Помоги проекту - поделись книгой:
На картинке электрон находится в стационарном энергетическом состоянии и может перейти на соседнюю орбиту. Это называется «квантовый скачок». Дальше я напишу формулу, по которой вычисляется величина этого «скачка», а пока важно понять:
Забавно, когда понятие «квантовый скачок» используют в качестве синонима невероятно большого роста. Будьте с этим аккуратны!
И помните: квантовый скачок – это не только крошечное изменение энергии. Это изменение может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.
#физикишутят
В лаборатории Резерфорда в 1920‑е годы работал талантливый русский физик Пётр Капица. Во время обучения в Московском университете он твёрдо решил, что хочет поехать в аспирантуру к Резерфорду. Капица добился поездки в Англию. Но Резерфорд, руководивший в то время тридцатью аспирантами, не захотел принимать нового. Ему и в голову не приходило, что этот русский станет одним из его любимых учеников и соавтором в области фундаментальных исследований в физике низких температур.
Появившись у Резерфорда, Капица попытался убедить учёного взять его к себе, но услышал отказ. Тогда Капица привёл следующий нестандартный довод. «У вас тридцать аспирантов?» – спросил он. «Да, и больше мне не нужно», – ответил Резерфорд. «А какова обычно погрешность измерений в вашей лаборатории?» – «Около трёх процентов». Капица моментально парировал: «Ну вот видите! Тридцать один аспирант точно укладывается в пределы погрешности!» После этого вопрос с аспирантурой был решён.
Подумайте, какие нестандартные методы вы используете для достижения своих целей.
Принцип запрета Паули
Когда мы смотрим на модель атома Бора, у нас возникает интересный вопрос: почему все электроны в атоме не находятся на самой нижней орбите? (Нижняя орбита – это та, которая находится ближе всего к ядру и обладает минимальной энергией.)
Ответ дал Вольфганг Паули в 1925 году, сформулировав свой принцип исключения:
#физикишутят
Вольфганг Паули был одним из создателей квантовой физики и стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с любым экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Физики-экспериментаторы даже не позволяли ему заходить в лабораторию и разговаривали с ним через закрытую дверь. Утверждали, что ему достаточно просто войти в кабинет, чтобы в нём что‑нибудь сразу же переставало работать. Это мистическое явление окрестили эффектом Паули. Однажды в физической лаборатории в Гёттингене произошёл сильный взрыв. Время взрыва было точно зафиксировано. Как потом оказалось, ЧП случилось именно тогда, когда поезд, в котором ехал Паули, остановился на несколько минут в Гёттингене.
Если бы был эффект вашего имени, то о чём бы он был? Помогает ли такой эффект вам в жизни?
Глава 7
Что такое квант
Молодой физик Макс Планк очень любил музыку. Он сомневался, стоит ли ему продолжать изучать теоретическую физику или всё же заняться музыкой.
В конце концов Планк объявил своему научному руководителю, что хочет посвятить жизнь теоретической физике. «Молодой человек, – произнёс профессор, – теоретическая физика уже в основном закончена… Зачем вам браться за такое бесперспективное дело?» Но Планк уже сделал выбор. Прошли годы, и Макс Планк стал одним из отцов-основателей квантовой теории, и именно он придумал термин «квант». Случилось это в 1900 году.
Планк изучал свечение нагретых тел. Кузнецы или стеклодувы, которые много работали с горячими объектами, всегда знали, что при нагревании цвет предметов меняется от красного к жёлтому, от жёлтого к синему. Напомню: цвет всего лишь показывает длину волны (или частоту) излучения.
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:
где
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.
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
• 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
• Квант – это минимально возможное значение физической величины. Весь наш мир квантуется (он дискретен). Квантуется энергия, расстояние, объём, время.
1. Как вы думаете, почему все предметы в мире – это практически пустое пространство, а мы этого не ощущаем?
2. Порассуждайте, как любое взаимодействие можно разложить на четыре фундаментальных взаимодействия. Найдите свои примеры.
3. Найдите или придумайте смешные примеры неграмотного использования понятия «квантовый скачок». Поделитесь в соцсетях с хештегом #арьекнига.
4. Приведите примеры понятий, которые являются дискретными, а также примеры недискретных понятий.
Часть 2
Двухщелевой эксперимент и корпускулярно-волновой дуализм
Вы узнаете, что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм» и какой опыт считается самым главным в истории физики; что такое таинственный эффект наблюдателя и существует ли вообще объективная реальность. А ещё потренируетесь создавать собственную реальность.
Глава 1
Свет – это частицы или волны?
Я думаю, что могу смело утверждать: квантовую механику не понимает никто.
Физики, математики, философы всегда любили рассуждать о природе света. Аристотель считал, что свет – это волна. Демокрит, живший в те же годы, верил: свет – это частицы. Ньютон писал, что свет состоит из корпускул, а другой великий физик, Христиан Гюйгенс, считал свет волной.
И по сути, все они были правы. Свет иногда ведёт себя как волна, а иногда – как частицы. Частицы света – это фотоны. И это называется
И самая главная тайна квантовой физики заключается в том, что до сих пор точно неизвестно, когда же волна превращается в частицу.
#физикишутят
– Что вы думайте о корпускулярно-волновой теории света?
– Я не Света, я – Наташа.
Глава 2
Дифракция и интерференция
Вспомним такие понятия, как «дифракция» и «интерференция», которые понадобятся нам для понимания двухщелевого эксперимента.
Дифракция волны (в частности, света) – это отклонение волны от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.
Например, это явление можно увидеть на поверхности воды.
На пути распространения волн поместим экран с узкой щелью. За экраном будет расходиться круговая волна так, будто в щели находится источник волн.
Интерференция – это взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн [3] при их наложении друг на друга.
Например, если кинуть два камушка в воду, от них начнут расходиться круги. В какой‑то момент круги начнут соединяться друг с другом. И вы увидите, что там, где они соединяются, высота волн увеличивается, а в других местах гасится. Вот это и называется
Глава 3
Двухщелевой эксперимент
Вся квантовая механика может быть выведена путём тщательного осмысления следствия одного этого эксперимента.
Томас Юнг провёл свой знаменитый двухщелевой эксперимент ещё в далёком 1801 году. В чём суть опыта? Есть источник света, есть экран. Между ними помещают непрозрачную пластинку, в которой сделана длинная прорезь. На регистрирующем экране мы получаем тонкую полоску света. Сделаем ещё одну, параллельную прорезь рядом с первой. Мы ожидаем увидеть две полосы на экране, считая, что фотоны (кванты света) – это частицы. Но удивительно: полос не две. На нашем экране появляется узор из чередующихся тёмных и светлых полос (интерференционная картина). Точка, в которой пересекаются вершины волн, дающие наивысшую интенсивность, – это яркие линии.
Этот эксперимент стал самым часто повторяемым за всю историю физики. Он показывает, что свет – это не поток частиц, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.
Однако это было только началом. Около 100 лет назад Эйнштейн с другими физиками исследовал свойства света, и расчёты показывали, что свет всё‑таки состоит из частиц (фотонов). Но опыт Юнга показывал, что свет – это волна. Тогда ввели такое понятие, как «корпускулярно-волновой дуализм». То есть иногда свет ведёт себя как волна, а иногда – как частица (корпускула). Это кажется странным, но дальше всё становится ещё страннее.
Поделиться книгой: