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

Ну, и что же вы думаете? Как только ставят регистратор, как только начинают проводить наблюдение, так электрон и вправду начинает пролетать только в одну щель – либо в эту, либо в соседнюю. Но при этом интерференционная картинка на экране исчезает!

Интерференция исчезает, когда электрон «узнает», что мы за ним наблюдаем, вот в чем проблема. Электрон начинает вести себя, как обычная частица. А когда не наблюдаем (выключаем прибор регистрации), он снова ведет себя, как волна, и картинка сложения волн на экране возникает снова.

Как неожиданно…

И одна из главных физических формул микромира, которая описывает так называемый «вектор состояния», она ведь описывает математическими значками не только само состояние изучаемой квантовой системы, но и наши знания о ней. Они включены в формулу. Ну, разве могли физики старой школы так легко с этим смириться?

А уж когда физики-теоретики стали изучать вакуум и самые мелкие структуры бытия, последние остатки наглядности в виде мысленных картинок или рисунков растворились и остались одни сплошные формулы.

Что поделаешь, миром руководит математика!

Глава 3

Откуда берется время

Те, кто не поленился и прочитал информационный блок о теории относительности, наверняка остался впечатлен фокусами со временем. Как это так – время замедляется при росте скорости?! Что это означает? А это означает, что все процессы в месте замедления времени идут медленнее.

– Но позвольте! – скажет умный человек в круглых очках. – Если все процессы идут медленнее, и часы в том числе, то откуда мы знаем, что время замедлилось? Мы этого просто не заметим, ведь замедлились все процессы!

Верно. Внутри такой системы, в которой замедлилось время, никто ничего не заметит. Это будет заметно только снаружи. Ведь все познается в сравнении! Размеры предметов измеряются методом сравнения их с линейкой, временные промежутки – путем сравнения их с промежутками времени, отмеряемыми часами. А если не с чем сравнивать, то как узнаешь?

Поэтому о замедлении времени в какой-то системе может судить только внешний наблюдатель, находящийся вне этой системы. Вот он как раз и может сказать:

– Ой! А у вас часы идут медленнее. И стареете вы как-то медленнее, чем я. И двигаетесь. И думаете. Вы, наверное, тормоз!

В общем, теория относительности показала, что относительны не только масса и пространство, но и время: масса тела с увеличением скорости растет, линейные размеры тела (то есть само пространство) сокращается, а время замедляется.

? Но что такое время?

Немало философов ломало голову о природе времени. Физики ньютоновской эпохи полагали: вот есть материя, из которой сделано все; есть пространство как вместилище всех вещей; и есть время как мера длительности происходящих процессов. Материя – это актеры, сцена – это пространство, а длительность спектакля – это время. Причем пространство и время останутся, даже если из мира убрать материю.

Современная физика полагает иначе: есть только квантовое сущее, которое проявляет себя в трех ипостасях – как материя, пространство и время. Есть бескрайний океан вакуума, в котором все происходит и волнения которого мы воспринимаем как вещество и поле.

На бытовом уровне с веществом все понятно. Мы и сами вещество и имеем дело с веществом всю жизнь. С пространством тоже нет непоняток – если далеко, то лучше лететь на самолете: он быстрее перемещается в этом самом пространстве. И вообще, если бы не пространство, где бы тогда помещалось вещество? Тут у нас непонимания нет. Все очень просто.

А вот время…

Оно – что? Как его пощупать? Можно ли его выделить в некую отдельность? Почему люди говорят о стреле времени, о том, что оно проходит безвозвратно, и что прошлого не вернуть?

Я вам на эти вопросы отвечу сразу: никакого «отдельного» от материи времени нет. Есть только происходящие процессы.

Мы говорим о наличии времени только тогда, когда происходят события. Нет событий – нет времени.

Столкнулись позитрон с электроном, превратившись в кванты электромагнитного излучения – это событие. Каркнула ворона – это событие. Умер человек – это событие. Поскольку в мире все время что-то происходит, мы и говорим о наличии времени.

Время, как и массу, как и расстояние, мы отсчитываем по калиброванным отрезкам. Мы договорились: вот такой вот отрезок пространства считать метром, вот такой вот кусок массы – килограммом, а вот такой отрезок времени – секундой. Эталоны метра и килограмма хранятся в парижской Палате мер и весов. Эталонный метр сделан из твердого и почти не подверженного температурным расширениям платино-иридиевого сплава. Эталон килограмма сделан из того же материала и представляет собой цилиндр высотой и диаметром в 39 мм.

А вот секунду в Палату мер и весов не положишь. Ее эталон овеществлен в особо точных атомных часах – чертовски сложном приборе, в котором используются неизменные природные процессы – электромагнитные колебания возбужденного атома цезия, например.

Эталонные метры имеют в сечении сложную форму. Это чтобы не гнулись!

Эталонный килограмм накрыт колпаками, чтобы уменьшить все воздействия, включая оседающую пыль.

Атомные часы

В быту для измерения времени нами используются приборы попроще – обычные механические или электронные часы, которые из-за их примитивности все время приходится подстраивать под сигналы точного времени. А некоторые электронные наручные часы уже умеют ловить сигналы точного времени, передающиеся по радио, и сами подстраиваются.

Мы смотрим на круговое движение стрелок и так определяем время. Раньше люди измеряли время по течению песка в песочных часах или воды в водяных, по движению тени в солнечных часах. В общем, всегда люди отмеряют время по какому-то равномерному движению.

Потому что времени, как отдельной субстанции нет, есть только движение материальных объектов в пространстве, которое мы и воспринимаем, как время.

– Но если времени нет, почему тогда у времени есть свойства? – спросит тот же умник в круглых очках. – Такое, например, свойство, как однонаправленность. В пространстве можно перемещаться во все стороны. А во времени – только в будущее.

Верное замечание. Но что мы понимаем под однонаправленностью времени? Что значит «нельзя переместиться в прошлое»?

А это значит, что нельзя стать моложе, например. Мы все своим чередом идем от детства через юность и молодость к зрелости и старости. И остановить этот процесс не можем. Если стакан разбился, мы не можем вернуться в прошлое и переставить его от края стола подальше. Если у нас кончились деньги или другие ресурсы, мы не можем вернуться в прошлое, когда они у нас еще были, и перепланировать траты.

? Почему в пространстве путешествовать можно, а во времени нельзя?

Да потому и нельзя, что пространство есть, а времени нет – не в чем путешествовать! Мы видим, как перемещаются в пространстве предметы – вот и вся иллюзия времени. Хотите попасть в «прошлое», просто переместите все предметы, все поля, все частицы в мире в то положение, которое они в прошлом занимали, и задайте им те скорости, которые они имели тогда – вот и все. Можно это сделать?

Нельзя.

Потому что стакан уже разбился, а мы состарились – и не можем повернуть эти процессы вспять. Вот в этом и заключается весь фокус: не время необратимо! Необратимы некоторые физические процессы – вот в чем кажущийся феномен необратимости времени.

Мы не можем повернуть вспять некоторые формы движения материи.

Мы не может омолодиться. Мы не можем потраченную из батарейки карманного фонарика энергию вернуть обратно, потому что она уже превратилась в свет и тепло – и фотоны излучения безвозвратно рассеялись в пространстве. Как их теперь собрать по квантам во вселенной и засунуть обратно в батарейку? Да никак! Поэтому время, точнее, большинство процессов движения необратимы.

Причем с точки зрения физики они необратимы принципиально! И отсюда вытекает много следствий – например, невозможность создания вечного двигателя второго рода, то есть такого двигателя, который бы преобразовывал зряшное тепло в полезную работу.

Непонятно?

Что ж, придется поговорить про вечные двигатели. Это будет крайне занимательная и весьма поучительная беседа!

Эта идея – сделать вечно крутящееся колесо – занимала человечество сотнями лет. Еще древние… нет, на сей раз не греки, а индусы мечтали построить такую штуку, чтобы она крутилась вечно и сама по себе. Однако самый пик изобретательства пришелся на европейское Средневековье и эпоху Возрождения. Тогда как раз вовсю строились мельницы, вот европейские механики и задумались: а нельзя ли такое приспособление соорудить, чтобы никакой внешний привод – ни от течения реки, ни от ветра – не был ему нужен. Ведь не везде есть ручьи и речки, не везде дуют постоянные ветра. Как хорошо было бы – построил, запустил один раз такое колесо, присоединил к нему мельничные жернова для помола муки, и оно само крутится. «Перпетуум мобиле» – вечное движение на латыни.