30 научных терминов, понимание которых поможет вам не только расшифровывать иногда непонятный бред, но и лучше ориентироваться в современном научном мире (Пояс Койпера, Сингулярность, Пространство-время, Электромагнитное излучение, Спектральный анализ/спектрометрия, Световой год, Эхолокация, Элементарная частица, Фундаментальное взаимодействие, Квантовая гравитация, Стандартная модель, Теория струн, Антиматерия, Темная энергия, Темная материя, Точка бифуркации, Квантовая запутанность, Принцип неопределенности, Квантовая телепортация, Коллайдер, Бозон Хиггса, Индекс Хирша, Плюрипотентность, Искусственная нейронная сеть, Транскраниальная (или трансчерепная) магнитная стимуляция, Графен, Радиоизотопное датирование, Кембрийский взрыв, Секвенирование, Энтропия).

1. Пояс Койпера

Солнечная система вовсе не заканчивается на орбите Плутона. В настоящее время астрономы выделяют целый класс так называемых транснептуновых объектов – то есть небесных тел, которые находятся за орбитой Нептуна, но гравитационно связаны с нашей звездой.
Огромную область (от 4,5 до 8,2 млрд км от Солнца) занимает пояс Койпера – целый класс транснептуновых объектов, состоящих из вещества, сформированного на заре Солнечной системы.


Объекты пояса Койпера представляют большой интерес для ученых. Они состоят в основном из летучих веществ вроде аммиака и метана. Помимо астероидов среди них встречаются карликовые планеты – Плутон тоже относится к поясу Койпера вместе с планетами Хаумеа и Макемаке. Некоторые ученые надеются обнаружить в поясе Койпера и более крупные планеты.

2. Сингулярность

Этот термин довольно многолик. Чаще всего его употребляют при описании физики черных дыр. Согласно выводам Общей теории относительности (ОТО), в космосе могут быть такие объекты (сейчас мы их называем «черные дыры»), искривление пространства-времени в которых достигает бесконечных значений, что делает невозможным физическую интерпретацию процессов, происходящих внутри такого объекта. Другими словами, при помощи стандартных физических теорий узнать то, что происходит в черной дыре, мы не можем – только предполагать, и со времен Эйнштейна так и не было осуществлено ни одного фундаментального прорыва в этой области.


Впрочем, существуют исследования, которые исключительно математическими методами показывают, что гравитационных сингулярностей в нашей Вселенной может вообще не быть. Узнать это наверняка мы, видимо, сможем только тогда, когда удастся провести непосредственные наблюдения объекта, который по внешним признакам будет относиться к черной дыре.

3. Пространство-время

Термин, возникший на блестящем фундаменте Общей теории относительности, объединил три пространственных измерения и одно временное в единую динамическую систему.
Эйнштейну удалось показать, что пространство и время неразрывно связаны друг с другом и представляют собой единое целое, а все взаимодействия с материей этого пространства-времени и являются гравитацией.


Согласно ОТО, пространство-время меняет свою кривизну в зависимости от массы объекта, который в нем находится. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривляется ткань пространства-времени вокруг него, что заставляет другие, менее массивные объекты, находящиеся поблизости, притягиваться к нему.
В эту ловушку, кстати, попадает даже свет. Преломление света вблизи массивных астрономических объектов называется гравитационным линзированием.

4. Электромагнитное излучение

Довольно часто в популярной фантастике электромагнитное излучение представляется загадочной силой, которая убивает, трансформирует героев в супергероев, либо перемещает их во времени. Что же это такое на самом деле?
ЭМИ – это потоки фотонов, элементарных частиц, из которых состоит свет. Длина и частота волны фотонов сильно разнится, что привело ученых к необходимости классификации фотонов по отдельным электромагнитным диапазонам.


Человеческий глаз так устроен, что способен видеть лишь очень малую часть всего электромагнитного спектра – так называемое видимое излучение или оптический диапазон. Большая часть ЭМИ оказывается для нас невидимой. Сюда относятся, к примеру, радиоволны (да, это тоже фотоны), рентгеновское излучение, инфракрасное излучение.

5. Спектральный анализ/спектрометрия

Из-за того, что каждый химический элемент по-своему поглощает свет, ученые научились применять анализ спектральных характеристик вещества для определения его состава.
Это один из фундаментальных прорывов, который позволил человечеству сделать огромный скачок вперед во множестве областей – от судебной медэкспертизы (анализ улик) до астрофизики (способность по характеристикам поглощения света определить химический состав объекта, который находится в сотнях миллионов световых лет от Земли).


Метод масс-спектрометрии позволяет даже «взвесить» исследуемое вещество, взаимодействуя с ним только при помощи ионизации.

6. Световой год

В астрофизике световой год – это расстояние, которое свет преодолевает за год беспрепятственного пути в вакууме. Поскольку абсолютная скорость света, то есть скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, является константой (постоянной величиной), то не трудно подсчитать, что световой год составляет приблизительно 9,46 триллионов км.


Для наглядности: солнечный свет достигает поверхности Земли за 8 световых минут и 20 световых секунд, а расстояние до ближайшей к нам звезды – Альфы Центавра – 4,37 световых лет.

7. Эхолокация

Метод определения расстояния до объекта, в котором по направлению к объекту посылают звуковую или радиоволну, а затем анализируют, через какое время волна вернется, называется эхолокацией.
Эту технологию мы позаимствовали у летучих мышей, которые используют ультразвуковую эхолокацию для ориентации в пространстве. К примеру, даже если летучую мышь ослепить, она все равно будет в полете огибать все предметы.


Эхолокация имеет широкий ряд применений – к примеру, исследование рельефа морского дна. По тому же самому принципу действуют радары.

8. Элементарная частица

Кирпичики, из которых состоит материя и силы, которые приводят к взаимодействию между материей, называются элементарными частицами. В самом буквальном смысле элементарные частицы – это фундамент нашего физического мира. Практически каждый объект во Вселенной, согласно современным представлениям, состоит из них. В настоящий момент существует разветвленная классификация элементарных частиц. Основных классов два: фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий между фермионами.


9. Фундаментальное взаимодействие

Между элементарными частицами может происходить четыре основных типа взаимодействий, называемых фундаментальными. Это электромагнитное взаимодействие (происходит между частицами, обладающими электрическим зарядом), сильное и слабое взаимодействия (которые держат элементы атомного ядра вместе), а также наиболее проблематичное для современной физики – гравитационное.
Носителем каждого из этих взаимодействий является определенный бозон. Для электромагнитного взаимодействия это фотоны, для слабого – W и Z бозоны, для сильного – глюоны, а для гравитационного взаимодействия бозон еще не найден (однако уже есть название для него – гравитон).

10. Квантовая гравитация

Уже долгое время физикам не удается прийти к единой теории гравитации. Положения ОТО, довольно точно (судя по наблюдениям) описывающие динамику пространства-времени, попросту не согласуются с другой фундаментальной теорией – квантовой механикой. До сих пор не найдена элементарная частица, ответственная за гравитационное взаимодействие.


По этим причинам физики-теоретики со всего мира уже долгие годы пытаются построить новую теорию гравитации, которая «проквантовала» бы гравитационное взаимодействие. Эта разрабатываемая теория называется квантовой гравитацией.

11. Стандартная модель

Мечтой физиков-теоретиков, включая всемирно известного Стивена Хокинга, уже многие годы является создание так называемой Теории всего, которая должна была бы объединить все накопленные знания о мире фундаментальных взаимодействий в единую непротиворечивую систему.
Пока что на роль Теории всего больше всего подходит Стандартная модель – классическая теория, успешно объединяющая три фундаментальных взаимодействия из четырех.
Впрочем, есть у Стандартной модели и серьезные пробелы. Она не может стать теорией всего, пока не объяснит гравитацию, темную материю и темную энергию, в чем пока безуспешна.

12. Теория струн

Конкурентом Стандартной модели на поприще становления Теории всего является Теория струн. Это очень сложная по своему математическому аппарату теория, правильно понять которую, как утверждают ученые, могут только опытные физики-теоретики.
В приблизительном изложении теория струн гласит, что все пространство нашей Вселенной не состоит из точечных частиц, а пронизано невероятно крошечными нитями энергии, или струнами, колебания которых в столь же крошечных десяти (а в теории суперструн даже 26!) измерениях (условно говоря, «сосудах») и представляют собой материю и фундаментальные взаимодействия.


Несмотря на то, что современные технологии не дают никакой возможности доказать существование струн, теория считается весьма перспективной, так как именно благодаря ей появляется возможность объединить ОТО и квантовую механику.

13. Антиматерия

Помимо обычной материи, из которой мы с вами состоим, есть еще и антиматерия. Ее существование обусловлено существованием симметричных пар частица-античастица. Например, электрон-позитрон, протон-антипротон и т. д. Когда частица и ее античастица сталкиваются, происходит аннигиляция – взаимное уничтожение частиц с высвобождением значительного количества энергии.


Теория гласит, что в момент Большого взрыва, когда Вселенная только родилась, появилось равное количество материи и антиматерии. Сейчас во всем наблюдаемом космосе мы видим абсолютное превосходство обычной материи. Почему? Ответ на этот фундаментальный вопрос является предметом теоретических изысканий уже очень давно. Пока ученые не могут ответить наверняка.

14. Темная энергия

Однажды Эйнштейн ввел в свои уравнения дополнительную константу, чтобы результаты теоретических изысканий сошлись на желаемом результате. Впоследствии он стыдился этого несколько отчаянного шага и считал его самой большой ошибкой в своей жизни.
А затем, получив более совершенные астрофизические данные, ученые ввели в физику понятие темной энергии – неведомой силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением, которая по своим свойствам как раз описывается «подставной» эйнштейновской константой.


Консенсуса по поводу того, что из себя представляет темная энергия, пока нет. Однако все больше ученых склонны думать, что это неизменная энергетическая плотность, равномерно распределенная по Вселенной.
Темная энергия никак не взаимодействует с обычной материей за исключением гравитации. Также она составляет примерно 68,3% всей наблюдаемой Вселенной – намного больше, чем любой другой вид материи или энергии.

15. Темная материя

Помимо темной энергии есть еще и темная материя, которая так же воздействует на обычное вещество только через гравитацию. Темная материя тоже еще ни разу не наблюдалась напрямую, однако ее существование вытекает из современных математических моделей Вселенной.
Если бы ее не было, то галактики должны были бы двигаться по-другому. Но наблюдения показывают, что на них действует что-то кроме видимого вещества. Массу этого «что-то» и назвали темной материей. Согласно расчетам, она составляет 26,8% от массы Вселенной.

16. Точка бифуркации

В термодинамике есть особое понятие, которое можно адаптировать практически к любой сложной динамической системе. Время от времени любая такая система, будь это государство, экономика или психика человека, вступает в критическое состояние неопределенности.
В этот момент упорядоченность системы оказывается под угрозой, и ее дальнейшее развитие может пойти по двум из возможных сценариев: либо распад до хаотического состояния, либо выход на качественно новый уровень упорядоченности. К примеру, точкой бифуркации для государства можно назвать период политической нестабильности, для экономики – экономический кризис, а для человека – травмирующее событие.

17. Квантовая запутанность

Квантовый мир – то есть мир взаимодействия элементарных частиц, микромир – известен явлениями, которые невозможны или не имеют никакого эффекта в привычном нам макромире, состоящем из крупных объектов. Одним из самых любопытных таких явлений можно назвать квантовую запутанность.


Квантовая запутанность проявляется так: две (и более) частицы – к примеру, фотоны – оказываются взаимозависимыми, даже если их разделить на большие расстояния. Когда наблюдатель измеряет какую-либо квантовую характеристику одной частицы, то изменяется состояние и другой. Это явление можно использовать для создания невзламываемых шифров – квантовой криптографии, чем занимаются сейчас очень многие ученые по всему миру.

18. Принцип неопределенности

Значительно упрощая принцип неопределенности, открытый одним из отцов квантовой механики Вернером Гейзенбергом, можно описать так: невозможно определить, как будет двигаться любая частица, потому что это зависит от множества равнозначных вероятностей. Другими словами, явления квантового мира – как и, впрочем, всей физической Вселенной – не предопределены, а представляют из себя набор различных возможностей. Этот принцип – фундамент всей квантовой механики.


По этому поводу хорошо известны споры Альберта Эйнштейна с Гейзенбергом и Нильсом Бором. Эйнштейн не верил в квантовую механику, ответив как-то на аргументы относительно принципа неопределенности фразой «Бог не играет в кости». На что Бор, в свою очередь, ответил «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».

19. Квантовая телепортация

Научные новости относительно часто пестрят заголовками про новые рекорды квантовой телепортации. Но не стоит путать квантовую телепортацию с «обычной» телепортацией из научной фантастики. В первой перемещают информацию о квантовом состоянии отдельных элементарных частиц, а во второй с помощью фантастических, еще не изобретенных приспособлений, физически перемещают крупные объекты, включая человека, целиком.


Практическая осуществимость квантовой телепортации и эксперименты в этой области прямо сейчас приближают к нам эру полезных квантовых технологий, вроде все той же квантовой криптографии.

20. Коллайдер (англ. collider от collide – сталкиваться)

Громкие споры о том, принесет ли Большой адронный коллайдер апокалипсис, закончились еще где-то в самом начале 2010-х, но многие до сих пор не знают, что же это за зверь такой – коллайдер. Отвечаем: фактически это труба, прямая или зацикленная, в которой элементарные частицы разгоняют по направлению друг к другу и сталкивают в определенной точке. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Разгон заряженных частиц происходит за счёт электромагнитного пля.


Цель довольно проста: в высокоэнергетических столкновениях частицы распадаются на более мелкие частицы, и в этот момент ученые аккуратно детектируют все, что из них «высыпалось». Так ученые открывают новые элементарные частицы и углубляют наши представления о квантовом фундаменте Вселенной.

21. Бозон Хиггса

В 2012 году было подтверждено, что на Большом адронном коллайдере, наконец, смогли обнаружить недостающее звено Стандартной модели – бозон, отвечающий за присутствие у элементарных частиц массы. Существование бозона Хиггса было предсказано в 1960-х годах, а сам Питер Хиггс после обнаружения частицы на БАКе получил в 2013 году Нобелевскую премию. Открытие бозона было так важно потому, что является еще одним (и довольно серьезным) аргументом в пользу Стандартной модели.


Также стоит сказать, что к осени 2014 года в прессе все чаще стали появляться сообщения о том, что некоторые ученые открыто сомневаются в обнаружении бозона в 2012 году. На данный момент, все же, не представлено ни одного полноценного опровержения того, что частица, открытая на БАКе, является тем самым бозоном.

22. Индекс Хирша

В 2005 году физик Хорхе Хирш предложил новую систему оценки продуктивности ученого, основанную на количестве публикаций и цитирований его статей в рецензируемых научных журналах.


Метод прижился и довольно быстро получил международное одобрение. Сейчас Индекс Хирша широко используется для оценки научной «плодовитости» не только отдельных ученых, но и организаций, а также целых стран.