Тема этого выпуска - оптика.

ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Итак, в этом выпуске я расскажу вам о некоторых интересных явлениях из мира оптики – науки о распространении света.
Вы, конечно, знаете, что свет при переходе из воздуха в воду меняет своё направление – преломляется. Из-за этого, например, глубина водоёма кажется меньше, чем есть на самом деле. А как обстоит дело при обратном переходе – из воды в воздух? Здесь можно наблюдать явление, называемое «полным внутренним отражением». Когда это происходит, луч света отражается от поверхности воды и попросту не выходит в воздух. И это легко увидеть с помощью лазерной указки, потому что её луч хорошо просматривается в воде. Чтобы увидеть полное внутреннее отражение, налейте воды в достаточно большую стеклянную банку и направьте лазерный луч от указки через стенку банки в воду, как показано на схеме. Меняя угол падения луча, можно увидеть, как он сначала выходит в воздух преломившимся, потом скользит по поверхности воды и наконец, отражается. Для этого его нужно направить под определённым углом. Пунктирная линия – условный перпендикуляр к поверхности воды, от него и отсчитывается угол (так уж в физике принято…) Этот угол должен составлять не меньше 49 градусов. Именно тогда луч отразится. Причём поверхность воды (внутренняя, если можно так сказать) в этот момент работает как идеальное зеркало с коэффициентом отражения 100%. Обычное зеркало отражает не все падающие на него лучи, часть света поглощается. Здесь же отражается абсолютно весь свет!
Вообще, имея лазерную указку, можно поставить много интересных экспери¬ментов, просто пропуская луч через воду. С зеркалами и линзами возможностей ещё больше. К примеру, направив луч в воду не просто так, а через увеличительное стекло, можно видеть, как он сначала сужается, а потом вновь расширяется. (При этом он проникает не на такое большое расстояние, поскольку быстро рассеивается.)
Летом с увеличительным стеклом можно научиться разжигать огонь, хотя дело это довольно трудное (знаю, сама пробовала).

Показан ход лазерного луча в воде.
Эксперимент сама придумала, информация - из книги "Занимательная физика" Я.И.Перельмана.

Ну, если вам простая тема не нравится, может, перейти к кое-чему посерьёзнее? Тогда в этом выпуске:

«ВЕЛИКАЯ И УЖАСНАЯ» ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Сейчас я постараюсь изложить здесь суть специальной теории относительности и обойтись при этом без сложных формул. (Подчёркиваю: речь пойдёт именно о специальной теории — осилить общую я пока что не могу: уж очень там формулы сложные.)
Сначала речь пойдёт о световых лучах, вернее, о том, что они из себя представляют. Сначала Ньютон предположил, что свет представляет собой поток очень маленьких частиц — корпускул. Но когда открыли явление дифракции (огибание световыми лучами препятствий) и интерференции (наложение их друг на друга), то появилась волновая теория света, согласно которой световые лучи — это электромагнитные волны, такие же, как и радиоволны. Много лет эта теория казалась абсолютно верной, но потом… Потом начались всякие странности. (Тут как бы не ошибиться в хронологии!) Сначала в 1881 и 1887 гг. американские учёные Майкельсон и Морли измерили скорость света относительно Земли: сначала по направлению её движения, потом — против.Поскольку Земля летит по своей орбите со скоростью 30 км/с, то можно было ожидать, что скорость света окажется разной в зависимости от того, как распространяется свет относительно Земли. (Речь идёт, конечно, о сложении скоростей. Простой пример: едут две машины. Если измерять скорость одной из них относительно другой, то если они движутся в одном направлении, эти скорости вычитаются. Если же навстречу друг другу — то складываются.) Так вот, по логике и со светом должно происходить то же самое, что и с машинами. Ничего подобного! Скорость света не складывалась со скоростью движения Земли. Далее. Свет излучается не непрерывно, как полагалось бы волне, а отдельными порциями — квантами (гипотеза Макса Планка, 1900 г.) Сейчас эти кванты называются фотонами. Фотон — это, так сказать, частица света (почти что корпускулы Ньютона). И наконец, совсем уж странное утверждение: масса покоя фотона равна нулю! Тут придётся объяснить, что означает «масса покоя». Это масса частицы, когда она не движется. Но движение и покой — вещи относительные. Вы, например, сидите сейчас за своим столом и предполагаете, что никуда не движетесь. А ведь вы вместе с Землёй летите в мировом пространстве со скоростью 30 км/с. Так покоитесь вы или движетесь? Это уже зависит от того, с какой стороны посмотреть. Если от Земли — то покоитесь. Если из космоса — то движетесь. А как быть с фотоном? В движении он, конечно, обладает массой. И это означает, что его просто-напросто нельзя остановить! Иначе фотон исчезнет — материальных тел без массы не существует. Вроде бы всё понятно… Вообразите, однако, что вам удалось догнать фотон и лететь рядом с ним. Тогда по отношению к вам этот квант света будет находиться в покое и должен будет исчезнуть — его масса станет нулевой. Но если смотреть извне, со стороны? Тогда он по-прежнему будет лететь со своей скоростью 300000 км/с, и масса его никуда не денется… Зачем тогда исчезать?
Видите, что за замкнутый круг получается? Частица исчезла, в то же время продолжая существовать. И поскольку это лишено всякого смысла, то остаётся лишь один выход: вы никогда не сможете догнать фотон! Скорость света — наибольшая из возможных, и никакое другое тело не может её достичь. Это первый из постулатов специальной теории относительности.
Возникает вопрос: а что же этому мешает? Представим опыт. Пусть запущена ракета с единственной целью: набрать скорость света. Поскольку это мысленный эксперимент, устраним все внешние обстоятельства, какие мешают достичь цели. Всё образцово налажено. Горючее? Сколько угодно горючего! Трение? Нет трения! Несовершенства формы и материала ракеты? Начисто ликвидировны. В общем, ракета идеальная. И всё равно — скорости света ей не набрать. Есть что-то, никакими способами неустранимое, что этому усердно мешает. И это — её масса. Нельзя ведь превратить ракету в нечто нематериальное, т.е. лишить её массы? Нельзя. Стало быть, тут и надо искать корень зла.
Может быть, с маленькой ракетой дело пойдёт успешнее? Поначалу — да. А потом… С увеличением скорости масса возрастает, и при скорости света обращается в бесконечность. Да и не только у ракеты: любая элементарная частица, обладающая массой покоя, даже электрон, при достижении скорости света станет бесконечно тяжёлой. (Электрон — самая лёгкая частица.) Тогда за счёт чего же нарастает масса? Для того, чтобы тело разогнать, ему нужно сообщить энергию. И вот вам знаменитая и очень простая формула — взаимосвязь массы и энергии:
                    
Но эта формула выражает только энергию покоя тела. (Эту энергию — теоретически — можно освободить и использовать, но об этом пойдёт речь в другой раз.) Если тело движется, то к этому значению прибавляется ещё его кинетическая энергия. И вот ещё одна формула — зависимость массы от скорости:
         
Как видите, при приближении скорости к с (с — скорость света) знаменатель дроби приближается к нулю (вы дружно скажете: «На ноль делить нельзя!», но на самом деле можно — только число при этом превращается в бесконечность: ∞). Величина m0 — масса покоя. (Я должна, однако, заметить, что эта формула справедлива, только если тело движется по прямой. Если же оно движется по окружности и вообще по кривой, то масса зависит не только от скорости, но и от направления, в котором смотреть. Здесь формулу приводить не буду, поскольку она чересчур заковыристая.)
Но что понимается под этой злосчастной «массой покоя»? А вот что. За движущимся телом можно наблюдать откуда угодно: с Земли, с Солнца или вообще из какой-нибудь другой галактики. Все эти так называемые «системы отсчёта» могут двигаться с разными скоростями. Где же наблюдаемый объект можно считать покоящимся? Только в системе, связанной с самим объектом. Если угодно, я скажу, что любой объект покоится по отношению к самому себе: более доступным языком тут сложно объяснить. Тогда масса покоя будет наименьшей из всех его масс.
Но оказывается, что примерно по таким же формулам изменяется не только масса, а и такие классически неизменные характеристики, как размеры и… время. Здесь обойдусь без формул, только скажу: длина тела в направлении движения сокращается, а время замедляется. Именно поэтому скорость света не зависит от того, по отношению к чему её измерять. Если мы проведём эксперимент: направим луч (ну, например, лазерный) на Луну с Земли и измерим время, за которое он туда дойдёт, то вычислим скорость света. А если расстояние до Луны и время полёта луча измерять не с Земли, а, для большей убедительности, с разогнанного протона, летящего на Луну же со скоростью 299000 км/с? Какая тогда будет скорость света? Вовсе не 1000, а те же упрямые 300000 км/с! Это значит, что в теории относительности (не забыли ещё, о чём говорим?) не справедлив классический закон сложения скоростей, к которому мы привыкли. Конечно, самый интересный эффект — замедление времени, и он сказывается на всём, в том числе и на живых организмах. После космического полёта на субсветовой скорости близнецы окажутся разного возраста, а ваш старший брат превратится в младшего… Но пока ещё нет технического способа запустить космический корабль с такой скоростью, и всё это можно наблюдать только на элементарных частицах. Именно на них эти принципы и доказаны экспериментально: нестабильные частицы, движущиеся с большими скоростями, распадаются намного позже, чем должны бы.
Из-за этих «беспорядков» с расстояниями и временными промежутками может оказаться, что два события, произошедшие одновременно, для другой «системы отсчёта» таковыми не являются. (Ну, например, где-нибудь в Австралии кто-то чихнул, а вам стало скучно дочитывать эту страницу — можно выбирать всё что угодно, не имеющее между собой никакой связи.) Поэтому в теории относительности вместо одновременности вводится понятие «интервал между событиями», который всегда сохраняется. Он определяется четырьмя измерениями: длина, ширина, высота и время (координаты x, y, z, t). Вообще не существует пространства отдельно от времени, а для того, чтобы упорядочить понятия прошлого, настоящего и будущего, нужно определить движение наблюдаемого объекта и построить для него «мировую линию» — как бы график движения. Причём делается это не в трёхмерной системе координат, а в четырёхмерной. Я не знаю, можно ли её изобразить; по-видимому, это вообще невозможно. На рисунке, созданном в 3D Max, показан «световой конус» в трёхмерной, конечно, системе. Этот конус образован мировыми линиями частиц света; линии всех остальных тел лежат внутри него. Точка пересечения — это момент данного события. Ниже него внутри конуса — это события прошлого (такие, которые теоретически могут повлиять на данное событие — хотя между ними может и не быть связи: принцип важен). В верхней части конуса — будущее данного события, т.е. все события, на которые оно в принципе может повлиять. Наконец, вне конуса находится настоящее — события, которые принципиально не могут взаимодействовать с данным. Их не связывает никакая мировая линия, потому что для этого потребовалась бы скорость, большая скорости света.
Сейчас, однако, в науке обсуждается возможность сверхсветовой скорости: теория относительности её не запрещает. Гипотетические частицы, названные тахионами, движутся именно с такой скоростью. Но их скорость не может стать равной скорости света — только уже не в сторону увеличения, а в сторону уменьшения. Эти частицы должны быть очень нестабильными: при сверхсветовой скорости длина тела увеличивается, а время убыстряет свой ход тем больше, чем больше скорость. Но фактами это пока не подтверждено (неизвестно даже, существуют ли такие частицы).
Ещё несколько слов о фотонах (и, возможно, нейтрино — предполагается, что у них тоже нулевая масса покоя). Для фотона, движущегося точно со скоростью света, перестаёт существовать время и полностью исчезает одно измерение — длина. Фотон представляет собой двухмерный "призрак", движущийся в безвременье. Такая же «судьба» и у любого другого тела, если бы оно получило такую скорость. Поскольку двух измерений для фотона не существует, он не может сам быть телом отсчёта, и относительно него бессмысленно рассматривать чужое движение.
В заключение пару слов об общей теории относительности (выше шла речь только о специальной, более простой). Это теория гравитации, рассматривающая сильные гравитационные поля (например, возле чёрных дыр). Они оказывают такое же действие на ход времени, как и большая скорость. Важное отличие от классической механики: гравитация рассматривается как искривление пространства возле тел. В обычной физике говорится, что тело движется в плоском пространстве под действием силы тяжести; в общей теории относительности — что оно движется в искривлённом пространстве-времени без воздействия внешних сил. Кстати, такой вопрос: почему небо ночью не светится? Если учесть, сколько звёзд во Вселенной, даже несмотря на расстояние, ночное небо должно сиять «ярче тысячи солнц». А оно почему-то тёмное! Так вот, ответ на этот вопрос и нужно искать в общей теории относительности. Однако, я пока не советую вам это делать: для того, чтобы разобраться в целом ворохе сложных формул, надо получить высшее образование, как минимум…

"Световой конус" в трёхмерной системе координат.

Схематическое изображение "светового конуса". Мировые линии световых лучей составляют с осями координат угол в 45 градусов.

Информация взята из книги "Неизбежность странного мира", Д.Д. Данин.

Отредактировано Рудака (03-12-2006 12:04:54)

Вам спасибо. Хоть не зря я полдня возилась с этой "диссертацией"...

Да, продолжение будет. Спасибо.
Вниманию читателей: обнаружены неточности в рисунках к данной статье по СТО. Прощу прощения за ошибки, больше такого не повторится. Рисунки временно удалены, будут выставлены исправленные.

Схемы отредактированы.

Отредактировано Рудака (03-12-2006 12:06:11)

После того, как мы с вами заглянули в будущее Солнца и других звёзд, а также узнали о том, что Вселенная представляет из себя чёрную дыру, я предлагаю пока "спуститься с небес на землю", чтобы показать два оригинальных фокуса, основанных на математике. Итак, первый фокус:
УГАДЫВАНИЕ ПРЕДМЕТОВ
В этой игре участвуют трое человек, плюс сам отгадывающий. Сначала приготовим какие-нибудь мелкие вещи, удобно помещающиеся в кармане. Например, я использовала ластик, ключ и диск Канока от свего Ваки Бордака. Кроме того, поставьте на стол тарелку с 24 орехами (за неимением орехов годятся шашки, спички - всё что угодно, только надо, чтобы предметы были одинаковыми).
Вашим троим товарищам вы предлагаете спрятать в карман резинку, ключ или диск, кто какую вещь хочет. Вы на это время уходите из комнаты (надо ведь отгадать, а не подсмотреть!) Когда они спрятали всё, вы возвращаетесь в комнату и даёте им на сохранение орехи из тарелки. Первому даёте один орех, второму - два, третьему - три. Потом снова уходите из комнаты, оставив друзьям следующую инструкцию. Каждый должен взять себе из тарелки ещё орехов, а именно: тот, у кого ластик, берёт себе столько орехов, сколько ему было вручено; тот, у кого ключ, берёт вдвое больше того числа орехов, которое было ему вручено; наконец, обладатель диска берёт вчетверо больше того числа, которое было ему вручено в начале. Прочие орехи остаются на тарелке. (Не забудьте таблицу умножения, иначе всё пойдёт неправильно: когда я ставила этот фокус, участники - вполне взрослые люди - её позабыли.)
Когда всё это проделано, вы возвращаетесь в комнату, смотрите на тарелку и отгадываете, у кого какая вещь. Как уже понятно, отгадывание производится по остатку орехов на тарелке. Для этого запаситесь вот такой табличкой. Здесь вместо цифр 1, 2, 3 можно подставить начальные буквы имён ваших друзей, а буквами a, b, с я обозначила предметы (в моём случае: а - ластик, b - ключ, c - диск от Ваки). Вы считаете орехи на тарелке, выходите из комнаты и заглядываете в табличку. Смотрите, какому распределению вещей отвечает данное число орехов, возвращаетесь к друзьям и говорите ответ. Если всё проделано правильно, то фокус удастся.

Таблица для фокуса.

А теперь оригинальный способ
ЗАШИФРОВАННОЙ ПЕРЕПИСКИ
Это так называемая "решётка". К сожалению, шифровать им можно только сообщения, написанные на бумаге (не электронные тексты), но способ занятный. Сначала вы изготавливаете упомянутую решётку - бумажный квадратик с прорезанными окошечками. Какой она должна быть, показано на рисунке. Вырезать эту решётку можно из тетрадного листа в клетку, и писать удобно на такой же бумаге. Всего клеток в решётке 64 штуки, окошек - 16. И видны цифры на краях: 1, 2, 3, 4. Чтобы написать секретное письмо, положите решётку на лист бумаги цифрой 1 вверх, и пишите текст букву за буквой (писать нужно, начиная с первого ряда, стандартным образом - слева направо, когда все окошки в ряду кончатся - переходить на следующий). Так как окошек 16, то сначала поместится только часть записки. Чтобы писать дальше, решётку надо повернуть по часовой стрелке на четверть оборота, т.е. расположить её на том же листке так, что цифра 2, бывшая раньше сбоку, теперь окажется вверху. При новом положении решётки все написанные раньше буквы заслонены, а в окошках появляется чистая бумага. Пишем следующие 16 букв... Потом решётку опять поворачиваем цифрой 3 вверх, пишем дальше. И наконец, в последний раз располагаем её цифрой 4 вверх и дописываем нашу секретную записку. То есть, можно написать сообщение максимум из 64 букв. Теперь можно снять решётку и посмотреть на свою запись... Попробуйте только что-нибудь разобрать! Догадаться о содержании записки не сможет никто из посторонних. Прочитать её можно только с помощью такой же решётки. Каким образом? А так же, как и писали: накладываем решётку на текст цифрой 1 вверх и выписываем первые 16 букв, которые появятся в окошечках. Потом так же поворачиваем её другими цифрами вверх - и записка прочтена. Только решётка не рассчитана на то, чтобы ставить между словами пробелы, поэтому их и знаки препинания придётся определить самостоятельно. (Если без запятой в нужном месте теряется смысл, то её можно поставить - но не в отдельном окошке, а рядом с буквой.)
Но возможно сделать решётку и с другим расположением окошек. Причём их число просто огромно - 4 миллиарда. Так что посторонние не догадаются, какая именно была употреблена в дело, а без этого прочитать сообщение будет невозможно. Если вы хотите изготовить другую решётку, то воспользуйтесь этим рисунком. Для окошек можно брать любые 16 клеток, только чтобы среди них не было двух с одинаковыми номерами.
Но надо ещё и запомнить, какой решёткой вы воспользовались. (Ведь если сообщение секретное, то ключ к его прочтению должен быть тут же уничтожен!) Тогда обозначим окошки цифрой 1, прочие клетки - цифрой 0. Тогда первый ряд клеток нашей решётки (ею будем пользоваться в качестве образца) обозначится так:
01010010, или, отбросив передний нуль: 1010010.
Второй ряд (без передних нулей): 1000.
Остальные: 10100010
10000
1000100
10001000
100010
10001.
Здесь лучше считать, что числа записаны не в обычной десятичной системе счисления, а в двоичной. Это значит, что единица больше соседней справа не в 10 раз, а только в 2 раза. То есть, единица в конце числа означает просто единицу, на втором с конца - двойку, на третьем - четвёрку, на четвёртом - 8, на пятом - 16 и т.д. Тогда переведём первое число (1010010) в десятичную систему. Получится 82 (64+16+2 - нули указывают на отсутствие единиц данного разряда). С двоичной системой вы, конечно, знакомы - именно она используется в компьютерах. Любая программа на "машинном языке" представляет из себя набор нулей и единиц (нуль и единица обозначают какие-либо взаимоисключающие состояния - например: есть ток - единица, нет тока - ноль). В результате все ряды решётки обозначатся числами 82.8.162.16.68.136.34.17 (записано как IP-адрес - очень уж похоже). Теперь восстановим первоначальные, двоичные числа, чтобы узнать расположение окошек в решётке. Для примера возьмём число 82. Разделим его на 2, получится 41, остатка нет - значит, на последнем месте, в разряде единиц, должно быть 0. Делим на 2 41, получается 20 и в остатке единица. Значит, на предпоследнем месте должно стоять 1. Потом делим 20 и т.д. Получится число 1010010. В нём семь цифр, а клеток в ряду решётки 8, значит, один нуль впереди был опущен, и окошки надо прорезать на 2-м, 4-м и 7-м местах. Всё понятно? Кстати, зная перевод чисел из одной системы в другую, можно подшутить над своими товарищами. Вот представьте такую ситуацию. Вы спрашиваете меня: "Рудака, сколько тебе лет?", а я отвечаю: "Десять тысяч и один год". При этом я не соврала нисколько: 10001 - это 17, записанное в двоичной системе. Ну, а в заключение попробуйте прочитать, что я вам написала (решётка использована стандартная, как на рисунке, так что не придётся тратить время на "раскодировку"). Надеюсь, у меня достаточно разборчивый почерк для этого? Если это так, и если я всё понятно объяснила, то разобраться в этой каше не составит особого труда.

Стандартная решётка для шифрования (чёрными клетками отмечены прорезанные окошечки)

Числовой квадрат для создания других решёток.

Моя собственная запись, которую вы должны прочитать.

Эта информация - с лекции по механике в нашем университете, поэтому я решила, что она заслуживает вашего внимания. Но честно говоря, я это тоже не поняла... Удалить сообщение?

Сейчас - довольно солидное продолжение темы...

Как выглядит микромир?

     А теперь начинается самое интересное. Вы уже знаете характеристики разных элементарных частиц. Значит, пора узнать, как они существуют и что вообще из себя представляют. Так сказать, «пощупать своими руками»…
Давайте представим, что мы собрались снять про какую-нибудь частицу – ну, например, электрон – фильм. Уж не будем ставить наполеоновских задач – показать электрон во всех деталях, а заснимем просто его движение по орбите атома. Естественно, у нас есть супераппаратура, позволяющая этот электрон увидеть. А для опыта возьмём атом водорода – в нём всего один электрон, так что не запутаемся. Удастся ли совершить задуманное? Нет!
     Вы спросите: а почему так категорично? Сейчас попробуем отыскать ответ на этот вопрос. Чтобы заснять электрон, его нужно осветить. Пусть и не обязательно осветить, но как-то определить его положение. А как это сделать? Обычный свет тут явно не подходит – длина волны видимого света от 3 до 7 тысяч ангстрем, а диаметр атома водорода – 1 ангстрем. Свет просто не высветит атом, не отразится от него. Что ж, тогда попробуем взять более коротковолновые лучи – рентгеновские или гамма-излучение. Такой фотон сможет проникнуть в атом и «наколоть» электрон. Сам он при этом отклонится от своего направления, это можно будет зафиксировать приборами, и мы будем знать расположение электрона. Ну, а больше вроде ничего и не требуется, пора начать съёмку… Свет! Камера! Мотор!..
     Стойте! А где у нас электрон? Электрона нет… Дело в том, что фотон гамма-излучения имеет очень большую энергию, и соответственно, большую массу (скорость-то одна и та же – 300000 км/с). Если мы хотим очень точно определить положение электрона, то придётся брать такое коротковолновое излучение, что каждый фотон будет так же массивен, как сам атом водорода, который мы пытаемся заснять. Электрон отскочит от него, как от налетевшей пули, и улетит в неизвестность. Соответственно, снять мы успеем в лучшем случае один кадр, а дальше уже нечего будет: электрон улетел, и, как говорится, ищи его – свищи…
     Ну, раз с координатой не получается, тогда попробуем измерить скорость электрона и направление его движения. Для этого задача прямо противоположная: освещение надо брать длинноволновое, которое не будет так сильно изменять скорость частицы. (Ведь почему в первом опыте электрон выбило из атома? Фотон сообщил ему скорость, и он не удержался на орбите.) Измерили мы скорость… Но информацию о траектории электрона это всё равно не даст: его местоположение мы определить не можем. Что за заколдованный круг получается? А оказывается, что принципиально невозможно точно измерить эти две величины, и выполняется это не только для электрона, но и для всех других частиц. Об этом говорит соотношение неопределённостей Гейзенберга, формула которого приведена в презентации на странице «Главное – неточность».
     Теперь возникает вопрос: а почему так происходит? А происходит это из-за двойственной природы частиц: они имеют одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. Помните, ещё в самом начале было сказано, что элементарные частицы не похожи на твёрдые шарики? Так вот, каждая частица имеет свойства волны. Ведь про волну нельзя сказать, что она находится в каком-то определённом месте – она размазана по некоторому пространству (к волнам на воде это тоже относится). И с частицами то же самое. Но, впрочем, не совсем.
Когда была открыта волновая природа частиц, электрон в атоме стали рассматривать подобным облачку, волнообразно меняющим свою плотность. Это облачко окружает ядро атома. Вроде бы это предположение объясняло всё, но… Волны неустойчивы. Будь электрон именно таким облаком (или, на языке физики, «волновым пакетом»), он с течением времени просто «размазался» бы по пространству и исчез. А поскольку на практике этого вовсе не наблюдается, нужно было искать другое объяснение. И его нашли. Оказывается, эти самые «пси-волны», как их назвали, не являются волнами материи. Они… нематериальны. Прежде чем пугаться, нужно поискать аналогию. И в качестве аналогии прекрасно подойдут орбиты планет. Ведь Земля летит вокруг Солнца по воображаемой линии. Или ось вращения Земли: это только в сказке про Винни-Пуха земная ось представляет собой палку, воткнутую в землю. (Помните книгу про Винни-Пуха, автор А.Милн? Там есть глава про то, как Винни-Пух, Пятачок и остальные отправились разыскивать Северный полюс.) Так же и с «волнами»: электрон движется не сам по себе, а внутри «волнового пакета». Сам этот «пакет» может менять (в некоторых пределах) свой размер и форму, и это определяет пределы движения электрона. Но пси-волны нематериальны, более никакого влияния на электрон они не оказывают. Именно такая волна и может называться «электронной орбитой» в атоме. В качестве примера (чтоб легче было представить) можно привести бабочку, пойманную в сачок. Бабочка выступает в роли электрона, а сачок – в роли его орбиты и по совместительству волновой упаковки. Определить положение орбиты в пространстве мы можем – для этого достаточно определить положение самого атома. Но в какой именно точке орбиты находится электрон – уже ничего нельзя сказать. Вот она, неопределённость! (Помните Девастатора из моей книжки?)
     Есть один занятный опыт, показывающий дифракцию электрона. (Дифракция – способность волн огибать препятствия.) Имеется непроницаемый экран, в экране узкая щель. Ниже экрана – фотопластинка. Сверху падает электрон и проскакивает через щель. Где почернеет пластинка? (Фотопластинка реагирует на электроны потемнением, как и на свет.) Физик-классик уверенно опустит перпендикуляр из середины щели на пластинку и уверенно объявит: «Потемнение будет здесь!» То есть, припишет электрону обычную траекторию падения. Но на самом деле электрон может упасть практически в любую точку пластинки! Квантовая физика никогда – заметьте, никогда – не делает утверждений «абсолютно точных». Можно рассчитать лишь вероятность попадания электрона в какую-то точку пластинки. Для одних точек эта вероятность будет больше, для других меньше. Но куда электрон упадёт в действительности – можно только гадать. Мы этого не узнаем, пока не запустим его через щель. А упомянутые нематериальные «пси-волны» – это не волны материи (каковыми их считали сначала), а волны вероятности в поведении частиц.
     Итак – миром правит случай! Ну, по крайней мере, микромиром… Но может, всё же не надо так однозначно утверждать? Вы можете поставить мне в оппозицию то, что проведение опытов и измерений в микромире – штука очень деликатная. Помните, как мы пытались определить координату электрона в атомной орбите? При этом каждый раз электрон выбивался из атома – атом ионизировался. Так может быть, это всё – лишь результат слишком грубого опыта? А «когда мы не вторгаемся в микромир со своими измерительными приборами, не ломаем там стулья и не бьём посуду» (цитата из книги), частицы ведут себя как добропорядочные пай-шарики? Сейчас попробую на этот вопрос ответить… Вы, конечно, знаете о распаде атомных ядер урана, радия и других элементов, называемых радиоактивными. Распад этот можно вызвать, если «обстрелять» ядро нейтронами (именно это и происходит в атомной бомбе или реакторе АЭС). Но также он может происходить самопроизвольно, только значительно реже. При таком распаде в ядре образуется альфа-частица (ядро гелия), которая затем вылетает наружу. Так вот, согласно старым «точным» законам такой распад абсолютно невозможен! Ведь альфа-частица удерживается в ядре огромными силами ядерного притяжения. Они гораздо могущественней сил электрического отталкивания (ядро и альфа-частица имеют положительные заряды, поэтому отталкиваются друг от друга), которые стараются выставить частицу наружу. То есть, притяжение сильнее отталкивания во много раз, соответственно, альфа-частица не сможет вырваться из ядра, не развив достаточной энергии. А они тем не менее вырываются, не достигая необходимого уровня энергии! Старая добрая классическая физика спасовала бы перед объяснением этой вещи. А на основании принципа неопределённости Гейзенберга это достаточно легко объяснить. Оказывается, у альфа-частицы всегда есть вероятность оказаться за пределами ядра. Это явление называется туннельным эффектом, и может проявляться в различных формах. Объясню с электронами. Например, летит свободный электрон, а мы решили поставить на его пути какую-то преграду. В классическом взгляде частица должна наткнуться на эту преграду и остановиться. Электрон так и делает, но тут происходит вот что. Скорость его понижается, приближаясь к нулю – электрон готов остановиться. Но с уменьшением скорости уменьшается и неопределённость в её значении. Одновременно с этим возрастает неопределённость в координате, у электрона появляется шанс оказаться по другую сторону преграды, и он преспокойно просачивается сквозь неё! Другой случай. Мы хотим поймать и удерживать в каком-то месте электрон – например, заключить его в атомное ядро. При этом уменьшается неопределённость в положении электрона… но возрастает неопределённость в скорости! Прежде чем вы успеете спохватиться, электрон вылетит из ядра, приобретя непонятно откуда большую скорость. Именно это является одной из причин, почему электроны не падают на ядро. А если бы туннельный эффект проявлялся в обычном мире, то мы без труда могли бы проходить сквозь стены. Или такой пример: почему мы не проваливаемся сквозь пол? (А это вполне возможно – промежутки между атомами гораздо больше самих атомов.) Вот почему. Человек давит своим весом на пол, и электроны в атомах приближаются к ядрам. В результате это явление сопровождается квантово-механическим отталкиванием, необъяснимым с точки зрения классической физики. А возникает это явление благодаря свойству неопределённости.
     Между прочим, все эти утверждения квантовой механики справедливы и в нашем мире! Все тела имеют такую же двойственную природу, как элементарные частицы, и подчиняются соотношению неопределённостей. Нашу Землю тоже нельзя пригвоздить к абсолютно точной орбите… Но из-за больших размеров и массы эти неопределённости настолько малы, что никак себя не проявляют. Скажем, длина волны для Земли во столько же раз меньше длины волны электрона, во сколько масса Земли больше массы электрона. Именно поэтому в обычной жизни можно пользоваться законами классической механики без всякого ущерба для точности. (Ну сравните – масса Земли составляет кг, а масса электрона – кг.)
     Итак, подведём итог. Как же выглядит микромир? Это мир утраченных траекторий, неточности, двойственной природы – а также сверхмалых размеров и сверхвысоких скоростей...