Про эту вашу физику

Ганин Дмитрий Владимирович

А что такое импульс? Из школьной физики мы смутно припоминаем, что импульс — масса, умноженная на скорость. Тогда длина волны зависит от массы и скорости объекта.

Длина волны мяча, летящего со скоростью 150 км/час, будет приблизительна равна 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Все дело в том, что мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.

А тот же электрон — весьма легкая частица, и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько «волновое». Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается по орбитали электрон, ядро имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов,

а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за происходящего внутри ядра обмена частицами сильного взаимодействия (читайте лекцию про материю) — то есть внутри ядра постоянная движуха и суета. Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с подходящей массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают. Всё понятно?

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, «вращающийся» вокруг атома — это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра — как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и, чтобы разместиться вокруг ядра атома, такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено «размещением» длины волны (и в то же время частицы) электрона. Просим нас простить за грубое и некорректное объяснение, на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель — хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым это интересно.

Наконец, давайте еще раз поясним и напомним! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь имеет свойства, присущие волнам и частицам. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам.

Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.

Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной стороной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики.

Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части: неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, принцип запрета Паули и квантовая запутанность ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной бессонницы или познавательных кошмаров!

Глава 11

Двухщелевой эксперимент

— Знаешь, что такое квантовая суперпозиция?

— Да нет, наверное.

Наконец, мы подошли к моменту истины! К знаменитой теме, которая делит людей на тех, кто искренне верует в квантовую магию и материальность мыслей, и тех, кто окончательно понимает, что с этой вселенной всё очень и очень плохо. В этой главе мы будем рассказывать про истинную сущность материи. И мы гарантируем, что ясности не добавим, но представление о том, как всё эпично и непредсказуемо, вы получите. Будет нелегко, товарищи, мы старались как могли, чтобы донести до простого человека, тяготеющего к гуманитарному мышлению, суть проблемы. Снова и снова предупреждаем о легкомысленности нашего повествования,

о неточности и утрировании примеров и выводов. Но, согласитесь, хочется же разобраться? Задача этой главы: объяснить, почему фотон — это не частица и не волна, и мы методологически отбрасываем все ненужное и важное, лишь бы открыть читателям глаза на реальность, не данную нам в ощущениях.

Обращаем ваше внимание, что упоминаемые в главе события, открытия и эксперименты приводятся не в хронологическом порядке, а так, как нам захотелось. В целях усугубления читательского понимания, конечно же!

Итак, давайте проверим наши бытовые знания. Простой оскорбительный вопрос: что такое волна?

Ностальгический пример из детства — волна в луже возле родного подъезда. Мы бросали в воду камешки и зачарованно смотрели на расходящиеся круги. Волны в воде представляют собой колебания молекул этой самой воды. Вверх и вниз — все просто. У таких волн мы подмечаем их форму и поведение, а именно: амплитуду, частоту и длину. Полагаем, что читателям знакомы эти характеристики: амплитуда — это название того, как высоко поднимаются молекулы воды в волне, частота — скорость смены гребней и впадин волны, длина волны — расстояние между гребнями. Средняя морская волна имеет длину 150 метров, время которое пройдет между появлениями гребней — 10 секунд (значит частота: 1/10 или 0.1 Гц). С водой всё понятно. Кто не догнал — спускается во двор и кидает камешки в лужи, рассказывая старушкам на скамеечке о проблемах корпускулярно-волнового дуализма.

Теперь попробуйте ответить на вопрос, что является амплитудой, длиной и частотой для звуковой волны? Тоже пример из бытовой физики, но уже посложнее. Так сказать, слышали звон, но не очень уверены, какие у него характеристики.

Что ж, не будем томить, разгадка такова: в звуковой волне друг за другом «идут» участки уплотнения и разрежения воздуха (или той среды, где звук распространяется). Амплитуда здесь уже не физическая высота гребня, а разница между максимальной и минимальной плотностью. Для наших ушей амплитуда в общем случае означает громкость звука. Частота волны — скорость смены участков плотности. Человеки, как вид, слышат волны с частотой от 15 Гц до 20 000 Гц, и могут различать частоты по тону (высокий или низкий звук), например, нота Ля имеет частоту 440 Гц. Звуковая волна бывает и более низких частот — это инфразвук, и более высоких — ультразвук и гиперзвук. Обратим внимание, что по отношению к звуку волна — уже не натуральные гребни и впадины, а несколько иное физическое явление, описываемое волновыми характеристиками.

На заметку тем, кто читал главу про кванты: звуковая волна таки тоже квантуется, то есть существуют минимальные значения частот, слабее которых уже некуда. Квант звуковой волны называют фононом, и там у них тоже своя физика и жуткие формулы.

Кажется, здесь всё понятно. Следующий вопрос вы можете задавать своим знакомым или незнакомым, и это будет началом интересного спора, который иногда (ответственно заявляем) может дойти до рукоприкладства и вызова полиции.

Что является амплитудой, частотой и длиной для световой волны? Ну, или если быть точнее, раз у нас уже была про это глава, что из себя представляют характеристики электромагнитной волны?

Во времена дедушки Максвелла, который много сделал для того, чтобы подружиться с электромагнетизмом, на этот вопрос отвечали так. Существует какая-то неведомая сущность, представляющая собой сразу два совмещенных друг с другом поля: электрическое и магнитное. Поля почему-то испытывают колебания от максимального отрицательного значения до максимального положительного и тем самым создают все эти крутые электрические штуки типа притягивания мелких бумажек к расческе или искры от прикосновения к спящему котику.