7 сложных физических явлений, о которых мы узнали из сериала «Теория большого взрыва»

В далёком 2007 году на американском канале CBS вышел пилотный эпизод сериала о четырёх незадачливых физиках и их красивой соседке Пенни. За 12 лет он стал безумно популярным, получил не одну награду и разошёлся на цитаты. В мае 2019 года выходит последний эпизод «Теории большого взрыва», а мы вместе с весенним фестивалем науки WOW! HOW? вспоминаем, чему нас научили Шелдон и компания.

1. Корпускулярно-волновой дуализм

Где посмотреть: сезон 1, серия 1

Что это такое. Один из основных принципов квантовой механики. Он заключается в том, что микроскопические объекты могут одновременно вести себя не только как волны, так и как частицы. Например, электроны могут рассеиваться и огибать препятствия (как волны) и одновременно переносить энергию (как частицы).

Зачем это нужно. Для того, чтобы предсказывать движение электронов в атомах, «обычная» физика — механика Ньютона — не годится. Корпускулярно-волновой дуализм позволяет объяснять и предсказывать поведение электронов, фотонов и других частиц. Именно этот принцип, например, лежит в основе работы солнечных батарей.

2. Множество Мандельброта

Где посмотреть: сезон 1, серия 2

Что это такое. Множество точек, заданных определённым соотношением — формулой Мандельброта. Множество Мандельброта является, пожалуй, самым известным фракталом — структурой, каждая часть которой подобна целому. Например, как в цветной капусте сорта романеско.

Зачем это нужно. Фракталы и фрактальные множества широко используются в современной математике, в том числе и для прикладных целей — например, для рисования облаков в компьютерных играх. А ещё существуют очень красивые визуализации фрактальных множеств.

3. Эффект Доплера

Где посмотреть: сезон 1, серия 6

Что это такое. Изменение частоты и длины волны излучения, которое наблюдается при движении источника излучения или наблюдателя относительно друг друга. Например, если мимо нас будет быстро проезжать пожарная машина со включённой сиреной, мы сначала будем слышать всё более и более высокий звук, а затем, когда машина начнёт удаляться от нас — всё более и более низкий.

Зачем это нужно. Используя эффект Доплера, можно очень точно измерять скорость и удалённость звёзд в нашей Вселенной. На его основе работают такие разные приборы, как милицейский радар, аппарат УЗИ-диагностики и GPS-навигатор.

4. Теория струн

Где посмотреть: сезон 1, серия 12

Что это такое. Одна из фундаментальных теорий современной физики. Суть её в том, что все частицы нашей Вселенной — это не частицы, а проекции некоторых структур, пронизывающих всю Вселенную. Эти структуры назвали струнами, а их колебаниями объясняют все свойства частиц. Не все учёные согласны с теорией струн (что и обыгрывается в сериале, хотя Шелдон Купер работает именно над ней).

Зачем это нужно. Есть основания полагать, что теория струн — это так называемая «теория всего», которая в законченном виде позволит объяснять все процессы нашей Вселенной и, возможно, и управлять ими. Даст возможность «увидеть Матрицу», проще говоря. А пока она позволяет учёным (и не только) надеяться на существование множества параллельных Вселенных.

5. Кот Шрёдингера

Где посмотреть: сезон 1, серия 17

Что это такое. Один из самых известных мысленных экспериментов в современной физике. Есть закрытая коробка, в которой находится кот. Единственный способ узнать состояние кота — открыть коробку, но при этом с вероятностью 50% кот умирает, с вероятностью 50% — остаётся в живых. Получается, что мы не можем точно сказать, жив кот или мёртв (то есть определить его состояние) до тех пор, пока не откроем коробку.

Зачем это нужно. В школьном курсе физики считается, что объект не меняется от того, что мы наблюдаем за ним и измеряем его характеристики. Но на самом деле это не всегда так, и на уровне элементарных частиц приходится учитывать, что они изменяются всякий раз, когда мы пытаемся «посмотреть» на них. Как некоторые люди не могут вести себя естественно, если на них направлен фотоаппарат.

6. Принцип неопределённости Гейзенберга

Где посмотреть: сезон 2, серия 23 и сезон 5, серия 5

Что это такое. Принцип, согласно которому невозможно точно определить все характеристики частицы. Более того, чем точнее мы определяем одну из характеристик (например, положение в пространстве), тем больше будет ошибка при определении другой характеристики (например, импульс).

Зачем это нужно. В курсе школьной физики мы привыкли, что характеристики объекта можно определить точно и однозначно. Но оказывается, что для микроскопических частиц это невозможно, поэтому можно говорить только о вероятных характеристиках. Например, определить место вероятного нахождения электрона. Благодаря принципу неопределённости Гейзенберга возможно существование полупроводников, транзисторов и всей электроники.

7. Бозон Хиггса

Где посмотреть: сезон 6, серия 3

Что это такое. Последняя открытая частица Стандартной модели (это нечто вроде таблицы Менделеева, но для элементарных частиц). Существование бозона Хиггса предсказали ещё в 1964 году, но обнаружить его удалось только в 2012 году (то есть через пять лет после выхода сериала «Теория большого взрыва» на экраны).

Зачем это нужно. Открытие бозона Хиггса позволило уточнить ряд физических теорий и продвинуться в создании теории струн.