1. Почему время идёт вперёд?
Большинство из нас принимают время как должное. Мы часто говорим, что оно течёт неумолимо. Тем не менее, физики считают нелепой идею о течении времени. Всё, что течёт или движется, делает это с той или иной скоростью. Какова скорость времени? Этот вопрос, по сути, является оксюмороном. Как может время течь со скоростью, если скорость подразумевает изменения, происходящие с течением времени? Это всё равно, что включить в определение слово, значение которого вы хотите узнать; так делать нельзя.
Таким образом, мало кто будет отрицать, что время действительно движется вперёд. Мы не возвращаемся назад и не переживаем заново моменты. Так что время действительно движется вперёд. Но как? И почему? Похоже, в физике нет законов, управляющих течением времени, что делает этот вопрос крайне сложным.
Людвиг Больцман предположил, что ответ на вопрос о направлении течения времени – энтропия. Вселенная стремится к увеличению энтропии, и это происходит, когда время движется вперёд – то есть так, как мы его воспринимаем. Теория гласит, что во Вселенной всё распадается намного легче, чем удерживается вместе – это высокая энтропия. Чтобы не допустить распада, энтропия, по идее, должна уменьшаться, а это означало бы движение назад. Но Вселенная и время работают по-другому.
На мгновение всё это обретает смысл. Но тогда вы должны помнить, что законы физики не зависят от течения времени. Таким образом, теория о том, что энтропия увеличивается по мере продвижения вперёд, имела бы смысл только в том случае, если бы она увеличивалась с каждым шагом назад во времени, а это делает теорию Больцмана несостоятельной. Конечный результат заключается в том, что время, очевидно, постоянно движется вперёд. Многие другие мыслители пытались продолжить с того места, на котором остановился Больцман, и все они пришли к одному и тому же выводу. Время идёт, но мы не знаем, почему.
2. Магниторецепция
Возможно, вы слышали, что птицы мигрируют под влиянием магнитного поля Земли. Вот почему они всегда появляются в одном и том же месте каждый год и преодолевают сотни или даже тысячи километров. Это довольно интересная теория, которая объясняет то, что для людей является удивительным поведением. Но мы до сих пор не уверены, как это работает. И что ещё более странно, мы, возможно, тоже способны на такое.
Способность птиц следовать магнитным путям обсуждается уже в течение ряда лет. Сначала учёные предположили, что железо, которое содержится в клювах, помогает птицам ориентироваться в магнитных полях. Затем возникла идея, что видеть магнитные поля им позволяет белок в глазах. Есть основания полагать, что это действительно так, но это не окончательная версия. Рецептор, который мог бы позволить животным перемещаться таким образом, не был идентифицирован, поэтому весь механизм по-прежнему остаётся загадкой.
3. Стекло
Вы когда-нибудь слышали о том, что стекло – это не твёрдое вещество, а жидкость, которая чрезвычайно медленно движется? Это не так. Тем не менее, природа стекла остаётся в некоторой степени загадкой для науки. Переход из жидкого состояния в твёрдое порождает вопросы, на которые нет ответа. Стеклянная фаза – это термин, используемый для описания вещества, которое находится в твёрдом состоянии, но всё ещё обладает рядом характеристик, свойственных жидкости.
Учёные предложили классифицировать стекло как новое состояние вещества, выходящее за рамки свойств твёрдого тела или жидкости. По сути, это означает, что термины физики нужно изменить так, чтобы они учитывали стекло, поскольку формально оно не отвечает полностью требованиям ни того, ни другого состояния.
4. Асимметрия материи и антиматерии
Антиматерию, частицу материи, противоположную материи, можно создать в лабораторных условиях. Антипротоны – это антиматериальная версия протонов, а позитрон – это антиматериальная версия электрона. По сути, это та же частица, но с противоположным зарядом. Если антиматерия сталкивается с материей, они взаимно нейтрализуют друг друга. Но более важным в великой схеме вещей является тот факт, что, когда вы создаёте антиматерию, вы также получаете и материю.
Если вся материя во Вселенной появилась благодаря Большому Взрыву, то получается, что он создал равное количество антиматерии. Но куда же она подевалась? В этом и заключается проблема асимметрии материи и антиматерии.
Возможно, что во время формирования Вселенной, когда частицы распадались на материю или антиматерию, какой-то неизвестный фактор позволил материи образоваться в гораздо большем количестве, что привело к такому неравенству.
5. Тёмная материя
Тёмная материя – одна из величайших загадок Вселенной. Звучит любопытно, не правда ли? Но что собой представляет тёмная материя? Учёные давно выдвинули предположение, что во Вселенной, должно быть, полно тёмной материи, иначе как ещё объяснить её массу?! То, как ведёт себя гравитация, означает, что существует огромное количество материи, которую мы не можем видеть. Она получила название тёмной материи. Её так много, что она удерживает целые галактики вместе. Во всяком случае, такова теория.
К сожалению, мы не можем объяснить то, что является невидимым. Некоторые учёные считают, что такой вещи, как тёмная материя, вообще не существует.
6. Почему лёд скользкий
Этот пункт сопровождается оговоркой. Дело не в том, что наука не знает, почему лёд скользкий; дело в том, что проблема гораздо сложнее, чем просто сказать «потому что…». Ведутся постоянные споры о том, почему именно лёд скользкий, поскольку это может быть не всегда одна и та же причина.
Скользкость льда зависит от трения. Что-то является скользким в результате трения или его отсутствия. Это не присущее льду качество. Так, например, при правильных условиях лёд может создавать небольшое трение между собой и вашими ногами, именно поэтому вы падаете, ступив на него. Физиков интересует, что вызывает это трение.
Лёд обычно имеет очень тонкий слой молекул воды на своей поверхности. Самое главное здесь заключается в том, в каком состоянии находится эта вода. Если она имеет толщину всего в один атом, то формально её можно считать частью так называемого двумерного газа. Если молекул больше, то она может быть частью жидкости. Разница состоит в том, что газ более подвижен, а жидкость обладает вязкостью. И то, и другое влияет на трение и может сделать лёд скользким, но по-разному.
Молекулы газа перекатываются под ногами. Молекулы жидкости слегка приподнимают ваши ноги. Эти факторы делают спорным вопрос о том, почему именно лёд скользит, и, к сожалению, они могут меняться. На разных участках льда могут действовать разные факторы. Таким образом, нет одной постоянной причины, которая могла бы объяснить скользкость льда.
7. Почему гравитация такая слабая?
По сравнению с электромагнетизмом и ядерной силой гравитация довольно-таки слаба. Это одна из четырёх фундаментальных сил, но она, похоже, в триллионы раз слабее остальных. Это ставит науку в затруднительное положение, поскольку не имеет особого смысла.
Одна из выдвинутых теорий касается измерений, которые мы рассмотрим позже. Идея состоит в том, что могут существовать дополнительные квантовые измерения, о которых мы не знаем. Если в этих измерениях присутствует гравитация, возможно, именно там она оставляет большую часть своей мощности.
Проблема этой теории заключается в том, что она остаётся просто теорией. Возможно, её докажут в будущем, но пока мы не можем ничего утверждать наверняка.
8. Металлические усики
Механизмы всего мира сталкиваются с таинственной проблемой, которую большинство из нас не замечает. Металл может образовывать усики – крошечные металлические нити, которые могут быть в сотни раз тоньше человеческого волоса. Они преследуют электронику десятилетиями, и до сих пор никто не дал чёткого ответа на вопрос, откуда они берутся.
Эти крошечные металлические усики имеют привычку накапливаться и приводить к сбоям в работе электроники. Впервые они были обнаружены во время Второй мировой войны. По оценкам, ущерб от металлических усиков исчисляется миллиардами долларов.
Усики образуются на многих видах металла, и когда они становятся достаточно длинными, они могут соединять металлические компоненты и вызывать короткие замыкания.
Существует теория, что к образованию усиков приводят электрические поля или напряжение, но окончательного ответа нет до сих пор.
9. Сколько существует измерений?
Концепция измерений становится всё более и более сложной, чем глубже вы копаете. Большинство людей знают три измерения – высоту, ширину и глубину. Это имеет смысл, потому что всё, что мы видим вокруг, находится в этих измерениях.
Немного более сложным для понимания является четвёртое измерение – время. У бутерброда есть высота, ширина и глубина, и он вместе с нами движется вперёд во времени. Да, мы не можем наблюдать четвёртое измерение так же легко, как первые три, но его всё равно можно понять. Пятое измерение – вот что действительно сбивает с толку наш мозг.
Чтобы объяснить Вселенную, учёные разработали теорию струн, которая стремится объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Но чтобы теория струн работала, нам нужно одиннадцать измерений или десять плюс время. Согласно этой теории, дополнительные измерения находятся вместе с Человеком-муравьём в квантовой области, настолько маленькой, что мы не можем наблюдать её так же легко, как первые три измерения.
Теория бозонных струн идёт ещё дальше, утверждая, что существует 26 измерений. Причина, по которой мы не можем видеть все эти измерения, заключается в том, что они скрываются на виду способами, которые существуют за пределами нашей способности к наблюдению. Один из популярных примеров – линия электропередачи. Если вы посмотрите на неё с земли, она будет выглядеть плоская линия от точки А до точки Б. Приблизившись к ней, вы увидите, что она круглая и имеет определённые размеры. Мы смотрим на Вселенную с земли, имея возможность наблюдать лишь малую часть того, что она собой представляет.
10. Насколько велика Вселенная?
Диаметр наблюдаемой Вселенной составляет около 92 миллиардов световых лет. Физики рассчитали это число, основываясь на возрасте самой Вселенной, который составляет около 13,8 миллиарда лет. Именно тогда Большой Взрыв создал всё, что мы знаем. А что дальше?
Отталкиваясь от цифры 13,8 миллиарда, учёные смогли получить представление о сфере вокруг центральной точки диаметром около 28 миллиардов световых лет. Если бы Вселенная была неподвижной, на этом бы дело и закончилось. Но это не так. Она расширяется. Если иметь это в виду, получается, что ей диаметр составляет примерно 92 миллиарда световых лет.
Это огромная цифра, которая порождает весьма простой вопрос: что существует на расстоянии 91 миллиарда световых лет и одного сантиметра? Это всё ещё Вселенная, не так ли? Или то, что вот-вот станет Вселенной, когда она расширится. Но что, если добавить ещё один сантиметр после того, как это произойдёт? И ещё один световой год.
Более того, проблема заключается в том, что расширение, похоже, не является постоянным. Многие учёные также считают, что расширение Вселенной замедляется, что может существенно уменьшить её размеры. Но самая большая проблема, касающаяся понимания размеров Вселенной, по-видимому, заключается в том, что она расширяется в бесконечное пространство. Таким образом, размер Вселенной за пределами наблюдаемой, скорее всего, вычислить невозможно.