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