Наукові дослідження тривають. Рівень освіченості населення зростає. Оточені технологічними дивами, від переносної електроніки до супутників зв’язку, ми повинні бути дуже розумними і розбиратимуться в науці, чи не так? Проблема в тому, що ми (ну добре, не ми, але багато) страшні невігласи, якщо справа доходить до фундаментальних наукових знань. Тільки 53% людей знають, що Земля обертається навколо Сонця за рік, і тільки 59% людей знають, що перші люди і динозаври жили в різний час, а не як у «Флінстоуни». Тільки 47% людей точно відповідають, що 70% поверхні Землі вкрито водою.

Очевидно, хоча ми пройшли довгий шлях, попереду чекає ще багато кроків, перш ніж ми досягнемо універсальної наукової грамотності. Але для тих з вас, хто відчайдушно намагається змінити тему, коли хтось згадує Бозон Хіггса, суперкомп’ютери або починає сперечатися про те, що у динозаврів були пір’я, є хороший привід почитати цю статтю. Ця стаття про десять наукових питань, відповіді на які повинен знати кожен.

Чому небо блакитне?

Ми бачимо синє або блакитне небо, білі пір’я хмар або важкі грозові хмари. Але блакитне небо нам все-таки подобається більше, ніж похмуре. Європейські вчені з’ясували, що світло синьої частини спектра позитивно впливає на емоції, змушуючи нас більш чуйно реагувати на емоційні подразники і адаптуватися до емоційних труднощів.

Але не будемо відволікатися. Небо здається блакитним через так званого ефекту розсіювання. Сонячне світло повинен пройти через земну атмосферу, наповнену газами і частинками, які є бар’єрами, про які стукається сонячне світло. Якщо ви коли-небудь тримали в руках призму, ви знаєте, що світло складається з купи різних кольорів, кожен з яких має різну довжину хвилі. У синього кольору довжина хвилі відносно коротка, тому він проходить через цей фільтр легше, ніж кольору з великими довжинами хвиль, і в результаті розсіюється більш широко у міру проходження через атмосферу. Ось чому небо здається синім, коли Сонце знаходиться високо в небі.

На світанку й заході, однак, сонячні промені повинні пройти більшу відстань, щоб досягти своєї позиції. Це зводить нанівець перевагу довжини хвиль синього кольору і дозволяє бачити нам інші кольори – часто червоні, оранжеві або жовті.

Ви запитаєте, чому небо не фіолетове? У фіолетового довжина хвилі ще коротше. Але сонячний спектр нерівномірний, і фіолетового кольору в ньому менше, до того ж очей більш чутливий до синьому і менше – до фіолетового.

Який вік Землі?

Напевно, жоден Новий Рік на нашій планеті не обходиться, коли хто-небудь не скаже всерйоз: «Не можу повірити, що Землі виповнюється 2015 років!». Або 2016, або 2017… Справжній вік Землі давно є предметом запеклих суперечок. Ще в 1654 році, вчений на ім’я Джон Лайтфут, розрахунки якого були засновані на біблійній Книзі Буття, проголосив, що Земля була створена в 9 ранку за месопотамскому часу 26 жовтня в 4004 до н. е. В кінці 1700-х вчений граф де Бюффон нагрів створену ним маленьку копію планети і виміряв швидкість, з якою вона охолола, і вже на основі цих даних оцінив вік Землі в 75 000 років. У 19 столітті фізик лорд Кельвін визначив вік Землі в 20-40 мільйонів років.

Але все це пішло прахом разом з відкриттям радіоактивності. Подальші розрахунки показали, з якою швидкістю розпадаються різні радіоактивні речовини. Вчені Землі використовували ці знання для визначення віку гірських порід Землі, а також зразків з метеоритів і камінчиків, привезених з Місяця астронавтами. Вони дивилися на стан розпаду ізотопів свинцю з каменів, а потім порівнювали зі шкалою, яка показувала, як змінюються ізотопи свинцю з часом. Земля утворилася приблизно 4,54 мільярда років тому з похибкою менш одного відсотка.

Як працює природний відбір?

Як і вік Землі, теорія еволюції – вперше розроблена біологом Чарльзом Дарвіном в середині 1800-х років – окрема тема, яку люди не знають, але люблять обговорювати. У наш час противники теорії еволюції намагаються прибрати її з програми навчання в школах чи щоб діти вивчали «науку про створення» в доважок до теорії еволюції.

І є одна ідея, за яку чіпляються противники еволюції: природний відбір, центральне поняття Дарвіна. Зрозуміти цю ідею досить просто. У природі мутації – тобто постійна зміна генетичної програми мікроорганізмів, яке згодом буде відрізняти вид від його попередника, – відбуваються випадково. Але еволюція, тривалий процес, в ході якого тварини і рослини зазнали безліч змін протягом багатьох поколінь, не випадкова. Як правило, зміни в організмах стають більш поширеними з часом, якщо допомагають організму виживати і розмножуватися.

Наприклад, уявіть, що деякі жуки – зелені, але внаслідок мутації стають коричневими. Коричневі жуки зливаються з оточенням краще, ніж зелені, тому їх нечасто їдять птиці. Їх виживає більше, вони відтворюються в більшій кількості, і ці зміни приймають не тимчасовий, а вже постійний характер. З часом популяція жуків стане коричневою. Але це найпростіший варіант. На практиці ж природний відбір бере за основу середньостатистичних, а не конкретних представників, і виділити цей процес не дуже просто.

Згасне чи Сонце коли-небудь?

Якщо ви думаєте, що Сонце для людини припиняє світити, коли він переживає важкі періоди свого життя, то в реальності все не так. Іронія в тому, що реальність навколо нас – світло Сонця, спів птахів – більш міцна, ніж наші тендітні почуття. Якщо тільки ви не народилися 5,5 мільярда років тому. У цей момент Сонце, як і інша зірка, як гігантський термоядерний реактор, вичерпає весь водень у своєму ядрі і почне спалювати водень в оточуючих шарах.

Це стане початком кінця Сонця – ядро ​​буде скорочуватися, а зовнішні шари розширюватися, і зірка стане червоним гігантом. У заключній спалаху Сонце підсмажить Сонячну систему вибухом тепла, яке перетворить на небесну сауну навіть прохолодні околиці Плутона і пояса Койпера. Внутрішні планети, у тому числі Земля, будуть засмоктало вмираючим гігантом або перетворяться на попіл.

Втім, якщо люди не колонізують Сонячну систему або інші зірки, ніхто й не дізнається про це фінальне пекло. Сонце, яке віджило вже половину свого життєвого терміну, поступово нагрівається, і через мільярд років буде на 10% більше. Збільшення сонячної радіації буде достатньо, щоб випарувати всі земні океани, залишивши нас без води та інших радощів життя.

Як працюють магніти?

Довгий час магніти вважалися чимось на зразок чудес. І це сумно, тому що зрозуміти принцип їх роботи досить просто. Магніт – це будь-який об’єкт або матеріал, що володіє магнітним полем. Тобто купа електронів у ньому пливуть в одному напрямку. Електрони люблять утворювати пари, а в залозі, наприклад, є багато безпарних електронів, яких легко підв’язати на яку-небудь вечірку. Тому-то об’єкти з твердого заліза або взагалі з великою кількістю заліза будуть притягатися до досить потужному магніту. Речовини і предмети, притягаються до магніту, називаються феромагнетиками.

Люди знали про магнетизм з незапам’ятних часів. У природі магніти зустрічаються, і середньовічні мандрівники навчилися намагнічувати сталеві стрілки компасів, тобто створювали власні магнітні поля. Такі магніти не були особливо міцними, але в 20 столітті вчені розробили нові матеріали та зарядні пристрої, які привели до створення потужних постійних магнітів. Ви можете створити електромагніт зі шматка заліза, обернувши його електропроводів і приєднавши його кінці до полюсів великої батареї.

Що викликає веселку?

Є щось особливе в цьому атмосферному явищі, яке викликає благоговіння у людей з давніх часів. У Книзі Буття, Господь поклав веселку на небо після Великого потопу і сказав Ною, що це «знак угоди між Мною і землею». Стародавні греки пішли далі і вирішили, що веселка – це богиня Ірида. Правда, фігура у неї була зловісною – вона сповіщала війну і відплати. Протягом століть великі уми, від Аристотеля до Декарта, намагалися з’ясувати, який процес породжує багатобарвність веселки.

Тепер, звичайно, вченим це добре відомо. Веселку викликають краплі води, які залишаються зваженими в атмосфері після гарного зливи. Щільність крапель відрізняється від щільності навколишнього повітря, тому, коли сонячне світло потрапляє в них, вони виступають в ролі крихітних призм, розбиваючи світло на складові довжини хвиль, а потім відображаючи їх назад. Народжується дуга з смугами кольору видимого спектру, яку ми бачимо. Оскільки краплі повинні відбивати світло до нас, щоб побачити веселку, потрібно перебувати спиною до сонця. Також потрібно дивитися з землі під кутом приблизно в 40 градусів – такий кут відхилення веселки, тобто кут, під яким вона переломлює сонячне світло. Цікаво й те, що, перебуваючи в літаку, ви можете побачити веселку у вигляді диска, а не дуги.

Що таке теорія відносності?

Коли хтось згадує «теорію відносності», зазвичай мається на увазі відразу дві теорії, спеціальна і загальна, розроблені фізиком Альбертом Ейнштейном на початку 1900-х років. Незалежно від ступеня нашого шанування Ейнштейна, люди, далекі від науки, мало розбираються в його теоріях. Сам Ейнштейн придумав хороший спосіб пояснення: «Коли чоловік сидить з симпатичною дівчиною цілу годину, йому здається, що пройшла хвилина. Але нехай він посидить на гарячій печі з хвилину, і вона здасться йому довше години. Все відносно».

Начебто все зрозуміло, хоча деталі, звичайно, складніше. До Ейнштейна все в значній мірі вважали, що простір і час нерухомі і монотонні, ніколи не змінюються, з якої точки на Землі ви б на них не дивилися. Але Ейнштейн використовував математику, щоб довести, що абсолютний погляд на речі – ілюзія. Насправді простір і час змінюються: простір може стискуватися, розширюватися, згинатися, і час тече з різною швидкістю в залежності від швидкості руху об’єкта або сили гравітаційного поля.

Крім того, прояв простору і часу може залежати від точки спостереження людини. Уявіть, наприклад, що ви дивитеся на старі цокаючий годинник. Тепер помістіть ці години на орбіті Землі, щоб вони рухалися з величезною швидкість в порівнянні з вашим становищем на Землі. Годинник на орбіті будуть цокати повільніше.

Годинники йдуть повільніше через явища «уповільнення часу». Простір і час насправді є частинами одного цілого простору-часу, який може спотворюватися гравітацією і прискоренням. Тому якщо об’єкт рухається дуже швидко або на нього впливає дуже потужне гравітаційне поле, час для цього об’єкту буде йти повільніше в порівнянні з об’єктом, що не піддається такому ж впливу. За допомогою математичних розрахунків можна передбачити, як буде сповільнюватися час для швидко рухаються.

Ймовірно, це звучить дивно. Але це правда. GPS-супутники, які залежать від точного вимірювання часу і складають карту Землі, гарний тому приклад. Супутники літають навколо планети на швидкості близько 14 000 кілометрів на годину, і якби інженери не підкоригували годинник з урахуванням відносності, то вже через день карти Google помилялися б майже на 10 кілометрів під час позиціонування.

Чому бульбашки круглі?

Так, бульбашки не завжди ідеально круглі, як ви, мабуть, помітили, якщо хоча б раз їх надували. Але бульбашки прагнуть до сферичної формі, і можна помітити, що навіть найдовші з них прагнуть стати круглими. Справа в тому, що бульбашки по суті являють собою тонкі шари рідини, молекули якої тримаються за рахунок явища, званого когезія. Це створює поверхневий натяг – бар’єр, який не дає об’єктам проникнути крізь нього. Але це не єдина сила, яка діє на цей шар. Зовні тиснуть молекули повітря. Найефективніший спосіб для рідинного шару протидіяти цим силам – прийняти найбільш компактну форму, яка представляє собою сферу, якщо розраховувати співвідношення обсягу до площі.

Що примітно, вчені давно навчилися робити некруглі бульбашки – кубічні, прямокутні (натягуючи тонкий шар рідини на дротовому каркасі), які завгодно.

З чого зроблені хмари?

Сподіваємося, що нікого не розчаруємо, але хмари насправді – це не суміш морозива і ангельського пір’я. Хмари – це видима маса водяних крапель або кристалів льоду, або суміші обох, які підвішені над поверхнею Землі. Хмари виникають, коли піднімається вологе тепле повітря. Коли він піднімається вище і досягає холодних зон, тепле повітря охолоджується, а водяна пара конденсується в крихітних водяних крапельках або кристаликах льоду, залежно від температури. Ці краплі і кристали залишаються збитими разом завдяки принципу когезии, про який ми говорили трохи вище. Так народжується хмара. Деякі хмари товщі інших, тому що у них більш висока щільність водяних крапель.

Хмари – ключова частина гідрологічного циклу нашої планети, в процесі якого вода постійно переміщається між поверхнею і атмосферою, змінюючись між рідким, твердим і газоподібним станом. Якби не цей цикл, життя на нашій планеті, можливо, не було б.

У 1803 році метеоролог Люк Говард виділив чотири основні класифікації хмар, які сьогодні мають українські та латинські назви. Cumulus, або купчасті хмари – це нагромаджені кускові хмари, які ми часто бачимо в небі. Cirrus, перисті хмари, що означає «волосся» на латині, – це легкі пір’я на висоті, тонкі, як пасма волосся. Плоскі і непоказні хмари – це шаруваті stratus, що означає «шар» на латині. Є також хмари nimbus, низькі і сірі дощові хмари. Втім, підвидів і різновидів хмар, а також їх сумішей трохи більше.

Чому вода випаровується при кімнатній температурі?

Ми, люди, звикли думати про реальність як про хорошого стабільному місці, де різні речі залишаються на своїх місцях, якщо тільки ми не захочемо посунути їх. Але реальність інша. Якщо ви поглянете на воду на молекулярному рівні, молекули будуть виглядати як зграя цуценят, які борються за кращі позиції на череві мамки. Коли в повітрі збирається багато водяної пари, молекули натикаються на поверхню і прилипають до неї, в результаті чого на зовнішній стороні холодного напою у вологий день утворюється конденсат.

І навпаки, коли повітря сухе, молекули води у вашій чашці можуть прилипати до інших молекул, що пропливають у повітрі. Цей процес називається випаровуванням. Якщо повітря досить сухий, більше молекул буде переходити від чашки до повітря, ніж випадати з повітря в чашку. З часом вода буде втрачати все більше молекул, і в кінцевому підсумку ви опинитеся з порожньою чашкою.

Здатність молекул з рідкого стану вистрибувати в повітря і прилипати до нього називається тиском пари, тому що стрибають молекули надають силу, так само як газ або тверде речовина, яка тисне на щось. Різні рідини мають різне тиск парів. У ацетону, наприклад, цей показник високий, тобто він легко випаровується. Оливкова олія, навпаки, має низький показник тиску пари і навряд чи буде випаровуватися при кімнатній температурі.