууме, который мы можем создать на Земле.
- Там огромные расстояния. Свет от одной частицы до другой идёт годы и тысячелетия. Пока сигнал доберётся, частицы уже улетят чёрт знает куда.
- Там нет плотной среды, которая мгновенно подстраивается. Если две частицы оказались далеко от других, их ближайшее окружение — пустота.
И вот тут возникает главный парадокс.
5. Парадокс «почти изолированной пары» в космосе
В космосе, из-за чудовищной разреженности, может возникнуть ситуация, когда две заряженные частицы находятся достаточно далеко от остальных. На первый взгляд кажется, что созданы идеальные условия для проверки закона Кулона: вокруг почти никого, летите себе двое в пустоте.
Но именно здесь закон Кулона перестаёт работать.
Почему? Потому что исчезает та самая мгновенная обратная связь, которая на Земле «помогала» формуле выполняться. Теперь, когда частицы движутся, рядом нет соседей, которые мгновенно перестроились бы и подкорректировали поле. Сигнал об изменении их положения разлетается со скоростью света и достигает других зарядов очень не скоро. А когда он их достигнет, те откликнутся, и их запоздалый ответ вернётся к исходной паре через огромное время.
Более того, «пустота» в космосе — это не абсолютное ничто. Это пространство, уже пронизанное электромагнитными полями, созданными всеми остальными зарядами Вселенной. Эти поля есть всегда. Они никуда не исчезают. И две «изолированные» частицы с самого начала движутся не в пустоте, а в этом готовом поле.
Получается парадокс:
- На Земле закон Кулона работает именно потому, что пары не изолированы, а окружение реагирует мгновенно и «помогает» им вести себя по формуле.
- В космосе, когда пара почти изолирована, этой помощи нет. Частицы оказываются во власти запаздывающих сигналов от всей остальной Вселенной и фоновых полей, которые школьная формула не учитывает.
Поэтому ожидать, что две частицы в космосе будут послушно двигаться по траекториям, вычисленным по учебнику, — наивно. Они с самого начала включены в сложнейшую полевую сеть, и их поведение определяется не только расстоянием друг до друга, но и состоянием всей плазмы, всей истории полей во Вселенной.
Космос — это не бильярдный стол с редкими шарами. Космос — это океан, в котором каждая капля чувствует дыхание всего океана.
6. Что говорят наблюдения?
Последние годы астрофизики всё чаще видят вещи, которые не лезут ни в какие школьные формулы.
- Скопление Terzan 5. Гамма-излучение от него идёт не из самого скопления, где находятся пульсары, а из магнитного «хвоста» в 30 световых годах позади. Частицы вылетели, пробежали огромное расстояние и засветились только там, где поле их закрутило. Где здесь парное кулоновское взаимодействие?
- Гамма-всплески. Их механизм завязан не на столкновения частиц, а на гигантские магнитные поля, которые удерживают плазму и выстреливают джетами. Поле, созданное веществом, само становится главным игроком.
- Ранние галактики (JWST). Они появились слишком рано и слишком большими. Старые модели, основанные на школьных приближениях, не могли этого предсказать.
- Фон Вселенной (Планк). Его ровность намекает на то, что в ранней Вселенной работали коллективные механизмы, которые невозможно описать парными взаимодействиями.
Все эти явления требуют другого языка — языка плазменной физики, уравнений Максвелла, теории относительности, где нет «изолированных пар», а есть единая полевая система.
7. Так зачем мы вам это рассказали?
Вы сейчас в школе. Или на первом курсе. И ещё не знаете точно, кем станете: астрофизиком, инженером, слесарем, артистом театра и кино. Каждому из вас нужны свои инструменты.
- Инженеру закон Кулона нужен, чтобы мосты стояли, а микросхемы не перегорали. И он будет работать — в плотной земной среде, где всё предсказуемо и мгновенно подстраивается.
- Слесарю нужны другие навыки — руками работать, металл чувствовать.
- Артисту нужна эмоциональная убедительность, а не математическая точность.
Поэтому закон Кулона вы всё равно обязаны выучить на пять. Без него вы не сдадите экзамен, не поймёте основы электричества, не соберёте простейшую схему. Это база, и её никто не отменял.
И не думайте, что мы призываем вас не слушать учителей. Они как раз делают своё дело правильно: дают вам фундамент, на котором всё держится. Если вы станете инженерами, этот фундамент останется с вами навсегда. Если станете астрофизиками — вы от него оттолкнётесь, чтобы нырнуть глубже. Но без него вы даже не подойдёте к краю бассейна.
Просто мы хотим, чтобы вы знали: за пределами школьного курса есть огромный, странный мир, где привычные формулы ведут себя иначе. Это не повод махать рукой на учёбу. Это повод однажды, когда вы будете готовы, заглянуть за горизонт.
А если на лабораторной работе у вас вдруг что-то пойдёт не так, как в учебнике, — не спешите думать, что вы глупые или что прибор сломался. Возможно, вы только что столкнулись с ситуацией, где школьная формула дала сбой, потому что в реальности всегда есть «соседи», запаздывания, поля — всё то, чем в задачнике пренебрегают.
А если вы решите связать свою жизнь с астрофизикой, если захотите понять, как устроена Вселенная на самом деле, — готовьтесь к тому, что школьные знания будут не подмогой, а тормозом. Вам придётся переучиваться, смотреть на мир полей, а не частиц, учитывать запаздывания и коллективные эффекты.
И даже самые фундаментальные вещи могут оказаться не такими, как мы привыкли думать.
Вот, например, уже сейчас астрономы спорят: а точно ли галактики разлетаются всё быстрее? Новые данные «Джеймса Уэбба» иногда противоречат старым моделям. Может быть, они разлетаются, а может быть, уже начали тормозить. А может, мы вообще неправильно интерпретируем красное смещение, потому что не учли что-то про поведение света в космической плазме.
Никто пока не знает точно.
И это самое прекрасное в науке: она не набор застывших истин, а живой процесс, где каждое новое наблюдение может перевернуть всё с ног на голову.
Так что учите закон Кулона. Слушайте учителей. Сдавайте экзамены. Но помните: настоящая физика начинается там, где школьные формулы перестают работать. И если вам повезёт однажды увидеть этот край — не пугайтесь. Удивляйтесь.