До края на времето - разходка в необятното с физик

Брайън Грийн (57) е професор по физика и математика в Колумбийския университет и директор на университетския Център по теоретична физика. Известен е със значимите си открития в областта на струнната теория. Автор е на "Елегантната вселена", "Тъканта на Космоса" и "Скритата реалност", бестселъри на "Ню Йорк Таймс", продали над 2 млн. копия из целия свят. Бил е водещ на две документални мини поредици на NOVA (най-гледаната научно-популярна програма в САЩ), създадени въз основа на неговите книги и увенчани с наградите "Пийбоди" и "Еми". Съосновател е на Световния научен фестивал. Живее в Ню Йорк.

На 28 януари 1948 г. вечерта радио Би Би Си излъчило - сгушен между изпълнението на Шубертовия квартет в ла минор и предаването за английски народни песни - дебата между Бъртранд Ръсел, един от най-влиятелните интелектуалци на ХХ век, и Фредерик Копълстън, йезуитски свещеник. Темата ли? "Съществува ли Бог?" Ръсел, чиито новаторски творби по философия и хуманитарни принципи ще му спечелят през 1950 г. Нобеловата награда за литература и чиито иконоборчески политически и социални възгледи ще му заработят уволнение както от университета в Кеймбридж, така и от Сити Колидж на Ню Йорк, представил многобройни доводи, ако не за отхвърлянето, то поне за поставянето под въпрос на съществуването на някакъв създател на света.

Една от мисловните насоки в информираното становище на Ръсел е релевантна на нашето изследване тук. "Доколкото сочат научните доказателства - отбелязал Ръсел, - Вселената бавно и на етапи е допълзяла до плачевния резултат на тази земя и ще продължи да пълзи през още по-плачевни етапи към състоянието на вселенска смърт."

При подобна сурова перспектива, заключил Ръсел, "ако това се приеме като доказателство за намерение, мога да кажа единствено, че целта не ми се вижда привлекателна. Поради това не виждам никаква причина да вярвам в какъвто и да било Бог".

Тук искам да се съсредоточа върху позоваването на Ръсел на научните доказателства за "вселенска смърт". Тя идва от едно откритие от ХІХ век, чиито корени са също толкова хилави, колкото последиците му са всеобхватни.

Към средата на ХІХ век индустриалната революция била в пълен ход и насред пейзажа от фабрики и заводи парната машина се била превърнала в работния кон, задвижващ производството. Въпреки това при критичния скок от ръчен към механизиран труд коефициентът на полезно действие - съотношението между полезната извършена работа и количеството консумирана енергия - на парната машина бил недостатъчен.

Приблизително 95 процента от отделената при изгарянето на въглища или дърва топлина се прахосвали в пространството. Това подтикнало шепа учени дълбоко да се замислят над физичните принципи, на които били изградени парните машини, и да потърсят начини те да изгарят по-малко, а да получават повече. С течение на десетилетията техните изследвания постепенно довели до един култов резултат, който с основание се прославил: втория закон на термодинамиката.

Казано на прост език, законът постановява, че произвеждането на отпадъчна топлина е неизбежно. А това, което направило втория закон жизненоважен, е, че макар парните машини да са послужили като катализатор, законът е с универсално приложение. Вторият закон описва една фундаментална характеристика, която е вътрешно присъща на всичката материя и енергия - без значение от тяхната структура или форма, независимо дали е жива, или мъртва.

Законът разкрива, че всичко във Вселената проявява непреодолима тенденция да се изтощава, да деградира, да чезне.

Казано по същия всекидневен начин, можете да видите откъде е тръгнал Ръсел. Изглежда, че бъдещето съдържа продължаващо износване, неспирно превръщане на производителната енергия в безполезна топлина, равномерно изчерпване, така да се каже, на батериите, които захранват действителността. Но по-прецизното научно разбиране разкрива, че това обобщение накъде се е запътила реалността, скрива от погледа едно богато и нюансирано напредване - напредване, което е в ход още от Големия взрив и ще продължи нататък към далечното бъдеще. Това напредване помага за обяснението на нашето място на космическата времева скала, изяснява как на фона на деградацията и разпада могат отново да се произвеждат красота и ред, а също така предлага възможни начини, колкото и екзотични да биха могли да се окажат те, да се заобиколи мрачният край, предвиждан от Ръсел. И тъй като точно същата тази наука, която включва концепти като ентропия, информация и енергия, ще насочва голяма част от нашето пътуване, си заслужава да отделим малко време, за да я разберем по-добре.

Други подобни ресурси
Фирми: Обучение / курсове
Стоки: Информация, култура

Снимки от сайта или реклама на "Наука и образование"

Линкове към До края на времето - разходка в необятното с физик

W88163

До края на времето - разходка в необятното с физика Брайън Грийн

Източник

Dnevnik.bg

Манипулации с линковете

Линк към сайта

<<<Натисни тук >>>

Фирма

>>>>>

Обект

>>>>>

Лице за контакти:

Телефон

E-Mail

Идентификация

Раздел:

Наука и образование >>>

Категория:

Наука и техника >>>

Група:

ДЕТАЙЛИ, НОВИНИ И КОМЕНТАРИ

Парните машини

__ 1 __

25/09/23
17:10:10

Парните машини

Проумяването на способността на парната машина да поглъща топлина от горящите въглища и да я използва, за да задвижи повтарящото се въртене на локомотивните колела или на помпата в някоя въглищна мина, е задължително, за да се схване как енергията еволюира с времето. А начинът, по който еволюира енергията, оказва дълбоко въздействие върху бъдещето на материята, ума и всички структури във Вселената. Така че нека се спуснем от възвишените сфери на живота и смъртта, на целта и смисъла, към непрекъснатото пуфтене и дрънчене на една парна машина от ХVІІІ век.

Научната основа на парната машина е проста, но остроумна: водните пари се разширяват при нагряване и се стремят да излязат навън. Парната машина овладява това действие, като нагрява метален съд, пълен с пара, който е затапен с плътно пасващо към стените бутало, способно да се плъзга напред-назад по вътрешната повърхност на съда. Когато нагрятата пара се разширява, тя мощно изтласква буталото и по този начин насоченият навън тласък може да накара колелото да се завърти или мелницата да мели. После, тъй като при това насочено навън усилие е изразходвала енергията си, парата се охлажда и буталото се плъзга обратно към първоначалното си положение, където остава в готовност да бъде блъснато пак, когато парата се нагрее - цикъл, който ще се повтаря, докато има гориво, което да нагрява парата отново и отново.

Докато историята отбелязва централната роля на парната машина в Индустриалната революция, въпросите, които тя е повдигнала пред фундаменталната наука, са също тъй значими. Можем ли да разберем парния двигател с математическа точност? Съществува ли някакво ограничение колко ефективно може да бъде преобразуването на топлината в полезно действие?

Размишлявайки над тези въпроси, френският физик и военен инженер Сади Карно поставил основите на термодинамиката - науката за топлината, енергията и работата. Няма как да разберете това от продажбите на неговия издаден през 1824 г. трактат "Разсъждения върху движещата сила на огъня". Но макар и не веднага, неговите идеи щели да вдъхновяват учените през следващото столетие да разработят един коренно нов поглед към физиката.

Една статистическа гледна точка

__ 2 __

25/09/23
17:11:02

Една статистическа гледна точка

Традиционната научна гледна точка, изложена в математическа форма от Исак Нютон, е, че физическите закони осигуряват железни прогнози за това как се развиват нещата. Кажете ми местоположението и скоростта на един предмет за някое конкретно движение, кажете ми какви сили действат върху него и уравненията на Нютон ще свършат останалото, като предскажат последващата траектория на предмета. Независимо дали става дума, че Луната е притегляна от земната гравитация, или за някоя бейзболна топка, която току-що е запратена към централното поле, наблюденията са потвърдили, че предсказанията са точно в десетката.

Ако сте учили гимназиална физика, може би ще си спомните, че когато анализираме траекториите на макроскопични обекти, ние обикновено безгласно приемаме множество опростявания. Пренебрегваме вътрешния строеж на Луната и бейзболната топка и си представяме, че всяка от тях е просто една масивна частица. Дори зрънцето сол съдържа около един милиард милиарда молекули, а това все пак е само едно зрънце сол. И все пак, докато Луната се движи по орбитата си, нас обикновено не ни интересува вибрацията на една или друга молекула от прашното Море на спокойствието. Докато бейзболната топка се носи във въздуха, не се интересуваме от вибрацията на една или друга молекула от корковата ѝ сърцевина. Това, което търсим, е движението на Луната или бейзболната топка като цяло. Така че прилагането на Нютоновите закони към тези опростени модели върши работа.

Тези успехи хвърлят светлина върху предизвикателството, пред което са се изправили физиците от ХІХ век, що се отнася до парните двигатели. Нагорещената пара, която упражнява натиск върху буталото на двигателя, съдържа чудовищно голям брой водни молекули - може би един трилион трилиона частици. Ние не можем да пренебрегнем тази вътрешна структура, така както правим при нашия анализ за Луната или бейзболната топка. Това, което лежи в сърцето на работата на двигателя, е движението на същите тези частици - ударите в буталото, отскачането от неговата повърхност, повторното устремяване към това бутало.

Проблемът е, че няма начин някъде някой - колкото и да е умен и колкото и страхотни компютри да използва - да изчисли всички индивидуални траектории, които се пораждат от такава огромна сбирка от водни молекули.

Заседнахме ли? Възможно е да си мислите, че да. Но както се оказва, ние биваме спасени от една промяна на гледната точка. Големите сбирки понякога водят до свои собствени мощни опростявания.

Със сигурност е трудно, всъщност е невъзможно да се предскаже кога точно ще кихнете следващия път. Но ако разширим кръгозора си до далеч по-голямата бройка на всички хора на земята, можем да предскажем, че през следващата секунда ще има около осемдесет хиляди кихания в целия свят. Идеята е, че като преминем към статистическа гледна точка, голямата популация на земята става ключ - а не пречка - към способността за предвиждане. Големите групи често проявяват статистически закономерности, който отсъстват на индивидуално равнище.

За пръв път такъв аналогичен подход към големи групи атоми и молекули е бил използван от Джеймс Кларк Максуел, Рудолф Клаузиус, Лудвиг Болцман и много техни колеги. Те са предложили да се откажем от подробно разглеждане на индивидуалните траектории в полза на статистически формули, описващи усредненото поведение на големи групи частици.

Показали, че този подход не само прави математическите изчисления лесни, а и показва, че физическите характеристики, които могат да се изразят количествено, са точно онези, които имат най-голямо значение. Налягането, което изтласква буталото на парната машина например, едва ли се влияе от точния път, следван от тази или онази отделна водна молекула. Вместо това налягането възниква от усредненото движение на трилиони трилиони молекули, които всяка секунда се удрят в неговата повърхност. Това е, което има значение. И точно това статистическият подход позволява на учените да изчислят.

В нашата настояща епоха на политически допитвания, генетични изследвания на популациите и Големи данни преходът към статистическа рамка може да не звучи радикално. Ала през ХІХ и началото на ХХ век статистическата обосновка станала онова оттегляне от педантичната точност, което започнало да дефинира физиката. Имайте предвид и че в първите години на ХХ век все още е имало уважавани учени, които оспорвали самото съществуване на атомите и молекулите - самата основа на един статистически подход.

Независимо от вечните отрицатели, не минало много време и статистическата обосновка доказала ценността си. През 1905 г. самият Айнщайн обяснил количествено трескавото движение на поленови частици в чаша вода като предизвикано от непрекъснатото им бомбардиране от молекули Н2О. При такъв успех е трябвало да си изключителен инат, за да поставиш под въпрос съществуването на молекули.

Нещо повече, разрастващите се архиви на теоретичните и експерименталните статии разкривали, че заключенията, направени въз основа на статистически анализ на големи групи частици - описващи как те отскачат от стените на съда и по този начин упражняват налягане върху тази повърхност или изискват такова и такова увеличение или намаление на интензивността на ударите при даден температура, - съответствали толкова точно на данните, че просто нямало място да се поставя под въпрос обяснителната мощ на подхода. Така се родила статистическата база за термичните процеси.

Всичко това бил велик триумф и позволило на учените да проумеят не само парните машини, но и широк кръг от термичните системи - от земната атмосфера до слънчевата корона и до огромното гъмжило от частици, скупчени в някоя неутронна звезда. Но каква връзка има това с визията на Ръсел за бъдещето, с неговото предсказание за една вселена, която пълзи към смъртта?

Стискайте палци. Ще стигнем дотам. Но имаме да направим още няколко стъпки. Следващата е да използваме този напредък, за да осветлим най-същественото качество на бъдещето: то коренно се различава от миналото.

Задай въпрос, добави коментар >>>

Отвори формата за текст

Брой посещения: 551 Гласували: 0 Оценка: 0.00 Последна редакция: 06/01/21