Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Можно пойти в рассуждениях и дальше. Вспомним магнит. Его окружает магнитное поле. Как далеко оно простирается? И может ли оно вообще на каком-то удалении от магнита резко «оборваться»? Нет, теоретически поле уходит в бесконечность, «истончаясь» до практического нуля, но никогда этого нуля не достигая. И вокруг электрона его электрическое поле тоже тянется в бесконечность. Можно сказать, что любой крохотулечка-электрон имеет габариты размером со всю вселенную. Или что он представляет собой «стоячую волну» с пиком электрического поля в точке собственного расположения, а полевые края этой остроконечной «шляпы» уходят в бесконечность.

Еще на рубеже XIX – ХХ веков появилась теория, гласящая, что вся масса электрона создается его электромагнитным полем и ничем больше. Ее выдвинул английский физик Томсон. К единому мнению по данному вопросу физики так и не пришли, но учитывая, что вещество имеет двойственную, то есть и корпускулярную, и волновую природу, каждую частицу можно представить, как «полевой сгусток» или «полевой клубок», который может, проаннигилировав и потеряв массу при встрече с «антиклубком», «распуститься» в линейную нить летящего фотона.

Физические поля, друзья мои, это не кучевые облачка, окружающие заряженные частицы или предметы. Поля уходят в бесконечность и пронизывают всю вселенную. Мы живем в полях и колебаниях и сами во многом представляем собой поля и колебания. И даже там, в далеком космосе, в миллиардах и триллионах километров от любого вещества, где, казалось бы, и нет ничего, все равно что-то есть.

Что?

Физический вакуум. Обычно под словом «вакуум» понимают пустоту, так сказать, «чистое пространство», в котором нет ни веществ, ни полей. Но еще древние греки смутно догадывались, что «природа боится пустоты».

– Natura abhorret vacuum! – восклицали римляне вслед за греческим философом Аристотелем.

И смутные догадки древних философов квантовая физика подтвердила. По современным представлениям, пустоты действительно нет, а вакуум представляет собой вырожденную материю на нулевых энергетических уровнях. В этой «пустоте», то есть в физическом вакууме, все время происходят околонулевые колебания поля и вещества, поэтому прямо из пустоты на короткие мгновения рождаются и тут же схлопываются виртуальные пары «частица-античастица». Разрешает им рождаться принцип неопределенности. А чтобы при этом не нарушался закон сохранения массы-энергии, частицы, едва проклюнувшись из небытия, тут же снова ныряют обратно в ничто. Иначе получится, что вещество берется из ниоткуда!

Но если пары частица-античастица образуются на такой короткий срок, что их невозможно засечь никаким прибором, как проверить, происходит ли это? Есть несколько способов.

Во-первых, в момент появления их можно успеть растащить, приложив мощное внешнее поле. Чего проще: поставим две параллельные металлические пластины в вакууме, подадим на них мощный электрический потенциал – на одну «+», на другую «-». Тогда частицы, возникнув из небытия, не успеют схлопнуться обратно, а будут ухвачены «за волосы» собственного поля внешним полем и растащены. Но никакого нарушения законов сохранения при этом уже не произойдет, ведь мы заплатили деньги, подключили прибор к розетке, потратили энергию, в результате чего получили из нами же организованного внешнего поля новую массу. Все по-честному.

Во-вторых, существует так называемый эффект Казимира. Снова берем и ставим в вакууме две параллельные пластины на микронном расстоянии друг от друга. И замечаем, что они начинают притягиваться друг к другу чуть больше, чем им положено в соответствии с законом всемирного тяготения. Почему? Из рисунка ниже и подписи к нему становится ясно, почему.

Эффект Казимира. И между пластинами, и за ними вакуум «кипит» постоянно возникающими частицами и квантами полей. Но внутри пластин возможно возникновение ограниченного количества квантов – только таких, у которых между пластинами укладывалось целое число волн, а остальные там «не помещаются». А вот вне зазора возникают кванты любых частот, их там ничто не ограничивает. Значит, снаружи их вспыхивает больше и снаружи квантовое давление, соответственно, сильнее.

Наконец, третье доказательство «кипения» вакуума. В физическом вакууме все время возникают и исчезают виртуальными парами протоны и антипротоны, электроны и позитроны. А они ведь имеют свой заряд! И этот заряд из-за постоянного «кипения вакуума» постоянно присутствует вокруг реальных частиц и с ними взаимодействует, как бы экранируя реальные частицы от внешнего наблюдателя. Так вот, эта экранировка физиками была засечена приборно. Таким образом, будучи не в силах поймать сами виртуальные частицы, они засекли их наличие по косвенным признакам. Разве плохо?

И теперь современные философы, начитавшись книжек о физике, выделяют три состояния материи – вещество, поле и вакуум. Я бы даже сказал, что вакуум – это «овеществленное пространство».

Но самый большой сюрприз преподнес философам английский физик Дирак, по представлениям которого реальные частицы являются всего лишь устойчивыми возбужденными состояниями вакуума. Какое-то из них мы воспринимаем как электрон, какое-то как пи-мезон… И когда электрон, например, летит, то это не шарик летит в пустоте, где ему ничего не мешает, а перемещается волна возбуждения в первичной ткани нашего мира – вакууме. С этой точки зрения мы все состоим из пустоты, разным образом организованной.

Вот такие пироги…

Ну, а что касаемо элементарных частиц, с которых мы начали эту главу, то к настоящему времени физики обнаружили их целые сотни. И честно говоря, ничуть не обрадовались. Потому как не нужно им было столько! Весь окружающий нас мир создан всего из трех частиц. Ну, еще нам пригодятся кусочки света – фотоны. А остальное-то на кой черт напрыгало из закромов природы?

Просто безумное какое-то количество! С разными свойствами… Например, разница в массах у частиц может достигать 600 миллиардов! То есть самые тяжелые в 600 миллиардов раз тяжелее самых легких. К чему такое безумное разнообразие?

Правда, почти все эти новоявленные сотни частиц весьма короткоживущие, они существуют ничтожные доли секунды, после чего распадаются на более стабильные и уже знакомые нам частицы. Поэтому лично я, честно говоря, в силу недолговечности этих частиц вообще отказал бы им в громком наименовании «частицы», а обозвал скорее переходными процессами, то есть самим моментом превращения сталкивающихся в ускорителе протонов во что-то другое. В природе не бывает мгновенных процессов, все процессы занимают какое-то время, вот и те треки, которые опознаются физиками как короткоживущие частицы, я бы назвал «реакциями». Впрочем, физики называют эти короткоживущие штучки отдаленно схожим словом – «резонансы». И вообще сейчас они заняты тем, что составляют для обнаруженных сотен частиц классификацию, своего рода «таблицу Менделеева» для элементарных частиц.

Пожелаем им в этом успехов.

Теория относительности Эйнштейна – наиболее известная широкой публике физическая теория. Хотя она не самая странная и не самая сложная. Квантовая механика и посложнее, и постраннее будет. Но именно про теорию относительности в общих чертах имеют представление почти все от мала до велика. Сейчас это представление поимеете и вы, вне зависимости от того, малый вы или великий…

По-хорошему про данную теорию нужно писать отдельную книгу – со схемами и графиками, но нам сейчас придется ограничиться только отдельными выводами из теории относительности. Они весьма нетривиальны.

Эйнштейн показал, что при приближении к скорости света масса тела растет (об этом мы уже знаем), линейные размеры тела сокращаются (оно становится короче), а время для него замедляется. Что означает последний факт? Он означает, что все процессы для этого тела текут медленнее – при взгляде со стороны, разумеется. Так, если на звездолете, передвигающемся с околосветовой скоростью, проходит минута, то на Земле могут пройти годы или даже столетия.

Но это еще не все странности. Эйнштейн трактует гравитацию как искривление пространства и замедление времени. Иными словами, то, что мы принимаем за тяготение, то есть стремление тел притянуться к Земле, есть просто побочный эффект кривого пространства. Наиболее наглядная картинка, которую можно вообразить, чтобы это понять, такова.

Представьте себе ровно натянутую и разлинованную в клеточку резиновую поверхность – это пространство без гравитирующих масс. Все линии и углы тут прямые. Мы имеем модель двумерной поверхности, то есть плоскость – на плоскости есть только ширина и длина, но нет высоты. Невесомый шарик (фотон) будет катиться по этому прямому плоскому пространству прямолинейно. Такое прямое пространство называется эвклидовым в честь греческого геометра Эвклида.