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

всегда знали, что при нагревании цвет предметов меняется от красного к жёлтому, от жёлтого к синему. Напомню: цвет всего лишь показывает длину волны (или частоту) излучения.

Физики пытались найти формулы, описывающие этот эффект, опираясь на теории Ньютона и Максвелла. Но ничего не получалось. Тогда Планк выдвинул гипотезу, что свет излучается не непрерывно, а дискретно – «пакетами», которые он назвал квантами. Это была просто гипотеза, к которой вначале ни сам Планк, ни другие физики не отнеслись серьёзно.

Кстати, Планк не оставил своё увлечение музыкой. Он часто музицировал вместе с Альбертом Эйнштейном: Планк играл на фортепиано, а Эйнштейн – на скрипке.

Что значит «дискретно»? Например, дискретная величина – это количество наличных денег у вас в кошельке. У вас может быть 125 рублей и 3 копейки. Но не бывает кусочка копейки. Поэтому квант наличных денег – это копейка. Копейка – это минимальное количество наличных денег.

Квант – это минимально возможное значение физической величины.

Формула Планка:

E = hν,

где E – энергия;

h – постоянная Планка;

v – частота излучения (читается: «ню»).

h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙c

= 0,000000000000000000000000000000000663

Величину постоянной Планка сам Планк нашёл вручную, подбирая значения, совпадающие с результатами экспериментов.

Чем горяче́е объект и чем больше его энергия, тем выше частота его излучения. Поэтому кузнец видит, как при нагревании меняется цвет тела, т. е. увеличивается частота излучения тела (см. гл. 2, шкала электромагнитных излучений).

#физикишутят

Экзаменатор: Напишите формулу Планка.

Студент: Е равняется аш ню.

Экзаменатор: Что такое ню?

Студент: Постоянная планки.

Экзаменатор: А что такое аш?

Студент: Высота этой планки.

Вы, возможно, слышали, что температура поверхности Солнца – 6000 °C. Но откуда нам это известно, ведь мы никогда к Солнцу не приближались? Мы это знаем из-за длины волны света, который излучает Солнце. Это рассчитывается по формуле Планка.

Всё, что нас окружает, – квантуется. Весь наш мир дискретен. Квантуется не только энергия. Квантуются расстояние, объём. Квантуется даже время.

Математики считают, что мы можем бесконечное число раз делить отрезок пополам. Однако это математическая абстракция – наш мир устроен иначе. И в конце концов найдётся самая малая величина, которую уже невозможно будет поделить.

Насколько велик квант

Дам такие примеры. Атомное ядро включает в себя больше квантовых объёмов, чем количество кубических метров, входящих в галактику Млечный Путь.

А квант времени? Секунда – не самая малая единица измерения времени. В одной секунде больше квантов времени, чем количество секунд, прошедших с момента рождения Вселенной.

То есть квант – это очень, очень маленькая величина. И квантовый скачок тоже вычисляется по формуле Планка и является самым крошечным изменением энергии. Он может быть как увеличением, так и уменьшением энергии.

Дискретная природа нашего мира порождает удивительные и странные явления, называемые квантовыми эффектами. Квантовые эффекты – это основы квантовой физики, о которых я скоро расскажу. Постоянную Планка можно назвать мерой дискретности.

Если постоянная Планка была бы равна нулю, то мир бы не существовал, так как энергия всех фотонов равнялась бы нулю и не было бы светового излучения.

А если бы постоянная Планка была гораздо больше, то эффекты микромира стали бы обычным для нас делом. Предметы бы исчезали и появлялись в неожиданных местах, тела бы меняли направление движения безо всякой причины, и можно было бы быть живым и мёртвым одновременно. Как вам такой мир?

Физики точно не знают, почему наш мир дискретный. Одно из интересных возможных объяснений – теория симуляции. Согласно ей Вселенная – это компьютерная симуляция, созданная Богом, а квант – это бит информации, как в наших компьютерах. Мы разберём эту теорию в следующих главах.

Резюме и задания

 Резюме

• Наш мир состоит из атомов, а атом, в свою очередь, из протонов, нейтронов и электронов. Размеры частиц очень маленькие по сравнению с размером целого атома, поэтому любое тело (включая нас с вами) – это практически пустое пространство.

• Видимое излучение – это малая часть всего спектра электромагнитных волн. Цвет предмета определяется частотой отражаемого излучения.

• Есть четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. Все другие взаимодействия можно свести к этим четырём.

• Поле – это область пространства, передающая взаимодействие. Нет понятия «квантовое поле», есть наука – квантовая теория поля. В ней поля можно называть квантованными.

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

• Излучение и поглощение энергии происходит лишь при переходе с одной орбиты на другую. Это крошечное изменение энергии (как увеличение, так и уменьшение) называется квантовым скачком.

• Квант – это минимально возможное значение физической величины. Весь наш мир квантуется