Без формул

Электронный учебник, в котором изложены основы физики для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по физике и не только.

С формулами

Базовые понятия, законы и формулы из основных областей физики.

Глава 12. Какой удар со стороны классика!

Все настолько прекрасно, что и желать больше нечего! Не так ли?

Мы знаем, как устроено вещество, с конструкторской точностью. То есть можем просто сделать игрушечный конструктор из трех деталек (протон, нейтрон, электрон) и собрать из него все атомы таблицы Менделеева – химические элементы. А из этих элементарных веществ далее собрать уже любую молекулу сложного вещества.

Мы также знаем, что в мире, кроме вещества, существует еще и поле. Точнее, поля. Невидимые, но реальные. Гравитационное, например, поле, которое обеспечивает нам стабильное присутствие на нашей планете, а нашей планете – вращение вокруг Солнца, что не только полезно, но и крайне приятно. А то бы мы все умерли.

Кроме гравитационного, есть еще электромагнитное поле, которое распространяют вокруг себя заряженные частицы (электрон да протон). Оно обеспечивает нам всю химию, потому что атомы собираются в молекулы, а молекулы тяготеют друг к другу (дабы предметы не разваливались), только и исключительно с помощью электромагнетизма. Других причин нет.

И еще в мире есть волны. А почему бы им не быть? Если что-то колеблется, оно толкает вокруг себя среду, в которой находится, распространяя по ней упругие колебания. Можно вызвать акустические колебания, то есть звуковые, если колебать, например, струну. А можно вызвать колебания электромагнитного поля, если колебать зарядики. Частота этих колебаний имеет диапазон широчайший, и мы почти всеми частотами можем пользоваться. Даже опасное рентгеновское излучение дозированно используем в медицинских целях – чтобы свои туловища просвечивать и искать разные болезни, проглоченные гайки и переломы.

Ну, казалось бы, чего еще надо? Живи да радуйся! Все так хорошо в мире стало, так понятно… Подобные благодушные настроения царили у физиков сто лет назад. Правда, тогда еще не был открыт нейтрон, но свет в электрических лампах уже горел без всякого нейтрона, телефон работал, автомобили бегали, подводные лодки плавали, рентгеном людей просвечивали, а химики колдовали над своими колбами и получали приличные результаты. Умеем, когда захотим!

Тем неожиданнее случилась катастрофа…

Мир рухнул. Привычный мир физиков обрушился буквально в одночасье. Вот только что в физическом раю пели соловьи благолепия, пухли, как на дрожжах, жирные розы удовлетворенности, распространяя окрест благоуханные ароматы достижений. И вдруг бац – какая неприятность! Привычный рай трещит и разваливается на части, а из разломов начинают торчать невидимые ранее проблемы.

Я ничуть не шучу, мои маленькие друзья и товарищи покрупнее. Какие могут быть шутки о катастрофе мировоззрения!

Весь девятнадцатый век физика развивалась такими бурными темпами и добилась таких успехов, что гордость физиков за свою вотчину была вполне обоснованной. Удалось создать стройную непротиворечивую картину мира, в основе которой лежала ньютоновская механика. Скорости, траектории, законы движения массивных тел… Все это можно было определить, просчитать и, зная все координаты, массы и скорости тел, предсказать, где они окажутся в любой момент времени в будущем.

Иными словами, мир представлялся фатальным. Что такое фатализм? Всеобщая предопределенность – чему суждено случиться, того не миновать, как ни пытайся. От судьбы не уйдешь. Написано тебе на роду утонуть, значит утонешь… Именно такую «окаменевшую» и неизменяемую картину мира давала ньютоновская механика, в которой конечные координаты и другие параметры любого тела, любой частицы жестко детерминировались (предопределялись) начальными условиями движения. Понятно, что на практике данных обо всех частицах вселенной у нас нет, но в теории мир был именно таким – железно заданным формулами физических закономерностей.

Правда, о философской подоплеке своих механистических воззрений физики задумывались не особо, им просто нравилась та цельная картина мира, которая вырисовывалась к концу ХIХ века. Как движутся планеты, понятно. Законы распространения волн известны. Оптика позволяет делать очки и телескопы. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, уже написаны. Электротехника развивается бурными темпами. Плохо ли?

И когда в ту пору юный абитуриент пришел к своему профессору – физику Филиппу Жолли и сказал ему, что мечтает связать свою жизнь с физикой, тот томно отмахнулся:

– Ах, молодой человек! Физика, как наука, в общем и целом завершена, за исключением нескольких несущественных мелочей. Стоит ли вам портить себе жизнь? Займитесь лучше юриспруденцией или музыкой.

Этого юного абитуриента, который действительно отлично играл на фортепиано и даже был автором одной оперетты, звали Макс Планк. Это имя сегодня известно всем, кто учился в школе или хоть что-то слышал о физике.

Макс Планк – человек, который, уцепившись за те самые «несущественные мелочи», о которых говорил благодушный Жолли, взломал здание старой физики – и сам испугался содеянного.

Макс Планк – человек, основавший здание новой физики – квантовой.

Макс Планк, придумавший кванты, – человек, который сам в кванты не верил.

Именем Макса Планка названа одна из самых фундаментальных констант современной физики, описывающая базис нашего мира – «постоянная Планка». А на могиле Макса Планка вместо дат его жизни и смерти выбиты совсем другие цифры – значение постоянной Планка.

Планк прожил долгую нелегкую жизнь, пересекшую две мировые войны. Он пережил обоих своих сыновей, один из которых погиб в Первую мировую, а второй был в начале 1945 года повешен нацистами за участие в покушении на Гитлера. Дом Планка вместе с огромной библиотекой сгорел от попадания бомбы и почти 90-летний старик, в чем был, вместе с женой пешком отправился в никуда.

Знал ли тот юный мальчик Макс, стоявший перед маститым профессором Жолли – уважаемым ученым, который родился в эпоху Наполеоновских войн, сотрясавших Европу, – что ему самому, Максу Планку, придется пережить две огромные войны, потерять детей и перевернуть физику? Не знал, конечно. И знать не мог в принципе, ибо тот переворот в физике, коему Планк дал начало, убедительно показал человечеству: мир нефатален, вы можете изменить будущее! Мир принципиально непредсказуем. Он квантовый. И случайность вшита в самую основу бытия.

Так что же сделал Макс Планк такого, во что и сам не поверил?

Одной из тех неразрешимых «мелких проблемок», которые стояли перед физиками конца девятнадцатого века и о которой говорил умудренный профессор Жолли молодому Планку, была проблема излучения так называемого черного тела. Черное тело – это придуманный физиками теоретический конструкт, вымышленный объект, который все излучения поглощает и ничего не отражает. При этом черное тело постепенно нагревается и потому переизлучает тепло уже в собственном диапазоне.

Дивиться тому, что физики взяли да и выдумали что-то, в реальном мире не существующее, не стоит. Дело в том, что физика всегда оперирует некими идеальными моделями. Как и любая другая наука. Наука ведь не гонится за истиной, как вы, быть может, ошибочно предполагаете. Наука просто строит интеллектуальные модели. И проверяет их на соответствие реальности – работает или нет, можно с ее помощью делать предсказания или нельзя. Можно – хорошая теория, берем на вооружение. Нет – ошибочная.

Все научные теории без исключения имеют ограниченную область применения и строятся для решения практических задач. А так как человеческие хотелки все растут и растут, людям хочется получить больше и больше, область решаемых задач вскоре начинает превышать возможности теории. И она перестает работать в новых условиях. Приходится строить более общую теорию, в которую старая теория входит частным случаем. Или же просто отказываться от старой теории, полностью меняя научную парадигму. Вы, я надеюсь, знаете, что такое парадигма? Парадигма – это система устоявшихся взглядов.

Так вот, в стройном здании физики позапрошлого века была одна теоретическая неясность. Исследуя излучения разных нагретых тел, физики заметили, что построенные ими красивые теории не стыкуются с отвратительной реальностью. Из теории получалось, что нагретое абсолютно черное тело должно излучать бесконечно большую энергию, что абсурдно. Теория давала сбой.

Пытаясь привести такую хорошую теорию к такой неприятной практике, буквально за волосы таща формулы к реальности. Планк сделал гениальное допущение. Оно выглядело очень искусственным, но зато сразу позволило решить проблему на бумаге. Макс Планк предположил, что энергия излучения, которое отдает нагретое тело, испускается не сплошным потоком, а порциями, которые Планк назвал квантами.

Предположение, конечно, глупое. Ну, что значит «излучается порциями»? Вот у нас есть бак, заполненный водой. Мы открыли кран, и она потекла – сплошным потоком. А почему излучение от нагретого тела должно «течь» не сплошным потоком, а каким-то пунктиром? Это же волны! Они бегут сплошняком! Что еще за порции такие дурацкие?

Однако введение этих порций в формулы дало хороший результат и позволило, что называется, подогнать решение к ответу, известному из практических наблюдений.

Работая над моделью излучения черного тела, Планк часто прогуливался по улице с сыном, не переставая думать обо всем этом. И однажды признался мальчику:

– Или то, что я делаю, абсолютная бессмыслица, или самое большое открытие в физике со времен Ньютона!

Планк, который стоял на позициях классической физики, очень расстраивался из-за того, что ему пришлось выдумать эти вот «рваные волны», которые излучаются непонятными порциями. Он рассчитывал, что кто-нибудь вскоре придумает что-то получше и исправит ситуацию, избавив мир от его дурацких квантов.

Увы! Кванты никак не хотели из теорий убираться, без них никак не получалось.

Неужели энергия тоже квантована, как и вещество? Поясню… Вещество, как мы уже знаем, делимо. Мельчайшей его частичкой является атом. Может, и энергия тоже состоит из «атомов энергии»? Стоп! А при чем тут энергия, спросите вы, ведь речь у нас об излучении? Дело в том, что энергией в физике часто называют не только такую абстрактную вещь, как энергия кинетическая или энергия потенциальная, но и вполне конкретное электромагнитное излучение. Оно считается энергией в чистом виде, так сказать… В общем, Планку формулы подогнать к реальности удалось, но по смыслу получилась какая-то ерунда, какие-то «куски волн», «куски излучения», похожие на частицы.

Пока классическая физика осмысливала получившуюся ерундень, по ней нанесли еще один удар. На сей раз постарался Эйнштейн.

Эйнштейн – не только икона современной физики, но и самый известный физик среди простого народа. Не потому, что народ понимает его теории, а потому что Эйнштейн, волосатый и озорной, – любил фотографироваться, высунув язык.

Что же натворил Эйнштейн?

Не скрою, набедокурил он изрядно. Рассказываю.

В конце XIX века физиками был открыт так называемый фотоэффект. Очень интересное явление! Оно заключается в следующем: при освещении металлической пластины светом световые лучи выбивают из этой пластины электроны. Схемка эксперимента дана ниже.

Неожиданностью в этом опыте было то, что энергия выбиваемых светом электронов совершенно не зависела от интенсивности светового потока! Слабенький он был или мощный – это влияло только на количество выбитых электронов. А вот их энергия зависела, как ни странно, от частоты света. И для любого материала катода всегда существовала такая низкая частота излучения, что фотоэффект прекращался. Это назвали «красной границей фотоэффекта», потому что чем ниже частота света, тем он ближе к красному.

Еще любопытно, что никакой медленной «накачки» электронов энергией не было, электроны начинали вылетать из металла сразу после включения лампы, словно им не нужно было «раскачиваться», набирая энергию для вылета.

Вообще-то, волновая теория света предсказывала совершенно другой результат – электроны должны сначала какое-то время накапливать энергию, причем их энергия должна была зависеть от интенсивности излучения (яркий источник света или тусклый), а не от его частоты, то есть цвета лучей. Это что же получается? Теория плохая? Но в других случаях она прекрасно работает. А тут чего-то спотыкается. Мы уже знаем: так бывает. Любая функция имеет область определения, а любая теория имеет границы своего применения. Ученые как раз вышли на эту границу. И значит, пришла пора расширять теорию!

Явление фотоэффекта. Берется стеклянная лампа хитрой формы и из нее откачивается воздух. С разных сторон в стекло впаяны два электрода – катод и анод. На них подается напряжение от батареи. Однако никакого тока в сети нет, потому что цепь не замкнута. Но если начать облучать светом катод (К), световые волны станут выбивать из металла электрончики. Освободившись из металлического плена, они под действием притяжения со стороны положительно заряженного анода (А) летят к нему, образуя электрический ток и замыкая электрическую цепь

Это и сделал Эйнштейн. Он внес в ситуацию точно такое же предположение, какое внес Планк: излучение происходит «порциями». Ну то есть излучение – это не какая-то сплошная волна, как думали раньше, а короткие «кусочки», больше похожие вообще-то на частицы. Порция – это ведь часть, и само слово «частица» произошло от слова «часть».

Впоследствии эти «кусочки света» назвали фотонами.

У фотонов нет никакой массы. Они не могут находиться в состоянии покоя. Они электронейтральны, то есть не имеют заряда. Фотон – это квант, то есть частица электромагнитного излучения. Порция живой энергии.

Один фотон попадает в один электрон и целиком передает ему свою энергию, всю порцию, после чего электрон, получивший эту энергию, пулей вылетает из кристаллической решетки металла, как подорванный.

Интенсивность (яркость) света – это количество фотонов. Много фотонов – яркий свет, мало – тусклый. Поэтому интенсивность света и влияет на число выбитых электронов, а не на их энергию, ведь один фотон выбивает только один электрон: больше яркость света – больше выбитых электронов. Энергия же выбитых электронов (то есть скорость их вылета из металла) зависит от энергии фотона, а та зависит от частоты фотона. Высокочастотные – высокоэнергичные. Поэтому если частота (то есть энергия) фотонов становится слишком маленькой для выбивания электронов из металла, фотоэффект просто пропадает. Вот такое объяснение «красной границе фотоэффекта» дал Эйнштейн.

Вроде логично. Но при этом какой-то бред вообще, вы не находите?

Ну, в самом деле, как волна может состоять из частиц, фотонов этих? Ведь волна – это, строго говоря, процесс. А частица – это, друзья мои, объект. Вот молекула, например, объект. Если мы собираем множество молекул в огромный массив, мы получаем среду. И по этой среде могут распространяться колебания, то есть синхронизированные движения объектов среды (молекул). Групповой танец молекул – это колебание. Как колебание может состоять из «частиц колебания»? Как процесс может быть объектом?

Велосипед – это объект. Езда на велосипеде – процесс.

Буханка хлеба – объект. Нарезание хлеба – процесс.

Антилопа – это объект, хоть и живой. Бег антилопы – процесс.

Вода – это объект, хоть и жидкий. Волны на воде – процесс.

Это же принципиально разные вещи!

Нос – это не сморкание. Потому что нос – объект, а сморкание – процесс, который с объектом происходит.

Мозг – это объект. Мышление – процесс, который в мозгу творится.

Как частица может быть волной?

Со времен Ньютона, который утверждал, будто свет – это поток корпускул, прошло много времени, за которое наука блистательно доказала не корпускулярную, а именно волновую природу света. Все свойства волн были у света обнаружены – дифракция, интерференция, преломление. Свет – это волны, а не частицы!..

И вдруг приходят Эйнштейн с Планком и говорят: да нет, вообще-то это частицы, кванты, только так и можно объяснить целый ряд физических явлений, включая фотоэффект. Электроны поглощают частицы света целиком, порционно. Был бы свет сплошными волнами, вся картина фотоэффекта выглядела бы совершенно иначе. А она выглядит так, как если бы электроны не раскачивались постепенно непрерывными колебаниями, а бомбардировались потоком частиц.

Погоревали немного физики да и махнули рукой: эх, ладно, пусть будет околесица! Согласимся, что иногда свет обладает свойствами волны – когда он свободно летит себе и никого не трогает. А иногда свойствами частиц – когда бомбардирует вещество. Пусть у нас будут теперь две взаимоисключающие теории, объясняющие свет, и пусть они счастливо дополняют друг друга, решили физики. Поженили две несовместимые теории и радуются.

Но тут пришел один француз по имени Луи де Бройль, тоже физик, и сказал:

– У меня идея! Если свет, который мы всегда считали волной, теперь обладает свойствами частиц, то быть может, и электроны, которые мы всегда считали частицами, тоже обладают свойствами волн, ну то есть могут интерферировать – складываться друг с другом?

Тоже идея дикая, если задуматься. Электроны – это точно малюсенькие шарики! Давным-давно известна их масса, известен размер – эти характеристики электрона в любом физическом справочнике написаны. Ну, какие волны? Какая интерференция?! Это же горох! Разве может одна горошина сложиться с другой? Бред!

– Ничего, ничего, – успокоил научное сообщество де Бройль. – Давайте проверим.

Проверили…

Помните, как физик Юнг пропускал свет через две параллельные щелки, после прохождения которых световая волна начинала складываться друг с другом, давая на экране полосатую картину? Там, где волны света складывались, были яркие полосы, а там, где они вычитались – темные.

Тот же самый эксперимент, проведенный с электронами, показал: интерференция есть! «Горох» складывается друг с другом! И ладно бы только это! Но ведь выяснилось, что один электрон пролетает через две щели одновременно – так же, как и одинокий фотон может пролететь через две щели одновременно! Одна горошина провалиться через две щели в полу не может. Один автомобиль проехать в два параллельных туннеля не может. Один поезд по двух колеям одновременно ехать не может. А один электрон да через две щели – запросто!

То есть он пролетает через две щели и потом сам с собой интерферирует, то есть складывается волновым образом.

Удивительно. Некоторые свойства электрона, например, спин, о котором мы уже говорили, объясняются вращением электрончика вокруг собственной оси, он крутится как юла или планетка. И это вполне представимо. Но как вокруг своей оси может кружиться волна? Это уже ни в какие ворота воображения не лезет!

Интерференция пучка электронов в двухщелевом эксперименте. Черно-белая фотокартинка изображена справа. Если бы электроны были, как шарики, картина была бы принципиально иной – на экране мы бы видели только две засвеченные полосы – напротив щелей. А их вон сколько!

И не только электрон. В дальнейших опытах была показана интерференция, то есть волновые свойства, протонов, нейтронов. А затем и таких огромных по сравнению с элементарными частицами образований, как атомы и даже целые молекулы! Вещество имеет волновую природу!

Это что же получается? Все наши привычные картины насмарку? Выходит, электрон, как и свет, в свободном полете проявляет свойства волны, а при соударении с препятствием ведет себя, как классическая частица?

Но тогда и модель атома нужно менять! Мы больше не можем представлять себе электрончики как планеты, летающие вокруг атомного ядра по своим орбитам. Потому что у волн нет никаких орбит, волны как бы размазаны в пространстве. Получается, что электроны просто размазаны вокруг атомов и представляют собой нечто вроде электронных облаков.

Электроны вне атомов ведут себя аналогично – не имеют траекторий полета. Хотя с точки зрения классической физики девятнадцатого века должны были бы их иметь. Что такое траектория полета, каждый грамотный пенсионер и юный мальчик представляют прекрасно. Это линия движения. Пуля, которая вылетает из ствола, описывает определенную траекторию. Законы баллистики давно известны, зная скорость и массу пули, всегда можно вычислить, где и в какой момент после вылета окажется пуля и какую скорость она будет иметь. Здесь ничего сложного нет.

А вот если стрельнули электроном, то ничего точно предсказать нельзя. Электрон в полете размазан. Волна! Она везде. И поэтому пролетает одновременно в две дырки. После чего интерферирует сама с собой. А затем врезается в экран уже в виде объекта – крохотного материального шарика, имеющего конкретный размер и точку удара. Все это огромное по сравнению с размерами классического электрона летящее электронное облачко в одно мгновение вдруг схлопывается, стягивается в точку и превращается в привычную нам частицу. Это называется коллапсом или схлопыванием волновой функции.

Сложно себе это представить, ей-богу. Потому физики старой школы долго пребывали в растерянности. И сами виновники торжества, типа Планка и Эйнштейна, долго не хотели соглашаться с тем, чему сами послужили причиной.

Так в начале ХХ века начала рушиться вся привычная наглядная картина мироздания, на которой раньше стояла физика. Наука вторглась в область микромира и попала в область непредставимого. То есть не имеющего наглядных моделей. Ведь что для нас наглядность? То, что нам привычно. А привычно нам то, с чем мы сталкивается каждый день в нашем макромире. И поскольку свойства микромира кардинально отличаются от свойств макромира, в нашем большом мире мы не можем найти нужных аналогов и примеров, которые бы наглядно описывали то, что происходит там.

Очередное огромное полешко в костер этой мировоззренческой катастрофы подбросил великий физик Гейзенберг – тот самый, который делал Гитлеру атомную бомбу, да так и не доделал. Гейзенберг совершил открытие принципиальной важности, которое поставило на старом добром наивном мире XIX века – мире лошадей и паровозов, Шерлока Холмса и Жюля Верна – черный жирный крест.

Гейзенберг открыл свой знаменитый принцип Гейзенберга, который раз и навсегда покончил с иллюзией фатальности, с представлением о мире, в котором все можно предсказать, если познать его хорошенечко. Мир оказался принципиально непознаваемым до конца и лишенным так называемой скрытой реальности.

В чем же этот принцип Гейзенберга, действующий в микромире, заключается? О чем он говорит? И что такое скрытая реальность?

Принцип Гейзенберга иначе называют принципом неопределенности. Суть принципа следует из его названия и заключается в том, что в микромире всегда присутствует неопределенность. То есть мы не можем одновременно точно определить и координату микрочастицы, и ее скорость. Чем точнее мы определяем скорость, тем менее точно определяется координата. И наоборот. При самом точном определении скорости неопределенность в определении координаты частицы стремится к бесконечности. Иными словами, ничего мы уже сказать о ее местоположении не можем.

Принцип неопределенности имеет свое формульное выражение, но приводить эту формулу, хоть она и довольно проста, я не буду, чтобы не отпугивать читателей, поскольку каждая формула в книге сокращает количество читателей вдвое. А мне бы этого не хотелось! Скажу лишь, что в формуле Гейзенберга присутствует в качестве константы, то есть неизменного коэффициента, постоянная Планка – одна из основных характеристик микромира. Это и есть константа неопределенности.

Ну, а что такое «скрытая реальность»?

Если мы отдернем рукой познания тяжкий бархатный полог этого мира, закрывающий его изнанку, мы увидим божественный механизм, наподобие часового, который приводит мир в движение. Этакие приводные колесики вселенной, как в музыкальный шкатулке… Таковы были ньютоновские представления о мире – если мы чего-то не знаем, то это происходит только потому, полагала наука XIX века, что мы просто еще чего-то не успели изучить. А вот изучим и узнаем!

Физика ХХ века поставила на этих наивных представлениях крест, заявив: мы кое-что не знаем о мире не потому, что еще не отдернули рукой познания полог неизведанного, а потому что мир сам о себе этого не знает. Этой информации, которую мы ищем, просто не существует в природе! Принцип неопределенности – такой же закон природы, как и все прочие, ранее нами открытые. И он говорит: не существует никакого четкого, словно в часах, механизма пока еще скрытой от нас реальности. Определив скорость частицы, мы полностью теряем способность найти ее местоположение вовсе не потому, что нами еще не познана какая-то скрытая пока реальность. Нет! Как раз все познано! И это неприятное познание состоит в том, что мир в самой своей основе не имеет той определенности, к которой мы так привыкли. И до тех пор, пока мы не начали измерять параметры частицы, их, этих параметров, просто не существует! Они возникают в момент измерения. Именно потому заранее мы о них ничего сказать и не можем. Можно сказать, что мы творим мир измерением.

Мы не можем точно вычислить характеристики частицы или предугадать место, куда она попадает. Но зато мы точно можем узнать вероятность попадания! Например, с вероятностью в 90 % частица окажется тут, а не там.

Что это значит?

Это значит, что из огромного числа частиц 90 % хлопнутся сюда, а не туда. А вот что касаемо поведения отдельной частицы, то где именно она окажется, достоверно сказать нельзя. Скорее всего тут. Но может и там.

Глава 12. Какой удар со стороны классика!
5 (100%) 2 votes

Добавить комментарий

avatar
480
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить