Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Кват«глловая фг«яггка Мы описали электромагнитное иоле к поняли, что оно может передаваться как волны. Сейчас мы увидим, что на самом деле эти волны ведут себя очень странно: они отн1одь не похожи на волны. На высоких частотах они гораздо больше смахивают на частицы! Наука, которая умеет объяснять такое странное поведение,— квантовая механика — была изобретена вскоре после 1920 г. Еще до этого привычную картину трехмерного пространства и отдольно существующего времени изменил Эйнштейн; сперва он превратил ее в сочетание, называемое «пространство-время», а пото»к чтобы объяснить тяготение,— еще и в «искривл«нное пространство-время».
Таким образом, «сценой» стало уже цространство-время, а тяготение, по всей вероятности, это видоизмененное пространство-время. А затем также выяснилось, что и законы движения частиц неверньь Механические заноны «инерции» и «силы», законы Ньютона — все онн оказались неиригоояылш в мире атомов.
Г>ыло обнаружено, что поведение мельчайших телец ничем не напоминает поведения обычных, больших тел. Конечно, физика от этого становится труднее, но зато намного интереснее. Труднее потому, что поведеняе малых телец совершенно «неестественно»; оно противоречит нашему опыту, оно вообще ни на что не похоже и его нельзя описать никаким иным путем, кроме аналитического; а ведь это требует большого воображения. Много особенностей есть у квантовой механики.
В первую очередь она запрещает считать, что частица может двигаться через определенное точно указанное место с определенной точно указанной скоростью. Чтоб показать, насколько ошябочна обычная механика, отметим, что в квантовой механике имеется правило, согласно которому нпкто в одно и то же время не может знать н место н быстроту движения частицы. Неопределенность в импульсе и неопределенность в положении частицы дополняют друг друга; их произведение постоянно. Мы пока напишем это правило в виде Лх Лр=-Ь'2п, не вникая в подробности.
Это правило представляет собой объяснение таинственного парадокса: раз атомы сделаны пз плюс- и минус-зарядов, отчего бы минус-зарядам просто не усесться на плюс-заряды (они ведь притягиваются), отчего бы им не сблизиться до того тесно, что они погасят друг друга? Почему алгозлы столь велики? Почему ядро находится в центре, а электроны — вокруг него? Сперва объясняли это тем, что ядро очень велико; но ведь это не так, оно очень мало.
Диаметр атома примерно Ю»см, а яд- ра — что-то около (О 'э см. Чтобы увидеть ядро, надо было бы атом увеличить до размеров комнаты, и то ядро казалось бы малюсеньким, едва-едва различимым пятнышком; при атом все же почти весь вес атома приходился бы на бесконечно маленькое ядро. Но почему же электроны не падают на него? А вот из-за того же принципа неопределенности: если б электроны оказались в ядре, мы бы очень точно знали их положение и, следовательно, нх импульс непременно должен был бы стать очень большим (но неопределенным), а, значит, кинетическая энергия тоже резко бы возросла. С такой энергией он бы выскочил из ядра. Немудрено, что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушить этого правила.
(Вспомните еще, что когда кристалл охлажден до абсолютного нуля, мы считаем, что атомы все же ие прекращают своего движения, они все еще колеблются. Почему? Да если бы атомы остановились, мы бы знали и то, что они стоят, и где стоят, а зто противоречит принципу неопределенности. Мы не смоем знать и где они и сколь быстро движутся, вот атомы и вынуждены беспрерывно дрожать! ) А вот дру~ое интереснейшее изменение в идеях и философии науки, осуществленное квантовой механикой: невозможно никогда предсказать точно, что произойдет в каких-то обстоятельствах.
Например, можно приготовить атом, способный излучать свет; момент испускания света мы можем заметить, поймав фотон (будет время, мы поговорим об этом). Но мы не можем предсказать, когда ои собирается излучить, или если атомов несколько, то какой из них испустит свет. Может быть, поевшему, все это из-за того, что в атомах есть какие-то внутренние «колесики», которых мы еще не разглядели? Нет, в атоме нгт потайных колес; природа; насколько мы ее сегодня понимаем, ведет себя так, что принципиально невозможно делать точные предсказания о том, оно именно произойдет в данном опыте.
'Ужасно, не правда ли? Ведь философы прежде всегда нас учили, что одно на основных свойств науки, неотделимых от нее,— ато требование, чтобы в одинаковых условиях всегда происходили одни и те же события. Но это просто неверно, это вовсе не основное условие науки. На самом деле в равных обстоятельствах одинаковые события не происходят; предсказать их можно только в среднем, только статистически. И всетаки наука еще ие совсем погибает.
Кстати, философы порой много говорят о вещах, совершенно необходимых науке; н это всегда, как можно в том убедиться, весьма наивно и, по всей видимости, ошибочно. К примеру, некоторые философы, и не только философы, утверждали, что для научных открытий существенно, чтобы один и тот же опыт, сделанный, скажем, в Стокгольме и в Кито, приводил к одним и ткк же результатам. Но ведь зто абсолютно неверно. Для науки зто условие необязательно; оно может быть установлено после опыта, но нельзя этого требовать до опыта. Если, например, в Стокгольме проделан опыт по наблюдению северного сияния, то с какой стати он должен удасться в Кито> Вы там и сияния-то не увцдите. «Но зто ясно,— скажете вы.— Ничего иного и не могло быть, раз вы исследуете что-то внешнее, далекое от нас. А вот вы заберитесь в Стокгольме в ящик и закройте в нем шторки, получите ли вы тогда хоть какое-нибудь раали.
чиер» Бесспорно. Подвесьте в ящике маятник на шарнирном подвесе, его плоскость во время качаний начнет в Стокгольме медленно поворачиваться, а в Кито — нет, хотя шторки и там и там опущены. И этот факт вовсе не приведет к гибели науки. Ведь в >ем ее основное предположение, ее фундаментальная философия? Мы уже сказали об этом в гл. 1: единственное мерило справедливости любой идеи — это опыт. Если выясняется, что большинство экспериментов в Кито приводят к тому же, что и в Стокгольме, то из атого «большинства экспериментов» можно вывести общий закон, а про те эксперименты, которые не приводят к одинаковым результатам, мы скажем, что на них повлиял характер местности близ Стокгольма.
Мы можем разными способами подытоживать опыты, но пусть нас прежде времени не учат, чтб это за способы. Если нам говорят, что одни и те же опыты всегда должны приводить к одним и тем же результатам,— это прекрасно; но когда проверка пока кет, что это не ток, стало быть, это не так. Верьте только своим глазам, а прочие свои идеи формулируйте уже на основе опыта. Вернемся опять к квантовой механике и к основам физики.
Мы не будем пока входить в детали квантовоиеханических принципов, их не так просто понять. Мы пх просто примем, как они есть, а остановимся на кое-каких их следствиях. Вот одно из них: то, что мы обычно считаем волнами, может вести себя как частица; частицы же ведут себя как волны; то же относится и к любым телам. Между волной и частицей просто нет различия, Квантовая механика объединяет идею поля, волн поля и частиц в одно. При низких частотах волновые свойства проявляются более явственно и поэтому оказываются полезнее для приближенного описания в образах нашего повседневного опыта. Но по мере того, как частота возрастает, становится все очевиднее, что через приборы, измеряющие наше явление, проходит ие волна, а частица.
На самом деле, хоть мы и говорим о высоких частотах, волновые явления, если частота их превышает 10«»ги, заметить уже нельзя. Мы только приходим к выводу о наличии высокой частоты, зная энергию частиц и предполагая, что верна идея квантовой механики о частице-волне. Возникает к тому же и новый взгляд на электромагнитное взаимодействие. В добавление к электрону, протону и нейтрону появляется новая чаетигга, называемая фотоном. Само ато новое воззрение на вааимодействие электронов и протонов, т. е. электромагнитную теорию, правильную в квантовомеханическом смысле, называют квантовой влектродинамикой. Эту фундаментальную теорию взаимодействия света и вещества, или электрического поля н зарядов, следует считать крупнейшим достижением физики.
В ней одной таятся главные правила всех обычных явлений, кроме тяготения н ядерных процессов. Например, из квантовой электродинамики выводятся все известные электрические, механические и химические законы; законы соударений бильярдных шаров, двия<енпя проводников в магнитном поле, удельной теплоемкости угарного газа, цвета неоновых букв, плотности соли и реакции образованггя воды иа водорода и кислорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
