Парадоксы Вселенной: масса продолжает удивлять физиков. Парадоксы вселенной Они все на краю галактики

Наука по своему общепринятому определению претендует на нахождение истинного доказательства какого-либо представления о мире. Человек всегда стремился объяснить логику и причины событий, происходящих вокруг него. Наука – это процесс постоянного обновления, революции мнений и смены парадигм. Однако есть в науке и ее ахиллесова пята, которая ставит под сомнение вообще возможность разумного трактования и понимания Вселенной.

Парадокс – термин, обозначающий противоречие, столкновение мнений, утверждение нового суждения, которое идет либо вразрез с принятой парадигмой, либо со здравым смыслом в принципе. Возникшее еще во времена Античности это понятие до сих пор остается актуальным.

Многим знакомы такие логические парадоксы , как парадокс лжеца либо проблема курицы и яйца. В этой статье мы рассмотрим те парадоксы, которые выходят за грань обыденной жизни и затрагивают одну из самых загадочных и необъяснимых тайн – устройство Вселенной.

Парадокс Ферми

Парадокс Ферми покажется наиболее увлекательным тому, кого интересует вопрос об инопланетных цивилизациях. Единственные ли мы разумные существа во Вселенной? Этим вопросом однажды задался итальянский физик Энрико Ферми , но не ответил на него. Парадокс заключается в том, что по уравнению Дрейка, высчитавшему примерное количество возможных разумных планет только на нашу галактику (а это около 100 тысяч), человечество давно уже должно было связаться хотя бы с одной из них. Однако за все существование нашей цивилизации человеку не удалось поймать ни одного инопланетного сигнала.

Решений на этот парадокс со стороны различных ученых нашлось бесчисленное множество. Вот одни из наиболее распространенных:

Земляне – единственные разумные существа во Вселенной;
Планеты подобные Земле и способные производить жизнь есть, но жизнь на них сейчас находится на том еще уровне, когда по нашей планете бегали динозавры;
Колонизация Млечного пути и связь с другими цивилизациями попросту неинтересна инопланетным расам;
Наши технологии слишком примитивны, чтобы улавливать сигналы от сверхцивилизаций;
Теория заговора: связь с инопланетянами уже налажена, но правительство мира скрывает это от нас;
Сверхцивилизации существуют, но просто наблюдают за нами со стороны, как за подопытными кроликами;
Наш разум и органы чувств слишком примитивны, чтобы воспринимать сверхразвитых существ.

Парадокс близнецов

Этот парадокс известен всем еще со времен школьной физики. Вспомним и фильм «Интерстеллар» (2014), в котором эта проблема стала одной из центральных линий сюжета. В общепринятом же виде парадокс близнецов звучит следующим образом: один из близнецов находится на Земле, второй совершает космическое путешествие. Когда второй вернется на Землю, то его брат будет много старше его, так как по земным часам пойдет больше времени, чем по его собственным. В отличие от парадокса Ферми, на решение которого существуют десятки возможных ответов, данный парадокс объясняется просто. Время относительно. Оба брата во время полета находились в разных системах отсчета, и, следовательно, время для них текло с разной скоростью.

Парадокс бога

Выбивающийся из общей картины парадокс, однако, как и все пытающийся объяснить вечные загадки устройства Вселенной. Создана ли она неким Творцом либо результат Большого взрыва?

Парадокс Бога содержит в себе два утверждения. Первое – Бог всемогущ. Второе – Бог всесилен. Вопрос: может ли всемогущий Бог создать такой камень, который даже он всесильный не сможет поднять? Парадокс здесь заключается в следующем. Если Бог сможет создать такой камень, но не сможет его поднять, то значит, он не всесилен. Если же Бог не сможет его сотворить, то соответственно Бог и не всемогущ. Этот парадокс рассматривался в западной религиозной традиции как доказательство невозможности существования Бога. С другой стороны, вопрос о всемогуществе Бога вызвал спор о том, что вообще такое Бог и может ли он свое всемогущество применять к себе самому.

Парадокс звездного неба

Другое название – фотометрический парадокс . Возьмем бесконечную Вселенную и поселим в нее бесконечное число звезд. Исходя из этого, можно предположить, что небо должно быть полностью ярким, а темные участки – отсутствовать. В реальности же мы наблюдаем обратную ситуацию.

Решение данного парадокса было предложено Уильямом Томсоном на основе возраста Вселенной. Прошли миллиарды лет после Большого взрыва, прежде чем в ней смогли образоваться звезды, квазары, галактики, а это целые миллиарды световых лет от нас. Следовательно, свет, которому приходится преодолеть огромное расстояние до Земли, показывает нам то, что было задолго до рождения первых звезд.

Научные и логические парадоксы постоянно ставят загадку перед человеком. Одни разгадываются, другие остаются на уровне гипотез и предположений. Но все они провоцируют человеческую расу постоянно искать ответ на свои вопросы, чтобы скорее приблизиться к тайне Мироздания, к объяснению смысла своего существования.

Парадоксы можно найти везде, от экологии до геометрии и от логики до химии. Даже компьютер, на котором вы читаете статью, полон парадоксов. Перед вами - десять объяснений любопытных парадоксов. Некоторые из них настолько странные, что трудно сразу понять, в чём же суть…

Вконтакте

Однокласники

1. Парадокс Банаха-Тарского

Согласно теории множеств, два получившихся шара будут такого же размера и формы, как шар-оригинал. Кроме того, если учесть, что шары при этом имеют разный объём, то любой из шаров может быть преобразован в соответствии с другим. Это позволяет сделать вывод, что горошину можно разделить на шары размером с Солнце.

Хитрость парадокса заключается в том, что вы можете разорвать шары на куски любой формы. На практике сделать это невозможно — структура материала и в конечном итоге размер атомов накладывают некоторые ограничения.

Для того чтобы было действительно возможно разорвать шар так, как вам нравится, он должен содержать бесконечное число доступных нульмерных точек. Тогда шар из таких точек будет бесконечно плотным, и когда вы разорвёте его, формы кусков могут получиться настолько сложными, что не будут иметь определенного объёма. И вы можете собрать эти куски, каждый из которых содержит бесконечное число точек, в новый шар любого размера. Новый шар будет по-прежнему состоять из бесконечных точек, и оба шара будут одинаково бесконечно плотными.

Если вы попробуете воплотить идею на практике, то ничего не получится. Зато всё замечательно получается при работе с математическими сферами — безгранично делимыми числовыми множествами в трехмерном пространстве. Решённый парадокс называется теоремой Банаха-Тарского и играет огромную роль в математической теории множеств.

2. Парадокс Пето

Не так. Парадокс Пето, названный в честь оксфордского профессора Ричарда Пето, утверждает, что корреляции между размером животного и раком не существует. У людей и китов шанс заболеть раком примерно одинаков, а вот некоторые породы крошечных мышей имеют гораздо больше шансов.

Некоторые биологи полагают, что отсутствие корреляции в парадоксе Пето можно объяснить тем, что более крупные животные лучше сопротивляются опухоли: механизм работает таким образом, чтобы предотвратить мутацию клеток в процессе деления.

3. Проблема настоящего времени

Согласно универсальному нигилизму, прошлое и будущее не занимают времени в настоящем. Кроме того, невозможно количественно определить длительность, которую мы называем «настоящим временем»: любое количество времени, которое вы назовёте «настоящим временем», можно разделить на части — прошлое, настоящее и будущее.

Если настоящее длится, допустим, секунду, то эту секунду можно разделить на три части: первая часть будет прошлым, вторая — настоящим, третья — будущим. Треть секунды, которую мы теперь называем настоящим, можно тоже разделить на три части. Наверняка идею вы уже поняли — так можно продолжать бесконечно.

Таким образом, настоящего на самом деле не существует, потому что оно не продолжается во времени. Универсальный нигилизм использует этот аргумент, чтобы доказать, что не существует вообще ничего.

4. Парадокс Моравека

При решении проблем, требующих вдумчивого рассуждения, у людей случаются затруднения. С другой стороны, основные моторные и сенсорные функции вроде ходьбы не вызывают никаких затруднений вообще.

Но если говорить о компьютерах, всё наоборот: компьютерам очень легко решать сложнейшие логические задачи вроде разработки шахматной стратегии, но куда сложнее запрограммировать компьютер так, чтобы он смог ходить или воспроизводить человеческую речь. Это различие между естественным и искусственным интеллектом известно как парадокс Моравека.

Ханс Моравек, научный сотрудник факультета робототехники Университета Карнеги-Меллона, объясняет это наблюдение через идею реверсного инжиниринга нашего собственного мозга. Реверсный инжиниринг труднее всего провести при задачах, которые люди выполняют бессознательно, например, двигательных функциях.

Поскольку абстрактное мышление стало частью человеческого поведения меньше 100 000 лет назад, наша способность решать абстрактные задачи является сознательной. Таким образом, для нас намного легче создать технологию, которая эмулирует такое поведение. С другой стороны, такие действия, как ходьба или разговор, мы не осмысливаем, так что заставить искусственный интеллект делать то же самое нам сложнее.

5. Закон Бенфорда

Каков шанс, что случайное число начнётся с цифры «1»? Или с цифры «3»? Или с «7»? Если вы немного знакомы с теорией вероятности, то можете предположить, что вероятность — один к девяти, или около 11%.

Если же вы посмотрите на реальные цифры, то заметите, что «9» встречается гораздо реже, чем в 11% случаев. Также куда меньше цифр, чем ожидалось, начинается с «8», зато колоссальные 30% чисел начинаются с цифры «1». Эта парадоксальная картина проявляется во всевозможных реальных случаях, от количества населения до цен на акции и длины рек.

Физик Фрэнк Бенфорд впервые отметил это явление в 1938-м году. Он обнаружил, что частота появления цифры в качестве первой падает по мере того, как цифра увеличивается от одного до девяти. То есть «1» появляется в качестве первой цифры примерно в 30,1% случаев, «2» появляется около 17,6% случаев, «3» — примерно в 12,5%, и так далее до «9», выступающей в качестве первой цифры всего лишь в 4,6% случаев.

Чтобы понять это, представьте себе, что вы последовательно нумеруете лотерейные билеты. Когда вы пронумеровали билеты от одного до девяти, шанс любой цифры стать первой составляет 11,1%. Когда вы добавляете билет № 10, шанс случайного числа начаться с «1» возрастает до 18,2%. Вы добавляете билеты с № 11 по № 19, и шанс того, что номер билета начнётся с «1», продолжает расти, достигая максимума в 58%. Теперь вы добавляете билет № 20 и продолжаете нумеровать билеты. Шанс того, что число начнётся с «2», растёт, а вероятность того, что оно начнётся с «1», медленно падает.

Закон Бенфорда не распространяется на все случаи распределения чисел. Например, наборы чисел, диапазон которых ограничен (человеческий рост или вес), под закон не попадают. Он также не работает с множествами, которые имеют только один или два порядка.

Тем не менее, закон распространяется на многие типы данных. В результате власти могут использовать закон для выявления фактов мошенничества: когда предоставленная информация не следует закону Бенфорда, власти могут сделать вывод, что кто-то сфабриковал данные.

6. C-парадокс

Одноклеточные амёбы имеют геномы в 100 раз больше, чем у человека, на самом деле, у них едва ли не самые большие из известных геномов. А у очень похожих между собой видов геном может кардинально различаться. Эта странность известна как С-парадокс.

Интересный вывод из С-парадокса — геном может быть больше, чем это необходимо. Если все геномы в человеческой ДНК будут использоваться, то количество мутаций на поколение будет невероятно высоким.

Геномы многих сложных животных вроде людей и приматов включают в себя ДНК, которая ничего не кодирует. Это огромное количество неиспользованных ДНК, значительно варьирующееся от существа к существу, кажется, ни от чего не зависит, что и создаёт C-парадокс.

7. Бессмертный муравей на верёвке

Логичным кажется то, что нормальный муравей на такое не способен, потому что скорость его движения намного ниже скорости, с которой растягивается верёвка. Тем не менее, в конечном итоге муравей доберётся до противоположного конца.

Когда муравей ещё даже не начал движение, перед ним лежит 100% верёвки. Через секунду верёвка стала значительно больше, но муравей тоже прошёл некоторое расстояние, и если считать в процентах, то расстояние, которое он должен пройти, уменьшилось — оно уже меньше 100%, пусть и ненамного.

Хотя верёвка постоянно растягивается, маленькое расстояние, пройденное муравьём, тоже становится больше. И, хотя в целом верёвка удлиняется с постоянной скоростью, путь муравья каждую секунду становится немного меньше. Муравей тоже всё время продолжает двигаться вперёд с постоянной скоростью. Таким образом, с каждой секундой расстояние, которое он уже прошёл, увеличивается, а то, которое он должен пройти — уменьшается. В процентах, само собой.

Существует одно условие, чтобы задача могла иметь решение: муравей должен быть бессмертным. Итак, муравей дойдёт до конца через 2,8×1043.429 секунд, что несколько дольше, чем существует Вселенная.

8. Парадокс экологического баланса

Модель «хищник-жертва» — это уравнение, описывающее реальную экологическую обстановку. Например, модель может определить, насколько изменится численность лис и кроликов в лесу. Допустим, что травы, которой питаются кролики, в лесу становится всё больше. Можно предположить, что для кроликов такой исход благоприятен, потому что при обилии травы они будут хорошо размножаться и увеличивать численность.

Парадокс экологического баланса утверждает, что это не так: сначала численность кроликов действительно возрастёт, но рост популяции кроликов в закрытой среде (лесу) приведёт к росту популяции лисиц. Затем численность хищников увеличится настолько, что они уничтожат сначала всю добычу, а потом вымрут сами.

На практике этот парадокс не действует на большинство видов животных — хотя бы потому, что они не живут в закрытой среде, поэтому популяции животных стабильны. Кроме того, животные способны эволюционировать: например, в новых условиях у добычи появятся новые защитные механизмы.

9. Парадокс тритона

Соберите группу друзей и посмотрите все вместе это видео. Когда закончите, пусть каждый выскажет своё мнение, увеличивается звук или уменьшается во время всех четырёх тонов. Вы удивитесь, насколько разными будут ответы.

Чтобы понять этот парадокс, вам нужно знать кое-что о музыкальных нотах. У каждой ноты есть определённая высота, от которой зависит, высокий или низкий звук мы слышим. Нота следующей, более высокой октавы, звучит в два раза выше, чем нота предыдущей октавы. А каждую октаву можно разделить на два равных тритонных интервала.

На видео тритон разделяет каждую пару звуков. В каждой паре один звук представляет собой смесь одинаковых нот из разных октав — например, сочетание двух нот до, где одна звучит выше другой. Когда звук в тритоне переходит с одной ноты на другую (например, соль-диез между двумя до), можно совершенно обоснованно интерпретировать ноту как более высокую или более низкую, чем предыдущая.

Другое парадоксальное свойство тритонов — это ощущение, что звук постоянно становится ниже, хотя высота звука не меняется. На нашем видео вы можете наблюдать эффект в течение целых десяти минут.

10. Эффект Мпембы

Перед вами два стакана воды, совершенно одинаковые во всём, кроме одного: температура воды в левом стакане выше, чем в правом. Поместите оба стакана в морозилку. В каком стакане вода замёрзнет быстрее? Можно решить, что в правом, в котором вода изначально была холоднее, однако горячая вода замёрзнет быстрее, чем вода комнатной температуры.

Этот странный эффект назван в честь студента из Танзании, который наблюдал его в 1986-м году, когда замораживал молоко, чтобы сделать мороженое. Некоторые из величайших мыслителей — Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт — и ранее отмечали это явление, но не были в состоянии объяснить его. Аристотель, например, выдвигал гипотезу, что какое-либо качество усиливается в среде, противоположной этому качеству.

Эффект Мпембы возможен благодаря нескольким факторам. Воды в стакане с горячей водой может быть меньше, так как часть её испарится, и в результате замёрзнуть должно меньшее количество воды. Также горячая вода содержит меньше газа, а значит, в такой воде легче возникнут конвекционные потоки, следовательно, замерзать ей будет проще.

Другая теория строится на том, что ослабевают химические связи, удерживающие молекулы воды вместе. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Когда вода нагревается, молекулы немного отодвигаются друг от друга, связь между ними ослабевает, и молекулы теряют немного энергии — это позволяет горячей воде остывать быстрее, чем холодной.

МОСКВА, 23 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Масса — одно из основополагающих и в то же время загадочных понятий в науке. В мире элементарных частиц ее не отделить от энергии. Она ненулевая даже у нейтрино, а большая ее часть находится в невидимой части Вселенной. РИА Новости рассказывает, что известно физикам о массе и какие с ней связаны тайны.

Относительно и элементарно

В пригороде Парижа в штаб-квартире Международного бюро мер и весов хранится цилиндр из сплава платины и иридия массой ровно один килограмм. Это эталон для всего мира. Массу можно выразить через объем и плотность и считать, что она служит мерой количества вещества в теле. Но физиков, изучающих микромир, столь простое объяснение не устраивает.

Представьте, что нужно подвинуть этот цилиндр. Его высота не превышает и четырех сантиметров, тем не менее придется приложить заметное усилие. Еще больше усилий потребуется, чтобы сдвинуть, к примеру, холодильник. Необходимость прикладывать силу физики объясняют инерцией тел, а массу рассматривают как коэффициент, связывающий силу и возникающее ускорение (F = ma).

Масса служит мерой не только движения, но и гравитации, заставляющей тела притягивать друг друга (F = GMm/R 2). Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Гравитация не менее загадочна, чем масса. Предположение о том, что при движении некоторые очень массивные тела могут излучать гравитационные волны, экспериментально подтвердили только в 2015 году на детекторе LIGO. Через два года это открытие удостоилось Нобелевской премии.

Согласно принципу эквивалентности, предложенному Галилеем и уточненному Эйнштейном, гравитационная и инерционная массы равны. Из этого следует, что массивные объекты способны искривлять пространство-время. Звезды и планеты создают вокруг себя гравитационные воронки, в которых крутятся естественные и искусственные спутники, пока не упадут на поверхность.

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона и кирпичиков мироздания — кварков — масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю. Вселенная без массы представляла бы собой хаос из квантов различных излучений, носящихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет.

Но откуда у частиц берется масса?

"При создании Стандартной модели в физике частиц — теории, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, возникли большие трудности. Модель содержала неустранимые расходимости, обусловленные наличием у частиц ненулевых масс", — рассказывает РИА Новости Александр Студеникин, доктор наук, профессор кафедры теоретической физики физфака МГУ имени М. В. Ломоносова.

Решение нашли европейские ученые в середине 1960-х, предположив, что в природе существует еще одно поле — скалярное. Оно пронизывает всю Вселенную, но его влияние заметно только на микроуровне. Частицы словно увязают в нем и таким образом приобретают массу.

Таинственное скалярное поле назвали в честь британского физика Питера Хиггса — одного из основателей Стандартной модели. Его имя носит и бозон — возникающая в поле Хиггса массивная частица. Ее обнаружили в 2012 году в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Через год Хиггсу вместе с Франсуа Энглером присудили Нобелевскую премию.

Охота за призраками

Частицу-призрак — нейтрино — тоже пришлось признать массивной. Это связано с наблюдениями потоков нейтрино от Солнца и космических лучей, которые долго не удавалось объяснить. Оказалось, что частица способна во время движения превращаться в другие состояния, или осциллировать, как говорят физики. Без массы это невозможно.

"Электронные нейтрино, рождающиеся, например, в недрах Солнца, в строгом смысле нельзя считать элементарными частицами, так как их масса не имеет определенного значения. Но в движении каждое из них может рассматриваться как суперпозиция элементарных частиц (тоже именуемых нейтрино) с массами m1, m2, m3. Из-за различия в скорости массовых нейтрино в детекторе регистрируются не только электронные нейтрино, но и нейтрино других типов, например мюонные и тау-нейтрино. Это следствие смешивания и осцилляций, предсказанных в 1957 году Бруно Максимовичем Понтекорво", — поясняет профессор Студеникин.

Установлено, что масса нейтрино не может превышать две десятые электронвольта. Но точное значение пока неизвестно. Этим ученые занимаются в эксперименте KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ (Германия), запущенном 11 июня.

"Вопрос о величине и природе массы нейтрино — один из главных. Его решение послужит основой для дальнейшего развития наших представлений о структуре", — заключает профессор.

Казалось бы, о массе в принципе все известно, осталось уточнить нюансы. Но это не так. Физики подсчитали, что материя, которая поддается нашему наблюдению, занимает всего пять процентов массы вещества во Вселенной. Остальное — гипотетические темные материя и энергия, которые ничего не излучают и потому не регистрируются. Из каких частиц состоят эти неведомые части мироздания, какова их структура, как они взаимодействуют с нашим миром? Это предстоит выяснить следующим поколениям ученых.