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

И теперь современные философы, начитавшись книжек о физике, выделяют три состояния материи — вещество, поле и вакуум. Я бы даже сказал, что вакуум — это «овеществленное пространство».

Но самый большой сюрприз преподнес философам английский физик Дирак, по представлениям которого реальные частицы являются всего лишь устойчивыми возбужденными состояниями вакуума. Какое-то из них мы воспринимаем как электрон, какое-то как пи-мезон… И когда электрон, например, летит, то это не шарик летит в пустоте, где ему ничего не мешает, а перемещается волна возбуждения в первичной ткани нашего мира — вакууме. С этой точки зрения мы все состоим из пустоты, разным образом организованной.

Вот такие пироги…

Ну, а что касаемо элементарных частиц, с которых мы начали эту главу, то к настоящему времени физики обнаружили их целые сотни. И честно говоря, ничуть не обрадовались. Потому как не нужно им было столько! Весь окружающий нас мир создан всего из трех частиц. Ну, еще нам пригодятся кусочки света — фотоны. А остальное-то на кой черт напрыгало из закромов природы?

? Для чего природе понадобились эти сотни частиц, которые мы засекаем на ускорителях?

Просто безумное какое-то количество! С разными свойствами… Например, разница в массах у частиц может достигать 600 миллиардов! То есть самые тяжелые в 600 миллиардов раз тяжелее самых легких. К чему такое безумное разнообразие?

Правда, почти все эти новоявленные сотни частиц весьма короткоживущие, они существуют ничтожные доли секунды, после чего распадаются на более стабильные и уже знакомые нам частицы. Поэтому лично я, честно говоря, в силу недолговечности этих частиц вообще отказал бы им в громком наименовании «частицы», а обозвал скорее переходными процессами, то есть самим моментом превращения сталкивающихся в ускорителе протонов во что-то другое. В природе не бывает мгновенных процессов, все процессы занимают какое-то время, вот и те треки, которые опознаются физиками как короткоживущие частицы, я бы назвал «реакциями». Впрочем, физики называют эти короткоживущие штучки отдаленно схожим словом — «резонансы». И вообще сейчас они заняты тем, что составляют для обнаруженных сотен частиц классификацию, своего рода «таблицу Менделеева» для элементарных частиц.

Пожелаем им в этом успехов.

Относительно относительности.

Теория относительности Эйнштейна — наиболее известная широкой публике физическая теория. Хотя она не самая странная и не самая сложная. Квантовая механика и посложнее, и постраннее будет. Но именно про теорию относительности в общих чертах имеют представление почти все от мала до велика. Сейчас это представление поимеете и вы, вне зависимости от того, малый вы или великий…

По-хорошему про данную теорию нужно писать отдельную книгу — со схемами и графиками, но нам сейчас придется ограничиться только отдельными выводами из теории относительности. Они весьма нетривиальны.

Эйнштейн показал, что при приближении к скорости света масса тела растет (об этом мы уже знаем), линейные размеры тела сокращаются (оно становится короче), а время для него замедляется. Что означает последний факт? Он означает, что все процессы для этого тела текут медленнее — при взгляде со стороны, разумеется. Так, если на звездолете, передвигающемся с околосветовой скоростью, проходит минута, то на Земле могут пройти годы или даже столетия.

Но это еще не все странности. Эйнштейн трактует гравитацию как искривление пространства и замедление времени. Иными словами, то, что мы принимаем за тяготение, то есть стремление тел притянуться к Земле, есть просто побочный эффект кривого пространства. Наиболее наглядная картинка, которую можно вообразить, чтобы это понять, такова.

Представьте себе ровно натянутую и разлинованную в клеточку резиновую поверхность — это пространство без гравитирующих масс. Все линии и углы тут прямые. Мы имеем модель двумерной поверхности, то есть плоскость — на плоскости есть только ширина и длина, но нет высоты. Невесомый шарик (фотон) будет катиться по этому прямому плоскому пространству прямолинейно. Такое прямое пространство называется эвклидовым в честь греческого геометра Эвклида.

Если теперь на эту плоскость положить массивный шар в виде тяжелой планетки, резиновая поверхность прогнется. Нарисованные на поверхности линии и углы растянутся и искривятся, причем чем ближе к шару, тем больше. И если снова запустить по этой резине какой-нибудь маленький пробный шарик, прямая траектория его движения неподалеку от тяжелого шара изогнется вслед за изогнутой поверхностью резины, а если скорость шарика невелика, он может вообще скатиться в прогнутую большим шаром ямку. Как бы притянется к нему. Но это «притяжение» лишь есть следствие изогнутости нашего двумерного пространства.

То же самое происходит и с нашим трехмерным пространством, просто его искривление представить себе не так просто, как искривление двумерной поверхности, то есть плоскости.

Таким образом, каждая масса в нашем мире, начиная от самых легких частиц до самых тяжелых звезд и галактик, формирует вокруг себя искривление пространства, которое перестает быть прямым, эвклидовым.

Искривленное двумерное (плоское) пространство, двигаясь по которому пробный шарик попадает в яму изогнутого пространства.

Но это еще не все хитрости старика Эйнштейна. По его теории, масса не только искривляет вокруг себя пространство, но еще и замедляет вблизи себя время, и чем больше масса — тем больше. Соответственно, возле Солнца время течет немного медленнее, чем около Земли.

Несмотря на все эти совершенно неочевидные вещи, теория Эйнштейна прошла все возможные экспериментальные проверки, и эффекты искривления пространства и замедления времени были зафиксированы приборно. Теория была блистательно доказана!.. Конечно, для тех масс, с которыми мы обычно имеем дело и на которых живем (Земля), эффект искривления пространства и времени слаб, но при должном старании ловится. А уж тут физики постарались, уверяю вас! И потому сегодня теория относительности является одной из главных и самых прекрасных драгоценностей в сокровищнице физической науки. Периодически взволнованные физики берут эту теорию дрожащими ручонками и, не отрывая глаз, тихо вздыхают, любуясь ею, будучи не в силах перенести восхищения.

Как физики от реальности отказались.

Физика отличается от математики тем, что описывает не голые цифровые абстракции, а конкретный мир, хотя и с помощью математики. За математическими формулами в физике всегда стоит какая-то реальность, и если формулы эту реальность описывают неправильно, значит теория не верна, нужно подобрать другие формулы. Или даже не подобрать, а вывести, построив у себя в голове некую наглядную модель того, как происходят физические процессы — течет вода, летит тело под действием силы тяжести, нагревается тело, преломляется луч. Если выведенная формула соответствует результатам экспериментов, значит, наглядная модель, возникшая в голове теоретика, соответствует действительности — по крайне мере до определенных пределов.