[Перевод] 10 физических фактов, которые вы должны были узнать в школе, но, возможно, не узнали

1. Энтропия измеряет не беспорядок, а вероятность

Идея о том, что энтропия – это мера беспорядка, совсем не помогает разобраться в вопросе. Допустим, я делаю тесто, для чего я разбиваю яйцо и выливаю его на муку. Затем добавляю сахар, масло, и смешиваю их до тех пор, пока тесто не становится однородным. Какое состояние является более упорядоченным – разбитое яйцо и масло на муке, или получившееся тесто?

Я бы сказала, что тесто. Но это состояние с большей энтропией. А если вы выберете вариант с яйцом на муке – как насчёт воды и масла? Энтропия выше, когда они разделены, или после того, как вы их яростно потрясёте, чтобы смешать? В данном примере энтропия выше у варианта с разделёнными веществами.

Энтропия определяется как количество “микросостояний”, дающих одно и то же “макросостояние”. В микросостояниях содержатся все детали по поводу отдельных составляющих системы. Макросостояние же характеризуется только общей информацией, вроде “разделено на два слоя” или “в среднем однородное”. У ингредиентов теста есть много разных состояний, и все они при смешивании превратятся в тесто, однако очень мало состояний сможет при смешивании разделиться на яйца и муку. Поэтому, у теста энтропия выше. То же работает для примера с водой и маслом. Их легче разделить, тяжелее смешать, поэтому у разделённого варианта энтропия выше.

2. Квантовая механика применима не только к малым расстояниям, её просто тяжелее наблюдать на больших дистанциях

В теории квантовой механики нет никаких ограничений, согласно которым она работала бы только на коротких дистанциях. Просто так получается, что наблюдаемые нами крупные объекты состоят из множества более мелких, чьё тепловое движение уничтожает все типичные квантовые эффекты. Этот процесс называется декогеренцией, и именно из-за него мы обычно не видим проявлений квантовой механики в повседневной жизни.

Но квантовые эффекты измеряли в экспериментах, протянувшихся на сотни километров, и они могут работать и на больших расстояниях в достаточно стабильной и холодной среде. Они могут распространяться даже на всю галактику целиком.

3. Тяжёлые частицы распадаются не до состояния с минимальной энергией, а до состояния с максимальной энтропией

Энергия сохраняется. Поэтому идея о том, что любая система пытается минимизировать энергию, не имеет смысла. Причина, по которой тяжёлые частицы распадаются, когда могут, состоит в том, что они это могут. Если у нас есть одна тяжёлая частица (допустим, мюон), она может распасться на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино. Возможен и противоположный процесс, но для него требуется, чтобы в одном месте собрались три продукта распада. Следовательно, вероятность его мала.

Но это не всегда так. Если поместить тяжёлые частицы в достаточно горячий “суп”, то синтез и распад могут достичь равновесия, при котором будет существовать ненулевое количество тяжёлых частиц.

4. Линии в диаграммах Фейнмана не изображают пути движения частиц, это просто вспомогательные рисунки для сложных вычислений

Периодически я получаю электронные письма от людей, замечающих, что во многих диаграммах Фейнмана линиям назначаются импульсы. А поскольку все знают, что нельзя в одно и то же время измерить местоположение и импульс частицы с произвольной точностью, в линиях движения частиц нет смысла. Отсюда вроде бы следует, что физика частиц неверна!

Но с физикой частиц всё в порядке. Диаграммы Фейнмана бывают разные, и те, которые обозначают импульсы, предназначены для импульсного пространства. В данном случае эти линии никак не связаны с путями движения частиц. Вообще. Это просто способ изображать некоторые виды интегралов.

В некоторых диаграммах Фейнмана линии на самом деле изображают возможные пути, по которым может пойти частица, но и в этом случае диаграмма не говорит о том, что на самом деле сделает частица. Для этого приходится проводить вычисления.

5. Квантовая механика нелокальна, но её нельзя использовать для нелокального переноса информации

Квантовая механика порождает нелокальные связи, количественно более сильные, чем связи в неквантовых теориях. Это Эйнштейн и называл “пугающим дальнодействием“.

Увы, квантовая механика также по сути своей случайна. Поэтому, хотя у нас и есть эти удивительные нелокальные связи, их нельзя использовать для передачи сообщений. Квантовая механика на самом деле полностью совместима с ограничением скорости света по Эйнштейну.

6. Квантовая гравитация начинает играть роль в ситуациях с высокой кривизной, а не с короткими расстояниями

Если оценивать силу эффектов квантовой гравитации, можно обнаружить, что они перестают быть пренебрежимо малыми в случае, когда кривизна пространства-времени сравнима с величиной, обратной квадрату планковской длины. Это не означает, что эти эффекты можно будет увидеть на дистанциях, близких к планковской длине. Мне кажется, что путаница возникает из-за термина “планковская длина”. Планковская длина – это единица длины, а не длина чего-то конкретного.

Важно здесь то, что утверждение “приближение кривизны к обратному квадрату планковской длины” не зависит от наблюдателя. Она не зависит от скорости вашего движения. Проблема идеи о том, что квантовая гравитация начинает играть роль на коротких расстояниях, состоит в том, что она несовместима со Специальной теорией относительности.

В СТО длины могут сокращаться. Для достаточно быстро движущегося наблюдателя Земля будет выглядеть как блин с шириной меньше, чем планковская длина. И это будет означать, что мы либо должны заметить эффекты квантовой гравитации, либо СТО неверна. Свидетельства говорят против обоих предположений.

7. Атомы не расширяются вместе с расширением Вселенной. Как и Москва

Расширение Вселенной идёт невероятно медленно и оказывает очень слабое воздействие. На системы, связанные воедино при помощи взаимодействий, превышающих по силе расширение, оно не влияет. Системы, которые расширение способно разорвать на части, превышают по размеру скопления галактик. Сами же скопления удерживаются вместе благодаря гравитации. Как и галактики, солнечные системы, планеты и, естественно, атомы. Последние удерживаются вместе благодаря атомным взаимодействиям, куда как более сильным, чем расширение Вселенной.

8. Червоточины – это научная фантастика, а чёрные дыры – нет

Свидетельства, полученные из наблюдений за чёрными дырами, чрезвычайно убедительны. Астрофизики подтверждают наличие чёрных дыр множеством способов.

Простейший способ – подсчитать, сколько массы необходимо собрать в определённом объёме пространства, чтобы в результате получить такое движение близлежащих к нему объектов, которое наблюдается в реальности. Это само по себе, конечно, не говорит о том, есть ли у тёмного объекта, влияющего на видимые объекты, горизонт событий. Однако можно увидеть разницу между горизонтом событий и твёрдой поверхностью, исследуя излучения, испускаемое тёмным объектом. Также чёрные дыры можно использовать в качестве чрезвычайно мощных гравитационных линз, чтобы проверить их соответствие предсказаниям Общей теории относительности Эйнштейна. Поэтому физики с огромным интересом ждут данных от Телескопа горизонта событий [проект, объединяющий множество радиотелескопов во всего мира для изучения центральной чёрной дыры Млечного пути / прим. перев.].

Возможно, самое важное, что нам известно – чёрные дыры являются типичным конечным состоянием коллапса звёзд определённых типов. В ОТО их легко получить и тяжело избежать.

С другой стороны, червоточины – это деформации пространства-времени, о возникновении которых в результате естественных процессов нам ничего не известно. Также для их наличия требуется отрицательная энергия, которую никто никогда не видел, и по поводу существования которой у многих физиков есть большие сомнения.

9. В чёрную дыру можно упасть за конечное время. Это просто будет выглядеть так, будто занимает вечность

При приближении к горизонту событий время замедляется, но это не значит, что вы заканчиваете падение до того, как достигнете горизонта событий. Это замедление увидит только наблюдатель, расположенный на некотором расстоянии. Можно подсчитать, сколько времени займёт падение в чёрную дыру по часам падающего. Результат получается конечным. В чёрную дыру упасть можно. Просто ваш друг снаружи этого никогда не увидит.

10. Во Вселенной в целом энергия не сохраняется, но этот эффект настолько мал, что его не получится засечь

Я говорила, что энергия сохраняется – но это утверждение верно только в определённом приближении. Оно было бы полностью верным во вселенной, в которой пространство не менялось бы со временем. Но мы знаем, что в нашей Вселенной пространство расширяется, и это расширение нарушает закон сохранения энергии.

Однако это нарушение настолько крохотное, что его не заметить ни в каком эксперименте, проводимом на Земле. Чтобы его заметить, нужно наблюдать очень долго за очень большими расстояниями. Если бы этот эффект был сильнее, мы бы уже давно заметили, что Вселенная расширяется! Поэтому не вините Вселенную в ваших счетах за электричество, а просто закрывайте окно, когда включаете кондиционер.

Больше статей на научно-популярную тему (19 за последний месяц) вы можете найти на сайте golovanov.net. Подписывайтесь на обновления по e-mail, через RSS или канал Яндекс.Дзен.

По многочисленным просьбам реализована возможность поддержать проект материально.