ЧЕТИРИТЕ СИЛИ - КОИ СА ТЕ?!

През последните две хиляди години едно от върховните постижения на физиката е било изолирането и определяне­то на четирите сили, които ръководят Вселената. Всички те могат да бъдат описани на езика на полетата, въведени от Фарадей. За съжаление обаче, нито една от тях не притежава напълно свойствата на силовите полета, описвани в научната фантастика. Тези сили са следните:

1.   Гравитация - безмълвната сила, която държи краката ни за земята, пречи на Земята и на звездите да се разпаднат и крепи в едно цяло Слънчевата система и Галактиката. Без гравитация­та щяхме да се разлетим от Земята в Космоса със скоростта от  1609 км. в час от въртящата се планета. Проблемът се състои в това, че гравитацията притежава диаметрално противоположните свойства на силовото поле, обект на научната фантастика. Гравитацията привлича, а не отблъсква. Тя е изключително слаба, ако говорим за връзките между обектите, и действа на огромни астрономически разстояния. С други думи, тя е почти пълна противоположност на плоската, тънка и непроницаема преграда, за която човек може да прочете в научнофантастичните романи или да види в научнофантастичните филми. Например цялата планета Земя е необходима за привличането на едно перце към пода, но ние можем да противодействаме на земното притегляне, като вдигнем перцето с пръсти. Действието на нашите пръсти може да противодейства на притеглянето на цяла планета, която тежи повече от шест трилиона трилиона килограма.

2.   Електромагнетизмът - силата, която осветява нашите градове. Лазерите, радиото, телевизията модерната електроника, компютрите, Интернет, електричеството, магнетизмът всички те са следствия от електромагнитната сила. То­ва е може би най-полезната сила, впрягана някога на работа от хората. За разлика от гравитация­та тя може и да привлича, и да отблъсква. Но има няколко причини, поради които е неподходяща да играе ролята на силово поле. Първо, тя може да бъде неутрализирана лесно. Пластмасите и дру­гите изолационни материали например могат да проникват лесно в силно електрическо или магнитно поле. Парче от пластмаса, хвърлено в магнитно поле, би преминало право през него. Второ, електромагнетизмът действа на големи разстояния и не може да бъде съсредоточен лесно върху една плоскост. Законите на електромагнитната си­ла са описани с уравненията на Джеймс Кларк Максуел и тези уравнения, изглежда, не допускат силовите полета като решения.

Ядрена силата и силната ядрена сила:

Слабата сила е силата на радиоактивния разпад. То­ва е силата, нагорещяваща центъра на Земята, който е радиоактивен. Това е силата, която стои зад вулканите, земетресенията и континенталния дрейф. Силната ядрена сила крепи в едно цяло ядрото на атома. Енергията на Слънцето и звездите произлиза от ядрената сила, която е отговорна за осветяването на Вселената. Проблемът се състои в това, че ядрената сила е сила с малък обхват, която действа предимно на разстояние от едно ядро. Тъй като е свързана до такава стенен със свойствата на ядрата, е изключи­телно трудно да бъде манипулирана. Понастоящем единствените способи за манипулиране на тази сила, с които разполагаме, са разпръскването на субатомните частици в атомните ускорители или взривяването на атомни бомби.

Въпреки че силовите полета, обект на научната фантастика може би не се подчиняват на известните закони на физиката, все още има вратички, които биха могли да направят възможно създаването на такова силово поле.

Първо, може да има пета сила, която все още не е наблюдавана в лаборатории условия. Такава сила би могла например да действа на разстояние от десетина сантиметра, и до един или няколко метра, а не на астрономически разстояния. (Първоначалните опити за измерване на присъствието на подобна пета сила обаче са дали отрицателни резултати.)

Второ, може да се окаже възможно използването на плазма за имитирането на някои от свойствата на едно силово поле. Плазмата е  „четвъртото състояние на материята“. Твърдите тела, течностите и газовете съставят трите познати състояния на материята, но най-разпространена­та форма на материя във Вселената е  плазмата,  която представлява газ от йонизирани атоми. Тъй като атомите па плазмата са разпръснати, като електроните им са откъснати от атома, атомите са заредени електрически и могат да бъдат манипулирани лесно от електрически и магнитни полета.

Плазмата е най - изобилната форма на видимата материя във Вселената. Тя съставя Слънцето, звездите и междузвез­дния газ. Плазмата не ни е позната, тъй като се среща много рядко на Земята, но можем да я наблюдаваме във формата на мълнии, на Слънцето и във вътрешността на нашите плазмени телевизори.

НИКОЛА НИКОЛОВ

ПАРАЛЕЛНИ СВЕТОВЕ – трета част

В телевизионния сериал „Слайдърс“ малко момче чете книга и получава от нея вдъхновението да конструира машинна, която ще му позволи да „се плъзга“ между паралелните вселени. (Книгата, която чело малкото момче в действителност е била книгата „Хиперпространството").

Но исторически погледнато, четвъртото измерение е смятано за истински куриоз от физиците. Никога не са би­ли откривани доказателства за съществуването на по-висши измерения. Положението започва да се променя през 1919 г., когато физикът Теодор Калуца написва крайно спорна статия, в която се намеква за съществуването на по-висши измерения. Той започва с Айнщайновата теория на общата относителност, но я разполага в пет измерения (едно измерение на времето и четири на пространството, тъй като времето е четвъртото пространствено-времево измерение, днес физиците наричат четвъртото пространс­твено измерение петото измерение). Ако петото измерение стане възможно най-малко, уравненията по някакъв вълшебен начин се разделят на две части. Едната част описва Айнщайновата стандартна теория на относителността, а другата част се превръща в Максуеловата теория на светлината!

Това било смайващо разкритие. Може би тайната на светлината се крие в петото измерение! Самият Айнщайн бил шокиран от това решение, което като че ли осигурявало елегантно обединяване на светлината и гравитацията. (Айнщайн бил толкова разтърсен от предложението на Ка­луца, че мислил върху него в продължение на две години, преди накрая да се съгласи да публикува статия.) Айнщайн писал на Калуца: „Идеята за достигане на (единна теория) посредством петизмерен цилиндров свят никога не ми е хрумвала... От пръв поглед харесах невероятно вашата идея... Формалното единство на вашата теория е поразително.“

Години наред физиците задават въпроса: Ако светлина­та е вълна, то тогава какво представлява вълнението? Свет­лината може да премине през празно пространство с дължина от милиарди светлинни години, но то е вакуум, лишен какъвто и да е материал. В такъв случай какво представл­ява вълнението във вакуума? С появата на теорията на Калуца ние разполагахме с конкретно предложение за разре­шаването на този проблем: светлината представлява въл­нички в петото измерение. Уравненията на Максуел, които описват точно всички свойства на светлината, се очертават просто като уравнения за вълните, които се движат в пето­то измерение.

Представете си риби, които плуват в плитко езеро. Те може никога да не са подозирали, че съществува трето измерение, защото очите им гледат настрани и те могат да плуват само назад-напред, наляво и надясно. Третото измерение за тях може да изглежда невъзможно. Но след това си представете, че върху езерото вали дъжд. Въпреки че не могат да видят третото измерение, те могат да виждат ясно сенките от вълничките на повърхността на езерото. По същия начин теорията на Калуца обяснява светлината като вълнички, които се носят върху петото измерение.

Калуца дава отговор и на въпроса къде се намира то. Тъй като не виждаме доказателства за съществуването на пето измерение, то трябва да „се е свило“ и да е станало толкова малко, че не може да бъде наблюдавано. (Представете си, че вземате двуизмерен лист хартия и го свивате стегнато във формата на цилиндър. От известно разстояние цилиндърът изглежда като едномерна линия. По този начин един двуизмерен обект се е превърнал в едноизмерен обект чрез своето свиване.)

Първоначално статията на Калуца предизвиква сензация. Но през следващите години завладяват възражения срещу теорията му. Каква е големината на това ново пето измерение? Как то се е свило? На тези въпроси не могли да бъдат намерени отговори.

В продължение на десетилетия Айнщайн работил върху тази теория с прекъсвания. След като починал през 1955 г. теорията скоро била забравена, като станала странна бележка под линия, в развитието на физиката.

Следва продължение…… Ще продължим със „Струнната теория”…………

 

НИКОЛАЙ НИКОЛОВ

ТАЙНАТА НА СВЕТЛИНАТА, НЕВИДИМОСТ, СТЕЛТ....И МАКСУЕЛ

Едва след работата в тази област на шотландския физик Джеймс Кларк Максуел, през XIX в. физиците започнали да разбират ясно законите на оптиката. В известен смисъл Максуел е пълна противо­положност на Майкъл Фарадей. Докато Фарадей притежа­вал превъзходен експериментален инстинкт, но нямал каквото и да е официално образование - Максуел, който бил съвременник на Фарадей, бил експерт по висша математика. Той изпъкнал още като студент по математическа физи­ка в Кембридж, където Исак Нютон бил работил преди два века.

Нютон бил създал математическия анализ, който полу­чавал израз на езика на „диференциалните уравнения“ и който описва как обектите претърпяват лесно безкрайно малки промени в пространството и времето. Движението на океанските води, на течностите, газовете и гюлетата мо­же да бъде изразено на езика на диференциалните уравне­ния. Максуел си поставил една ясна цел - да изрази револю­ционните открития на Фарадей и неговите силови полета посредством точни диференциални уравнения.

Максуел започнал с откритието на Фарадей, че елект­рическите полета биха могли да се превръщат в магнит­ни полета и обратно. Той взел описанията на силовите по­лета от Фарадей и ги пренаписал на прецизния език на диференциалните уравнения, създавайки по този начин една от най-важните поредици от уравнения в модерната наука. Това е поредица от осем страховити на вид дифе­ренциални уравнения. Всеки физик и инженер в света трябва да се поти над тях, докато учи за електромагнетизма в гимназията.

След това Максуел си задал съдбоносния въпрос: ако маг­нитните полета могат да се превръщат в електрически и об­ратно, то какво ще стане, ако те постоянно се превръщат едно в друго в един вечен модел? Максуел открил, че тези електромагнитни полета биха създали вълна, която до го­ляма степен прилича на океанска вълна. За негово удивле­ние той изчислил скоростта на тези вълни и установил, че тя съвпада със скоростта на светлината! През 1864 г., след като открил този факт, той написал пророчески следното: „Тази скорост е толкова близка до тази на светлината, че изглежда така, сякаш имаме силно основание да стигнем до заключението, че самата светлина... е електромагнитно сму­щение.“

Това било може би едно от най-големите открития в чо­вешката история. За първи път тайната на светлината била разкрита. Изведнъж Максуел осъзнал, че всичко, като се почне от яркостта на слънчевия изгрев и се стигне до блясъ­ка на залязващото слънце, ослепителните цветове на дъга­та и непоколебимостта на звездите в небесата би могло да се опише чрез вълните, които той надраскал върху лист хар­тия. Днес разбираме, че целият електромагнитен спектър - от радара до телевизията, инфрачервената светлина, види­мата светлина, ултравиолетовата светлина, рентгеновите лъчи, микровълните и гама-лъчите - не е нищо друго освен

вълни на Максуел, които на свой ред представляват вибри­ращи силови полета на Фарадей.

Коментирайки значението на уравненията на Максуел, Айнщайн писал, че те са „най-важното и най-плодотворно събитие, което е преживяла физиката от времето на Ню- тон“.

(Трагично е обстоятелството, че Максуел починал на ран- ната възраст от четиридесет и осем години от рак на стома­ха - вероятно същата болест, която погубила и майка му на същата възраст. Ако той бе живял по-дълго, може би е щял да открие, че неговите уравнения са допускали изкривява­ния на континуума пространство-време, които биха довели директно до теорията на относителността на Айнщайн. За­шеметяващо е да осъзнаем, че относителността е можела да бъде открита още по времето на Американската гражданс­ка война, ако Максуел бе живял по-дълго.)

Теорията за светлината на Максуел и атомната теория дават прости обяснения на оптиката и невидимостта. В ед­но твърдо тяло атомите са свързани здраво, а в течност или газ молекулите са разредени. Повечето твърди тела са матови, защото светлинните лъчи не могат да преминават през гъстата матрица от атоми в едно твърдо тяло, която действа като тухлена стена. Много течности и газове, обратното, са прозрачни, тъй като светлината може да пре­минава по-лесно между големите пространства между тех­ните атоми - пространство, което е по-голямо от вълнова­та дължина на видимата светлина. Например водата, ал­кохолът, амонякът, ацетонът, водородният прекис, бен­зинът и т.н. - всички те са прозрачни, каквито са и газове като кислорода, водорода, азота, въглеродния диоксид, ме­тана и т.н.

Има някои важни изключения от това правило. Много кристали са и твърди, и прозрачни. Но атомите на един крис­тал са подредени във формата на прецизна решетъчна структура в правилни редици с еднакво разстояние между тях. Вследствие на това има много пътища, по които един светлинен лъч може да премине през кристалната решет­ка. Следователно, макар че един кристал има такова сцеп­ление, каквото има всяко твърдо тяло, светлината все пак може да си пробие път през него.

При известни обстоятелства един твърд предмет може да стане прозрачен, ако атомите бъдат подредени произволно. Това може да стане чрез нагорещяването на някои матери­али до висока температура и след това чрез бързото им ох­лаждане. Стъклото например е твърдо тяло с част от свойст­вата на течност заради произволното подреждане на него­вите атоми. Някои бонбони също могат да станат прозрач­ни чрез този метод.

Очевидно невидимостта е свойство, което се появява на атомно равнище, описано от уравненията на Максуел, от което следва, че би било изключително трудно - дори не­възможно, да бъде удвоен един обект с използването на оби­чайни средства. За да направи Хари Потър невидим, човек би трябвало да го втечни, да го свари, за да създаде пара, да го кристализира, пак да го затопли и след това да го охлади, като всичко това би било твърде трудно постижимо дори за магьосник.

Военните, не можейки да създадат невидими самолети, са се опитали да реализират следващото по качество пости­жение, са създали стелт технологията, която прави самолетите невидими за радарите. Стелт технологията се опира на уравненията на Максуел, за да създаде серия от трикове. Един боен изтребител Стелт е съвсем видим за човешкото око, но неговото радарно изображение върху екрана на вра­жески радар достига само размера на голяма птица. (Стелт технологията в действителност представлява неочаквана смесица от трикове. Чрез промяната на материалите в ре­активния изтребител, посредством намаляване на съдър­жанието на стомана и използването вместо нея на смола и пластмаси, чрез промяната на ъглите на неговия фюзелаж, чрез пренареждането на ауспусите и т.н., човек може да накара лъчите на вражеския радар, след като се ударят в апарата,  да се разпръснат във всички посоки така, че никога да не се върнат на екрана на вражеския радар. Дори с помощ- та на стелт технологията един реактивен изтребител всъщност не е невидим, а по-скоро отразява и разпръсва толкова лъчи, изпратени от вражеските радари, колкото е възможно технически).

НИКОЛАЙ НИКОЛОВ