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 13. Напрыгали, как черти из табакерки!

В прошлой главе мы одну хорошую вещь с вами повторили и проговорили – в мире существуют вещество и поле. Если два куска вещества сталкиваются непосредственно – как, например, лоб бегущего мальчика с дверным косяком, они со стуком взаимодействуют. Здесь взаимодействие передается касанием. Но бывает и дистанционная передача, похожая на колдовство – на расстоянии воздействие передается с помощью поля, которое простирается в пространстве вокруг, например, магнита, притягивающего разложенные скрепочки. Или вокруг Земли, если речь идет не об электромагнитном поле, а о гравитационном.

Гравитационное взаимодействие, то есть взаимодействие масс, отвечает за всемирное тяготение, а электромагнитные силы, то есть взаимодействие между притягивающимися и отталкивающимися зарядами, отвечают у нас за всю химию и за само существование тел, которые не разваливаются на атомы, а вполне себе целехонькие находятся в положенных местах.

Кроме того, в предыдущих частях книги вы узнали, что бывают еще два вида взаимодействия – сильное и слабое. Сильное весьма мощное, но короткодействующее и отвечает за удерживание нуклонов в ядре атома (оно противодействует электростатическому отталкиванию положительно заряженных протонов). А слабое – это распадное взаимодействие, отвечающее за распад частиц и развал атомных ядер. Помните – распад одинокого нейтрона…

Возникает вопрос: если гравитационное взаимодействие передается полем и электромагнитное передается тоже полем, то, может быть, слабое и сильное также имеют полевую природу?

Да, имеют. Но об этом чуть позже. Сейчас же вернемся к тому простому и незатейливому случаю, с которого начали эту главу и который не должен, казалось бы, вызывать никаких вопросов – например, с приятным стуком сталкиваются и разлетаются два бильярдных шара или голова мальчика и дверной косяк. Как передается взаимодействие между твердыми электронейтральными и немагнитными телами в момент их соприкосновения?

Что при этом происходит на уровне атомов?

Вопрос непростой! Мы ведь уже знаем, что атомы практически пусты внутри, в них чуть-чуть «реального» вещества, да и то почти целиком сосредоточеннного в ядре, а от плотного ядра до крайних электронных оболочек – огромное по атомным меркам расстояние. Сами же электронные облака, оболочки или орбитали, как их еще называют, почти ничего не весят, электроны-то легонькие и крохотные! Во взрослом человеке массой примерно 70 кг электроны весят всего 20 граммов, а весь остальной вес приходится на ядра атомов.

99, 9999 % объема атома – это пустота, не занятая никаким веществом. Ядро в атоме занимает одну стотриллионную часть объема атома. А электроны атома занимают еще меньший объем, чем ядро.

Атом практически пуст!

И вот мы берем воображаемый очень сильный микроскоп и начинаем смотреть в него с целью выяснить, что же происходит, когда сближаются два бильярдных шара. Шары на первый, то есть невооруженный взгляд, гладкие. Но мы видим при большом увеличении, как они вот-вот коснутся друг друга довольно шероховатыми поверхностями, напоминающими горы на планете. Прибавляем увеличение воображаемого микроскопа и начинаем различать уже отдельные молекулы, затем атомы. Вот атомы двух шаров приближаются друг к другу. Точнее приближаются их электронные шубы. Но электронные шубы – практическая пустота. Электрончики мало того, что крохотные и болтаются на очень удаленных от ядра орбитах, так они еще одновременно и волны, то есть «существа» весьма эфемерные. По сути, атомам нечем соприкасаться!

Отчего же они не проходят друг сквозь друга, как на этом рисунке?

Почему же атомы не проходят друг сквозь друга?

А оттого, что одноименно заряженные частицы (например, электроны) отталкиваются. Дистанционно. Полем. И это значит, что никакого соприкосновения твердых тел на самом деле не существует! Ничто там не соприкасается, потому что соприкасаться практически нечему – пустота одна с эфемерным трепетанием электронных облаков! Фактически внешние электроны атомов двух стукающихся друг о друга бильярдных шаров взаимодействуют друг с другом дистанционно, на расстоянии, через поле! Правда, это расстояние очень маленькое, но все равно мы наблюдаем типичное дальнодействие.

Именно так и происходят все соударения всех твердых тел – через электростатическое отталкивание электронных оболочек их внешних атомов.

А как поля двух сближающихся электронов «общаются» друг с другом, как они друг друга чувствуют? И что такое вообще – поле? Из чего оно сделано?

На этот вопрос физики вам не ответят. На этот вопрос знают ответ только философы. Они говорят так: поле – это особый вид материи. И многозначительно замолкают.

Зато на первый вопрос – как полевое взаимодействие передается – физики ответ имеют. Передатчиком электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – те самые фотоны, о которых мы уже знаем. То есть: два сближающихся внешних электрона разных атомов обмениваются «приветственными телеграммами» – квантами – и таким образом «узнают» друг о друге: ага! на подлете другой электрон, нужно отталкиваться!

Точно так же происходит обмен электромагнитными квантами между электронами и протонами в одном атоме: они шлют друг другу постоянные опознавательные сообщения: привет! рядом противоположный заряд, надо притягиваться!

– Так может, поле состоит из квантов? – озарит кого-то внезапная мысль.

Мысль хорошая. Но неправильная.

Как океан не состоит из волн, так и поле не состоит из квантов. Кванты поля – это лишь возмущения, волнение физического поля. Но даже не это самое интересное.

Удивительнее другое – те самые обменные кванты не простые, а виртуальные, то есть как бы несуществующие. Что это значит? А это значит, что их нельзя перехватить или засечь никаким приборным методом. То есть даже убедиться в их существовании невозможно.

Неплохо завернуто? Такова современная физика, привыкайте.

Слова «виртуальная реальность» известны нынче всем из-за массового распространения компьютеров и компьютерных игр. Виртуальная – значит несуществующая, придуманная, сказочная, игровая. Но если для компьютерных миров это определение вполне понятно, то в устах строгой науки физики выглядит странно. И это еще очень мягко сказано! С каких это пор физика оперирует сказочными, выдуманными категориями? А вот с тех самых пор, когда Планк и Эйнштейн себе на голову придумали кванты и потом весьма страдали через это интеллектуально. Родив новый раздел физики – квантовую механику, они сами были ею очень недовольны, уж больно непривычная какая-то физика начинала вырисовываться на горизонте! Недаром Эйнштейн называл квантовую механику «магией» и даже «не-физикой».

Но великий Эйнштейн ошибался! Кванты прочно укоренились в физике вместе с квантовой механикой, и современные физики теперь не только отказались от прежних наивных представлений о физической реальности (об отказе физиков от реальности можно прочитать ниже в специальном разделе), но и вовсю оперируют виртуальными квантами, само существование которых доказать нельзя, потому что их принципиально невозможно поймать. Это своего рода «шифрограммы», которыми обмениваются заряженные частицы.

Настоящие, реальные кванты, частицы или фотоны отличаются от виртуальных тем, что реальные фотоны – это обычный свет, обычное электромагнитное излучение. Его можно «поймать» на фотопластинку или глазом, отразить зеркалом, уловить антенной. А вот виртуальные фотоны – никак. Едва возникнув, они обязаны тут же поглотиться, не успев как следует проявиться в этот мир.

Почему?

Потому что в нашем мире, друзья мои, ничто не возникает из ниоткуда и никуда не пропадает, ибо действуют строгие законы сохранения. Подумайте сами – электроны все время пуляют вокруг себя этими фотонами. А ведь каждый фотон – это «порция энергии» в чистом, рафинированном виде. При таком «расходе патронов» электрон вскоре вовсе потерял бы всю энергию своего существования! А он ничего не теряет, а спокойно живет.

Да, бывают случаи, когда электрон излучает реальный, настоящий фотон. Но для излучения фотона электрон должен быть возбужденным, то есть ранее уже поглотившим фотон света. Принцип прост: сначала электрон поглотил фотон, возбудился, то есть стал энергичнее ровно на эту порцию энергии, а потом выплюнул ее обратно в виде фотона. Именно так и происходит отражение света от предметов. Чуть позже мы об этом еще поговорим подробнее.

Но обычный спокойный, «домашний» электрон в атоме, кружащийся в мягких тапочках по своей уютной орбитали вокруг ядра, просто не имеет лишней энергии, чтобы бездарно тратить ее, выстреливая из себя фотон за фотоном, информируя всех о своем присутствии!

Поэтому физикам пришлось придумывать, то есть дополнять свою теорию некими виртуальными фотонами. Которые все-таки как бы излучаются электроном, как бы нарушая закон сохранения энергии. Но само это нарушение, само появление или «полупоявление» этих виртуальных фотонов в нашем мире возможно лишь потому, что существует принцип неопределенности, допускающий на короткое время нарушение законов сохранения – но на такое короткое время, чтобы засечь это нарушение было никак нельзя. Этакая флуктуация, то есть случайное колебание в рамках допустимой неопределенности.

И если реальные фотоны видят все, кому не лень, то виртуальные «видят» только обменивающиеся ими частицы. По сути – это призраки. Чистая выдумка физиков. Теоретический конструкт, рожденный в их головах. Однако эти неуловимые призраки передают вполне реальное взаимодействие: бац! и бильярдные шары со стуком разлетелись в разные стороны – просто потому, что электроны, находящиеся на их поверхностях, обменялись виртуальными фотонами. Которых как бы и не существует. Или их не существует без всяких «как бы»? Ведь что такое «существует»?

Существует – значит проявляет себя! А виртуальные фотоны принципиально невозможно засечь никакими приборами. И проявляют они себя только так – через взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоит весь мир.

Ну и как проверить, есть ли они «на самом деле»? Да никак! В теории они существуют и объясняют, как происходит взаимодействие. А кроме теорий наука больше ничем, в общем-то, и не оперирует.

Ладно. С этим примерно разобрались – электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов. А остальные виды взаимодействия?

Да так же!

Гравитационное – передается с помощью квантов гравитационного поля – гравитонов. Причем если реальные электромагнитные фотоны прекрасно изучены и легко наблюдаемы, то гравитоны экспериментально еще не обнаружены.

Сильное взаимодействие, которое скрепляет в ядре атома между собой протоны и нейтроны, передается сильным полем, носителем которого являются кванты этого поля – виртуальные пи-мезоны. Нуклоны в ядре буквально окружены шубой из виртуальных пи-мезонов.

Ну, а носителем слабого взаимодействия являются кванты слабого поля со странным названием векторные бозоны.

Подробный рассказ об этих и других элементарных частицах – тема для отдельной книжки, однако пару слов об этом сказать стоит.

Мы с вами твердо знаем: самые лучшие элементарные частицы – электрон, протон и нейтрон. Я бы на каждом из них знак качества поставил, настолько они отличные! Именно из этих кирпичиков сделан весь окружающий нас мир – воздух, зеркало, папа с мамой, мороженое, деньги, солнце и прочие полезные в быту предметы. Все остальные частицы по сравнению с этими – сущий мусор.

А какие остальные?

Ну, вот, например, уже знакомое нам нейтрино, про которое мы вскользь упоминали ранее и которое получается при распадных, то есть слабых взаимодействиях. Напомню: при распаде свободного нейтрона, который живет 15 минут, получаются протон, электрон и то самое нейтрино. Возникнув, оно уже не взаимодействует с веществом и улетает прочь навсегда со скоростью света, более никому никогда уже не мешая и практически не вступая ни в какие реакции. Сущий пустяк! Вселенский вздор. Мировой мусор.

Ну, еще мы с некоторой натяжкой можем включить в список известных нам частиц фотон – «кусочек света», хоть это и безмассовая частица, в том смысле, что она не имеет массы покоя: фотон нельзя остановить, он может только лететь со скоростью света, как и нейтрино. Только нейтрино просто пронзает любую материю, не замечая, и улетает дальше, а когда фотон хлопается о какое-то вещество, он просто перестает существовать. Куда же он девается? Мы ведь твердо знаем из законов сохранения массы и энергии, что масса и энергия никуда не пропадают и не возникают из ниоткуда.

Совершенно верно: фотон, будучи порцией чистой энергии, всю ее (себя) передает тому электрону того атома того вещества, в которое попал. Электрон целиком проглатывает этот квант энергии и становится возбужденным, то есть более энергичным, перескакивая при этом на более высокую орбиту.

А потом?

А потом возбужденный электрон сбрасывает возбуждение, излучая фотон и «успокаивается», вновь опускаясь на прежнюю низкую орбиту. Именно так происходит рассеивание голубого света в атмосфере – фотоны беспорядочно скачут от одной молекулы воздуха к другой. Так происходит отражение света от зеркала. И почти также происходит переизлучение в другом диапазоне: например, закопченное, то есть покрытое черной сажей. стекло свет не отражает, а поглощает. То есть электроны сажи хватают фотон, возбуждаются, но потом, в силу особых свойств сажи, переизлучают его с другой частотой – в виде квантов инфракрасного, то бишь теплового излучения. Это значит, что черные тела типа сажи быстро нагреваются на свету. Поэтому на юге, где много солнечного света, лучше иметь белый автомобиль или серебристый – меньше нагреваться будет и больше отражать. А вот бак для нагрева воды солнцем надо непременно делать черным – вода в нем быстрее прогреется.

Впрочем, мы отвлеклись… Итак, еще сто лет назад физики знали всего три частицы – протон, электрон и нейтрон, причем нейтрон был еще не открыт, а только предсказан (открыт он был лишь в 30-е годы ХХ века).

Ну, чего еще желать? Зачем нужны еще какие-то частицы, если из этих трех складывается все?

Однако, изучая в верхних слоях атмосферы космические лучи, то есть прилетающее на Землю из космоса излучение разного рода, ученые обнаружили и другие частицы. И даже античастицы! Именно так была обнаружены первая античастица – позитрон.

Почему их назвали античастицами? Потому что свойства античастиц как бы противоположны свойствам частиц, и при встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение – этакий микроскопический взрыв, при котором обе массы (частицы и античастицы) переходят в чистую энергию, то есть в кванты электромагнитного излучения – на месте двух солидных частиц с массой образуется яркая и безмассовая фотонная вспышка.

Позитрон – это антиэлектрон. Он имеет точно такую же массу, точно такой же размер, что и электрон. У него такой же спин, то есть свойство вращения, как у электрона, но электрический заряд у позитрона положительный, а не отрицательный. Иными словами, позитрон – точная копия электрона, только с противоположным зарядом. И этого хватает для взрывного взаимоуничтожения при встрече – аннигиляции.

Позже были найдены античастицы и для других частиц. Антипротон, например, имеет все те же характеристики, что и обычный протон, вот только заряд у него не положительный, а отрицательный. Однако при встрече антипротона с протоном происходит все то, что и должно происходить при встрече античастиц – аннигиляция.

Вообще говоря, аннигиляция – самый энергичный процесс из известных человечеству. Аннигиляционный взрыв в тысячи раз мощнее взрыва водородной бомбы. Потому что при взрыве атомной или водородной бомбы только часть массы реагирующего вещества переходит в энергию. А тут – вся масса! В том и состоит основной прикол аннигиляции, что она целиком превращает массу в излучение.

Самая большая водородная бомба, когда-либо взорванная человечеством, имела мощность в 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, то есть для взрыва такой же силы потребовалось бы 50 миллионов тонн обычной взрывчатки (тротила) – это миллион грузовых вагонов по 50 тонн каждый, что превышает мощность всей взрывчатки, использованной во Второй мировой войне. При этом сама водородная бомба весила всего 27 тонн, а действующего вещества (дейтерия) в ней было всего-то несколько тонн, все остальное – вспомогательное оборудование. А вот если бы могли осуществить взрыв такой мощности при помощи антивещества, потребовались бы уже не тонны, а всего 1 кг антивещества и 1 кг вещества.

Вот только взять его негде, это антивещество, его очень мало в нашей Вселенной. Ученым на ускорителях удается получать буквально считаное количество этих античастиц. И однажды, кстати, удалось даже собрать из них атом антиводорода. Что такое водород, мы знаем – это один протон, вокруг которого вращается один электрон, самое простое вещество. А антиводород – это антипротон, вокруг которого вращается позитрон. У обычного водорода плюсовой заряд в центре атома, а «минус» болтается вокруг, а у антиводорода все наоборот. Антивещество!

Водород и антиводород

Кстати, вас не удивил тот факт, что масса может исчезать, превращаясь в чистый свет (излучение)? Ведь на самом деле это поразительно, если вдуматься! Нас с самого детства окружают тела, имеющие массу, мы так привыкли к проявлению массивности, что сама мысль о том, будто масса может попросту исчезать, кажется дикой. Тем более, что у самих физиков есть закон сохранения массы, который дети проходят в начальной школе! Это что же, один из главных физических законов нарушается, что ли?

Нет, не нарушается. Ведь масса не исчезает бесследно.

Дело в том, что, строго говоря, масса и энергия – это одно и то же. Масса – это как бы «сгущенная энергия», и правильнее закон сохранения массы и закон сохранения энергии было бы назвать законом сохранения массы-энергии, потому что масса никуда бесследно не исчезает, но может переходить в энергию, и наоборот (равно как и разные формы энергии могут переходить друг в друга – механическая в электрическую, электрическая в тепловую и т. д.)

Эквивалентность массы и энергии показал еще Эйнштейн, написав свою знаменитую формулу, связывающую массу с энергией через скорость света. Приводить эту простенькую формулу, хоть и велик соблазн, я тут не буду, ибо дал себе страшную клятву написать книгу о физике без единой формулы. С другой стороны, кто мне помешает разместить тут картинку? Таким образом я хитро вывернусь, не нарушив данного самому себе слова.

Формула Эйнштейна, связывающая массу с энергией, настолько популярна в народе, что ее часто рисуют даже на футболках и кружках. Здесь Е – это энергия, m – масса, а с – скорость света в квадрате.

В общем, если верить майкам и кружкам, любую энергию можно выразить в килограммах, а любую массу – в единицах энергии (джоулях) с помощью простого коэффициента с2. Хотя с налету понять сие непросто: в самом деле, ну как такое может быть, что масса и энергия – одно и то же? Уму непостижимо!

Масса – это мера инертности тела, мера его веса.

Чем массивнее тело, тем труднее его стронуть с места, разогнать или поднять. Еще масса имеет гравитационное свойство – она может притягивать к себе другие гравитирующие массы. А энергия – это нечто эфемерное, теоретическое. Некое свойство или способность тела совершать работу. Мы это уже разбирали: поднял гирю в часах – запас ей потенциальную энергию для движения стрелок, разогнал пулю – придал ей кинетическую энергию, теперь она может пробить доску. Наконец, энергией в физике называют и просто кванты электромагнитного излучения. Вот именно в эти безмассовые кванты и превращается масса при некоторых реакциях.

Тут некоторые добрые люди могут сказать, почесав затылок:

– Ну, тогда получается, что энергия энергии рознь, не надо путать. Кинетическая энергия – это просто формальная абстракция. Скорость тела подставляется в формулу, и получается на бумажке некое число, которое мы называем энергией. В реальности никакой энергии нет, есть только скорость тела. Да и та – величина очень относительная, весьма формальная. Если вы едете в электричке, то ваша скорость относительно земли равна скорости электрички, и у вас тогда довольно большая кинетическая энергия. А относительно вагона вы вообще не двигаетесь, а просто сидите на лавке, стало быть, относительно вагона ваша кинетическая энергия равна нулю! А если учесть, что Земля с огромной скоростью несется вокруг Солнца, то относительно Солнца ваша кинетическая энергия вобще умопомрачительная! Но это всего лишь циферки на бумаге. А вот что касаемо излучения, то есть квантов электромагнитного поля, которые тоже иногда называют энергией – это всего лишь одна из форм существования материи – полевая. Просто в микромире вещество может превращаться в поле, а поле в вещество. Так что не надо нам тут говорить, будто реальное вещество превращается в энергию. Оно просто превращается в другую форму материи. А попробуйте превратить в реальную материю цифры на бумаге!..

Хорошие рассуждения. Глубоко человек копает. Уважаю. Вот только кинетическая энергия, которая зависит от скорости, очень даже может превращаться в реальную материю – и полевую, и вещественную, то есть и в излучение, и в массу.

Это все время происходит и в природе, и у физиков в ускорителях. Ускоритель – это огромная установка, которая с помощью электромагнитных полей разгоняет потоки заряженных частиц. И сталкивает их друг с другом. Идея ускорителей состояла в том, чтобы посмотреть, как устроены частицы, разбив их ударом друг о друга, как маленький мальчик разламывает игрушку с целью поглядеть, что у нее внутри. Однако в результате столкновения элементарные частицы не разваливаются на составные части, ибо не состоят из «деталек», а превращаются в другие частицы или рождают целые гроздья новых частиц. Откуда же они берутся? А из энергии! Из той самой, которую придали исходным частицам физики, разогнав их.

Так, например, если хорошенечко разогнать навстречу друг другу два протона, то при их столкновении сами исходные протоны никуда не деваются, а при ударе рождается еще целая гроздь разных частиц. Каких? Об этом чуть ниже, а сейчас обратите внимание на то, что рождаются они как бы из ничего. Но на самом деле не из ничего, а из «лишней» энергии этих исходных протонов, из чистой скорости.

Люди хитрые и хорошо знакомые с теорией относительности Эйнштейна, могут уточнить:

– Не из скорости, а из дополнительной массы, которую им придала скорость!

А людям, с теорией относительности не знакомым, нужно кое-что пояснить. Дело в том, что теория Эйнштейна утверждает: при росте скорости любого массивного тела его масса увеличивается. Это факт.

Масса покоящегося тела – минимальна. Фотон, например, так вообще не обладает массой покоя, поэтому и может летать, как ангел, со скоростью света, а остановиться не может. Но если тело имеет массу, то мы его никогда не сможем разогнать до скорости света, потому что его масса при приближении к скорости света будет стремиться к бесконечности.

При тех скоростях, с которыми мы имеем дело в земной реальности, рост массы совершенно незаметен, но при приближении к скорости света масса начинает расти очень быстро, стремясь к бесконечности. Поэтому даже легонький электрон невозможно разогнать до скорости света: для этого не хватит энергии всей вселенной, поскольку масса электрона превысит массу всей вселенной.

Очень красивый график, который показывает, что при приближении к скорости света масса тела вырастает в разы. Здесь м0 – это масса покоящегося электрона или любой другой частицы – хоть килограммовой гири

Небольшой отдельный блок об удивительной теории относительности вы можете прочитать ниже, а сейчас завершим разговор о массе-энергии и о частицах… Можно, конечно, сказать, что вещество в виде новых частиц рождается в ускорителях из «наросшей» массы сталкивающихся протонов, поскольку их разгоняют до скоростей, близких к скорости света, и масса частиц вырастает изрядно. Но это объяснение никак не противоречит сказанному ранее, ведь рост массы происходит как раз из-за набора скорости, то есть возникает из кинетической энергии разогнанных тел. Разгоняя частицы, мы накачиваем их энергией. Таким образом энергия непосредственно превращается в массу, а эксперимент воочию демонстрирует нам эквивалентность массы и энергии. Вот вам и формальная абстракция, вот вам и и «циферки на бумажке»!..

Можно пойти в рассуждениях и дальше. Вспомним магнит. Его окружает магнитное поле. Как далеко оно простирается? И может ли оно вообще на каком-то удалении от магнита резко «оборваться»? Нет, теоретически поле уходит в бесконечность, «истончаясь» до практического нуля, но никогда этого нуля не достигая. И вокруг электрона его электрическое поле тоже тянется в бесконечность. Можно сказать, что любой крохотулечка-электрон имеет габариты размером со всю вселенную. Или что он представляет собой «стоячую волну» с пиком электрического поля в точке собственного расположения, а полевые края этой остроконечной «шляпы» уходят в бесконечность.

Еще на рубеже XIX – ХХ веков появилась теория, гласящая, что вся масса электрона создается его электромагнитным полем и ничем больше. Ее выдвинул английский физик Томсон. К единому мнению по данному вопросу физики так и не пришли, но учитывая, что вещество имеет двойственную, то есть и корпускулярную, и волновую природу, каждую частицу можно представить, как «полевой сгусток» или «полевой клубок», который может, проаннигилировав и потеряв массу при встрече с «антиклубком», «распуститься» в линейную нить летящего фотона.

Физические поля, друзья мои, это не кучевые облачка, окружающие заряженные частицы или предметы. Поля уходят в бесконечность и пронизывают всю вселенную. Мы живем в полях и колебаниях и сами во многом представляем собой поля и колебания. И даже там, в далеком космосе, в миллиардах и триллионах километров от любого вещества, где, казалось бы, и нет ничего, все равно что-то есть.

Что?

Физический вакуум. Обычно под словом «вакуум» понимают пустоту, так сказать, «чистое пространство», в котором нет ни веществ, ни полей. Но еще древние греки смутно догадывались, что «природа боится пустоты».

– Natura abhorret vacuum! – восклицали римляне вслед за греческим философом Аристотелем.

И смутные догадки древних философов квантовая физика подтвердила. По современным представлениям, пустоты действительно нет, а вакуум представляет собой вырожденную материю на нулевых энергетических уровнях. В этой «пустоте», то есть в физическом вакууме, все время происходят околонулевые колебания поля и вещества, поэтому прямо из пустоты на короткие мгновения рождаются и тут же схлопываются виртуальные пары «частица-античастица». Разрешает им рождаться принцип неопределенности. А чтобы при этом не нарушался закон сохранения массы-энергии, частицы, едва проклюнувшись из небытия, тут же снова ныряют обратно в ничто. Иначе получится, что вещество берется из ниоткуда!

Но если пары частица-античастица образуются на такой короткий срок, что их невозможно засечь никаким прибором, как проверить, происходит ли это? Есть несколько способов.

Во-первых, в момент появления их можно успеть растащить, приложив мощное внешнее поле. Чего проще: поставим две параллельные металлические пластины в вакууме, подадим на них мощный электрический потенциал – на одну «+», на другую «-». Тогда частицы, возникнув из небытия, не успеют схлопнуться обратно, а будут ухвачены «за волосы» собственного поля внешним полем и растащены. Но никакого нарушения законов сохранения при этом уже не произойдет, ведь мы заплатили деньги, подключили прибор к розетке, потратили энергию, в результате чего получили из нами же организованного внешнего поля новую массу. Все по-честному.

Во-вторых, существует так называемый эффект Казимира. Снова берем и ставим в вакууме две параллельные пластины на микронном расстоянии друг от друга. И замечаем, что они начинают притягиваться друг к другу чуть больше, чем им положено в соответствии с законом всемирного тяготения. Почему? Из рисунка ниже и подписи к нему становится ясно, почему.

Эффект Казимира. И между пластинами, и за ними вакуум «кипит» постоянно возникающими частицами и квантами полей. Но внутри пластин возможно возникновение ограниченного количества квантов – только таких, у которых между пластинами укладывалось целое число волн, а остальные там «не помещаются». А вот вне зазора возникают кванты любых частот, их там ничто не ограничивает. Значит, снаружи их вспыхивает больше и снаружи квантовое давление, соответственно, сильнее.

Наконец, третье доказательство «кипения» вакуума. В физическом вакууме все время возникают и исчезают виртуальными парами протоны и антипротоны, электроны и позитроны. А они ведь имеют свой заряд! И этот заряд из-за постоянного «кипения вакуума» постоянно присутствует вокруг реальных частиц и с ними взаимодействует, как бы экранируя реальные частицы от внешнего наблюдателя. Так вот, эта экранировка физиками была засечена приборно. Таким образом, будучи не в силах поймать сами виртуальные частицы, они засекли их наличие по косвенным признакам. Разве плохо?

И теперь современные философы, начитавшись книжек о физике, выделяют три состояния материи – вещество, поле и вакуум. Я бы даже сказал, что вакуум – это «овеществленное пространство».

Но самый большой сюрприз преподнес философам английский физик Дирак, по представлениям которого реальные частицы являются всего лишь устойчивыми возбужденными состояниями вакуума. Какое-то из них мы воспринимаем как электрон, какое-то как пи-мезон… И когда электрон, например, летит, то это не шарик летит в пустоте, где ему ничего не мешает, а перемещается волна возбуждения в первичной ткани нашего мира – вакууме. С этой точки зрения мы все состоим из пустоты, разным образом организованной.

Вот такие пироги…

Ну, а что касаемо элементарных частиц, с которых мы начали эту главу, то к настоящему времени физики обнаружили их целые сотни. И честно говоря, ничуть не обрадовались. Потому как не нужно им было столько! Весь окружающий нас мир создан всего из трех частиц. Ну, еще нам пригодятся кусочки света – фотоны. А остальное-то на кой черт напрыгало из закромов природы?

Для чего природе понадобились эти сотни частиц, которые мы засекаем на ускорителях?

Просто безумное какое-то количество! С разными свойствами… Например, разница в массах у частиц может достигать 600 миллиардов! То есть самые тяжелые в 600 миллиардов раз тяжелее самых легких. К чему такое безумное разнообразие?

Правда, почти все эти новоявленные сотни частиц весьма короткоживущие, они существуют ничтожные доли секунды, после чего распадаются на более стабильные и уже знакомые нам частицы. Поэтому лично я, честно говоря, в силу недолговечности этих частиц вообще отказал бы им в громком наименовании «частицы», а обозвал скорее переходными процессами, то есть самим моментом превращения сталкивающихся в ускорителе протонов во что-то другое. В природе не бывает мгновенных процессов, все процессы занимают какое-то время, вот и те треки, которые опознаются физиками как короткоживущие частицы, я бы назвал «реакциями». Впрочем, физики называют эти короткоживущие штучки отдаленно схожим словом – «резонансы». И вообще сейчас они заняты тем, что составляют для обнаруженных сотен частиц классификацию, своего рода «таблицу Менделеева» для элементарных частиц.

Пожелаем им в этом успехов.

Относительно относительности.

Теория относительности Эйнштейна – наиболее известная широкой публике физическая теория. Хотя она не самая странная и не самая сложная. Квантовая механика и посложнее, и постраннее будет. Но именно про теорию относительности в общих чертах имеют представление почти все от мала до велика. Сейчас это представление поимеете и вы, вне зависимости от того, малый вы или великий…

По-хорошему про данную теорию нужно писать отдельную книгу – со схемами и графиками, но нам сейчас придется ограничиться только отдельными выводами из теории относительности. Они весьма нетривиальны.

Эйнштейн показал, что при приближении к скорости света масса тела растет (об этом мы уже знаем), линейные размеры тела сокращаются (оно становится короче), а время для него замедляется. Что означает последний факт? Он означает, что все процессы для этого тела текут медленнее – при взгляде со стороны, разумеется. Так, если на звездолете, передвигающемся с околосветовой скоростью, проходит минута, то на Земле могут пройти годы или даже столетия.

Но это еще не все странности. Эйнштейн трактует гравитацию как искривление пространства и замедление времени. Иными словами, то, что мы принимаем за тяготение, то есть стремление тел притянуться к Земле, есть просто побочный эффект кривого пространства. Наиболее наглядная картинка, которую можно вообразить, чтобы это понять, такова.

Представьте себе ровно натянутую и разлинованную в клеточку резиновую поверхность – это пространство без гравитирующих масс. Все линии и углы тут прямые. Мы имеем модель двумерной поверхности, то есть плоскость – на плоскости есть только ширина и длина, но нет высоты. Невесомый шарик (фотон) будет катиться по этому прямому плоскому пространству прямолинейно. Такое прямое пространство называется эвклидовым в честь греческого геометра Эвклида.

Если теперь на эту плоскость положить массивный шар в виде тяжелой планетки, резиновая поверхность прогнется. Нарисованные на поверхности линии и углы растянутся и искривятся, причем чем ближе к шару, тем больше. И если снова запустить по этой резине какой-нибудь маленький пробный шарик, прямая траектория его движения неподалеку от тяжелого шара изогнется вслед за изогнутой поверхностью резины, а если скорость шарика невелика, он может вообще скатиться в прогнутую большим шаром ямку. Как бы притянется к нему. Но это «притяжение» лишь есть следствие изогнутости нашего двумерного пространства.

То же самое происходит и с нашим трехмерным пространством, просто его искривление представить себе не так просто, как искривление двумерной поверхности, то есть плоскости.

Таким образом, каждая масса в нашем мире, начиная от самых легких частиц до самых тяжелых звезд и галактик, формирует вокруг себя искривление пространства, которое перестает быть прямым, эвклидовым.

Искривленное двумерное (плоское) пространство, двигаясь по которому пробный шарик попадает в яму изогнутого пространства.

Но это еще не все хитрости старика Эйнштейна. По его теории, масса не только искривляет вокруг себя пространство, но еще и замедляет вблизи себя время, и чем больше масса – тем больше. Соответственно, возле Солнца время течет немного медленнее, чем около Земли.

Несмотря на все эти совершенно неочевидные вещи, теория Эйнштейна прошла все возможные экспериментальные проверки, и эффекты искривления пространства и замедления времени были зафиксированы приборно. Теория была блистательно доказана!.. Конечно, для тех масс, с которыми мы обычно имеем дело и на которых живем (Земля), эффект искривления пространства и времени слаб, но при должном старании ловится. А уж тут физики постарались, уверяю вас! И потому сегодня теория относительности является одной из главных и самых прекрасных драгоценностей в сокровищнице физической науки. Периодически взволнованные физики берут эту теорию дрожащими ручонками и, не отрывая глаз, тихо вздыхают, любуясь ею, будучи не в силах перенести восхищения.

Как физики от реальности отказались.

Физика отличается от математики тем, что описывает не голые цифровые абстракции, а конкретный мир, хотя и с помощью математики. За математическими формулами в физике всегда стоит какая-то реальность, и если формулы эту реальность описывают неправильно, значит теория не верна, нужно подобрать другие формулы. Или даже не подобрать, а вывести, построив у себя в голове некую наглядную модель того, как происходят физические процессы – течет вода, летит тело под действием силы тяжести, нагревается тело, преломляется луч. Если выведенная формула соответствует результатам экспериментов, значит, наглядная модель, возникшая в голове теоретика, соответствует действительности – по крайне мере до определенных пределов.

Однако все было так только до начала ХХ века, поскольку ранее физика занималась изучением в основном макромира, а потом перешла к изучению микромира. И вот в физике микромира наглядность начала пропадать. Представить себе частицу в виде маленького шарика – легко. Представить себе волну – тоже не сложно. А вот как представить себе волно-частицу? Как представить, что один электрон прошел одновременно через две щели? Как представить себе виртуальный квант или возбужденный вакуум?..

В нашем макромире подобных объектов нет. В этом и состоит проблема современной физики: человек есть животное, приспособленное к жизни в мире твердых тел, то есть в макромире. То, к чему мы привыкаем с детства, живя в этом мире твердых тел, мы и считаем наглядным, то есть понятным. Наглядность есть функция привычки, не более. А проникновение силою ума в микромир лишило физиков наглядных картинок, оставив в их инструментарии только абстрактное мышление и чистую математику. У нас нет и не может быть представлений о микромире: наше тело заточено под выживание в макромире.

Но так больно было расставаться с наглядностью! Так трудно было расставаться с привычным и естественным! Например, для нас совершенно естественно, что параллельные линии не пересекаются. Однако для нас это естественно только потому, что мы привыкли жить в так называемом эвклидовом пространстве, где работает привычная школьная геометрия. Однако физики уже оперируют и другими геометриями – геометриями искривленных пространств, в которых параллельные вполне себе пересекаются.

– Физика изучает мир и потому не может обойтись без наглядности, – считали физики старой школы. – Ведь за формулами всегда стоит какая-то реальность! Нужно просто придумать такие модели, которые бы реальность адекватно описывали и давали возможность ее понять не только на уровне формул. Вот мы же может формулами описать сжатие пружины или полет пули, и можем эти процессы наглядно себе представить. Давайте же найдем такие наглядные модели, которые бы давали наглядное представление о событиях в микромире.

– А это невозможно, – жестко возражало новое, молодое поколение физиков. – Как можно представить себе «вектор состояния» или «волновую функцию»? Придется вам теперь обходиться только формулами! Хе-хе.

– Какие же вы все-таки мерзкие! – обижались старички. – Ведь быть такого не может, чтобы природа сама о себе чего-то не знала. Скорее всего это мы о ней чего-то еще не успели узнать, раскрыть каких-то ее секретов, поэтому нам и кажется, что в природе микромира царят случайность и неопределенность и что летящий электрон находится одновременно во всех точках пространства. А на самом деле – он где-то в одном месте. Просто нужно дальше изучать мир и постичь наконец скрытую пока еще от нас реальность. Потому как то, что получается из формул, просто противоречит интуиции!

– Да нет никакой скрытой реальности, дедки! – цинично смеялось над физиками старого поколения поколение молодое. И называло стремление стариков к наглядности «наивным реализмом». – А что касается интуиции, то она всего лишь порождение макромира и наших чувств, завязанных на макромир, забудьте про нее.

И вы уже знаете, что среди обиженных дедков были такие зубры, такие столпы физики, как Планк, де Бройль и Эйнштейн, которые сами стояли у истоков мировоззренческой катастрофы. Эти люди растерянно пытались найти хоть какие-то наглядные модели, чтобы описать корпускулярно-волновой дуализм и прочие чудеса микромира. А новое поколение только рукой махало, даже не пытаясь найти каких-то картинок, довольствуясь только формулами.

Об этом драматичном споре один из физиков новой волны – Макс Борн высказался так: «Нашу полемику нельзя назвать чисто научной дискуссией. Скорее, она напоминала религиозные споры времен Реформации. Так что надежд на примирение мало». И в общем, был прав. Мировоззренческая катастрофа была такой, что кое-кто из физиков на этой почве даже увлекся древнеиндийской философией, как это сделал, например, Эрвин Шредингер.

Усугубило катастрофу и то обстоятельство, что физике пришлось отказаться не только от концепции физической реальности, но и от концепции объективности! Раньше считалось, что есть объективный мир и есть субъект, то есть человек, который этот мир изучает. Объективность же мира в том и заключается, что он от субъекта никак не зависит. Он просто существует, вне зависимости от того, изучаем мы его или нет и кто этим занимается – Иванов, Петров или Сидорчук. Законы природы от нас не зависят, мы их просто познаем…

Но законы микромира оказались столь странными, что в них наблюдение субъекта за реальностью очень даже влияло на реальность! Объективная реальность оказалась зависящей от субъекта!

Вот пример.

Двухщелевой эксперимент с электроном, который пролетает в две щели и рисует на экране интерференционную картину. Итак, один электрон пролетел в две щели. «А может, все-таки в одну?» – с надеждой вопрошали физики-классики. Что ж, можно проверить. Можно неподалеку от одной из щелей поставить регистратор, который будет засекать, пролетел в эту щель электрон или нет. Если регистратор электрон засечет – значит, он действительно пролетел в эту щель. А если не засечет – значит в другую!

Ну, и что же вы думаете? Как только ставят регистратор, как только начинают проводить наблюдение, так электрон и вправду начинает пролетать только в одну щель – либо в эту, либо в соседнюю. Но при этом интерференционная картинка на экране исчезает!

Интерференция исчезает, когда электрон «узнает», что мы за ним наблюдаем, вот в чем проблема. Электрон начинает вести себя, как обычная частица. А когда не наблюдаем (выключаем прибор регистрации), он снова ведет себя, как волна, и картинка сложения волн на экране возникает снова.

Как неожиданно…

И одна из главных физических формул микромира, которая описывает так называемый «вектор состояния», она ведь описывает математическими значками не только само состояние изучаемой квантовой системы, но и наши знания о ней. Они включены в формулу. Ну, разве могли физики старой школы так легко с этим смириться?

А уж когда физики-теоретики стали изучать вакуум и самые мелкие структуры бытия, последние остатки наглядности в виде мысленных картинок или рисунков растворились и остались одни сплошные формулы.

Что поделаешь, миром руководит математика!

Глава 13. Напрыгали, как черти из табакерки!
5 (100%) 4 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