Теоретические вопросы по физике 7 класс: Вопросы к устному зачёту по физике за 7 класс | Методическая разработка по физике (7 класс) на тему:

В обоих приведенных выше уравнениях используется цепное правило исчисления, и по предположению θ является функцией времени. Следовательно, θ можно дифференцировать по времени.

Теперь оцените вторую производную при θ = 0.

У нас есть,

d ² x/dt ² = — R (d θ /d t ) ²

Термин d θ /d t обычно называют угловая скорость, которая является скоростью изменения угла θ . Он измеряется в радианах в секунду.

Для удобства можно установить w ≡ d θ /d t .

Следовательно,

d ² x/dt ² = — R w

Это хорошо известная форма для уравнение центростремительного ускорения.

Решение проблемы № 4

Причина, по которой вы чувствуете себя невесомым, заключается в том, что на вас не действует никакая сила, поскольку вы ни с чем не соприкасаетесь. Гравитация одинаково притягивает все частицы вашего тела. Это создает ощущение, что на вас не действуют никакие силы, и вы чувствуете себя невесомым. Это было бы такое же ощущение, как если бы вы парили в космосе.

Решение проблемы № 5

Центростремительное ускорение — это ускорение, которое испытывает объект при движении с определенной скоростью по дуге. Центростремительное ускорение направлено к центру дуги.

Центробежная сила — это воображаемая сила, которую испытывает неограниченный объект при движении по дуге. Эта сила действует против направления центростремительного ускорения. Например, если автомобиль делает крутой поворот направо, пассажиры будут склонны соскальзывать на своих сиденьях от центра поворота влево (то есть, если они не пристегнуты ремнями безопасности). Пассажирам будет казаться, что они испытывают силу. Это определяется как центробежная сила.

Решение проблемы № 6

Мощность — скорость выработки или потребления энергии. Например, если двигатель производит 1000 ватт мощности (где ватты — это джоули в секунду), то через час общая энергия, производимая двигателем, составляет 1000 джоулей в секунду × 3600 секунд = 3 600 000 джоулей.

Решение проблемы № 7

Ответ (а).

Так как столкновение лобовое, и все автомобили идентичны и движутся с одинаковой скоростью, сила удара, испытываемого каждым автомобилем, одинакова и противоположна. Это означает, что удар такой же, как удар о сплошную стену на скорости 100 км/ч.

Решение проблемы № 8

Когда вы взмахиваете молотком, вы увеличиваете его кинетическую энергию, так что к тому времени, когда он ударяет по гвоздю, он придает большую силу, которая вбивает гвоздь в дерево.

Молоток — это, по сути, резервуар энергии, в который вы добавляете энергию во время замаха и который сразу высвобождается при ударе. Это приводит к тому, что сила удара значительно превышает максимальную силу, которую вы можете приложить, просто надавив на гвоздь.

Решение проблемы № 9

Эту проблему можно решить энергетическим методом.

Мы можем решить это, приравняв потенциальную энергию лука к кинетической энергии стрелы.

Дужку можно рассматривать как разновидность пружины.

(1/2) k x ² , где k — жесткость, а x — степень растяжения или сжатия пружины.

Следовательно, потенциальная энергия PE лука это:

ПЭ = (1/2)(200)(0,75) ² = 56,25 Дж

Кинетическая энергия частицы равна:

(1/2) м v ² , где м — масса, а v — скорость.

Стрелу можно рассматривать как частицу, поскольку она не вращается после выпуска.

Следовательно, кинетическая энергия KE стрелы равна:

КЭ = (1/2)(0,05) v ²

Если предположить, что энергия сохраняется, то

ПЭ = КЭ

Решая скорость стрелы v получаем

v = 47,4 м/с

Решение проблемы № 10

Статическое трение больше кинетического.

Статическое трение существует, если колеса продолжают катиться по льду без блокировки, что приводит к максимальному тормозному усилию.

Антиблокировочная тормозная система (ABS) автомобиля предотвращает блокировку колес при торможении, что сводит к минимуму время, необходимое для полной остановки автомобиля. Кроме того, предотвращая блокировку колес, вы лучше контролируете автомобиль.

Вопросы по физике для колледжей и университетов (в основном для первого курса)

Проблемы плотности
Проблемы с энергией
Проблемы с Силой
Проблемы с трением
Проблемы с наклонной плоскостью
Проблемы с кинематикой
Проблемы с кинетической энергией
Проблемы с механикой
Проблемы импульса
Проблемы со шкивом
Проблемы со статикой
Проблемы термодинамики
Проблемы с крутящим моментом

Дополнительные сложные вопросы по физике

Приведенные ниже 20 вопросов по физике одновременно интересны и очень сложны. Скорее всего, вам придется потратить некоторое время, чтобы разобраться с ними. Эти вопросы выходят за рамки типичных задач, которые вы можете найти в учебнике по физике. В некоторых из этих вопросов по физике используются разные концепции, поэтому (по большей части) не существует единой формулы или набора уравнений, которые можно использовать для их решения. В этих вопросах используются концепции, преподаваемые в средней школе и колледже (в основном на первом курсе).

Рекомендуется упорно отвечать на эти вопросы по физике, даже если вы застряли. Это не гонка, поэтому вы можете проходить их в своем собственном темпе. В результате вы будете вознаграждены более глубоким пониманием физики.

Проблема № 1

Ниже показан кривошипно-шатунный механизм. Рычажный механизм BC длиной L соединяет маховик радиусом r (вращающийся вокруг фиксированной точки A ) с поршнем в точке C , который скользит вперед и назад в полом валу. К маховику прикладывается переменный крутящий момент T , так что он вращается с постоянной угловой скоростью. Покажите, что при одном полном обороте маховика энергия сохраняется для всей системы; состоящий из маховика, рычажного механизма и поршня (при отсутствии трения).

Обратите внимание, что сила тяжести г действует вниз, как показано на рисунке.

Несмотря на то, что энергия сохраняется для системы, почему лучше сделать компоненты приводного механизма максимально легкими (за исключением маховика)?

Проблема № 2

В двигателе используются пружины сжатия для открытия и закрытия клапанов с помощью кулачков. При жесткости пружины 30 000 Н/м и массе пружины 0,08 кг при какой максимальной частоте вращения двигателя не происходит «плавание клапанов»?

Во время цикла двигателя пружина сжимается от 0,5 см (клапан полностью закрыт) до 1,5 см (клапан полностью открыт). Предположим, что распределительный вал вращается с той же скоростью, что и двигатель.

Плавающие клапаны возникают, когда обороты двигателя достаточно высоки, так что пружина начинает терять контакт с кулачком при закрытии клапана. Другими словами, пружина не растягивается достаточно быстро, чтобы поддерживать контакт с кулачком, когда клапан закрывается.

Для простоты можно предположить, что к пружине применяется закон Гука, где сила, действующая на пружину, пропорциональна степени ее сжатия (независимо от динамических эффектов).

При расчетах гравитацию можно не учитывать.

Проблема № 3

Объект движется по прямой. Его ускорение определяется выражением

где C — константа, n — действительное число, а t — время.

Найдите общие уравнения для положения и скорости объекта в зависимости от времени.

Проблема № 4

В стрельбе из лука выпущенная стрела может колебаться во время полета. Если мы знаем положение центра масс стрелки ( G ) и форму стрелки в момент ее колебания (показано ниже), мы можем определить расположение узлов. Узлы — это «стационарные» точки на стрелке, когда она колеблется.

Используя геометрический аргумент (без уравнений), определите расположение узлов.

Предположим, что стрела колеблется в горизонтальной плоскости, так что на стрелу в плоскости колебаний не действуют никакие внешние силы.

Проблема № 5

Колесо гироскопа вращается с постоянной угловой скоростью w _s при прецессии вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью w _p . Расстояние от оси вращения до центра передней грани вращающегося колеса гироскопа равно L , а радиус колеса r . Стержень, соединяющий шарнир с колесом, составляет с вертикалью постоянный угол θ .

Определите компоненты ускорения, перпендикулярные колесу, в точках A, B, C, D, отмеченных, как показано на рисунке.

Проблема № 6

Когда автомобиль делает поворот, два передних колеса описывают две дуги, как показано на рисунке ниже. Колесо, обращенное внутрь поворота, имеет угол поворота больше, чем у внешнего колеса. Это необходимо для того, чтобы оба передних колеса плавно описывали две дуги, имеющие один и тот же центр, иначе при повороте передние колеса будут скользить по земле.

Во время поворота задние колеса обязательно описывают те же дуги, что и передние колеса? Основываясь на вашем ответе, каковы последствия поворота рядом с бордюром?

Проблема № 7

Горизонтальный поворотный стол на промышленном предприятии непрерывно подает детали в паз (показан слева). Затем он сбрасывает эти детали в корзину (показана справа). Между этими двумя ступенями поворотный стол поворачивается на 180°. Проигрыватель ненадолго останавливается на каждой 1/8 ^-й оборота, чтобы получить новую деталь в слот слева.

Если скорость вращения поворотного стола w радиан/сек, а внешний радиус поворотного стола R ₂ , каким должен быть внутренний радиус R ₁ , чтобы детали выпадали слота и в корзину, как показано на рисунке?

Предположим:

• Угловую скорость w поворотного стола можно считать постоянной и непрерывной; что означает, что вы можете игнорировать короткие остановки, которые проигрыватель делает на каждой 1/8 ^-й оборот.

• Корзина расположена под углом 180° к месту подачи.

• Пазы очень хорошо смазаны, поэтому трение между пазом и деталью отсутствует.

• Детали можно рассматривать как частицы, что означает, что вы можете игнорировать их размеры при расчете.

• Прорези совмещены с радиальным направлением поворотного стола.

Проблема № 8

Маховик однопоршневого двигателя вращается со средней скоростью 1500 об/мин. За пол-оборота маховик должен поглотить 1000 Дж энергии. Если максимально допустимое колебание скорости составляет ± 60 об/мин, какова минимальная инерция вращения маховика? Предположим, что трения нет.

Проблема № 9

Процесс экструзии алюминия моделируется численно с помощью компьютера. В этом процессе пуансон проталкивает алюминиевую заготовку диаметром D через матрицу меньшего диаметра d . При компьютерном моделировании какова максимальная скорость штампа V _p , чтобы результирующая динамическая сила (предсказанная моделированием), действующая на алюминий во время экструзии, составляла не более 5% силы, вызванной деформацией алюминия? Оценить для конкретного случая, когда D = 0,10 м, d = 0,02 м, а плотность алюминия ρ = 2700 кг/м ³ .

Сила деформации алюминия во время экструзии определяется выражением

Подсказка:

Экструзия алюминия через фильеру аналогична протеканию жидкости по трубе с переходом от большего диаметра к меньшему (например, вода, протекающая через пожарный шланг). Чистая динамическая сила, действующая на жидкость, представляет собой результирующую силу, необходимую для ускорения жидкости, которая возникает, когда скорость жидкости увеличивается по мере ее перетекания из секции большего диаметра в секцию меньшего диаметра (из-за сохранения массы).

Проблема № 10

Ребенок на горизонтальной карусели сообщает мячу начальную скорость V _отн . Найдите начальное направление и скорость V _rel мяча относительно карусели так, чтобы относительно ребенка мяч вращался по идеальному кругу, пока он сидит на карусели. Предположим, что трения между каруселью и мячом нет.

Карусель вращается с постоянной угловой скоростью w радиан/сек, и мяч выпущен в радиусе r от центра карусели.

Проблема № 11

Тяжелый корпус насоса массой м необходимо поднять с земли с помощью крана. Для простоты движение предполагается двумерным, а корпус насоса представлен прямоугольником с размерами сторон ab (см. рисунок). Трос длиной L ₁ крепится к крану (в точке P ) и корпус насоса (в точке O ). Кран тянет вертикально на тросе с постоянной скоростью V _p .

Предполагается, что центр масс G корпуса насоса находится в центре прямоугольника. Находится на расстоянии L ₂ от точки O . Правая сторона корпуса насоса расположена на расстоянии c по горизонтали от вертикальной линии, проходящей через точку P .

Найти максимальное натяжение троса при подъеме, которое включает часть подъема до отрыва корпуса насоса от земли и после отрыва корпуса насоса от земли (отрыв). На этом этапе корпус насоса качается вперед и назад.

Оценка для конкретного случая, когда:

и = 0,4 м

б = 0,6 м

с = 0,2 м

Д ₁ = 3 м

м = 200 кг

I _G = 9 кг-м ² (инерция вращения корпуса насоса около G )

Предположим:

• Трение между корпусом насоса и землей достаточно велико, чтобы корпус насоса не скользил по земле (вправо) до отрыва.

• До отрыва динамические эффекты незначительны.

• Скорость V _p достаточно высока, чтобы нижняя часть корпуса насоса отрывалась от земли после отрыва.

• Для аппроксимации натяжения троса можно смоделировать систему как обычный маятник во время раскачивания (можно игнорировать эффекты двойного маятника).

• Массой кабеля можно пренебречь.

Проблема № 12

Схема соединения показана ниже. Шарнирные соединения O ₁ и O ₂ прикреплены к неподвижному основанию и разделены расстоянием b . Связи одинакового цвета имеют одинаковую длину. Все звенья соединены штифтами и допускают вращение. Определить путь, пройденный конечной точкой P , поскольку синее соединение длиной b вращается вперед и назад.

Чем интересен этот результат?

Проблема № 13

Агрегат, несущий конвейерную ленту, показан на рисунке ниже. Двигатель вращает верхний ролик с постоянной скоростью, а остальные ролики могут вращаться свободно. Лента наклонена под углом θ . Чтобы удерживать ремень в натянутом состоянии, к ремню подвешен груз массой м , как показано на рисунке.

Найдите точку максимального натяжения ремня. Вам не нужно его вычислять, просто найдите место и объясните причину.

Проблема № 14

Проверка качества показала, что рабочее колесо насоса слишком тяжелое с одной стороны на величину, равную 0,0045 кг-м. Для исправления этого дисбаланса рекомендуется вырезать канавку по внешней окружности рабочего колеса с помощью фрезерного станка на той же стороне, что и дисбаланс. Это удалит материал с целью исправления дисбаланса. Размер канавки составляет 1 см в ширину и 1 см в глубину. Канавка будет симметрична относительно тяжелой точки. На каком расстоянии по внешней окружности рабочего колеса должна быть канавка? Укажите ответ в цифрах θ . Совет: рассматривайте канавку как тонкое кольцо материала.

Внешний радиус рабочего колеса в месте расположения канавки составляет 15 см.

Материал рабочего колеса – сталь плотностью ρ = 7900 кг/м ³ .

Проблема № 15

В рамках проверки качества осесимметричный контейнер помещается на очень хорошо смазанный фиксированный стержень, как показано ниже. Затем контейнер получает начальное чистое вращение w , без начального поступательного движения. Что вы ожидаете увидеть, если центр масс контейнера смещен от геометрического центра O контейнера?

Проблема № 16

Струя падающего материала ударяется о пластину ударного веса, и датчик горизонтальной силы позволяет рассчитать массовый расход. Если скорость материала непосредственно перед ударом о пластину равна скорости материала сразу после удара о пластину, определите уравнение для массового расхода материала на основе показаний датчика горизонтальной силы. Трением о пластину пренебречь.

Подсказка: это можно рассматривать как задачу о потоке жидкости.

Проблема № 17

SunCatcher — двигатель Стирлинга, работающий на солнечной энергии. Он использует большие параболические зеркала для фокусировки солнечного света на центральный приемник, который приводит в действие двигатель Стирлинга. В параболическом зеркале можно увидеть отражение пейзажа. Почему отражение вверх ногами?

Источник: http://www.stirlingenergy.com

Задача № 18

В холодный и сухой зимний день ваши очки запотевают, когда вы входите в помещение после некоторого пребывания на улице. Почему это?

А если выйти на улицу с запотевшими очками, они быстро прояснятся. Почему это?

Проблема № 19

Во время учений космонавтов самолет на большой высоте движется по дуге окружности, чтобы имитировать невесомость для своих пассажиров. Объясните, как это возможно.

Задача № 20

Веревка намотана на шест радиусом R = 3 см. Если натяжение на одном конце веревки Т = 1000 Н, а коэффициент трения покоя между веревкой и шестом μ = 0,2, то какое минимальное число раз веревка должна быть обернута вокруг шеста чтобы не соскальзывал?

Предположим, что минимальное количество оборотов веревки вокруг шеста соответствует натяжению 1 Н на другом конце веревки.

Я придумал решения для 20 вопросов по физике, приведенных выше. Решения даны в электронной книге в формате PDF. Они доступны по этой ссылке.

Вернуться на домашнюю страницу Real World Physics Problems

сообщить об этом объявлении

7 самых больших вопросов физики без ответов

Большие вопросы

Физики разгадали некоторые из самых больших загадок Вселенной. Но они еще не сделаны.

000Z» content=»2017-08-08T21:30:00.000Z»> 8 августа 2017 г., 18:56 UTC / Обновлено 8 августа 2017 г., 21:30 UTC

Автор: Дэн Фальк увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад казались глубоко загадочными, теперь преподаются на уроках физики для первокурсников (хорошим примером является состав звезд).

Ньютон был бы ошеломлен, увидев огромные эксперименты, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, и, возможно, был бы возмущен, узнав, что его теория гравитации была заменена теорией, придуманной каким-то парнем по имени Эйнштейн. Квантовая механика, вероятно, показалась бы ему странной, хотя современные ученые думают так же.

Но как только он наберет скорость, Ньютон, несомненно, будет аплодировать достижениям современной физики — от открытия природы света в 19 веке до определения структуры атома в 20 веке и до прошлогоднего открытия гравитационного поля. волны. И все же современные физики первыми признают, что у них нет ответов на все вопросы. «Есть основные факты о Вселенной, о которых мы не знаем», — говорит доктор Дэниел Уайтсон, физик из Калифорнийского университета и соавтор новой книги «У нас нет идей: Путеводитель по неизвестной Вселенной».

Далее следует краткий обзор семи крупнейших нерешенных проблем физики. (Если вам интересно, почему в списке нет таких головоломок, как темная материя и темная энергия, то это потому, что они были в нашем предыдущем рассказе о пяти самых важных вопросах о Вселенной.)

1. Из чего состоит материя. ?

Мы знаем, что материя состоит из атомов, а атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. И мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки. Может ли более глубокое исследование обнаружить еще более фундаментальные частицы? Мы не знаем наверняка.

У нас есть так называемая Стандартная модель физики элементарных частиц, которая очень хорошо объясняет взаимодействие между субатомными частицами. Стандартная модель также использовалась для предсказания существования ранее неизвестных частиц. Последней частицей, найденной таким образом, был бозон Хиггса, открытый исследователями БАК в 2012 году.

Но есть одна загвоздка.

«Стандартная модель не все объясняет», — говорит доктор Дон Линкольн, физик частиц из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго. «Это не объясняет, почему существует бозон Хиггса. Это не объясняет в деталях, почему бозон Хиггса имеет такую ​​массу». На самом деле бозон Хиггса оказался намного менее массивным, чем предполагалось — теория утверждала, что он будет примерно «в квадриллион раз тяжелее, чем есть на самом деле», — говорит Линкольн.

На этом загадки не заканчиваются. Известно, что атомы электрически нейтральны — положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов — но почему это так, Линкольн говорит: «Никто не знает».

2. Почему гравитация такая странная?

Нет силы более привычной, чем гравитация — в конце концов, именно она удерживает наши ноги на земле. А общая теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку гравитации, описывая ее как «искривление» пространства. Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее трех других известных взаимодействий (электромагнетизма и двух видов ядерных сил, действующих на крошечных расстояниях).

Одна возможность — на данный момент спекулятивная — заключается в том, что в дополнение к трем измерениям пространства, которые мы замечаем каждый день, существуют скрытые дополнительные измерения, возможно, «свернутые» таким образом, что их невозможно обнаружить. Если эти дополнительные измерения существуют — и если гравитация способна «просачиваться» в них — это может объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.

«Возможно, гравитация так же сильна, как и эти другие силы, но она быстро растворяется, выплескиваясь в другие невидимые измерения», — говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на БАК дадут намек на эти дополнительные измерения, но пока безрезультатно.

3. Почему кажется, что время течет только в одном направлении?

Со времен Эйнштейна физики думали о пространстве и времени как о формировании четырехмерной структуры, известной как «пространство-время». Но пространство отличается от времени в некоторых очень фундаментальных аспектах. В космосе мы вольны двигаться как хотим. Когда дело доходит до времени, мы застряли. Мы взрослеем, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление — физики называют его «стрелой времени».

Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к разгадке. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, степень беспорядка) со временем увеличивается, и физики считают, что это увеличение определяет направление времени. (Например, разбитая чашка имеет большую энтропию, чем целая, и, конечно же, разбитые чашки всегда появляются после целых, а не раньше.)

Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему это низко для начала? Была ли энтропия Вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда она возникла в результате Большого взрыва?

Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающая часть головоломки. «Если вы можете сказать мне, почему в ранней Вселенной была низкая энтропия, тогда я смогу объяснить все остальное», — говорит он. По мнению Уайтсона, энтропия — это еще не все. «Для меня, — говорит он, — самая глубокая часть вопроса заключается в том, почему время так отличается от пространства?» (Недавние компьютерные симуляции, кажется, показывают, как асимметрия времени может возникать из фундаментальных законов физики, но работа вызывает споры, а окончательная природа времени продолжает вызывать страстные споры.)

4. Куда делась вся антиматерия?

Антиматерия может быть более известна в художественной литературе, чем в реальной жизни. В оригинальном «Звездном пути» антивещество вступает в реакцию с обычным веществом, приводя в действие варп-двигатель, который приводит в движение США. Предприятие на сверхсветовых скоростях. В то время как варп-двигатель — чистая выдумка, антиматерия вполне реальна. Мы знаем, что для каждой частицы обычного вещества может быть идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Например, антипротон похож на протон, но с отрицательным зарядом. Между тем античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, — это положительно заряженный позитрон.

Физики создали антивещество в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это говорит о том, что Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Однако почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под нашими ногами до самых отдаленных галактик, состоит из обычного вещества.

Что происходит? Почему материи больше, чем антиматерии? Наше лучшее предположение состоит в том, что Большой взрыв каким-то образом произвел чуть больше материи, чем антиматерии. «То, что должно было произойти в начале истории Вселенной — в самые моменты после Большого взрыва — это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии приходилось 10 миллиардов и одна частица материи», — говорит Линкольн. «И материя и антиматерия уничтожили 10 миллиардов, оставив один. И этот маленький «один» — это масса, из которой мы состоим».

Но почему в первую очередь небольшой избыток материи над антиматерией? «Мы действительно этого не понимаем, — говорит Линкольн. «Это странно». Если бы начальные количества материи и антиматерии были равны, они бы полностью уничтожили друг друга в результате выброса энергии. В этом случае, говорит Линкольн, «нас бы не существовало».

Некоторые ответы могут прийти, когда Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) начнет собирать данные в 2026 году. DUNE будет анализировать пучок нейтрино — крошечных, беззарядных и почти безмассовых частиц — запущенных из Фермилаборатории в подземный исследовательский центр Сэнфорда. в Южной Дакоте, примерно в 800 милях отсюда. Луч будет включать нейтрино и антинейтрино с целью увидеть, ведут ли они себя одинаково, что потенциально может дать ключ к разгадке асимметрии материи-антиматерии в природе.

5. Что происходит в серой зоне между твердым телом и жидкостью?

Твердые и жидкие вещества хорошо изучены. Но некоторые материалы ведут себя и как жидкость, и как твердое тело, поэтому их поведение трудно предсказать. Песок является одним из примеров. Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может пройти через воронку почти как вода. Точно так же может вести себя и автомобильный транспорт, свободно движущийся до тех пор, пока он не заблокируется в каком-нибудь узком месте.

Таким образом, лучшее понимание этой «серой зоны» может иметь важное практическое применение.

«Люди спрашивали, при каких условиях вся система заклинивает или забивается?» — говорит доктор Керстин Нордстром, физик из колледжа Маунт-Холиок. «Каковы важные параметры, чтобы избежать засорения?» Как ни странно, препятствие в потоке транспорта может при определенных условиях фактически уменьшить пробки. «Это очень нелогично, — говорит она.

6. Можем ли мы найти единую теорию физики?

Теперь у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти каждое физическое явление: теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) и квантовая механика. Первый хорошо объясняет движение всего, от мячей для гольфа до галактик. Квантовая механика в равной степени впечатляет и в своей области — в области атомов и субатомных частиц.

Проблема в том, что две теории описывают наш мир совершенно по-разному. В квантовой механике события разворачиваются на фиксированном фоне пространства-времени, тогда как в общей теории относительности само пространство-время гибко. Как будет выглядеть квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем, говорит Кэрролл. «Мы даже не знаем, что мы пытаемся квантовать».

Это не остановило людей от попыток. На протяжении десятилетий теория струн, которая изображает материю состоящей из крошечных вибрирующих струн или энергетических петель, рекламировалась как лучший способ создания единой теории физики. Но некоторые физики предпочитают петлевую квантовую гравитацию, в которой само пространство представляется состоящим из крошечных петель.

Каждый из подходов имел определенный успех — методы, разработанные, в частности, специалистами по теории струн, оказались полезными для решения некоторых сложных физических задач. Но ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были проверены экспериментально. Пока долгожданная «теория всего» продолжает ускользать от нас.

7. Как возникла жизнь из неживой материи?

Первые полмиллиарда лет Земля была безжизненной. Затем жизнь вошла в свои права, и с тех пор она процветает. Но как возникла жизнь? Ученые считают, что до начала биологической эволюции происходила химическая эволюция, когда простые неорганические молекулы реагировали с образованием сложных органических молекул, скорее всего, в океанах. Но что в первую очередь запустило этот процесс?

Физик из Массачусетского технологического института доктор Джереми Ингланд недавно выдвинул теорию, которая пытается объяснить происхождение жизни с точки зрения фундаментальных принципов физики. С этой точки зрения жизнь является неизбежным результатом роста энтропии. Если теория верна, появление жизни «должно быть таким же неудивительным, как камни, катящиеся вниз по склону», — сказал Ингланд журналу Quanta в 2014 году9.0003

Идея весьма гипотетическая. Однако недавние компьютерные симуляции могут его поддержать. Моделирование показывает, что обычные химические реакции (типа тех, которые были обычным явлением на недавно сформировавшейся Земле) могут привести к созданию высокоструктурированных соединений — по-видимому, важной ступенькой на пути к живым организмам.

Что делает жизнь такой трудной для изучения физиками? Все живое «далеко от равновесия», как сказал бы физик. В системе, находящейся в равновесии, один компонент почти такой же, как и все остальные, без потока энергии внутрь или наружу.