Почему небо синее? И ещё 7 наивных вопросов физику⁠⁠

Доцент кафедры теоретической физики ПГНИУ Алексей Алабужев ответил на 8 наивных вопросов о физике и рассказал, почему по льду лучше ходить в мороз, с какой высоты можно ронять бутерброд и почему адронный коллайдер — это так важно.

Почему короткое замыкание есть, а длинного нет?

Короткое замыкание — это устоявшийся термин, означающий, что электрический ток идёт по пути с наименьшим сопротивлением, то есть по «короткому». Если возникает перемычка, которая имеет низкое сопротивление, то ток идёт через неё, а не по длинному пути, не по схеме. Поэтому говорят, что замкнуто накоротко, то есть, включен какой-то маленький проводник, который замыкает два контакта. Термин «длинное замыкание» — бессмысленный, потому что это нормально работающая электрическая установка, в которой электричество идёт по самому длинному пути.

Почему небо синее?

Небо синее из-за того, что в верхних слоях атмосферы наиболее сильно рассеиваются короткие волны: синий, фиолетовый и частично зеленый. Эти фотоны, которые летят от солнца, взаимодействуют с воздухом, а красные — проходят через атмосферу. Если смотреть на солнце, то небо вокруг него желтовато-белое, а само солнце слепит. Там проходит практически весь спектр. Если смотреть на закате или на заре, то солнце красное, потому что синий и фиолетовый рассеялись где-то в верхних слоях атмосферы и до наблюдателя дошёл только красный свет.

Если бы у Земли был другой состав атмосферы или другая масса нашего солнца, то мы бы могли видеть другой цвет солнца.

Существуют массивные плотные звёзды, которые светят в ультрафиолетовом или рентгеновском свете. Такую звезду не видно, но наблюдатель очень быстро сгорит в её свете.

Почему снежинки — шестигранные?

Снежинки шестигранные потому, что такова структура молекулы воды. Одна молекула состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Если рисовать угол, где атом кислорода в центре, то получается треугольник с углом 120°. С другими молекулами воды могут взаимодействовать только кончики отрезков — атомы водорода. Они взаимодействуют с вершинками — атомами кислорода. В результате из такой структуры самая простая фигура, которая может образоваться — это шестиугольник, гексагон.

Четырёхгранные снежинки тоже возможны, но это более редкий случай. Могут образоваться пластинки, цилиндрики. Это зависит от того, в какие условия попадала снежинка. Все снежинки падают за разное время, попадают в более тёплые или более холодные условия, поэтому все снежинки разные. Встретить почти одинаковые снежинки возможно. Образование снежинок — случайный процесс. С очень маленькой долей вероятности можно встретить одинаковые снежинки.

Почему бутерброд падает маслом вниз?

Это связано с тем, что масло тяжелее, чем хлеб. Поэтому если с одной стороны намазано более тяжелое масло, то центр тяжести этой двойной системы смещается в сторону масла. Тяжёлая часть всегда пытается упасть первой.

Если у вас есть палка, один конец которой деревянный, а другой свинцовый, то даже если её отпустить параллельно земле, то она будет падать тяжёлым концом вниз. То же самое и с бутербродом.

Переворачивание бутерброда связано с неустойчивостью воздушных потоков. Если создать такие идеальные условия, когда не будет воздуха, и абсолютно горизонтально отпустить бутерброд, то не возникнет вращательной неустойчивости и он упадёт идеально маслом вверх. Для этого центр тяжести и все точки бутерброда должны падать идеально вертикально.

Проводились эксперименты и есть теория, что бутерброду, чтобы перевернуться полностью, нужно около метра. Если вы уроните бутерброд с меньшей высоты, то, возможно, он даже не успеет перевернуться.

Почему адронный коллайдер — это так важно?

Большой адронный коллайдер (БАК) — сейчас на нашей планете это самый большой, самый мощный ускоритель. Он может разгонять частицы до самых больших возможных скоростей. Он разгоняет адроны, которые очень тяжелые. Для этого требуется создать очень мощное электромагнитное поле.

Он создан для того, чтобы проверить так называемую Cтандартную модель, существующую в квантовой механике, физике элементарных частиц. В ней всё описано через частицы: существуют частицы вещества, частицы четырёх взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное). В Cтандартной модели есть гипотетическая частица гравитон, но она пока не открыта. Когда планировали БАК, предполагалось, что будем подтверждать стандартную модель и, если повезёт, то откроем что-то новое, что стандартная модель не предсказывает. На БАК открыли бозон Хиггса, «частицу Бога», которая отвечает за возможность вещества иметь массу. Нашли ещё ряд частиц, но всё, что обнаружили, было в рамках стандартной модели. В результате стандартную модель подтвердили и даже улучшили, но ничего нового и неожиданного не нашли.

Выход за пределы Cтандартной модели мир не перевернёт. Она пока не описывает тёмную энергию и тёмную материю, которые мы еще не можем объяснить. Может, они и встроятся в модель, если мы будем больше знать, что это такое. Может, там тоже есть частицы, которые есть в стандартной модели, но мы их пока не нашли. Процесс изучения идёт.

Предполагается, что если будем повышать мощность БАК, то частицы будут летать с более высокими скоростями и, когда они будут сталкиваться, то будут появляться новые эффекты и частицы, о существовании которых мы даже не предполагаем.

Возможно, эти явления не будут вписываться в современные теории и гипотезы. Тем не менее, если мы получаем что-то новое, это всегда хорошо, даже если мы не понимаем, что получили. Это стимулирует дальнейшие исследования.

Открытий на БАКе чего-то такого, что перевернет физику, скорее всего, не будет. Та картина мира, которая сейчас существует, более-менее законченная и основательная. После появления специальной теории относительности Эйнштейна механику Ньютона это не опровергло. Может быть, на БАКе мы откроем что-то, что скажет, что существующие теории работают только до определённого уровня, а дальше — уже действуют другие теории. Все существующие теории имеют какие-то ограничения, а за ними начинается что-то новое.

Почему металлические предметы холодные, а пластиковые — теплее?

Это связано с теплопроводностью материалов. Чем лучше вещество проводит тепло, тем формально оно более холодное. Вы прикоснулись к поверхности тела, тепловая энергия от вашей руки начинает уходить более активно, от этого кажется, что металл более холодный. Если передача тепловой энергии плохая, то когда вы прикасаетесь, энергия никуда не уходит. Кажется, что температура вещества такая же, как у вашей руки.

Нельзя сказать, что вещество теплое или холодное, оно просто хорошо или плохо проводит тепло.

То же самое с одеялом: оно комнатной температуры, но из-за того, что оно изолирует ваше тело от внешней среды, его называют тёплым.

Теплопроводность связана с внутренним строением вещества. Чем активнее частицы взаимодействуют друг с другом, тем лучше осуществляется передача тепла. Например, металлы из-за того, что они более плотные, а электроны в них активнее взаимодействуют друг с другом, лучше проводят тепло. Кирпич, бетон или дерево менее плотные, в них меньше частиц, формально они пористые. В них есть газовые включения, а газ очень плохо проводит тепло, потому что молекулы газа гораздо реже взаимодействуют друг с другом.

Почему лед скользкий?

Почему он скользкий — до конца не выяснено. Существует три механизма появления этой скользкости:

— Давление. Фигуристы скользят по льду из-за того, что у коньков очень тонкая поверхность. Когда они едут по льду, он начинает плавиться. Поверхностный слой воды действует как смазка, и конькобежец скользит по льду. Для обычной обуви этот механизм не работает, потому что у обуви больше площадь взаимодействия со льдом, чем у лезвия. Из-за этого температура льда повышается всего на пару градусов.

— Поверхностный слой молекул льда гораздо хуже связан друг с другом, чем те молекулы, которые находятся внутри льда. Молекулу с поверхности, граничащую с воздухом, достать проще, чем изнутри. Поэтому разрушить поверхностный слой льда проще, чем внутренние. Когда пешеход начинает взаимодействовать со льдом, он как бы вырывает молекулы из поверхностного слоя, что уменьшает силу трения и пешеход скользит.

— Механизм трения. Пешеходы шаркают по льду, вследствие чего лёд плавится из-за перехода энергии в тепловую благодаря силе трения. Но оценки показывают, что это довольно слабый механизм. Взаимодействие между подошвой и льдом слабое и вряд ли можно так нашаркать, чтобы расплавить лёд.

Обычно все три механизма действуют вместе.

Чем температура ниже, тем лёд менее скользкий. Если при −10°С вы поскальзываетесь, то при −30° на этом же льду вероятность поскользнуться меньше.

Это связано с тем, что при такой температуре разрушить его сложнее.

Есть ли что-то невозможное с точки зрения физики?

Такое, безусловно, существует. Но существует это только на данном уровне науки. Возможно, в будущем что-то и станет возможным.

Во-первых, это хрестоматийный пример о том, что вы не можете передавать информацию и энергию быстрее, чем скорость света в вакууме. Это глобальное ограничение, которое есть на данном этапе развития физики. Преодолеть эту скорость не удаётся.

Мы не можем получить температуру ниже, чем абсолютный ноль (-273°С или 0°К). Теоретически предсказано, что охладить тело сильнее невозможно. В экспериментах абсолютный ноль пока не достижим, но ученые уже почти добрались до этой отметки экспериментально.

Невозможен вечный двигатель. Вы не можете черпать энергию из ничего, закон сохранения энергии отменить невозможно. По-видимому, нет никаких предпосылок, что закон перестанет «работать». Существует довольно много механизмов, похожих на вечный двигатель. Например, часы, которые работают от перепадов атмосферного давления. Вроде бы и заводить не надо, и маятник переводить. Но вечным двигателем их считать нельзя, так как есть внешний источник энергии.

Источник: https://hi-tech.mail.ru/news/pochemu_nebo_sinee_i_eschyo_7_n...