Текст книги "Про эту вашу физику (СИ)"

Автор книги: Дмитрий Ганин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 9 страниц)

Вы отвечаете: задача у вас тупая – коробка-то стоит на Земле!

А вот и нет, – говорят вам, – в данный момент вы летите в космическом пространстве с ускорением 9,8 м/сек2 «потолком» коробки вперед.

Вот собственно и весь поучительный эксперимент с лифтом. Оказывается, никакими опытами нельзя определить, движетесь ли вы с ускорением или находитесь под действием силы тяжести. Не, конечно, вы можете проделать в коробке дырку и посмотреть, что происходит, но это не научно. Без подглядывания вы никогда не докажете стопроцентно, летите вы или покоитесь на поверхности какой-нибудь планеты.

И тут Эйнштейн, уже подозревая о том, что массы слишком похожи друг на друга, задумался над гениальной мыслью. А что если никакой силы тяжести нет?

Что если сила тяжести это тоже же самое ускорение. Что если, прыгая со второго этажа общаги, мы не падаем на землю из-за силы тяжести, а летим с ускорением навстречу земле без всяких сил притяжения?

Остается вопрос – а почему мы летим пусть и с ускорением, но к Земле? Кто же нас так пнул по направлению к поверхности, по направлению к большой массе?

Дальше будет сложно. Задержите дыхание, как говорил один замечательный писатель, считавший, что всей этой физикой давно владели славяне Аркаима, летавшие к Сириусу на ваймарах.

Даже троечник знает, что если тело движется по кривой траектории, то оно движется не равномерно, а с ускорением. То есть едете вы на велосипеде по прямой дороге равномерно, не меняя скорости, и внезапно перед вами огромная колдобина, характерная для дорог нашей необъятной родины. Как только ваша траектория превращается в дугу, чтобы объехать колдобину, то равномерное движение перестает быть равномерным, и на время движения по дуге вы приобретаете ускорение, которое называют центростремительным.

И вот что у нас получается. Падающее тело не притягивается никакой силой, но летит с ускорением. Да еще навстречу земле. Если закрыть глаза на факт, что никаких колдобин на пути падающего тела нет, то чисто теоретически выходит, что падающее тело на самом деле просто летит по кривой траектории. С ус-ко-ре-ни-ем!

Эйнштейн думал десять лет. А мы в нескольких предложениях расскажем, что к чему. Короче, траектория падающего тела на самом деле кривая. Только кривая она не в трехмерном пространстве. А в четырехмерном пространстве, где четвертая координата – время. Осторожно, не спешим. Выдыхаем, осмысливаем прочитанное, дальше еще безумнее.

Кривым четырехмерное пространство делают объекты, имеющие массу. Чем больше масса объекта и чем ближе расстояние до этой массы, тем сильнее искажается время и пространство вокруг нее. Тут Ньютон нормально угадал про расстояния в своем законе притяжения. Потому что гений!

Как себе представить деформированное четырехмерное пространство? Давайте вспомним, что совсем недавно человечество считало, что земля плоская. И если поехать на велосипеде из Москвы во Владивосток, никуда не сворачивая, то наша траектория будет нам казаться прямой линией. Но мы движемся не по плоскости, а по поверхности земного шара. То, что мы видим как прямую на плоскости, в пространстве (с высоты) будет выглядеть как дуга. К сожалению, мы не можем взять и посмотреть на наш трехмерный мир с «высоты» четвертого измерения, а то увидели бы как Вселенную перекосило от наличия в ней больших и не очень масс.

Старый добрый пример из географии (помните, был такой бесполезный урок в школе). Кратчайшее расстояние на глобусе не прямая линия, а дуга:

Так и в четырехмерном пространстве. Летит себе комета в космосе, никого не трогает. Но, пролетая мимо звезды, она попадает в деформированное пространство и, хотя «по ее мнению» она продолжает лететь прямо, тем не менее, «кривое» пространство уводит ее в сторону звезды. Если скорости кометы (ее энергии) хватит чтобы преодолеть «уклон», то она полетит дальше. А если силенок не хватит, то комета начнет двигаться по «ложбине», которую создала вокруг себя во времени-пространстве массивная звезда. Пролетая совсем близко от звезды, комета и вовсе пересечется с ее траекторией (чем ближе, тем «уклон» круче), и комета грохнется на нее. Не забываем, что все это происходит в четырехмерном пространстве, где объект имеет координаты длины, ширины, высоты и времени. Без времени вся эта конструкция работать не будет.

Теперь давайте вкратце объясним себе с научной точки зрения, почему падает яблоко.

Итак. На яблоне висит яблоко. Веточка пересыхает, и яблоко отрывается от дерева. Что происходит дальше?

Яблоня и планета движутся в пространстве (относительно солнца, вселенной и вообще, что мы не замечаем и считаем, что яблоня покоится на месте) и – самое главное – во времени. Земля и яблоня постоянно двигаются в будущее. Их движение в пространстве и времени, можно сказать, пока происходит по параллельным линиям.

Но вот яблоко стало независимо от яблони. Никакой силы к яблоку не прикладывалось (никто его не бросал), поэтому, по сути, оно и не должно никуда лететь. Если бы Земля не имела бы массы, то яблоко просто бы зависло в воздухе около ветки и по-прежнему двигалось во времени и пространстве параллельно с планетой.

Но законы нашего мира очень странные. Наш мир имеет четыре измерения – три пространственных и одно – временное. Если в пространстве-времени присутствует большая масса, то пространство-время вокруг этой массы деформируется, искажается. Как будто на ровную поверхность водной глади бросили булыжник и появились волны.

Земля же имеет очень большую массу, поэтому искажение пространства и времени существенное. И наше яблоко продолжает свое движение не по прямой линии в 4-хмерном пространстве, а по искривленной линии с ускорением. И вот яблоко летит уже не по параллельной прямой, а по такой линии, которая из-за искривления пространства приводит к столкновению с Землей.

Вот так происходит падение яблока. Нет никакой силы тяжести, а гравитация – это всего лишь движение по кривой траектории в четырехмерном пространстве-времени.

Вот и вся теория.

На сегодняшний день она получила подтверждение во многих экспериментах с высокой точностью, и спорить с ней весьма опрометчиво. Но желающие опровергнуть ОТО лезут как с конвеера: в этих ваших интернетах довольно затруднительно найти нормальное объяснение теории, постоянно – натыкаешься на разного рода фрические интерпретации с мировыми эфирами, галактическими полюсами, ячеистыми структурами и так далее. А теперь еще и мы тут. Ужас!

Гравитационные волны также распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью – со скоростью света – так утверждает общая теория относительности (не так давно ученые наконец обнаружили их в эксперименте с черными дырами). Если наше солнце вдруг исчезнет, то Земля будет лететь по искривленному пространству еще 8 минут, пока пропажа Солнца не обнаружится и пространство не выровняется. И тогда наша планета отправится в открытый космос по касательной к своей орбите.

Гравитация влияет на ход времени – это тоже экспериментально доказано – чем ближе к центру масс, тем медленнее идет время. Работающие на сотом этаже стареют медленнее, чем работающие в шахте, правда, на триллионные доли секунды за сто лет.

А падение в черную дыру со стороны будет выглядеть бесконечным, потому что там пространство из-за огромнейшей массы потухшей звезды искажено так, что возникает трудно перевариваемое для физики состояние материи, известное под названием «сингулярность» – притяжение становится бесконечным, скорости превышают световые, меняются местами причина и следствие и так далее – можете сочинить сами, что хотите. В сингулярности возможно все. Ученые пока не очень уверены, существует ли сингулярность, может, там внутри черной дыры все гораздо банальнее, но, чтобы это проверить, надо туда сунуть нос и поглядеть, что как. Сами понимаете, пока мы это можем только в кино.

Общая теория относительности очень не дружит с квантовой физикой, потому что применение обеих теорий сразу приводит к взаимоисключающим результатам. Тот, кто помирит две теории, однозначно станет круче Эйнштейна и всех-всех-всех. Пока только умница Хокинг со своим испарением черных дыр показал, как в принципе можно немножко подружить квантовую физику и теорию относительности.

На этом все. Читайте умные книги, включая учебники. Меньше политики – больше науки, и, глядишь, через пятьдесят лет мы уже будем покорять Альфу Центавра.

Глава 4

Парадокс близнецов

Диалог возле коляски:

– Какие прелестные близнецы! Оба мальчики?

– Нет, только слева, справа дыня.

Спорим, что даже если вы никогда не слышали, что скорость света постоянная, то вот это словосочетание «парадокс близнецов» вам знаком. Может, вы думаете, это что-то из астрологии про людей, родившихся под одноименным созвездием, или из магической психологии, мол, все разлученные близнецы болеют одним и тем же, любят одинаковые игрушки и называют своих собак тузиками, или вы-таки догадываетесь, что это связано с космосом, потому что про парадокс близнецов рассказывают и показывают в фантастических фильмах.

Штош! Попробуем быстренько ввести в курс дела, чтобы вы могли консультировать менее искушенных товарищей о том, что происходит в кино про далекие галактики, и какого лешего это вообще названо парадоксом.

В основе парадокса лежит драматичная история про двух близнецов, которые родились в один день, но судьба раскидала их по разным жизненным путям. Один близнец, к несчастью, стал офисным работником, а второй – космонавтом. И вот пока первый близнец составляет еженедельный отчет о проделанной работе по созданию отчетов в текущем квартале, другой брат выполняет важную научную миссию: сгонять за пределы солнечной системы, чтобы сфотографировать соседнюю звезду. Ракета с тридцатилетним мужиком на борту стартует с Земли и с огромной скоростью летит в глубокий космос. Вслед ему машет платочком тридцатилетний брат. После этого долгое время ничего интересного не происходит: один брат по-прежнему клепает отчеты, а второй – скучает в космическом корабле. Минуют годы, и на Земле проходит шестьдесят лет. Офисного работника поздравляют с девяностолетием, и с почетом отправляют на пенсию (ведь к тому времени пенсионный возраст снова повышают для решения демографических проблем). И вот он сидит у себя в заработанной квартирке-студии на 25 кв. м, пьет чай и смотрит на свои грамоты и подаренные часы. И вдруг новость – из космоса возвращается брат-близнец. Схватив костыли, гуманитарий шкандыбает на космодром, стоит перед дымящейся ракетой и ждет своего постаревшего брата, чудом выжившего в жестоком и беспощадном космосе. Брат-близнец под музыку и вспышки фототехники выходит из межзвездного корабля, но неожиданно это не глубокий старик, а шестидесятилетний дядька в расцвете лет с шикарной бородой и целыми зубами.

То есть одному близнецу – девяносто лет, а второму – шестьдесят. На Земле минуло шестьдесят лет, а в космическом корабле – только тридцать.

Человеки, что-то слышавшие про замедление времени в космосах, пожмут плечами и скажут, ну, это понятно, обычное дело, мы такое в кино видели. А те, кто нахватался по верхам этих ваших теорий относительностей возмутятся. Постойте, скажут они, тут что-то не то. Ведь всё относительно.

Вернемся к специальной теории относительности, край которой мы задели в первой лекции про скорость света. Из нее следует простой и непримечательный факт о том, что если вы стоите и скучаете на остановке, а мимо вас с приличной скоростью несется мажор на «инфинити», достигая две трети скорости света, то вы наблюдаете интересное явление – время у него течет медленно, а размеры его машины сокращаются. То есть вы видите, что он тот еще тормоз: медленно рулит, медленно ковыряет в носу и медленно фоткает себя на айфон для соцсетей. А его «инфинити» выглядит как сплющенная дедова «ока», что гниет у вас на даче.

Но всё относительно. С точки зрения мажора это он покоится на месте, а мимо него проноситесь как раз вы. И именно у вас замедлено время: вы медленно попиваете свой нищебродский эспрессо, медленно сплевываете в урну, да и сами выглядите худым как жердь, потому что плохо кушаете – хотя всё это тоже релятивистские эффекты.

Относительность такова, что не важно кто на самом деле движется – сопутствующие эффекты будут наблюдаться с любой стороны. Вот тут и возникает вопрос про близнецов: какого чёрта один оказался младше другого. Ведь, двигаясь относительно Земли, брат-космонавт должен был «наблюдать», как медленно идет время у брата-гуманитария. А офисный работник должен был «видеть» тоже самое, но в отношении космонавта. Ну а по прилету всё должно было как-то уравняться взаимозачетом, синхронизироваться или еще что-то произойти так, чтобы относительность согласовалась, и никто бы не ушел обиженным.

В этом и есть парадокс. И является таковым для поверхностного понимания специальной теории относительности, так как выглядит как-то подозрительно. Получается, что не все относительно, и кто-то во Вселенной имеет особые права доступа ко времени и пространству.

Вот тут-то мы и возвращаемся к лекции номер два, в которой мы распинались о том, почему падает яблоко.

В истории про двух космонавтов действительно есть относительный полет, в котором системы отсчета равноправны, и время обоюдно замедляется у обоих участников. Но так же есть участки движения, где нельзя сказать, что, мол, все относительно, товарищи. Мы говорим, как минимум, о трех моментах в путешествии космонавта, когда ему приходилось менять скорость: во время разгона в начале путешествия, во время разворота у звезды, во время торможения при подлете к Земле.

В указанные моменты космонавт преставал лететь равномерно, а двигался с ускорением, и в такие моменты вся относительность накрывается медным тазом. «Преимущество» получал тот, кто ускоряется.

Для облегчения понимания не будем заострять внимание на моментах старта и финиша. Вот у нас космический брат летит к дальней звезде и «наблюдает» (например, они шлют друг другу фотки на фоне календаря) за временем своего близнеца – у того оно замедлено и брат-гуманитарий практически не стареет, ему чуть больше тридцати, в то время как на часах космонавта время идет в нормальном темпе и в путешествии к звезде проходит пятнадцать лет. Но вот около звезды совершается крутой и быстрый разворот. Что же «видит» космонавт после разворота? – во время маневра его брат близнец постарел на шестьдесят лет (внимание, числа приведены не расчётные, а для наглядности). Именно в момент нахождения космонавта в режиме торможения-ускорения (а, как мы помним, движение по окружности, создает ускорение) он переходит в неинерциальную систему отсчета, и относительная синхронизация времени исчезает: происходит рассинхронизация часов.

Затем космический путешественник летит назад с постоянной скоростью и «видит» как старение брата снова замедляется, и тому к моменту приземления всего лишь девяносто и полгода. А сам космонавт стареет еще на пятнадцать лет.

Сложно? Да, это она самая – теория относительности.

Почему так происходит, рассказать в нашем постироническом жанре не получится. Надо медленно и вдумчиво курить несколько томов математики, а потом браться за физику. Но причины все те же: скорость света постоянна, инерция и сила тяжести эквивалентны, ну, и геометрию никто не отменял. Во время движения космонавт переходит из инерциальной системы отсчета в неинерциальную или, по-русски говоря, движется то равномерно, то ускоряется. Все эти телодвижения и вызывают сбой часов как у него, так и наблюдателей.

Частенько люди, наглухо отрицающие физику старше 19 века, говорят нам, мол, парадокса близнецов не существует, потому что Эйнштейн все выдумал, скорость света легко превышается (а скорость мыслеформ вообще мгновенна), а часы идут одинаково в любых уголках вселенной. Поэтому для них тяжелым ударом является отсылка к эксперименту, проведенному в семидесятых годах прошлого века, когда брали пару сверхточных атомных часов, сверяли их, а затем одни часы оставляли на земле, а вторые запускали облетать планету на реактивном самолете. И что вы думаете – часы из самолета отставали. И не думайте, что там какие-то проблемы с часами, нарушение техники безопасности или что-то не туда воткнули, что-то не то нажали. Эксперимент повторяли много раз и не только с самолетами, но и с частицами на коллайдерах. Время участников эксперимента текло по-разному и приводило к вышеописанному эффекту.

Таким образом, парадокс близнецов довольно быстро перестал быть парадоксом, но название закрепилось и все еще смущает умы юных опровергателей современной и не очень физики.

Оставайтесь с нами!

Глава 5

Что такое кванты

Если вы квантовый физик

и не можете в двух словах объяснить

пятилетнему ребенку, чем вы

занимаетесь, – вы шарлатан. (Р. Фейнман – самый крутой!)

В этой примечательной лекции мы попробуем вынести мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу о ней оканчивается зависанием над первой же формулой и закрытием книги на первой же странице. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, рекламе и проектах от Сколково, и вам кажется, что это необыкновенно крутая штука, недоступная обычному смертному. Да еще и современные колдуны вместо слово «магический» ныне используют слово «квантовый» и обещают буквально завтра вселенский квантовый переход в новую эпоху. Поэтому пора восполнить пробел и немножко врубиться в тему.

Начнем, как обычно, издалека.

Задумайтесь, каково расстояние между вашими глазами и книгой, и что физически означает это расстояние. Исходя из математических соображений его можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей, шестнадцать, тридцать два… и даже на пару миллиардов маленьких отрезочков. В математике, знаете ли, разрешается делить до бесконечности – это они здорово придумали. Некоторым дотошным занудам при этом покажется, что если захотеть ткнуть пальцем в книгу или монитор, то сделать так не получится, потому что это расстояние делится до бесконечности, и рука будет преодолевать его бесконечное время. Но вы знаете, что в натуре, или, правильнее сказать, физически, никакой проблемы не возникнет, так как, по-видимому, существует какая-то мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и подозревают что есть еще суперструны (о них как-нибудь позже). Вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает: деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки старинному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние греки тоже подозревали, что с пространством не все так гладко, но, чтобы хоть как-то объяснить происходящее, потребовалось две тысячи лет, когда Ньютон и Лейбниц замутили дифференциальное счисление. Так то!

Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вот вы с корешами поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики – электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия вроде как существует в виде непрерывных волн (помните непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть, энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали. Один физик по имени Максвелл даже сочинил специальные формулы, по которым тепло распространялось приятными волнами, и все были счастливы и собирались ставить точку в термодинамике.

А вот и нет. Как всегда внезапно выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, прости господи, веб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный, а вернее сказать, неделимый, кусочек энергии и называют квантом.

Собственно, на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика. Подумаешь, энергия кусками выделяется – вполне ожидаемо, так и что: из-за этого пилятся миллиардные гранты, а на коллайдере делают черную дыру, чтобы уничтожить планету? Рассказываем что и как. Оставайтесь с нами.

О том, что кванты существуют, как вы уже поняли, никто не догадывался. Пока однажды физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не отражает ни капельки энергии – все тепло забирает себе без остатка.

После нагревания наша гипотетическая духовка, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы, логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия (ученые даже название придумали для такого – «ультрафиолетовая катастрофа», чтобы народ пугать). Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдаются вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он по-студенчески решил подогнать результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. И прокатило! Получилось, что каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Тут можно провести еще одну удачную аналогию: когда кто-то играет на скрипке, и плавно увеличивает громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы этого не замечаем.

Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл – до конца жизни он был противником квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Гамов) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз.

Повторим еще раз: представьте, что Роспотребнадзор разрешил покупать пиво только в бутылках определенной емкости и запретил розливное пиво! И вот вы носите от ларька к дому бутылки по ноль-пять, по литру, по полторашке, двушечку, наконец, чтобы два раза не бегать. А со своей тарой в английскую пинту – нельзя.

Так получается и с энергией – возможны только значения кратные постоянной Планка. Приехали!

Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии, в отличие от бесконечно малых величин, можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.

Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности. А объяснение фотоэффекта. За что он получил нобелевскую премию (а совсем не за теорию относительности, которую даже светлые умы принимали за научную фантастику).

Фотоэффект – это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия (скорость вылета) выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света: зажигай хоть сто ламп, но увеличится только число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если повысить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете – только этот цвет не засвечивает пленку, улавливаете?

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики (русский физик Столетов, между прочим, плотно занимался вопросом и сделал большой вклад в описании феномена).

Пролить свет на свет (хе-хе) удалось Эйнштейну. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его яркость, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов фотонов.

При фотоэффекте в силу размеров участников сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (это всего лишь его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов. Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть до крыши, а потом придет переросток из старшей группы, одной левой метнет снежок и собьет цель.

Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц – фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.

Не поверите, но Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он открыл дверь в этот мир, однако до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там борны, боры, гейзенберги, лифшицы-ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна, квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

В дальнейших наших ликбезах мы обязательно заглянем в парадоксы квантовой физики, и, надеемся, нам хватит слов и умений объяснить их человеческим гуманитарным языком.

Глава 6

Материя. Частицы

Дело не в размере.

Атомное ядро еще мельче,

а страсти вокруг него еще больше. (Академик П. Капица)

Мы продолжаем экстремальный ликбез для любознательных гуманитариев. Если заглянуть на непрофильные форумы в интернете, то очевидно, что российская наука готовится к серьезному прорыву в физике, так как чуть ли не каждый пользователь интернета этой страны способен рассуждать на тему квантовой гравитации и убедительно доказывать свою правоту. Поэтому мы просто обязаны восполнять у населения пробелы в научной картине мира.

Сегодня мы решили напомнить научному сообществу Всемирной Паутины о том, что современная наука знает о материи.

Начнем с того, что все знают или догадываются. Окружающий нас мир состоит из атомов. Это понятные повседневному опыту материальные объекты, иногда видимые даже в микроскоп (правда, электронный). Одно время считалось, что атомы – мельчайшие неделимые частицы. Причем, идею выдвинули аж древние греки, которые слишком много думали о возвышенном, но потом римляне, а следом и христиане, переключились на другие проблемы, и вопрос о составе материи стал не актуален: крестовые походы сами себя не организуют. И только в 1789 году один юрист по имени Антуан Лавуазье вернулся к крамольным мыслишкам об атомах, открыв дверь богомерзкой науке о веществе.

Мы знавали альтернативно образованных людей, которые уверяли, что атомов никто не видел, потому что они из тонких тел. Не верьте таким людям – сейчас все можно увидеть в Инстаграме. В интернетах легко находится, например, фотография атомов кремния, сделанная с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа.

В общем, мир был бы прост и замечателен, если бы атом был мельчайшей деталькой всего сущего. Ученые готовились объявить о завершении научных исследований и формулировке окончательной фундаментальной теории. Но всегда находится человек, который все портит: в 1897 году Томсон баловался с током и нечаянно открыл электрон. Стараясь сохранять спокойствие, он решил, что атом – это смесь отрицательно и положительно заряженных частиц (как булка с изюмом – любимый пример из учебников физики). Если подумать, это многое объясняло.

Но предположение Томсона долго не прожило, потому что в 1909 году Эрнесту Резерфорду вздумалось пострелять альфа-частицами по тяжелым атомам (а точнее по кусочку тоненькой золотой фольги) – видите, на что они тратят гранты?

Внезапно некоторые альфа-частицы не проходили сквозь фольгу, а иногда отскакивали от нее. Резерфорд обнаружил, что в центре атома есть что-то такое крупное и прочное, что отбивает альфа-частицы.

Да, для справки: альфа-частицы представляют собой два нейтрона и два протона (они же ядра атома гелия). Альфа-частицы возникают при радиоактивном распаде и являются наиболее безопасным видом радиоактивного излучения. Резерфорд сам их открыл чуть ранее, и игрался с ними, не очень понимая, что это такое.

Итак, научному миру открылась тревожная картина. Атом, по всей видимости, представляет собой ядро, вокруг которого по некоторым орбитам-траекториям летают электроны.

Давайте осознаем масштабы бедствия. Размер ядра атома таков, что если расстояния в атоме перенести на макрообъекты, то площадь атома в разрезе будет равна, скажем, площади стадиона, а ядро атома тоже увеличится – до размеров теннисного шарика в центре этого стадиона. Теперь представьте, сколько пустоты внутри атома и ужаснитесь – мы все состоим из ничего и чуточки материи. Поэтому, когда ваш начальник или ваш бывший партнер говорят, мол, «ты – пустое место» то это не очень-то и оскорбление. Хотя если они это постоянно говорят, то, может, дело не в физике атома… Эх… Так, о чем это мы?