Наталья Сердцева - 99 секретов науки

Всем нам попадались на пути машины пожарных, скорые и другой транспорт с сиренами и мигалками. Если мы стоим на месте, а они проезжают мимо, то можно заметить, как меняется звук спецсигнала. Тон приближающейся сирены высокий; когда она оказывается прямо напротив нас, тон понижается, а когда машина вместе с сиреной уносится вдаль, тон становится еще ниже. Так, стоя на обочине, сами того не желая, мы наблюдаем важнейшее свойство всех волн, которое описал австрийский физик Кристиан Доплер.

Для описания волн используют две основные характеристики: частоту – число пиков волн в секунду и длину – расстояние между верхними точками волн. В формуле они связаны через скорость: если мы знаем две из этих трех величин, то можем вычислить оставшуюся.

Вернемся к эффекту Доплера. Предположим, машина с сиреной не едет, а стоит в паре сотен метров от нас. В этом случае мы слышим звук сирены на одной частоте, он не меняется. Пики звуковых волн достигают наших ушей через равные промежутки времени. Если же эта машина тронется в нашу сторону, то к движению звуковых волн добавится движение машины. Источник волн теперь не неподвижен, он приближается к нам. Поэтому пики волн будут достигать наших ушей чаще: скорость движения волн сложится со скоростью движения машины. Звук станет выше – высота звука зависит от частоты звуковых колебаний. Когда машина будет удаляться, наступит обратный эффект – пики волн будут достигать наших ушей реже, звук станет низким.

Эффект Доплера распространяется на все виды волн, в том числе и световые. Именно он помог понять, что наша Вселенная расширяется: потому что свет от галактик доходит до нас с низкой частотой, то есть находится в красной части спектра. Когда источник света приближается, волны укорачиваются, спектр смещается в фиолетовую сторону.

Все, что мы слышим, является звуковыми волнами. Свет – это тоже волна, которая может распадаться на разные цвета спектра. Звук на цвета не распадается, цветные названия для шумов придумали исследователи, имеющие дело со звуками, для своего удобства. Например, белым шумом физики называют равномерный, ровный гул.

Какие еще бывают шумы? Розовый – его еще называют мерцательным, потому что он равномерно убывает. Обнаружить розовый шум можно в звуке сердечного ритма, в излучении космических тел и в работе самых разных устройств. Красный шум более энергичен на низких частотах, чем на высоких. Он кажется приглушенным и хаотичным, за это его называют «шумом пьяной ходьбы». Синий шум более резкий, чем белый, зеленым называют шум природы, черный шум воспринимается человеческим ухом как тишина.

Канатоходец может стоять на натянутом над пропастью канате и, несмотря на всю опасность своего положения, находиться в равновесии. Сидя на стуле, мы тоже вполне уравновешены. Равновесие или его отсутствие можно наблюдать в самых разных областях жизни и сферах науки, это универсальное понятие, применимое к различным системам.

Равновесие бывает трех видов: устойчивое, неустойчивое и безразличное. В случае устойчивого равновесия ничто не может вывести объект из этого состояния. (Или это можно сделать, но нужно приложить серьезные усилия.) Яркий пример такого равновесия – шар на дне воронки. Он будет там покоиться вечно, если его никто не вытащит. Если же сместить его немного в сторону, он снова вернется туда, где был, – стенки воронки вынудят его это сделать.

Можно привести примеры устойчивого равновесия не из физики, а из совершенно других областей – оно бывает и в природе, в экономике, в обществе. В природе в устойчивом равновесии находится система «хищник – жертва». Численность тех и других уравновешена. Если вдруг поголовье зайцев резко увеличится, то и волков станет больше – еды хватит на всех. Когда большая часть зайцев будет съедена, постепенно начнут вымирать и волки.

Неустойчивое равновесие – это то, что можно увидеть в цирке, в номерах эквилибристов. Они могут поставить на шар доску, на доску цилиндр, на цилиндр мяч, а сверху встать сами. И какое-то время продержаться, пока неустойчивое равновесие не нарушится.

Нечто среднее между устойчивым и неустойчивым равновесием – равновесие безразличное. Пример – шар, который лежит на абсолютно гладкой и ровной поверхности. Если сместить его вправо, влево или в любую другую сторону – ничего не изменится. Любая точка данной системы является точкой равновесия.

Второй закон термодинамики описывает необратимость жизненных процессов. Он звучит так: энтропия изолированной системы неминуемо возрастает. Для неспециалиста эта фраза звучит непонятно, но на самом деле все мы сталкиваемся с необратимостью каждый день. Если вы разобьете яйца и приготовите из них яичницу, вы никогда не сможете возвратить яйца в первоначальное состояние. Зубная паста, выдавленная из тюбика, обратно не вернется. Подобных примеров можно найти тысячи.

Невозможна такая ситуация, при которой кубик льда при комнатной температуре будет становиться все холоднее, забирая холод из воздуха и нагревая его. Второй закон термодинамики как раз говорит о направленности физических процессов. Тепло направляется в более холодные области, энтропия (или хаос) в замкнутых системах нарастает.

Исаак Ньютон прославился не только тем, что на его голову упало яблоко и в результате озарения он открыл закон всемирного тяготения. Ученый был настоящим гигантом мысли, и в его гениальном мозгу постоянно рождались революционные для того времени идеи. Причем это были не просто измышления, как у многих других исследователей XVII века, а обоснованные и доказанные теории.

Мыслители и ученые, начиная с древнегреческих философов, пытались обнаружить законы движения, которым бы подчинялось все в нашей Вселенной: и песчинки, и звезды, и планеты. Но до Ньютона это никому не удавалось. Он же сумел увидеть мир как нечто цельное и единое, устроенное одинаково на всех уровнях и состоящее из одинаковых мельчайших частиц – атомов. Все тела взаимодействуют друг с другом – провозгласил Ньютон. Все изменения, происходящие в них, обусловлены их взаимодействием друг с другом.

Первый закон движения Ньютона был весьма революционным. Ученый утверждал, что тело, на которое не действуют никакие силы, будет оставаться либо в состоянии покоя, либо в состоянии равномерного прямолинейного движения. По поводу покоя никаких вопросов не было, из личного опыта все знают, что если положить книгу на стол, она там и останется. Но пункт, касающийся движения, потребовал разъяснений.