Наталья Сердцева: 99 секретов науки

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.