Читать книгу: «Физика Самой Средней Школы», страница 6

Name: Физика Самой Средней Школы
Rating: 5.0 (2 reviews)
Author: Андрей Владимирович Швец

Шрифт:

Причем же здесь дифракция? Свет не только волна, но еще и поток фотонов, хотя такой дуализм сложно представить. И если на пути света мы поставим экран с маленькой дырочкой, то будем достаточно точно знать координату, проходящих через нее фотонов, следовательно, возникнет неопределенность импульса. И эта неопределенность проявляется в виде изменение направления полета фотонов. После отверстия они будут разлетаться “веером”. Это и есть дифракция. И опять мы видим, что одно и то же явление можно описать на основе совершенно разных моделей: волновой и квантовой. Это хорошо или плохо? Нильс Бор даже выдвинул принцип дополнительности, согласно которому полное описание процессов на микроуровне возможно только с помощью двух взаимоисключающих моделей. Или нужно искать третью?

Повторюсь, в современном понимании свет не только электромагнитная волна, но и поток фотонов, каждый из которых является и волной и частицей одновременно. Это кажется странным, но помните о незначительной роли модели при выявлении верных зависимостей.

В мире Р67544 вообще нет частиц. Есть только вспышки. Но их так много, что можно сойти с ума.

Чтобы этого не происходило, местные жители связывают их попарно. Каждую первую вспышку считают рождением какой-то частицы, а каждую вторую – ее исчезновением. Считается также, что между вспышками частица летит по прямой. Для убедительности. выбирают не любые пары, а такие, чтобы воображаемые частицы имели постоянную скорость. Для чего все это? В таком мире все оказалось взаимосвязанным, каждой причине – свое следствие. И жители стали реже сходить с ума. Что уже неплохо, я считаю.

Напишите о явлении, суть которого вы бы хотели постичь, чтобы управлять им. И как бы вы воспользовались своей суперспособностью? Возможно, это как-то связано с управлением светом.

_______________________________________________________

______________________________________________________

11 Ядерная физика

Вещества состоят из атомов. Атомы – из ядер, состоящих. в свою очередь, из нейтронов и протонов. А вокруг ядер кружатся электроны. Это если в двух словах рассказывать о строении атомов.

Протоны заряжены положительно, и их заряд по модулю равен заряду электрона. И кстати, это наименьший электрический заряд, который может быть в природе, и поэтому его называют элементарным. А нейтроны, как следует из названия, нейтральны. Электронов у укомплектованного атома столько же, сколько и протонов, поэтому заряд атома, в целом, равен нулю. В схемах ядерных реакций ядро атома обозначают так:

Верхнее число (массовое) показывает число протонов и нейтронов в ядре, а нижнее (зарядовое) – только протонов.

Никогда не задумывались, почему, скажем, электроны(с одним спином) совершенно одинаковы? Вы не найдете два совершенно одинаковых камня, а вот частицы – абсолютные близнецы. Лично мне кажется подозрительным все абсолютное. Пожалуй, самое остроумное объяснение того, что все электроны одинаковы заключается в том, что это один и тот же электрон, но в разное время. Это как, если вы каждый день ходите по городу, но если все дни объединить в один момент, то весь город окажется заполненным вами. Совершенно безумная идея, поэтому мне нравится.

У каждой частицы существует своя античастица. При столкновении они аннигилируют, превращаясь в энергию. И также, как думают физики, энергия может превращаться в массу, как например, во время Большого взрыва. Причем частицы должны образовываться парами вместе со своими античастицами. Но тогда, казалось бы, антиматерии должно быть столько же сколько и обычной материи, однако ученые этого не наблюдают.

Первая изученная античастица – позитрон. Все тоже самое, что и у электрона, но электрический заряд – положительный. Интересно, что если мы снимем на видео притяжение электрона к положительно заряженному телу, а потом “промотаем” его в обратную сторону, то увидим, что частица отталкивается, то есть ведет себя как позитрон. Поэтому некоторые физики то ли в шутку, то ли всерьез говорят, что античастицы пятятся назад во времени.

Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые бывают не только разных цветов зарядов, но и разных очарований (не спрашивайте). А еще, кварки не могут существовать самостоятельно, поэтому их и обнаружить нельзя по отдельности. Это касается многих элементарных частиц, которые или нельзя. или очень сложно обнаружить в “явном виде”. Их существование доказывают по результатам их деятельности. И так открыто уже очень много частиц.

Современная физика и взаимодействие между самими элементарными частицами объясняет обменом другими частицами. Электромагнитное взаимодействие – обменом фотонами. Сильное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны в ядре – обменом глюонами. Слабое взаимодействие, отвечающее за превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино – обменом W и Z бозонами. Гравитационное – предположительно, обменом гравитонами.

Само слово “частица” подразумевает, что речь идет о маленьком кусочке материи, который вам людям проще представлять в виде шарика. Но современная физика вынуждена, чтобы объяснить многие явления, ввести модель дуализма волны и частицы. Но это не обычная волна, а волна вероятности. То есть наука может рассчитывать только вероятность появления частицы в той или иной точке. И эти вероятности не статичны они движутся, как движется волна, и также как волны могут накладываться друг на друга.

Представим себе что выпускаем электроны из специальной пушки в сторону специального экрана. А между пушкой и экраном стоит перегородка с двумя небольшими щелями. Волна вероятности проходит через эти отверстия и накладывается сама на себя на экране, образуя интерференционную картину. В одних зонах вероятность попадания электрона будет велика, а в других – равна нулю. И после многочисленных выстрелов экран превратится во что-то полосатое. То есть электрон ведет себя как волна, которая одновременно проходит через обе щели. Теперь поставим около первой из них детектор, позволяющий определять, проходит здесь электрон или нет. И поведение частицы кардинально изменится, причем и там, где детектора нет тоже – электрон будет проходить то через одну, то через другую щель, как обычная частица. А на экране мы уже не видим никаких полос и слепых зон – равномерное распределение попаданий с более высокой плотностью в зоне между отверстиями.

Подобное поведение позволяет физикам говорить, что сам факт наблюдения или наличие наблюдателя влияет на эксперимент. И это влечет за собой то, что называется запутанностью – наблюдение за одной частицей, позволяет определить состояние другой. По этому поводу мне нравится шутка физиков про носки. Как только мы надеваем носок на правую ногу, второй автоматически становится левым. Что-то в этом есть.

Мальчик из Самой Средней Школы понял суть запутанных частиц и научился создавать своих двойников и в этом мире, и в других. Причем, чем больше людей могли видеть его двойников, тем менее они зависели от его осознания. И иногда, в больших компаниях или на политических собраниях, двойник мог действовать вопреки воли мальчика, что приводило к драматическим событиям. Но когда двойники оказывались в одиночестве, контроль над ними возвращался.

И еще одна особенность микромира – его квантовость. Мир не непрерывен. У энергии, заряда, расстояния и даже времени есть наименьшее неделимое значение. Довольно странно, если вдуматься.

Мир Е67899 очень похож на этот, но физика там еще более странная, чем ваша. Их физики тоже приводят в пример двущелевой эксперимент, но считают его доказательством того, что между событиями частиц и не существует вовсе. Скажем, есть событие выстрела электроном из пушки и есть событие попадания в экран, а между ними – лишь поле вероятностей. Если же мы ставим детектор у щели, то появляется событие его взаимодействия с электроном. Я как-то общалась с их учеными – очень странные.

И особенность их, еще более странной, квантовой физики заключается в том, что она оперирует вероятностями квантовых состояний, которым трудно придумать модель. Мы уже говорили о спине. В первом приближении – это вращение частиц, но только потому, что в ряде экспериментов их поведение схоже с чем-то вращающим, но не более, отличий больше. Ученые мира Е67899 считают, что это некоторые симметричные состояния частиц. Опять симметрия! Когда они объясняют величину спина, то приводят в пример повороты тел, обычная фигура при повороте на 360 градусов один раз занимает такое же положение как и начальное – в самом конце поворота. Спин, в этом случае равен 1. Если вращаем прямоугольник – то за весь поворот он два раза будет занимать положение неотличимое от начального. Спин равен 2. Равносторонний треугольник – три раза и спин равен 3. А теперь представим, что при повороте на 360 градусов тело не вернулось в прежнее расстояние, как будто оно пропало еще в каких-то дополнительных измерениях, а вернулось только через два поворота. Одно состояние на два поворота – спин равен ½. Таким спином обладают, например, электроны. Частицы с целыми спинами называются бозе, с полуцелыми – ферми и в их мире, и в вашем. Бозе частицы – ведут себя обычно, и полностью вписываются в три пространственных измерения, поэтому, если мы говорим, что они в одинаковых состояниях, то они действительно в одинаковых состояниях, и их можно перепутать. А вот с ферми-частицами не все так просто. Образно говоря, даже при одинаковых квантовых состояниях неизвестно, в каких измерениях их носило во время первого поворота (кстати, и сами повороты – лишь модель симметрий). Про ферми-частицы нельзя однозначно сказать, что они находятся в одинаковом состоянии, даже если в трехмерном пространстве это и так. Поэтому они не любят, когда их путают. Они словно кричат: “А с чего вы взяли, что мы одинаковые!?”. И поэтому на одной атомной орбите могут быть только два электрона с разными спинами. Потому что они точно разные. Любой третий электрон, с нашей точки зрения находился бы в том же состоянии, что или первый, или второй. Однако, на самом деле, из-за того, что ферми-частицы “одной ногой” в других измерениях мы этого точно сказать не можем. И лучше, вообще, не допускать такой ситуации.

Очень странная физика в том мире. Но вернемся в ваш. С точки зрения вашей теории струн существует 9 пространственных и одно временное измерение. Сама “струна” – наглядная модель того, как объект с одним измерением может функционировать в трех (или больше), если мы начнем эту струну сворачивать в причудливые объемные фигуры. И всю теорию струн, наверное, можно рассматривать как попытку наше четырехмерное пространство (вместе со временем) встроить в пространство 10 измерений.

Я бы могла привести примеры миров с большим числом измерений, чем в вашем, но меня поразил когда-то двумерный мир П67844 встроенный в уже упомянутый мир странных физиков. Этот двумерный мир похож на тончайший лист паутины, вращающийся в воздухе, полным множества мелких мошек. Каждая мошка прорывает эту паутину много раз, с одной и той же периодичностью, равной периоду вращения паутины. Поэтому ученые этого мира считают, что все объекты появляются и исчезают с одной частотой, и судить о том, в каком месте они порвут паутину в следующий раз можно лишь с определенной долей вероятности.

Странные, очень странные миры.

Напишите о явлении, суть которого вы бы хотели постичь, чтобы управлять им. И как бы вы воспользовались своей суперспособностью? Возможно, вы поймете из чего состоят все частицы.

_______________________________________________________

______________________________________________________