Часть 1
Загадочные кванты

Вы изучите основные понятия в физике; поймёте, чем квантовая физика отличается от классической; узнаете, что такое квант и как можно совершать «квантовые скачки’».

Глава 1
Частицы

Чтобы изучать законы квантовой физики, нужно понимать её основные термины. Из этой главы вы узнаете, что такое частицы, волны и поля. Что‑то вы вспомните из школьной программы, а что‑то будет новым. Не пролистывайте этот материал, ведь на полученных знаниях основывается вся книга!

Что такое атом

Греческий философ Демокрит (460–370 гг. до н. э.) первым предположил, что существуют атомы.

Атом (др. – греч.) означает «неделимый».

Атомы – это кирпичики, из которых строится любое вещество. Во времена Демокрита атомы считались неделимыми, самыми малыми частицами, но сейчас мы знаем, что это не так. У атома есть строение.

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро атома тоже является делимым – оно состоит из протонов и нейтронов. У нейтронов нет заряда. У протонов положительный заряд, а у электронов – отрицательный. Обычно количество протонов и электронов в атоме одинаковое. Поэтому общий заряд атома равен нулю.

В школе вам говорили, что эти частицы (протоны, нейтроны и электроны) и есть самые малые частицы. Но это не так. Только электрон неделим, а протоны и нейтроны состоят из кварков, и по-настоящему элементарные частицы – это кварки.

Кварков существует шесть типов, и у них очень забавные названия: странный, очарованный, нижний, верхний, прелестный, истинный. Да, у физиков хорошее чувство юмора.

В книге я не буду подробно останавливаться на классификации элементарных частиц, это не столь важно для понимания законов квантовой физики.

Интересно, что масса ядра атома составляет более 99,9 % массы атома. Поэтому масса атома сосредоточена в его ядре. А электроны очень лёгкие.

Если возьмём 1 грамм электронов и расположим каждый из них на прямой линии рядом друг с другом, то они образуют цепочку длиной в 4 миллиарда километров!

Все существующие электроны абсолютно идентичны. Вы не найдёте различий, если я поменяю два из них местами. Мои электроны точно такие же, как и ваши, а те идентичны электронам, например, Марса.

Как понять, сколько электронов в атоме?

Надо посмотреть в таблице Менделеева. В ней у каждого элемента есть порядковый номер, он написан в правом верхнем углу. Число протонов и число электронов в атоме равны порядковому номеру элемента. Вверху слева – массовое число, т. е. число нуклонов в ядре (протоны + нейтроны); внизу слева – заряд ядра, т. е. число протонов.

Кстати, в других странах таблицу Менделеева называют просто периодической таблицей элементов, и многие даже не слышали о том, что её изобрёл русский учёный Дмитрий Менделеев. Считаю это большой несправедливостью.

Размер атома

Теперь перейдём к размеру атома.

Вы знаете, что атомы маленькие. Но насколько они маленькие?

Если увеличить монетку в пять копеек до размера Земли, то атом в монетке будет равен по размерам настоящим пяти копейкам.

Или можно сказать так: в одном стакане воды содержится больше атомов, чем число стаканов воды, необходимое для наполнения всех морей и океанов мира.

Какие размеры у частиц атома?

Размер ядра атома более чем в 10 тысяч раз меньше самого атома. А размер электрона и того меньше. Если рассматривать электроны, протоны и нейтроны как частицы, то атом практически пуст.

Почти всё вокруг состоит только из электронов, протонов и нейтронов.

Если бы мы убрали всё пустое пространство между элементарными частицами внутри людей, то мы все – всё человечество – поместились бы в мандарине.

Мы – люди и все предметы вокруг – представляем собой практически пустое пространство. Мы призраки.

Глава 2
Волны

Волны – это процесс распространения колебаний с течением времени.

Параметры волн:

• амплитуда (А) – это максимальное отклонение от положения равновесия (например, амплитуда морской волны – это её высота);

• период (Т) – это время полного колебания;

• частота – это число колебаний в единицу времени.

Важно помнить: волны переносят энергию, но не переносят вещество.

Например, на поверхности воды лежит небольшой листок с дерева. Если бросить в воду камень, от него во все стороны начнут распространяться волны. Дойдя до листка, они не потянут его в направлении движения волн, а просто заставят совершать колебательные движения вверх и вниз. Форма воды будет меняться благодаря энергии от удара камня, но течение не возникнет.

Примеры волновых процессов в природе: колебание струны, дрожание желе, звук и, конечно, электромагнитные волны.

Идею прослушивать пациенток через трубку (это звуковые волны) пришла в голову врачу Рене Лаэннеку в 1816 году, потому что он стеснялся прижиматься к женской груди на каждом приёме.

Шкала электромагнитных излучений и видимое излучение

Электромагнитные волны пронизывают всё пространство вокруг. Очень многие физические процессы отличаются друг от друга всего лишь длиной волны. Это радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения и ещё опасные для человека рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Низкочастотные волны и радиоволны используются для радиосвязи, космической связи, телепередач.

Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, без которого не было бы жизни. Его основной источник – Солнце, как и для ультрафиолетового излучения. В больших дозах эти излучения могут быть опасными.

И по-настоящему опасные волны – рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Рентген используют в криптографии, а ещё с его помощью можно увидеть, что находится внутри человека.

Гамма-излучение образуется при ядерных реакциях, у него высокая проникающая способность из-за малой длины волны. При авариях на АЭС именно оно причиняет так много вреда окружающему пространству.

На рисунке есть тонкая полосочка – это видимое излучение. Мы видим очень малую часть того, что происходит вокруг. Многие другие живые существа видят гораздо больше нас. Например, орлы и пчёлы видят ультрафиолетовый спектр.

В детстве я задумывалась: как бы выглядела наша жизнь, если бы мы видели все длины электромагнитных волн? Помогло бы нам это или нет? Большой вопрос.

#физикишутят

Один из создателей термодинамики (наука о передаче тепла), Вальтер Нернст, в часы досуга разводил карпов.

Однажды кто‑то глубокомысленно заметил:

– Странный выбор. Кур разводить и то интересней.

Нернст невозмутимо ответил:

– Я развожу таких животных, которые находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – значит, обогревать на свои деньги мировое пространство.

А у вас есть не связанное с работой увлечение, которое демонстрирует вашу экспертность?

Глава 3
Взаимодействия

Взаимодействие – это вообще главное, что изучает физика. Исследуя вещество, явление или предмет, мы всегда сталкиваемся с тем, что они взаимодействуют с окружающим миром.

Вместо «Я мыслю, следовательно, я существую» физик бы сказал: «Я взаимодействую, следовательно, я существую».

Даже когда мы просто смотрим на предмет, он облучается фотонами (волной света). Фотоны от него отражаются и попадают нам в глаз. И наш глаз по углу отражения и длине волны может составить представление о форме этого предмета и о его цвете. Помните, что цвет предметов – это лишь длина волны, которую предмет отразил, а мы уловили.

В мире существует всего четыре вида взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

Хотя это самая слабая сила, она наиболее нам знакома. Из-за неё люди могут находиться на Земле, а планеты – вращаться по орбите вокруг Солнца.

Сила гравитации любого объекта пропорциональна его массе. Поскольку Земля – ближайший к нам из самых крупных объектов, то все предметы притягиваются к ней.

Если бы не было гравитационного взаимодействия, то из-за отсутствия центростремительной силы люди оторвались бы от Земли и улетели бы в открытый космос со скоростью 436 м/с. Огромная скорость, не правда ли? Гравитация играет важнейшую роль в нашей Вселенной, в нашей жизни вообще. И вместе с тем это самое слабое взаимодействие (посмотрите на таблицу!).

Фундаментальные физические взаимодействия

Гравитационное взаимодействие объясняет теория относительности. А квантовая теория описывает три оставшихся вида взаимодействий.

Сильное взаимодействие

Участники сильного взаимодействия – протоны и нейтроны. Это та сила, которая удерживает вместе составляющие этих частиц (кварки) и всё ядро атома. Это мощное, самое сильное взаимодействие. Оно работает только на очень коротких расстояниях, крошечных, как ядро атома. И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется радиоактивным распадом.

В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Некоторые атомы радиоактивны, однако в большинстве случаев это для нас не опасно. Например, банан содержит калий‑40, в грамме которого происходит 32 ядерных распада в секунду. Природный уровень радиации выше среднего у картофеля, орехов и семечек подсолнечника.

В атомной бомбе «Малыш», которая была сброшена на Хиросиму, содержалось около 700 граммов урана‑235. И всего лишь 0,6 грамма вещества было превращено в энергию, создавшую такие ужасные разрушения. Представьте, насколько мощным является сильное взаимодействие.

#физикишутят

Забавно, что люди благодаря философии «в жизни надо попробовать всё» начинают пробовать наркотики, а не изучать ядерную физику, например.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие электрически заряженных частиц. Носители этого взаимодействия – фотоны.

Фотоны – это безмассовые частицы, которые двигаются со скоростью света и являются самыми распространёнными частицами во Вселенной. Луч света (это поток фотонов) доходит от Солнца до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды до Земли – за 472 года, т. е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба. И вообще, то, что мы видим в ночном небе, – это давно прошедшие события.

Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, работает на бесконечно больших расстояниях. Оно намного сильнее гравитационного, но не проявляется в космических масштабах, поскольку материя электрически нейтральна (в каждой области Вселенной количество положительных и отрицательных зарядов примерно одинаково).

В обычной жизни мы постоянно сталкиваемся с электромагнитным взаимодействием. Действие большинства современных приборов и бытовой техники основано на электромагнитном взаимодействии.