Когда не работает это физика

10 Вещей, которые не поддаются законам физики

Нарушить законы физики невозможно, поскольку абсолютно всё в природе подчиняется этим законам. Не так ли? На самом деле, в мире существует много изобретений, различных вещей, которые нарушают законы физики и заставляют ученых биться в догадках. В сегодняшней статье, мы расскажем вам о десяти вещах, которые не поддаются законам физики.

Квадратные колеса

Треугольники, восьмиугольники, квадраты и шестиугольники практически ни что в качестве движителя, по сравнению с колесом, которое по праву считается одним из величайших изобретений человечества. Странно даже думать, что квадратные колеса могут принести машине хоть что-то кроме вреда, однако «Разрушители мифов» решили проверить, возможна ли плавная езда на автомобиле с четырьмя квадратными колесами. Они пришли к выводу, что если прикрепить 4 квадратных колеса к машине под одинаковым углом, то езда будет ужасной, и к тому же, оси автомобиля быстро сломаются. Но если подстроить колеса таким образом, чтобы угол между ними составлял 22,5 градуса, то колеса будут соприкасаться с землей более равномерно. Плюс, контакт колёс с землёй будет больше, из-за чего езда будет более плавной, причем чем быстрее будет ехать машина, тем более плавной будет поездка. Однако это работает только на ровных дорогах, поскольку машина с квадратными колесами, скорее всего не сможет заехать даже на небольшую горку.

Рука и расплавленный свинец

Расплавленный металл безусловно очень горячий, но температура расплавленного свинца не такая высокая как вы думали, всего триста двадцать семь с половиной градусов по цельсию. И все же глупо предполагать, что вагонов рука в эту горячую массу вы останетесь невредимыми. Ведь вы сразу же обожжетесь, не так ли? Если делать это не зная одного трюка, тогда вы обожжетесь, но если перед этим вы смочите пальцы водой, то быстрый контакт с расплавленным металлом не принесет никакого вреда, это называется «Эффект Лейденфроста». После контакта с горячей жидкостью, вода нанесенная на погружаемый в жидкость объект, очень быстро испарится и создаст защитный слой пара. Стоит отметить, что этот эффект длится очень недолго, всего около секунды, поэтому оставлять смоченную в воде руку в расплавленном свинце надолго, это однозначно плохая идея.

Изогнутая траектория полета пули

Во время второй мировой войны, для инновационного переоснащения вооружения, немецкие специалисты создали приспособления «Krummlauf» — изогнутый ствол для стрельбы из укрытия. Согласитесь, довольно нелепо полагать, что пуля скорость движения, которой составляет несколько сотен метров в секунду, может изменить траекторию своего полета в замкнутом изогнутом дуле. Наверное, вы скажете, что пуля просто пробьёт насквозь изогнутый ствол, но это не так.

Специалисты смогли разработать уникальный ствол, у его конца находились отверстия, через которые рассеивались турбулентные газы, и таким образом, пуля могла изменять траекторию. Немецкие солдаты могли стрелять из штурмовой винтовки STG-44 с изогнутой насадки на ствол, находясь за углом или укрытием, тем не менее точность стрельбы при этом заметно снижалась. А многие насадки на ствол и патроны разрывались, из-за большого давления газа внутри ствола, к тому же, таких насадок хватало примерно на 200 выстрелов.

На сегодняшний день имеются усовершенствованные версии таких винтовок, например, израильская штурмовая винтовка «Сornershop», с камерой в качестве прицела к изогнутому стволу.

Варп-двигатель

В наше время активно развиваются космические полеты различных зондов и беспилотных шатлов. Мы можем запускать космические аппараты не только для исследования солнечной системы, но и для изучения межзвездного пространства и далеких галактик. На повестке дня, также стоит вопрос освоения ближайших к нам планет, однако, чтобы долететь до них, даже на скорости света, потребуется около 80 лет. Не говоря уже о том, что на скорости обычных космических шаттлов, нам придется лететь несколько десятков тысяч лет. Чтобы решить эту проблему, нам необходимо нарушить законы физики, одним из способов осуществления этой задачи является создание варп-двигателя, который сжимает пространство, время перед шатлом и раздувает его позади шатла. Варп-двигатель не требует топлива, шатлы работающие от такого двигателя, будут искажать пространство, сокращая расстояние до нужного объекта, а во время космического полета шатл будет парить в своеобразном пузыре. Несмотря на безумность этой идеи, НАСА и китайское национальное космическое управление, уже провели успешные эксперименты, по созданию аппаратов, отражающих микроволны в пределах пространства вокруг себя, и не требующих, таким образом, топливо для работы.

Вечный двигатель

С давних пор, идея создания вечного двигателя, способного решить проблемы потери энергии в механических системах, интересовала множество изобретателей.

В 1618 году, англичанин Роберт Флад, изобрел водяной винт, устройство, которое могло молоть зерно постоянно вращаясь под действием насоса, который циркулировал воду во внутренней резервуар устройства и бесперерывно поддерживал источник энергии.

В другом устройстве под названием «Колесо Макинтоша» использовались магниты, которые постоянно вращали колесо. В современной версии, этого устройства используются неодимовые магниты, которые не теряют всего своего притяжения на протяжении многих лет, поддерживая таким образом беспрерывное вращение колеса. Однако эти устройства не вырабатывают энергию сами по себе, поскольку энергия не может быть создана из ничего, и не может исчезнуть без следа, согласно первому и второму закону термодинамики. Поэтому, они являются двигателями, работающими на протяжении очень долгого времени, но не вечными. Например, механизмы в водяном венте рано или поздно износится и устройство остановится, и то же самое случится с «Колесом Макинтоша», после потери магнитами силы притяжения.

Волчок «Тип-Топ»

Волчок — это одна из простейших детских игрушек на Земле, однако перевернутый китайский волчок «Тип-Топ» не так прост как кажется, поскольку он переворачивается с головки на ножку, в процессе вращения. Еще сложнее дела обстоят с «Тип-Топ», который разработал японские ученые Тадаши Такиеда, если этот волчок раскрутить в одном направлении, то в итоге он встанет на ножку, как и обычный китайский волчок, однако этого не произойдет если раскрутить его в другом направлении. Ученый не знает почему это происходит, но подозревает, что феномен связан с хиральностью, то есть асимметричностью правой и левой стороны «Тип-Топ».

Вождение на воде

Если бы машины и мотоциклы могли ездить по воде, то нам не пришлось бы строить мосты и переправы. Конечно, это невозможно, однако мы все же можем проехать несколько метров по воде на машине или мотоцикле, причем с мотоциклами это получается лучше.

При очень высокой скорости, вы можете проехать несколько десятков метров по воде на мотоцикле, и несколько метров на машине. Это происходит благодаря поверхностному натяжению воды, а также за счет того, что вода выталкивает автомобиль или мотоцикл, если они едут очень быстро и расчищают перед собой путь, разрезая воду.

Лодка с вентилятором на борту

В обычных парусных лодках, воздух дует в паруса, которые задают направление движения посредством этого воздуха, таким образом создается естественная тяга. Но как же создать тягу на лодке в штиль? Команда «Разрушителей мифов» решила проверить, как вентилятор сможет привести парусную лодку в движение.

Для создания тяги, ветер с вентилятора должен дуть в направлении парусов, а это значит, что вентилятор должен втягивать воздух позади лодки и себя, и направлять его в переднюю часть лодки, на паруса. Поскольку ветер втягивается сзади, это означает что лодка должна поплыть в обратном направлении, однако она все равно будет плыть вперед, что противоречит третьему закону ньютона. Это происходит потому, что вентилятор создает искусственную силу, которая приводит лодку в движение, даже несмотря на то, что часть ветра отталкивается от парусов назад к вентилятору.

Пылесос способный поднять машину

Однажды, команда «Разрушителей мифов» решила проверить насколько тяжелый объект способен поднять обычный пылесос, поэтому они провели эксперимент, по поднятию легковой машины с помощью пылесоса и присосок. Подъемная сила, растет линейно с площадью поперечного сечения крепления, с учетом создания должного уровня вакуума под креплениями. То есть, чем больше будет площадь засасывателя у пылесоса, тем больше будет сама сила засасывания.

Разрушители мифов прицепили 40 присосок по всему кузову автомобиля, и подсоединили к специальным насадкам на шланг пылесоса, в результате чего, сила засасывании пылесоса выросла в десятки раз, по сравнению с изначальной силой засасывания. В результате им удалось поднять машину в воздух на большую высоту. В теории, можно поднять автомобиль и с помощью соломинки, если, конечно, будет большая площадь крепления и плотный вакуум под креплением.

Космический лифт

Как известно, люди летают в космос на ракетах, не несмотря на их эффективность, они все равно требуют огромного количества ресурсов, даже для запуска новейших ракет «Space X», требуется около 4 миллионов тнт топлива. По этой причине, уже с давних времен люди задумывались о создании космического лифта, который был бы способен доставлять спутники и ресурсы в космос с поверхности Земли, через кабель, тянущейся через всю атмосферу.

Тем не менее высота такой структуры должна превышать сотни километров, и к тому же, сама структура должна подстраиваться под вращение Земли. Представители крупной японской строительной компании считают, что с помощью алмазных нанонитей, мы сможем построить космический лифт огромных размеров уже к 2050 году.

Ну а, в комментарии напишите, какой из фактов впечатлил вас больше всего? И если вам было интересно, то ставьте оценку этой статье и регистрируйтесь на сайте. Дальше будет ещё больше интересного.

Источник

Величайшая нерешённая задача современной физики: почему гравитация такая слабая?

Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.

А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!

Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.

С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.

Если вдруг вы читали эту прекрасную книгу автора Лизы Рэндал, она очень много написала про эту загадку, которую я бы назвал величайшей нерешённой проблемой теоретической физики: про проблему иерархии.

Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженные любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10 40 раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10 40 раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.

При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10 20 раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.

Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10 56 протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10 56 протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.

Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?

Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.

Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.

Существует четыре возможных способа, известных мне – то есть, четыре хороших идеи – решения проблемы иерархии. Хорошие новости в том, что если природа выбрала какой-то один из них, то БАК его найдёт! (А если нет, поиски продолжатся).

Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.

Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?

1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.

Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).

Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.

2) Техницвет (Technicolor). Нет, то не система цветового кино из 1950-х, это физический термин для обозначения теорий, требующих новых калибровочных взаимодействий, и либо не имеющих хиггсовских частиц, либо имеющих нестабильные или ненаблюдаемые (т.е. композитные) хиггсовские частицы. Если бы техницвет подтвердился, ему бы тоже потребовался новый и интересный набор наблюдаемых частиц. В принципе, эта система могла бы быть решением нашей проблемы, но недавнее открытие частицы спина ноль на нужном уровне энергии, судя по всему, опровергает это возможное решение. Вот если бы эта хиггсовская частица оказалась бы не фундаментальной, а композитной, сделанной из нескольких фундаментальных, это бы помогло теории остаться приемлемым решением. Будущей проверки на БАК на энергиях в 13-14 ТэВ будет достаточно, чтобы узнать это наверняка.

Есть ещё две возможности, одна из них более многообещающая, но обе они включают дополнительные измерения.

3) Свёрнутые дополнительные измерения. Эта теория, введённая упомянутой уже Лизой Рэндал [Lisa Randall] вместе с Раманом Сандрамом [Raman Sundrum], постулирует, что гравитация, на самом деле, такая же сильная, как и остальные воздействия, но только не во Вселенной с тремя пространственными измерениями. Она обитает в другой Вселенной с тремя пространственными измерениями, сдвинутой относительно нашей всего на 10 -31 метров в четвёртом пространственном измерении (или, как изображено на диаграмме выше, в пятом измерении, при включении времени). Эта теория интересна, поскольку такая система была бы стабильной и могла бы предложить объяснение того, почему Вселенная так быстро расширялась в самом начале (а свёрнутое пространство-время способно на такое), поэтому у неё есть сильные преимущества.

В неё также должен входить дополнительный набор частиц; не суперсимметричных, а частиц Калуцы-Клейна, и это является следствием наличия дополнительных измерений. Кстати, в космическом эксперименте был получен намёк на существование частиц Калуцы-Клейна при энергиях в 600 ГэВ, или с массой в 5 раз больше, чем у Хиггса. И, хотя на текущих коллайдерах такие энергии пока не достигаются, новый БАК должен будет суметь создать такие частицы в изобилии, если они существуют.

Но существование этой новой частицы не гарантировано, поскольку полученный сигнал – всего лишь избыток наблюдавшихся электронов по сравнению с ожидаемым фоном. Но её нужно иметь в виду, поскольку, когда БАК разгонится до максимальных энергий, почти все частицы массой ниже 1000 ГэВ должны будут оказаться в пределах его досягаемости.

4) Большие дополнительные измерения. Дополнительные измерения могут быть не свёрнутыми, а большими, но большими только по сравнению со свёрнутыми, размер которых составляет 10 -31 м. «Большие» измерения должны быть миллиметровых размеров, поэтому новые частицы должны начать появляться в пределах возможностей БАК. Опять-таки, могут проявиться и частицы Калуцы-Клейна, и это может стать возможным решением проблемы иерархии.

Но одним следствием этой модели будет то, что гравитация будет сильно отклоняться от ньютоновской на расстояниях меньше миллиметра, а проверить это очень нелегко. Современные экспериментаторы, тем не менее, уже готовы принять вызов.

Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними порядка микронов. Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.

Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение, которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!

Источник