Великите и странни физични теории

Кой е Шрьодингер и какво е станало с неговата котка? Какво точно е теорията на струните и защо трябва да ни интересува? И какво е това  сингулярност, все пак?

1. Какво е Теория на относителността?

Алберт Айнщайн 

"Относителността" е свързана с двете най-известни теории на физиката, формулирани от Алберт Айнщайн. През 1905 г. Айнщайн публикува Специалната теория на относителността, с която се ограничава скоростта на взимодействие и движение във Вселената до скоростта на светлината и показа, че времето може да ускори или забави своя ход в зависимост от това колко бързо се движи даден обект. През 1916 г., Айнщайн представя своята по-широка визия, наречена Обща теория на относителността (general theory of relativity). Тази негова идея е построена върху специалната относителност и дава напълно ново определение за същността на гравитацията като изкривяване на самото пространство - време от масивни обекти. Общата теория на относителността е най-точното описание на движението на галактики и купове от галактики в цялата Вселена. Тя също така предсказва съществуването на странни обекти като черните дупки и феномена на гравитационната леща, която огъва светлината, при движението й през изкривеното пространство - време.

Галактическият куп Абел 1689 е символ на начина, по който се огъва светлината във феномен, наречен гравитационна леща. 

2. Какво е Квантова механика?

Макс Планк

Квантовата механика (Quantum mechanics) е властващата физична теория в царството на най-малките обекти: субатомни частици. Теорията революционизира мисленето на учените за съставките на материята. Началото поставя Макс Планк, който на 14 декември 1900 година докладва пред Немското физическо общество, че светлинната енергия се излъчва от атомите и молекулите на малки порции, наречени кванти. В квантовия свят частиците не са билярдни топки, а по-скоро особени обекти, които вероятно не са на едно и също място по едно и също време, и никога не пътуват от точка А до точка В по един и същ път. Съгласно квантовата теория, всяка частица може да се държи и като вълна. Тази двойствена природа се описва от т.н "вълнова функция", която прогнозира с определена вероятност къде ще се намира частицата и каква ще бъде нейната скорост.

3. Каква е Теорията на струните? 

Теорията на струните (и нейната подобрена версия, суперструнната теория) предполага, че субатомните частици не са малки точици, а примки от струни. Единствената разлика между видовете частици е честотата, с която струните вибрират. Теорията на струните е опит да се реши привидната несъвместимост на двете водещи физични теории - квантовата механика и общата теория на относителността - и за създаване на "теория на всичко"(theory of everything), с която може да се опише цялата Вселена. Тази теория е трудно да се тества, все пак, и изисква някои корекции към настоящата картина на Вселената, а именно, че тя трябва да има много повече измерения на пространство - времето от четирите, които ние знаем в момента. 

4. Какво е сингулярност?

Сингулярност „singularity”  е място, където пространство - времето е безкрайно изкривено. Смята се, че сингулярности съществуват в центровете на черните дупки, и сингулярност вероятно е състоянието от което Вселената е възникнала по време на Големия взрив. Във вътрешността на черна дупка, например, цялата маса на една звезда е кондензирана в много малко пространство, може би дори в една точка. Актуалните физични теории предполагат, че тази точка е безкрайно плътна.

      Учените разглеждат черната дупка като обект, в който законите на физиката не работят поради несъответствие на общата теория на относителността и квантовата механика. В действителност, учените подозират, че сингулярностите са изключително, но не безкрайно плътни.

5. Какво е Принцип на неопределеността?

Вернер Хайзенберг

Принципът на неопределеността (uncertainty principle), формулиран от немския физик Вернер Хайзенберг през 1927 г., е следствие от квантовата механика. Принципът гласи, че има ограничение за едновременното точно определяне на положението и импулса на една частица, като например при определяне на движението на електроните около атомното ядро. С други думи колкото по – точно определяме положението на един обект, толкова по -  неточно можем да определим неговата скорост и импулс.

Тази неопределеност се поражда от два фактора. Първо, актът за измерване на нещо неизбежно нарушава това нещо и така променя неговото състояние. На второ място, защото квантовия свят не е конкретен, а вероятностен свят, който притежава по - дълбоко и по-основно ограничение за точността, с която може да бъде определено състоянието на една частица.

6. Какво е станало с котката на Шрьодингер?

Ервин Шрьодингер 

"Котката на Шрьодингер"(Schrödinger's cat) е името на един мисловен експеримент, предложен от австрийски физик Ервин Шрьодингер през 1935 г., за да опише квантовите свойства на частиците. Някои техни свойства се проявяват след въздействието на външно измерване. 

Историята е такава: В кутия е затворена котка, заедно с малко количество радиоактивно вещество. За един час в пространството на кутията, шансът това вещество да се разпадне и освободи отрова, която ще убие котката е 50%  и 50% е шанса, че веществото няма да се разпадне, и котката ще остане жива. Според класическата физика, една от тези две възможности се случва задължително вътре в кутията и става известна, след като външните наблюдатели отворят кутията. Но в странния свят на квантовата механика, котката е нито мъртва, нито жива, докато кутията не се отвори и докато външен наблюдател не "измери" ситуацията. Докато кутията остава затворена, цялата система се намира в състояние на неопределеност заедно с котката, която е едновременно мъртва и жива. Експериментът има за цел да илюстрира странността на квантовата механика, и който звучи абсурдно, когато се прилага от частици към макроскопични обекти като котки.