Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

я имею в виду тот короткий кусочек шкалы, который мы называем видимым светом. И теперь остается только ответить на вопрос, что же это за колебания, то есть что же именно колеблется, раз свет – это волна.

Тут я рекомендую вам вспомнить, с какого момента книги мы начали этот длинный разговор о волнах. Не листайте книгу, я напомню ход событий.

Мы сначала узнали, из чего собирается вещество. Оно собирается всего из трех частиц – электрон, протон и нейтрон. Две из них электрически заряженные. Мы полюбили таблицу Менделеева, где сгруппированы все возможные атомы, сделанные из трех указанных элементарных частиц. Мы узнали на примере воды и соли, как собираются из атомов молекулы. (Подробности этой сборки изучает наука химия.)

Затем выяснилось, что, помимо вещества, в мире существует еще и некое невидимое и неосязаемое поле. Оно неразрывно связано с веществом! Электрическое поле связано с электрически заряженными частицами. Магнитное поле магнита порождается движением электрически заряженных частиц. А вообще-то разделять их бессмысленно, поскольку магнитные и электрические проявления поля – это как орел и решка у монеты. Ну не бывает же отдельно орла и решки, это просто две стороны одной денежки. Точно так же не бывает и отдельного магнитного и электрического поля. Это две стороны единого электромагнитного поля. Просто иногда нам видится только одна из его сторон. Но стоит сделать шаг в сторону… Шаг в сторону – это движение. А движение сразу приводит к «мерцанию сторон» поля: движущееся магнитное порождает электрическое, движущееся электрическое порождает магнитное. И пошел разбег кругов.

Затем мы подвесили на ниточке магнит, а потом заряд и качнули их, заставив двигаться, колебаться и распространять по своему полю волны.

Догадались? Те самые волны, которые в частотном диапазоне простираются от нуля до бесконечности, – радиоволны, свет, ультрафиолет, рентген, гамма – это просто электромагнитные волны. То есть колебания электромагнитного поля. Оно пронизывает всю вселенную. Просто где-то поле «гуще», а где-то истончается до нуля.

Ниже нарисована шкала этих волн, которую поэтически можно назвать «таблицей Менделеева для электромагнитных колебаний».

Полная шкала электромагнитных колебаний

Часть III

Сумасшедшая физика

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…

Глава 1

Какой удар со стороны классика!

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 о 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.

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.