Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье
Физики пытались найти формулы, описывающие этот эффект, опираясь на теории Ньютона и Максвелла. Но ничего не получалось. Тогда Планк выдвинул гипотезу, что свет излучается не непрерывно, а дискретно – «пакетами», которые он назвал квантами. Это была просто гипотеза, к которой вначале ни сам Планк, ни другие физики не отнеслись серьёзно.
Кстати, Планк не оставил своё увлечение музыкой. Он часто музицировал вместе с Альбертом Эйнштейном: Планк играл на фортепиано, а Эйнштейн – на скрипке.
Что значит «дискретно»? Например, дискретная величина – это количество наличных денег у вас в кошельке. У вас может быть 125 рублей и 3 копейки. Но не бывает кусочка копейки. Поэтому квант наличных денег – это копейка. Копейка – это минимальное количество наличных денег.
Квант – это минимально возможное значение физической величины.
Формула Планка:
E = hν,
где E – энергия;
h – постоянная Планка;
v – частота излучения (читается: «ню»).
h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙c
= 0,000000000000000000000000000000000663
Величину постоянной Планка сам Планк нашёл вручную, подбирая значения, совпадающие с результатами экспериментов.
Чем горяче́е объект и чем больше его энергия, тем выше частота его излучения. Поэтому кузнец видит, как при нагревании меняется цвет тела, т. е. увеличивается частота излучения тела (см. гл. 2, шкала электромагнитных излучений).
#физикишутят
Экзаменатор: Напишите формулу Планка.
Студент: Е равняется аш ню.
Экзаменатор: Что такое ню?
Студент: Постоянная планки.
Экзаменатор: А что такое аш?
Студент: Высота этой планки.
Вы, возможно, слышали, что температура поверхности Солнца – 6000 °C. Но откуда нам это известно, ведь мы никогда к Солнцу не приближались? Мы это знаем из-за длины волны света, который излучает Солнце. Это рассчитывается по формуле Планка.
Всё, что нас окружает, – квантуется. Весь наш мир дискретен. Квантуется не только энергия. Квантуются расстояние, объём. Квантуется даже время.
Математики считают, что мы можем бесконечное число раз делить отрезок пополам. Однако это математическая абстракция – наш мир устроен иначе. И в конце концов найдётся самая малая величина, которую уже невозможно будет поделить.
Насколько велик квант
Дам такие примеры. Атомное ядро включает в себя больше квантовых объёмов, чем количество кубических метров, входящих в галактику Млечный Путь.
А квант времени? Секунда – не самая малая единица измерения времени. В одной секунде больше квантов времени, чем количество секунд, прошедших с момента рождения Вселенной.
То есть квант – это очень, очень маленькая величина. И квантовый скачок тоже вычисляется по формуле Планка и является самым крошечным изменением энергии. Он может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.
Дискретная природа нашего мира порождает удивительные и странные явления, называемые квантовыми эффектами. Квантовые эффекты – это основы квантовой физики, о которых я скоро расскажу. Постоянную Планка можно назвать мерой дискретности.
Если постоянная Планка была бы равна нулю, то мир бы не существовал, так как энергия всех фотонов равнялась бы нулю и не было бы светового излучения.
А если бы постоянная Планка была гораздо больше, то эффекты микромира стали бы обычным для нас делом. Предметы бы исчезали и появлялись в неожиданных местах, тела бы меняли направление движения безо всякой причины, и можно было бы быть живым и мёртвым одновременно. Как вам такой мир?
Физики точно не знают, почему наш мир дискретный. Одно из интересных возможных объяснений – теория симуляции. Согласно ей Вселенная – это компьютерная симуляция, созданная Богом, а квант – это бит информации, как в наших компьютерах. Мы разберём эту теорию в следующих главах.
Резюме и задания
Резюме
• Наш мир состоит из атомов, а атом, в свою очередь, из протонов, нейтронов и электронов. Размеры частиц очень маленькие по сравнению с размером целого атома, поэтому любое тело (включая нас с вами) – это практически пустое пространство.
• Видимое излучение – это малая часть всего спектра электромагнитных волн. Цвет предмета определяется частотой отражаемого излучения.
• Есть четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. Все другие взаимодействия можно свести к этим четырём.
• Поле – это область пространства, передающая взаимодействие. Нет понятия «квантовое поле», есть наука – квантовая теория поля. В ней поля можно называть квантованными.
• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитные волны (энергию).
• Излучение и поглощение энергии происходит лишь при переходе с одной орбиты на другую. Это крошечное изменение энергии (как увеличение, так и уменьшение) называется квантовым скачком.
• Квант – это минимально возможное значение физической величины. Весь наш мир квантуется
