Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье

подшутить над профессором и стёрли первую букву в слове classes (получилось lasses – «любовницы»).

На следующий день Томсон увидел это исправление, но не растерялся, а стёр ещё одну букву в этом же слове и молча ушёл (получилось asses – «ослы»).

Сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженным электроном должна быть равна центростремительной силе, действующей на вращающийся электрон. Но если электроны кружатся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, и постоянно ускоряются, то почему они не излучают электромагнитные волны? (Напомню, что ускорение ведёт к изменению скорости движения тела, а скорость может меняться не только по величине, но и по направлению.) Электроны должны были постоянно терять энергию и в результате упасть на ядро (любое заряженное тело, движущееся с ускорением, излучает электромагнитные волны и, следовательно, теряет энергию). Ответ нашёл ученик Резерфорда – Нильс Бор.

Нильс Бор, пожалуй, самый знаменитый разработчик квантовой теории. Амбициозный датчанин приехал работать в Манчестерскую лабораторию Резерфорда, едва зная английский. Бор учил язык по полному собранию сочинений Диккенса, которое он привёз с собой.

Нильс Бор работал несколько лет и усовершенствовал модель Резерфорда, предложив следующие постулаты.

Постулаты Бора

• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитных волн (энергию).

• Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе с одной орбиты на другую.

Орбита и энергетическое состояние

На картинке электрон находится в стационарном энергетическом состоянии и может перейти на соседнюю орбиту. Это называется «квантовый скачок». Дальше я напишу формулу, по которой вычисляется величина этого «скачка», а пока важно понять: квантовый скачок – это самое малое изменение энергии, которое только возможно.

Забавно, когда понятие «квантовый скачок» используют в качестве синонима невероятно большого роста. Будьте с этим аккуратны!

И помните: квантовый скачок – это не только крошечное изменение энергии. Это изменение может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.

#физикишутят

В лаборатории Резерфорда в 1920‑е годы работал талантливый русский физик Пётр Капица. Во время обучения в Московском университете он твёрдо решил, что хочет поехать в аспирантуру к Резерфорду. Капица добился поездки в Англию. Но Резерфорд, руководивший в то время тридцатью аспирантами, не захотел принимать нового. Ему и в голову не приходило, что этот русский станет одним из его любимых учеников и соавтором в области фундаментальных исследований в физике низких температур.

Появившись у Резерфорда, Капица попытался убедить учёного взять его к себе, но услышал отказ. Тогда Капица привёл следующий нестандартный довод. «У вас тридцать аспирантов?» – спросил он. «Да, и больше мне не нужно», – ответил Резерфорд. «А какова обычно погрешность измерений в вашей лаборатории?» – «Около трёх процентов». Капица моментально парировал: «Ну вот видите! Тридцать один аспирант точно укладывается в пределы погрешности!» После этого вопрос с аспирантурой был решён.

 Задание

Подумайте, какие нестандартные методы вы используете для достижения своих целей.

Принцип запрета Паули

Когда мы смотрим на модель атома Бора, у нас возникает интересный вопрос: почему все электроны в атоме не находятся на самой нижней орбите? (Нижняя орбита – это та, которая находится ближе всего к ядру и обладает минимальной энергией.)

Ответ дал Вольфганг Паули в 1925 году, сформулировав свой принцип исключения: на каждом энергетическом уровне может находиться только один электрон. Если уровень занят, следующий электрон займёт свободный, более высокий энергетический уровень. Уровни будут заполняться от минимальной энергии к максимальной.

#физикишутят

Вольфганг Паули был одним из создателей квантовой физики и стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с любым экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Физики-экспериментаторы даже не позволяли ему заходить в лабораторию и разговаривали с ним через закрытую дверь. Утверждали, что ему достаточно просто войти в кабинет, чтобы в нём что‑нибудь сразу же переставало работать. Это мистическое явление окрестили эффектом Паули. Однажды в физической лаборатории в Гёттингене произошёл сильный взрыв. Время взрыва было точно зафиксировано. Как потом оказалось, ЧП случилось именно тогда, когда поезд, в котором ехал Паули, остановился на несколько минут в Гёттингене.

 Задание

Если бы был эффект вашего имени, то о чём бы он был? Помогает ли такой эффект вам в жизни?

Глава 7

Что такое квант

Молодой физик Макс Планк очень любил музыку. Он сомневался, стоит ли ему продолжать изучать теоретическую физику или всё же заняться музыкой.

В конце концов Планк объявил своему научному руководителю, что хочет посвятить жизнь теоретической физике. «Молодой человек, – произнёс профессор, – теоретическая физика уже в основном закончена… Зачем вам браться за такое бесперспективное дело?» Но Планк уже сделал выбор. Прошли годы, и Макс Планк стал одним из отцов-основателей квантовой теории, и именно он придумал термин «квант». Случилось это в 1900 году.

Планк изучал свечение нагретых тел. Кузнецы или стеклодувы, которые много работали с горячими объектами,