Впоследствии эти «кусочки света» назвали фотонами.
У фотонов нет никакой массы. Они не могут находиться в состоянии покоя. Они электронейтральны, то есть не имеют заряда. Фотон – это квант, то есть частица электромагнитного излучения. Порция живой энергии.
Один фотон попадает в один электрон и целиком передает ему свою энергию, всю порцию, после чего электрон, получивший эту энергию, пулей вылетает из кристаллической решетки металла, как подорванный.
Интенсивность (яркость) света – это количество фотонов. Много фотонов – яркий свет, мало – тусклый. Поэтому интенсивность света и влияет на число выбитых электронов, а не на их энергию, ведь один фотон выбивает только один электрон: больше яркость света – больше выбитых электронов. Энергия же выбитых электронов (то есть скорость их вылета из металла) зависит от энергии фотона, а та зависит от частоты фотона. Высокочастотные – высокоэнергичные. Поэтому если частота (то есть энергия) фотонов становится слишком маленькой для выбивания электронов из металла, фотоэффект просто пропадает. Вот такое объяснение «красной границе фотоэффекта» дал Эйнштейн.
Вроде логично. Но при этом какой‑то бред вообще, вы не находите?
Ну, в самом деле, как волна может состоять из частиц, фотонов этих? Ведь волна – это, строго говоря, процесс. А частица – это, друзья мои, объект. Вот молекула, например, объект. Если мы собираем множество молекул в огромный массив, мы получаем среду. И по этой среде могут распространяться колебания, то есть синхронизированные движения объектов среды (молекул). Групповой танец молекул – это колебание. Как колебание может состоять из «частиц колебания»? Как процесс может быть объектом?
|
|
|
Велосипед – это объект. Езда на велосипеде – процесс.
Буханка хлеба – объект. Нарезание хлеба – процесс.
Антилопа – это объект, хоть и живой. Бег антилопы – процесс.
Вода – это объект, хоть и жидкий. Волны на воде – процесс.
Это же принципиально разные вещи!
Нос – это не сморкание. Потому что нос – объект, а сморкание – процесс, который с объектом происходит.
Мозг – это объект. Мышление – процесс, который в мозгу творится.
Как частица может быть волной?
Со времен Ньютона, который утверждал, будто свет – это поток корпускул, прошло много времени, за которое наука блистательно доказала не корпускулярную, а именно волновую природу света. Все свойства волн были у света обнаружены – дифракция, интерференция, преломление. Свет – это волны, а не частицы!..
И вдруг приходят Эйнштейн с Планком и говорят: да нет, вообще‑то это частицы, кванты, только так и можно объяснить целый ряд физических явлений, включая фотоэффект. Электроны поглощают частицы света целиком, порционно. Был бы свет сплошными волнами, вся картина фотоэффекта выглядела бы совершенно иначе. А она выглядит так, как если бы электроны не раскачивались постепенно непрерывными колебаниями, а бомбардировались потоком частиц.
|
|
|
Погоревали немного физики да и махнули рукой: эх, ладно, пусть будет околесица! Согласимся, что иногда свет обладает свойствами волны – когда он свободно летит себе и никого не трогает. А иногда свойствами частиц – когда бомбардирует вещество. Пусть у нас будут теперь две взаимоисключающие теории, объясняющие свет, и пусть они счастливо дополняют друг друга, решили физики. Поженили две несовместимые теории и радуются.
Но тут пришел один француз по имени Луи де Бройль, тоже физик, и сказал:
– У меня идея! Если свет, который мы всегда считали волной, теперь обладает свойствами частиц, то быть может, и электроны, которые мы всегда считали частицами, тоже обладают свойствами волн, ну то есть могут интерферировать – складываться друг с другом?
Тоже идея дикая, если задуматься. Электроны – это точно малюсенькие шарики! Давным‑давно известна их масса, известен размер – эти характеристики электрона в любом физическом справочнике написаны. Ну, какие волны? Какая интерференция?! Это же горох! Разве может одна горошина сложиться с другой? Бред!
|
|
|
– Ничего, ничего, – успокоил научное сообщество де Бройль. – Давайте проверим.
Проверили…
Помните, как физик Юнг пропускал свет через две параллельные щелки, после прохождения которых световая волна начинала складываться друг с другом, давая на экране полосатую картину? Там, где волны света складывались, были яркие полосы, а там, где они вычитались – темные.
Тот же самый эксперимент, проведенный с электронами, показал: интерференция есть! «Горох» складывается друг с другом! И ладно бы только это! Но ведь выяснилось, что один электрон пролетает через две щели одновременно – так же, как и одинокий фотон может пролететь через две щели одновременно! Одна горошина провалиться через две щели в полу не может. Один автомобиль проехать в два параллельных туннеля не может. Один поезд по двух колеям одновременно ехать не может. А один электрон да через две щели – запросто!
То есть он пролетает через две щели и потом сам с собой интерферирует, то есть складывается волновым образом.
Удивительно. Некоторые свойства электрона, например, спин, о котором мы уже говорили, объясняются вращением электрончика вокруг собственной оси, он крутится как юла или планетка. И это вполне представимо. Но как вокруг своей оси может кружиться волна? Это уже ни в какие ворота воображения не лезет!
|
|
|
Интерференция пучка электронов в двухщелевом эксперименте. Черно‑белая фотокартинка изображена справа. Если бы электроны были, как шарики, картина была бы принципиально иной – на экране мы бы видели только две засвеченные полосы – напротив щелей. А их вон сколько!
И не только электрон. В дальнейших опытах была показана интерференция, то есть волновые свойства, протонов, нейтронов. А затем и таких огромных по сравнению с элементарными частицами образований, как атомы и даже целые молекулы! Вещество имеет волновую природу!
Это что же получается? Все наши привычные картины насмарку? Выходит, электрон, как и свет, в свободном полете проявляет свойства волны, а при соударении с препятствием ведет себя, как классическая частица?
Но тогда и модель атома нужно менять! Мы больше не можем представлять себе электрончики как планеты, летающие вокруг атомного ядра по своим орбитам. Потому что у волн нет никаких орбит, волны как бы размазаны в пространстве. Получается, что электроны просто размазаны вокруг атомов и представляют собой нечто вроде электронных облаков.
Электроны вне атомов ведут себя аналогично – не имеют траекторий полета. Хотя с точки зрения классической физики девятнадцатого века должны были бы их иметь. Что такое траектория полета, каждый грамотный пенсионер и юный мальчик представляют прекрасно. Это линия движения. Пуля, которая вылетает из ствола, описывает определенную траекторию. Законы баллистики давно известны, зная скорость и массу пули, всегда можно вычислить, где и в какой момент после вылета окажется пуля и какую скорость она будет иметь. Здесь ничего сложного нет.
А вот если стрельнули электроном, то ничего точно предсказать нельзя. Электрон в полете размазан. Волна! Она везде. И поэтому пролетает одновременно в две дырки. После чего интерферирует сама с собой. А затем врезается в экран уже в виде объекта – крохотного материального шарика, имеющего конкретный размер и точку удара. Все это огромное по сравнению с размерами классического электрона летящее электронное облачко в одно мгновение вдруг схлопывается, стягивается в точку и превращается в привычную нам частицу. Это называется коллапсом или схлопыванием волновой функции.
Сложно себе это представить, ей‑богу. Потому физики старой школы долго пребывали в растерянности. И сами виновники торжества, типа Планка и Эйнштейна, долго не хотели соглашаться с тем, чему сами послужили причиной.
Так в начале ХХ века начала рушиться вся привычная наглядная картина мироздания, на которой раньше стояла физика. Наука вторглась в область микромира и попала в область непредставимого. То есть не имеющего наглядных моделей. Ведь что для нас наглядность? То, что нам привычно. А привычно нам то, с чем мы сталкивается каждый день в нашем макромире. И поскольку свойства микромира кардинально отличаются от свойств макромира, в нашем большом мире мы не можем найти нужных аналогов и примеров, которые бы наглядно описывали то, что происходит там.
Очередное огромное полешко в костер этой мировоззренческой катастрофы подбросил великий физик Гейзенберг – тот самый, который делал Гитлеру атомную бомбу, да так и не доделал. Гейзенберг совершил открытие принципиальной важности, которое поставило на старом добром наивном мире XIX века – мире лошадей и паровозов, Шерлока Холмса и Жюля Верна – черный жирный крест.
Гейзенберг открыл свой знаменитый принцип Гейзенберга, который раз и навсегда покончил с иллюзией фатальности, с представлением о мире, в котором все можно предсказать, если познать его хорошенечко. Мир оказался принципиально непознаваемым до конца и лишенным так называемой скрытой реальности.
В чем же этот принцип Гейзенберга, действующий в микромире, заключается? О чем он говорит? И что такое скрытая реальность?
Принцип Гейзенберга иначе называют принципом неопределенности. Суть принципа следует из его названия и заключается в том, что в микромире всегда присутствует неопределенность. То есть мы не можем одновременно точно определить и координату микрочастицы, и ее скорость. Чем точнее мы определяем скорость, тем менее точно определяется координата. И наоборот. При самом точном определении скорости неопределенность в определении координаты частицы стремится к бесконечности. Иными словами, ничего мы уже сказать о ее местоположении не можем.
Принцип неопределенности имеет свое формульное выражение, но приводить эту формулу, хоть она и довольно проста, я не буду, чтобы не отпугивать читателей, поскольку каждая формула в книге сокращает количество читателей вдвое. А мне бы этого не хотелось! Скажу лишь, что в формуле Гейзенберга присутствует в качестве константы, то есть неизменного коэффициента, постоянная Планка – одна из основных характеристик микромира. Это и есть константа неопределенности.
Ну, а что такое «скрытая реальность»?
Если мы отдернем рукой познания тяжкий бархатный полог этого мира, закрывающий его изнанку, мы увидим божественный механизм, наподобие часового, который приводит мир в движение. Этакие приводные колесики вселенной, как в музыкальный шкатулке… Таковы были ньютоновские представления о мире – если мы чего‑то не знаем, то это происходит только потому, полагала наука XIX века, что мы просто еще чего‑то не успели изучить. А вот изучим и узнаем!
Физика ХХ века поставила на этих наивных представлениях крест, заявив: мы кое‑что не знаем о мире не потому, что еще не отдернули рукой познания полог неизведанного, а потому что мир сам о себе этого не знает. Этой информации, которую мы ищем, просто не существует в природе! Принцип неопределенности – такой же закон природы, как и все прочие, ранее нами открытые. И он говорит: не существует никакого четкого, словно в часах, механизма пока еще скрытой от нас реальности. Определив скорость частицы, мы полностью теряем способность найти ее местоположение вовсе не потому, что нами еще не познана какая‑то скрытая пока реальность. Нет! Как раз все познано! И это неприятное познание состоит в том, что мир в самой своей основе не имеет той определенности, к которой мы так привыкли. И до тех пор, пока мы не начали измерять параметры частицы, их, этих параметров, просто не существует! Они возникают в момент измерения. Именно потому заранее мы о них ничего сказать и не можем. Можно сказать, что мы творим мир измерением.
Мы не может точно вычислить характеристики частицы или предугадать место, куда она попадает. Но зато мы точно можем узнать вероятность попадания! Например, с вероятностью в 90 % частица окажется тут, а не там.
Что это значит?
Это значит, что из огромного числа частиц 90 % хлопнутся сюда, а не туда. А вот что касаемо поведения отдельной частицы, то где именно она окажется, достоверно сказать нельзя. Скорее всего тут. Но может и там.
Глава 2
Напрыгали, как черти из табакерки!
В прошлой главе мы одну хорошую вещь с вами повторили и проговорили – в мире существуют вещество и поле. Если два куска вещества сталкиваются непосредственно – как, например, лоб бегущего мальчика с дверным косяком, они со стуком взаимодействуют. Здесь взаимодействие передается касанием. Но бывает и дистанционная передача, похожая на колдовство – на расстоянии воздействие передается с помощью поля, которое простирается в пространстве вокруг, например, магнита, притягивающего разложенные скрепочки. Или вокруг Земли, если речь идет не об электромагнитном поле, а о гравитационном.
Гравитационное взаимодействие, то есть взаимодействие масс, отвечает за всемирное тяготение, а электромагнитные силы, то есть взаимодействие между притягивающимися и отталкивающимися зарядами, отвечают у нас за всю химию и за само существование тел, которые не разваливаются на атомы, а вполне себе целехонькие находятся в положенных местах.
Кроме того, в предыдущих частях книги вы узнали, что бывают еще два вида взаимодействия – сильное и слабое. Сильное весьма мощное, но короткодействующее и отвечает за удерживание нуклонов в ядре атома (оно противодействует электростатическому отталкиванию положительно заряженных протонов). А слабое – это распадное взаимодействие, отвечающее за распад частиц и развал атомных ядер. Помните – распад одинокого нейтрона…
Возникает вопрос: если гравитационное взаимодействие передается полем и электромагнитное передается тоже полем, то, может быть, слабое и сильное также имеют полевую природу?
Да, имеют. Но об этом чуть позже. Сейчас же вернемся к тому простому и незатейливому случаю, с которого начали эту главу и который не должен, казалось бы, вызывать никаких вопросов – например, с приятным стуком сталкиваются и разлетаются два бильярдных шара или голова мальчика и дверной косяк. Как передается взаимодействие между твердыми электронейтральными и немагнитными телами в момент их соприкосновения?
Что при этом происходит на уровне атомов?
Вопрос непростой! Мы ведь уже знаем, что атомы практически пусты внутри, в них чуть‑чуть «реального» вещества, да и то почти целиком сосредоточеннного в ядре, а от плотного ядра до крайних электронных оболочек – огромное по атомным меркам расстояние. Сами же электронные облака, оболочки или орбита ли, как их еще называют, почти ничего не весят, электроны‑то легонькие и крохотные! Во взрослом человеке массой примерно 70 кг электроны весят всего 20 граммов, а весь остальной вес приходится на ядра атомов.
99, 9999 % объема атома – это пустота, не занятая никаким веществом. Ядро в атоме занимает одну стотриллионную часть объема атома. А электроны атома занимают еще меньший объем, чем ядро.
Атом практически пуст!
И вот мы берем воображаемый очень сильный микроскоп и начинаем смотреть в него с целью выяснить, что же происходит, когда сближаются два бильярдных шара. Шары на первый, то есть невооруженный взгляд, гладкие. Но мы видим при большом увеличении, как они вот‑вот коснутся друг друга довольно шероховатыми поверхностями, напоминающими горы на планете. Прибавляем увеличение воображаемого микроскопа и начинаем различать уже отдельные молекулы, затем атомы. Вот атомы двух шаров приближаются друг к другу. Точнее приближаются их электронные шубы. Но электронные шубы – практическая пустота. Электрончики мало того, что крохотные и болтаются на очень удаленных от ядра орбитах, так они еще одновременно и волны, то есть «существа» весьма эфемерные. По сути, атомам нечем соприкасаться!
Отчего же они не проходят друг сквозь друга, как на этом рисунке?
? Почему же атомы не проходят друг сквозь друга?
А оттого, что одноименно заряженные частицы (например, электроны) отталкиваются. Дистанционно. Полем. И это значит, что никакого соприкосновения твердых тел на самом деле не существует! Ничто там не соприкасается, потому что соприкасаться практически нечему – пустота одна с эфемерным трепетанием электронных облаков! Фактически внешние электроны атомов двух стукающихся друг о друга бильярдных шаров взаимодействуют друг с другом дистанционно, на расстоянии, через поле! Правда, это расстояние очень маленькое, но все равно мы наблюдаем типичное дальнодействие.
Именно так и происходят все соударения всех твердых тел – через электростатическое отталкивание электронных оболочек их внешних атомов.
А как поля двух сближающихся электронов «общаются» друг с другом, как они друг друга чувствуют? И что такое вообще – поле? Из чего оно сделано?
На этот вопрос физики вам не ответят. На этот вопрос знают ответ только философы. Они говорят так: поле – это особый вид материи. И многозначительно замолкают.
Зато на первый вопрос – как полевое взаимодействие передается – физики ответ имеют. Передатчиком электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – те самые фотоны, о которых мы уже знаем. То есть: два сближающихся внешних электрона разных атомов обмениваются «приветственными телеграммами» – квантами – и таким образом «узнают» друг о друге: ага! на подлете другой электрон, нужно отталкиваться!
Точно так же происходит обмен электромагнитными квантами между электронами и протонами в одном атоме: они шлют друг другу постоянные опознавательные сообщения: привет! рядом противоположный заряд, надо притягиваться!
– Так может, поле состоит из квантов? – озарит кого‑то внезапная мысль.
Мысль хорошая. Но неправильная.
Как океан не состоит из волн, так и поле не состоит из квантов. Кванты поля – это лишь возмущения, волнение физического поля. Но даже не это самое интересное.
Удивительнее другое – те самые обменные кванты не простые, а виртуальные, то есть как бы несуществующие. Что это значит? А это значит, что их нельзя перехватить или засечь никаким приборным методом. То есть даже убедиться в их существовании невозможно.
Неплохо завернуто? Такова современная физика, привыкайте.
Слова «виртуальная реальность» известны нынче всем из‑за массового распространения компьютеров и компьютерных игр. Виртуальная – значит несуществующая, придуманная, сказочная, игровая. Но если для компьютерных миров это определение вполне понятно, то в устах строгой науки физики выглядит странно. И это еще очень мягко сказано! С каких это пор физика оперирует сказочными, выдуманными категориями? А вот с тех самых пор, когда Планк и Эйнштейн себе на голову придумали кванты и потом весьма страдали через это интеллектуально. Родив новый раздел физики – квантовую механику, они сами были ею очень недовольны, уж больно непривычная какая‑то физика начинала вырисовываться на горизонте! Недаром Эйнштейн называл квантовую механику «магией» и даже «не‑физикой».
Но великий Эйнштейн ошибался! Кванты прочно укоренились в физике вместе с квантовой механикой, и современные физики теперь не только отказались от прежних наивных представлений о физической реальности (об отказе физиков от реальности можно прочитать ниже в специальном разделе), но и вовсю оперируют виртуальными квантами, само существование которых доказать нельзя, потому что их принципиально невозможно поймать. Это своего рода «шифрограммы», которыми обмениваются заряженные частицы.
Настоящие, реальные кванты, частицы или фотоны отличаются от виртуальных тем, что реальные фотоны – это обычный свет, обычное электромагнитное излучение. Его можно «поймать» на фотопластинку или глазом, отразить зеркалом, уловить антенной. А вот виртуальные фотоны – никак. Едва возникнув, они обязаны тут же поглотиться, не успев как следует проявиться в этот мир.
Почему?
Потому что в нашем мире, друзья мои, ничто не возникает из ниоткуда и никуда не пропадает, ибо действуют строгие законы сохранения. Подумайте сами – электроны все время пуляют вокруг себя этими фотонами. А ведь каждый фотон – это «порция энергии» в чистом, рафинированном виде. При таком «расходе патронов» электрон вскоре вовсе потерял бы всю энергию своего существования! А он ничего не теряет, а спокойно живет.
Да, бывают случаи, когда электрон излучает реальный, настоящий фотон. Но для излучения фотона электрон должен быть возбужденным, то есть ранее уже поглотившим фотон света. Принцип прост: сначала электрон поглотил фотон, возбудился, то есть стал энергичнее ровно на эту порцию энергии, а потом выплюнул ее обратно в виде фотона. Именно так и происходит отражение света от предметов. Чуть позже мы об этом еще поговорим подробнее.
Но обычный спокойный, «домашний» электрон в атоме, кружащийся в мягких тапочках по своей уютной орбитали вокруг ядра, просто не имеет лишней энергии, чтобы бездарно тратить ее, выстреливая из себя фотон за фотоном, информируя всех о своем присутствии!
Поэтому физикам пришлось придумывать, то есть дополнять свою теорию некими виртуальными фотонами. Которые все‑таки как бы излучаются электроном, как бы нарушая закон сохранения энергии. Но само это нарушение, само появление или «полупоявление» этих виртуальных фотонов в нашем мире возможно лишь потому, что существует принцип неопределенности, допускающий на короткое время нарушение законов сохранения – но на такое короткое время, чтобы засечь это нарушение было никак нельзя. Этакая флуктуация, то есть случайное колебание в рамках допустимой неопределенности.
И если реальные фотоны видят все, кому не лень, то виртуальные «видят» только обменивающиеся ими частицы. По сути – это призраки. Чистая выдумка физиков. Теоретический конструкт, рожденный в их головах. Однако эти неуловимые призраки передают вполне реальное взаимодействие: бац! и бильярдные шары со стуком разлетелись в разные стороны – просто потому, что электроны, находящиеся на их поверхностях, обменялись виртуальными фотонами. Которых как бы и не существует. Или их не существует без всяких «как бы»? Ведь что такое «существует»?
Существует – значит проявляет себя! А виртуальные фотоны принципиально невозможно засечь никакими приборами. И проявляют они себя только так – через взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоит весь мир.
Ну и как проверить, есть ли они «на самом деле»? Да никак! В теории они существуют и объясняют, как происходит взаимодействие. А кроме теорий наука больше ничем, в общем‑то, и не оперирует.
Ладно. С этим примерно разобрались – электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов. А остальные виды взаимодействия?
Да так же!
Гравитационное – передается с помощью квантов гравитационного поля – гравитонов. Причем если реальные электромагнитные фотоны прекрасно изучены и легко наблюдаемы, то гравитоны экспериментально еще не обнаружены.
Сильное взаимодействие, которое скрепляет в ядре атома между собой протоны и нейтроны, передается сильным полем, носителем которого являются кванты этого поля – виртуальные пи‑мезоны. Нуклоны в ядре буквально окружены шубой из виртуальных пи‑мезонов.
Ну, а носителем слабого взаимодействия являются кванты слабого поля со странным названием векторные бозоны.
Подробный рассказ об этих и других элементарных частицах – тема для отдельной книжки, однако пару слов об этом сказать стоит.
Мы с вами твердо знаем: самые лучшие элементарные частицы – электрон, протон и нейтрон. Я бы на каждом из них знак качества поставил, настолько они отличные! Именно из этих кирпичиков сделан весь окружающий нас мир – воздух, зеркало, папа с мамой, мороженое, деньги, солнце и прочие полезные в быту предметы. Все остальные частицы по сравнению с этими – сущий мусор.
А какие остальные?
Ну, вот, например, уже знакомое нам нейтрино, про которое мы вскользь упоминали ранее и которое получается при распадных, то есть слабых взаимодействиях. Напомню: при распаде свободного нейтрона, который живет 15 минут, получаются протон, электрон и то самое нейтрино. Возникнув, оно уже не взаимодействует с веществом и улетает прочь навсегда со скоростью света, более никому никогда уже не мешая и практически не вступая ни в какие реакции. Сущий пустяк! Вселенский вздор. Мировой мусор.
Ну, еще мы с некоторой натяжкой можем включить в список известных нам частиц фотон – «кусочек света», хоть это и безмассовая частица, в том смысле, что она не имеет массы покоя: фотон нельзя остановить, он может только лететь со скоростью света, как и нейтрино. Только нейтрино просто пронзает любую материю, не замечая, и улетает дальше, а когда фотон хлопается о какое‑то вещество, он просто перестает существовать. Куда же он девается? Мы ведь твердо знаем из законов сохранения массы и энергии, что масса и энергия никуда не пропадают и не возникают из ниоткуда.
Совершенно верно: фотон, будучи порцией чистой энергии, всю ее (себя) передает тому электрону того атома того вещества, в которое попал. Электрон целиком проглатывает этот квант энергии и становится возбужденным, то есть более энергичным, перескакивая при этом на более высокую орбиту.
А потом?
А потом возбужденный электрон сбрасывает возбуждение, излучая фотон и «успокаивается», вновь опускаясь на прежнюю низкую орбиту. Именно так происходит рассеивание голубого света в атмосфере – фотоны беспорядочно скачут от одной молекулы воздуха к другой. Так происходит отражение света от зеркала. И почти также происходит переизлучение в другом диапазоне: например, закопченное, то есть покрытое черной сажей, стекло свет не отражает, а поглощает. То есть электроны сажи хватают фотон, возбуждаются, но потом, в силу особых свойств сажи, переизлучают его с другой частотой – в виде квантов инфракрасного, то бишь теплового излучения. Это значит, что черные тела типа сажи быстро нагреваются на свету. Поэтому на юге, где много солнечного света, лучше иметь белый автомобиль или серебристый – меньше нагреваться будет и больше отражать. А вот бак для нагрева воды солнцем надо непременно делать черным – вода в нем быстрее прогреется.
Впрочем, мы отвлеклись… Итак, еще сто лет назад физики знали всего три частицы – протон, электрон и нейтрон, причем нейтрон был еще не открыт, а только предсказан (открыт он был лишь в 30‑е годы ХХ века).
? Ну, чего еще желать? Зачем нужны еще какие‑то частицы, если из этих трех складывается все?
Однако, изучая в верхних слоях атмосферы космические лучи, то есть прилетающее на Землю из космоса излучение разного рода, ученые обнаружили и другие частицы. И даже античастицы! Именно так была обнаружены первая античастица – позитрон.
Почему их назвали античастицами? Потому что свойства античастиц как бы противоположны свойствам частиц, и при встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение – этакий микроскопический взрыв, при котором обе массы (частицы и античастицы) переходят в чистую энергию, то есть в кванты электромагнитного излучения – на месте двух солидных частиц с массой образуется яркая и безмассовая фотонная вспышка.
Позитрон – это антиэлектрон. Он имеет точно такую же массу, точно такой же размер, что и электрон. У него такой же спин, то есть свойство вращения, как у электрона, но электрический заряд у позитрона положительный, а не отрицательный. Иными словами, позитрон – точная копия электрона, только с противоположным зарядом. И этого хватает для взрывного взаимоуничтожения при встрече – аннигиляции.
Позже были найдены античастицы и для других частиц. Антипротон, например, имеет все те же характеристики, что и обычный протон, вот только заряд у него не положительный, а отрицательный. Однако при встрече антипротона с протоном происходит все то, что и должно происходить при встрече античастиц – аннигиляция.
Вообще говоря, аннигиляция – самый энергичный процесс из известных человечеству. Аннигиляционный взрыв в тысячи раз мощнее взрыва водородной бомбы. Потому что при взрыве атомной или водородной бомбы только часть массы реагирующего вещества переходит в энергию. А тут – вся масса! В том и состоит основной прикол аннигиляции, что она целиком превращает массу в излучение.
Самая большая водородная бомба, когда‑либо взорванная человечеством, имела мощность в 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, то есть для взрыва такой же силы потребовалось бы 50 миллионов тонн обычной взрывчатки (тротила) – это миллион грузовых вагонов по 50 тонн каждый, что превышает мощность всей взрывчатки, использованной во Второй мировой войне. При этом сама водородная бомба весила всего 27 тонн, а действующего вещества (дейтерия) в ней было всего‑то несколько тонн, все остальное – вспомогательное оборудование. А вот если бы могли осуществить взрыв такой мощности при помощи антивещества, потребовались бы уже не тонны, а всего 1 кг антивещества и 1 кг вещества.
Вот только взять его негде, это антивещество, его очень мало в нашей Вселенной. Ученым на ускорителях удается получать буквально считаное количество этих античастиц. И однажды, кстати, удалось даже собрать из них атом антиводорода. Что такое водород, мы знаем – это один протон, вокруг которого вращается один электрон, самое простое вещество. А антиводород – это антипротон, вокруг которого вращается позитрон. У обычного водорода плюсовой заряд в центре атома, а «минус» болтается вокруг, а у антиводорода все наоборот. Антивещество!
Водород и антиводород
Кстати, вас не удивил тот факт, что масса может исчезать, превращаясь в чистый свет (излучение)? Ведь на самом деле это поразительно, если вдуматься! Нас с самого детства окружают тела, имеющие массу, мы так привыкли к проявлению массивности, что сама мысль о том, будто масса может попросту исчезать, кажется дикой. Тем более, что у самих физиков есть закон сохранения массы, который дети проходят в начальной школе! Это что же, один из главных физических законов нарушается, что ли?
Нет, не нарушается. Ведь масса не исчезает бесследно.
Дело в том, что, строго говоря, масса и энергия – это одно и то же. Масса – это как бы «сгущенная энергия», и правильнее закон сохранения массы и закон сохранения энергии было бы назвать законом сохранения массы‑энергии, потому что масса никуда бесследно не исчезает, но может переходить в энергию, и наоборот (равно как и разные формы энергии могут переходить друг в друга – механическая в электрическую, электрическая в тепловую и т. д.)
Эквивалентность массы и энергии показал еще Эйнштейн, написав свою знаменитую формулу, связывающую массу с энергией через скорость света. Приводить эту простенькую формулу, хоть и велик соблазн, я тут не буду, ибо дал себе страшную клятву написать книгу о физике без единой формулы. С другой стороны, кто мне помешает разместить тут картинку? Таким образом я хитро вывернусь, не нарушив данного самому себе слова.
Формула Эйнштейна, связывающая массу с энергией, настолько популярна в народе, что ее часто рисуют даже на футболках и кружках. Здесь Е – это энергия, m – масса, а с – скорость света в квадрате.
В общем, если верить майкам и кружкам, любую энергию можно выразить в килограммах, а любую массу – в единицах энергии (джоулях) с помощью простого коэффициента с2. Хотя с налету понять сие непросто: в самом деле, ну как такое может быть, что масса и энергия – одно и то же? Уму непостижимо!
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 148; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!