Гравитация и другие силы природы. Что не так с физикой?

Физика и астрономия - интересные науки. Они считаются «точными» и вроде как оперируют постоянными, константами и всякого рода многократно проверяемыми измерениями.

Однако если копнуть немного глубже, то… перед нами приоткрывается пустота. В том плане, что карточный домик науки рассыпается при малейшем анализе «фактов», которые оказываются и не фактами вовсе, пишет Альтернативная наука.

Посмотрим на примере десяти очевидностей, которые преподают еще в школе. И о существовании которых знают все. По крайней мере, те, кто считает себя образованным человеком.

1. Скорость света - это постоянная

Действительно, скорость света в вакууме постоянна и составляет 299 792,458 километров в секунду. На данный момент это самая высокая скорость, достижимая во Вселенной.

Однако, когда свет проходит через материальную среду, - воздух, воду, стекло или любой другой прозрачный материал, - он взаимодействует с атомами и молекулами этого материала.

Такое взаимодействие замедляет свет, его скорость перестает быть «постоянной», то есть той, что в вакууме.

При этом величина замедления зависит от свойств материала. На передний план выходит степень преломления, мера того, насколько материал преломляет свет.

Как правило, показатель преломления материала больше единицы, а это означает, что свет в любой физической среде распространяется медленнее, чем в вакууме. Чем выше показатель преломления материала, тем больше уменьшается скорость света при прохождении через него.

Например, показатель преломления стекла составляет около 1,5 и, таким образом, свет в стекле распространяется примерно в 1/1,5 раза медленнее, чем в вакууме.

Иначе говоря, скорость света не является постоянной величиной. Хотя бы потому, что свет материален, а материя, как известно, находится в постоянной системе взаимодействия. Получается, что скорость света - это всего лишь удобное для математических расчетов оценочное суждение. Не более того.

2. Законы термодинамики описывают поведение энергии в физических системах

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не создается или уничтожается, она только может быть преобразована из одной формы в другую.

Второй закон утверждает, что при любой передаче или преобразовании энергии количество полезной энергии уменьшается, что приводит к общему увеличению беспорядка или энтропии.

С практической точки зрения под «полезной энергией» понимается энергия, которая используется для выполнения работы. Механическая работа или электрическая энергия, с определенной эффективностью.

К слову, в паровой машине полезная энергия - это часть тепловой энергии пара, преобразованная для привода двигателя, тогда как остальная - тепловая энергия тратится впустую.

В тоже время на «космологическом» уровне возникает несколько иная ситуация. Теория расширения Вселенной связана со вторым законом термодинамики, поскольку расширение Вселенной можно рассматривать как процесс рассеивания энергии.

По мере расширения Вселенной энергия становится менее плотной, мы наблюдаем увеличение энтропии.

Представим себе коробку, заполненную молекулами газа. Если коробку расширить, молекулы станут более подвижными и заполнят больший объем.

В результате энтропия системы (молекулы газа) увеличится. Точно так же, когда Вселенная расширяется, энергия внутри нее становится более рассредоточенной, что и приводит к увеличению энтропии.

Вселенная подобна гигантской замкнутой системе. По мере ее расширения ее энтропия увеличивается, как и предсказывает второй закон термодинамики. Эта идея получила название гипотезы «энтропии Вселенной».

3. Гравитация - это фундаментальная сила природы, которая отвечает за взаимодействие объектов большой массы

С ньютоновской точки зрения, сила гравитации зависит от массы объектов и расстояния между ними. Сила притяжения уменьшается по мере увеличения расстояния между объектами.

Но гравитацию, по Эйнштейну, можно понимать и как проявление геометрии пространства-времени. Здесь гравитация - это не сила между массами, а особая форма искривления пространства-времени, вызванное наличием массы и энергии.

Другими словами, объекты с массой и энергией искажают геометрию пространства-времени, и это искажение заставляет другие объекты двигаться по криволинейной траектории, которую мы описываем как действие гравитации.

То есть одновременно присутствуют два взаимоисключающих объяснения, что такое гравитация. Почему так?

Да все просто. В философии это называется «целеполаганием». Теория гравитации Ньютона проще и удобнее для практических расчетов, в то время как общая теория относительности более точна и поясняет некоторые явления, которые не замечает теория Ньютона.

Однако на микроскопическом уровне эффекты гравитации переплетаются с эффектами других фундаментальных взаимодействий, таких, как сильное и слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Описание гравитации как силы или проявления геометрии пространства-времени становится более сложным.

Впрочем, мы предлагаем посмотреть на описанный выше интеллектуальный контур по-другому. Во-первых, физикам необходимо четко определиться, с чем они имеют дело - то ли с «силой природы», то ли с «геометрией пространства-времени».

Во-вторых, если они окончательно решат, что гравитация - это геометрия и описывается соответствующими терминами, тогда необходимо отказаться от трактовки «тяготения» как «фундаментальной силы». Что, в свою очередь, влечет за собой концептуальное переопределение остальных феноменов - сильного и слабого взаимодействия, электромагнетизма. Страшно, я понимаю.

4. Знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc² показывает, что энергия и масса эквивалентны и могут быть преобразованы друг в друга

Даже небольшое количество массы может быть преобразовано в большое количество энергии.

Когда массивная частица подвергается ядерной реакции или распаду, небольшое количество ее массы может быть преобразовано в энергию. Энергия высвобождается из сильных ядерных сил, которые связывают ядра вместе. Количество высвобождаемой энергии рассчитается по формуле E=mc², где E - высвобождаемая энергия, m - преобразованная масса, а c - скорость света.

Точно так же энергия может быть преобразована в массу при определенных условиях. Согласно принципам квантовой механики, энергия превращается в материю, когда высокоэнергетический фотон сталкивается с тяжелым ядром или другой частицей, создавая пару, одна из которых является материей, а другая антиматерией. Данный процесс известен как производство пар. И является преимущественно теоретической моделью.

В то же время объекты макромасштаба, такие, как предметы повседневного обихода, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, содержат большое количество энергии в форме своей массы. Теоретически эта энергия эквивалентна массе объекта, умноженной на квадрат скорости света.

Однако преобразование макрообъектов непосредственно в энергию не является «практичным» процессом, потому что количество энергии, которое можно было бы получить, намного меньше, чем энергия, необходимая для разрыва атомных связей объекта.

На практике преобразование макрообъектов в энергию достигается за счет ядерных реакций, наподобие тех, которые происходят на атомных электростанциях или пр применении ядерного оружия. В подобных реакциях масса атомного ядра преобразуется в энергию, используемую для производства электричества или она высвобождается взрывом.

Что тогда получается? Знаменитое уравнение Эйнштейна, по сути, нигде ни на каком уровне не работает. В условиях микрокосма необходимы дополнительные усилия для разрыва сильных и слабых связей. А на макроуровне мы даже не понимаем, как энергия перетекает в «ошущаемую» материю и наоборот. Поэтому возникает идея «тождественности», - ну, если физика не сходится, пусть хотя бы математика сойдется.

5. Квантовая механика - это раздел физики, изучающий поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне

Она предсказывает, что частицы существуют в нескольких состояниях или местах одновременно. Такое явление известно как суперпозиция, хотя сам акт наблюдения за частицей влияет на ее поведение. Учитываем знаменитый «эффект наблюдателя».

Вопрос в другом: является ли частица физическим или математическим объектом? Вот уж реально дискуссионный вопрос, на который физики не знают, как ответить.

С одной стороны, элементарные частицы можно рассматривать как физические объекты, поскольку они обладают измеримыми свойствами, такими как масса, заряд и вращение. Кроме того, они взаимодействуют с другими элементарными частицами посредством различных сил.

Ученые наблюдают и изучают эти свойства, проводят эксперименты и в то же время используют математические модели для описания и предсказания их поведения. С этой точки зрения частицы рассматриваются как конкретные сущности, существующие независимо от наших математических описаний, хотя и объективизируются математикой.

С другой стороны, ряд физиков утверждает, что частицы точнее описываются именно как математические объекты. Они указывают, что наши знания исходят только из уравнений, описывающих их поведение.

Мы не можем напрямую наблюдать за самими частицами или взаимодействовать с ними. Фактические речь идет об абстрактных объектах, существующих только в рамках математических моделей и не обязательно соответствующие чему-либо в реальном физическом мире.

6. Теория относительности, разработанная Эйнштейном, описывает отношения между пространством и временем, а также влияние гравитации на эти отношения

Теория Эйнштейна предсказывает, что время движется медленнее в более сильных гравитационных полях, а масса и скорость объекта могут искажать пространство-время, создавая эффект гравитационного линзирования.

Замедление времени является следствием искривления пространства-времени, вызванного большой массой или энергией. Чем сильнее гравитационное поле, тем сильнее искривление пространства-времени и замедление времени.

К примеру, за горизонтом событий черной дыры гравитационное поле настолько сильное, что даже свет не может покинуть его. Поэтому время замедляется чрезвычайно значительно.

Проблема в следующем: может ли экстремальная гравитация, как в черной дыре, полностью остановить время, «обнулить» его?

Согласно общей теории относительности, замедление времени вблизи горизонта событий черной дыры настолько велико, что время фактически останавливается на границе этого самого горизонта.

Для наблюдателя, который находится за пределами горизонта событий и видит, как кто-то падает в черную дыру, кажется, что время замедляется по мере того, как человек приближается к горизонту событий.

На самом деле, с точки зрения наблюдателя за пределами черной дыры, объекту потребовалось бы бесконечное количество времени, чтобы действительно достичь горизонта событий. Это связано с тем, что замедление времени становится настолько экстремальным, что часы объекта фактически останавливаются, когда он приближается к заветной точке невозврата.

В настоящее время неизвестно, что происходит со временем, когда внутри ЧД достигается сингулярность, «конечный путь» этого астрономического объекта.

Согласно нашему пониманию физики, законы физики, по-видимому, нарушаются в сингулярности, однако у нас пока нет полной теории квантовой гравитации, которая могла бы описать, что происходит дальше. Если термин «Дальше» уместен в данном контексте.

Но все же время считается фундаментальным аспектом Вселенной. Академическая точка зрения, при всех оговорках, утверждает, что оно продолжает существовать даже в экстремальных условиях, например, в сингулярности.

Альтернативные теории, наподобие петлевой квантовой гравитации и некоторые интерпретации теории струн, предполагают, что время, наоборот, эмерджентнно, а не фундаментально.

7. Электромагнитный спектр включает в себя все различные типы электромагнитного излучения - от радиоволн до гамма-лучей

Подобное излучение распространяется со скоростью света и может использоваться для связи, визуализации и лечения.

В настоящее время неизвестно, существует ли Вселенная за пределами электромагнитных спектров, воспринимаемых телескопами. Да, телескопы могут обнаруживать электромагнитное излучение и позволяют нам наблюдать за Вселенной в различных длинах волн. Но на этом все.

Однако во вселенной могут быть явления или объекты, которые излучают или взаимодействуют с излучением за пределами электромагнитного спектра, который «видят» наши телескопы. Или при помощи иных типов физического взаимодействия, неизвестных науке.

Те же теория струн и петлевая квантовая гравитация предполагают существование дополнительных измерений, помимо длины, ширины и всоты, которые мы ощущаем. А это, в свою очередь, означает существование иных типов частиц или энергий.

Кроме того, считается, что темная материя, тип материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, составляет значительную часть массы Вселенной. Мы еще не обнаружили темную материю напрямую, но о ее существовании судят по ее гравитационному воздействию на видимую материю. Вроде бы как.

8. Четыре фундаментальные силы природы - это гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие

Гравитация - самая слабая из этих сил, а сильное ядерное взаимодействие - самая сильная.

А вот электромагнитная сила возникает между двумя электронами. Она примерно в 10 ^ 36 раз сильнее, чем гравитационное взаимодействие. Точно так же сильное ядерное взаимодействие, удерживающее атомные ядра вместе, примерно в 10^38 раз сильнее, чем гравитация. Слабое ядерное взаимодействие, ответственное за некоторые виды радиоактивного распада, также намного сильнее гравитации.

Дело в том, что гравитация имеет наименьшую константу связи, которая определяет силу взаимодействия между двумя частицами.

То есть гравитация - это единственная фундаментальная сила природы (если мы придерживаемся «классической» ньютоновской парадигмы), которая действует на все частицы с массой, в то время как другие силы определяются электрическими зарядами или слабыми изоспинами.

Кроме того, другие фундаментальные взаимодействия опосредованы калибровочными бозонами, взаимодействующими друг с другом. Они могут усиливать или ослаблять взаимодействие.

Не исключено, что гравитационная сила опосредована гипотетической частицей, называемой гравитоном. Последняя еще не наблюдалась напрямую.

Более того, другие фундаментальные силы имеют гораздо меньший радиус действия, чем гравитация. Например, электромагнитная сила экранирована материей и имеет эффективный диапазон всего в несколько нанометров.

Напротив, гравитационная сила имеет бесконечный диапазон и действует на все частицы, обладающими массой (при этом понятие «масса» в квантовой физике и, по сути, вычисляется как энергия)

Однако следует отметить, что гравитация по-прежнему играет доминирующую роль в макроскопическом масштабе, поскольку она отвечает за формирование и динамику крупномасштабных структур, таких как планеты, звезды и галактики.

9. Понятие симметрии играет ключевую роль во многих областях физики - от поведения субатомных частиц до законов термодинамики

Симметрия может описывать то, как объекты и системы ведут себя и взаимодействуют друг с другом.

Симметрия - это концепция, которая поясняет, как объекты и системы ведут себя и взаимодействуют друг с другом. Скажем, объект или система остаются неизменными или они выглядят такими же после трансформации или изменения.

В целом существует два основных типа симметрии:

Отражательная симметрия - этот тип симметрии поясняет, почему объект или система выглядят одинаково после отражения вдоль линии или плоскости.

Например, если вы посмотрите на свое лицо в зеркало, вы увидите отражение своего лица. Оно кажется идентичным, но с перевернутым «левым» и «правым».

Отражательная симметрия также известна как зеркальная симметрия и распространена в природных и искусственных объектах, а также в математических и физических системах.

Вращательная симметрия - это тип симметрии, который возникает тогда, когда объект или система выглядят одинаково после поворота на определенный угол вокруг фиксированной точки или оси.

Например, круг имеет вращательную симметрию, потому что он выглядит одинаково после поворота на любой угол вокруг своего центра.

10. Теория Большого взрыва является преобладающим научным подходом, который объясняет происхождение и эволюцию Вселенной

Согласно теории, Вселенная зародилась как горячая, плотная и бесконечно маленькая точка, сингулярность.

Около 13,8 миллиардов лет назад эта сингулярность быстро расширилась в результате Большим взрыва. Таким образом родилась Вселенная.

В первые несколько мгновений после Большого взрыва она была заполнена высокоэнергетическими частицами и излучением, которые постепенно охлаждались и трансформировались в материю.

Со временем гравитация заставила эту материю слипаться, образуя первые звезды и галактики.

Вселенная расширяется с момента Большого взрыва, скорость такого расширения увеличивается. При этом космос наполнялся темной энергией, которая вызвала ускорение расширения.

Теория Большого взрыва подтверждается большим количеством доказательств из различных областей науки, включая астрономию, физику и химию.

Вот некоторые из ключевых доказательств теории Большого взрыва:

1. Космическое микроволновое фоновое излучение. В 1964 году астрономы обнаружили слабое равномерное свечение микроволн, исходящих со всех сторон неба. Это излучение получило название «космический микроволновый фон» (CMB) и считается остаточным теплом Большого взрыва. Реликтовое излучение чрезвычайно однородно и имеет температуру около 2,7 Кельвина, что согласуется с предсказаниями модели Большого взрыва.
2. Красное смещение галактик. Астрономы заметили, что далекие галактики удаляются от нас. И чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся (Закон Хаббла). Расширение Вселенной можно проследить во времени, вплоть до эпохи сингулярности.
3. Изобилие легких элементов. Модель Большого взрыва предсказывает, что на ранних стадиях Вселенная была заполнена горячей и плотной плазмой. Со временем она остыла и расширилась. Данный процесс привел к образованию легких элементов, наподобие водорода и гелия.
4. Крупномасштабная структура Вселенной. Распределение галактик и другой материи в космическом пространстве неравномерен. Мы наблюдаем сложную структуру скоплений и нитей. Формирование этой структуры объясняется гравитационным коллапсом малых флуктуаций плотности в ранней Вселенной.
5. Космическая инфляция. Инфляция - это гипотетический период экспоненциального расширения, который произошел вскоре после Большого взрыва.

Эта теория была предложена для объяснения однородности и плоскостности вселенной.

Вместе с тем ни один астроном или космолог вам не скажет, что Большой Взрыв имел место в прошлом. Они открестятся от самого термина. В лучшем случае теоретики будут рассуждать о расширении вселенной, но не о ее появлении.

Вопрос «откуда все?» не задается. По определению.