Жду новый пост

Серия «Занимательная физика»

Давайте проверим!

1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».

2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?

Ответ: в первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!

Во всём виновата астрономия

О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами.

Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало. Её не существовало вплоть до самого начала 20 века. Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились.

Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!

Загадочный спутник

В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».

Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.

Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...

Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...

И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.

Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку!

Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!

На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота! Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!

Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой.

В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».

Голова кругом...

Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая. Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.

Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).

А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.

Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!

Решение задачи

Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.

Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».

Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.

Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».

Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».

Продолжим?..

Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Но пока давайте запомним главное:

1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.

2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают.

Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.

Это была статья из журнала «Лучик». В нём мы рассказываем:

• Зачем человеку совесть?

• Что такое тавтология и экстраполяция?

• Как видят животные и растения?

• Как Рим стал империей и отчего распался?

• Отчего случаются войны?

• Как кроманьонцы одолели неандертальцев?

Познакомиться с журналом можно по ссылке.

А остальные – нестабильны, то есть живут очень недолго. Вот, например, нейтрон. Эта частица в свободном состоянии нестабильна – то есть существует в среднем около 15 минут. А что происходит с нею дальше? А дальше нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино!

Тут, кстати, обратите внимание: мы говорим об атомной физике. А у атомной (ядерной, квантовой) физики законы совершенно другие, не такие, к каким мы привыкли в «обыкновенном» мире. Мы можем, например, разбить керамическую копилку с монетками – но можем и склеить осколки этой копилки и сложить монетки обратно. Можем разломать игрушечную машину на запчасти, но можем и собрать её из тех же запчастей снова. В атомной физике всё не так!

Учёные застенчиво говорят «распадается», но правильнее говорить превращается. Потому что, если «распадается», то можно подумать, что нейтрон изначально состоит из протона, электрона и антинейтрино. Или что «собрав» вместе протон, электрон и антинейтрино (как детали конструктора), мы сможем получить нейтрон. НЕТ!

Нейтрон – это нейтрон. Он не состоит из протона, электрона и антинейтрино. Их нет в нём! Но в какой-то момент нейтрон вдруг (просто так, сам по себе, без какого-то «толчка снаружи») превращается (именно по-настоящему превращается, как в сказке!) в разлетающиеся протон, электрон и антинейтрино...

Ну представьте себе – купили вы в магазине мяч. А он через 15 минут превратился – сам по себе! – в набор фломастеров, роликовые коньки и щенка ризеншнауцера. Неплохо?

В мире элементарных частиц такое происходит каждый день и каждую секунду. Потому что 15 минут жизни свободного нейтрона – это очень много, это нестабильная частица-долгожитель. Остальные живут совсем маленькое время – скажем, частица, которая называется «мюон» (или «мю-мезон»), живёт около 2 миллионных долей секунды. А, например, «пион» (он же «пи-мезон») живёт ещё в 100 раз меньше мюона – то есть 2 стомиллионные доли секунды (0.02 микросекунды)! А что происходит с пионом дальше? А дальше он распадается, то есть превращается в какие-то другие частицы. Например, в мюон и мюонное нейтрино – хотя бывают и другие варианты.

В общем, в атомной физике, в микромире, «стабильность» – штука довольно редкая. В отличие от нашего «большого» макромира, в котором утюг – это всегда утюг, а слон – это всегда слон, в микромире всё постоянно изменяется, всё превращается во всё – утюги в пироги, а слоны в мышей и наоборот. И нестабильность (то есть «переменчивость») в природе встречается гораздо чаще стабильности («устойчивости»). Как говорят профессора-физики студентам, «удивительно не то, что во Вселенной существуют нестабильные частицы. Гораздо удивительнее то, что в ней вообще существуют частицы стабильные!».

Однако перейдём (как в компьютерной игре) на новый уровень. Из элементарных частиц, как из кубиков в лего или в майнкрафте, можно создавать атомы разных простых веществ. Например, сложили протон и электрон – вот вам атом водорода. Сложили два протона, два нейтрона и два электрона – и вот вам атом гелия, того самого, которым надувают летучие воздушные шары на праздник.

Так же образуются кислород, которым мы дышим, азот, который так любят растения (в виде удобрений), драгоценные золото и серебро, а также все-все-все прочие вещества.

«Но погодите! – скажете вы. – Если те частицы, из которых собираются атомы, могут быть стабильными и нестабильными, тогда и сами атомы тоже могут быть стабильными и нестабильными?»

Совершенно верно! Атомы вещества – и, главное, сами вещества! – тоже могут быть нестабильными, да ещё как!

Вот, скажем, углерод – тот самый уголь, на котором мы жарим шашлык. Казалось бы, уголёк – он и в Африке уголёк, но нет! Оказывается, у него есть целых 15 разновидностей, «вариантов». Учёные называют такие варианты «изотопами» и обозначают цифрой сбоку. Самый распространённый в природе углерод – это «углерод-12», или С 12, и этот углерод стабильный. Он может существовать миллионы и миллиарды лет.

Но есть и «другие углероды», другие изотопы. Например, углерод-14. В отличие от обычного углерода, он нестабилен – сам по себе он медленно распадается, то есть превращается в азот! Если мы возьмём 1 килограмм углерода-14 и просто положим на полочку, то через 5700 лет (приблизительно) углерода останется только полкило! А вторая половина – превратится в газ азот и улетит...

А вот железо. Из которого мы делаем гвозди и мотоциклы. Оно тоже бывает нестабильным! В природе существует целых 34 (!) изотопа железа. Из которых стабильными являются только четыре! Привычное нам железо, из которого делают гвозди, и которое содержится в гемоглобине, придающем нашей крови красный цвет, – это изотоп, который называется «железо-56». Он может существовать очень долго. А, например, нестабильный изотоп «железо-55» из медицинских рентгеновских установок довольно быстро (половина примерно за 3 года) превращается в другой металл – марганец. Более тяжёлое вещество превращается в более лёгкое.

Само собой, одно вещество превратиться в другое «просто так» не может. Всё-таки закон сохранения вещества-энергии никто не отменял – «ничто не появляется из ничего и не исчезает в никуда». А это значит, что для превращения нестабильное вещество должно каким-то образом терять массу (и энергию). То есть должно испускать какое-то излучение!

Именно это излучение мы и называем «радиация», а нестабильные разновидности веществ часто называют «радиоактивные изотопы».

Вообще, слово «радиация» (которое в переводе с латинского и означает «излучение») – это бытовой термин. Радиация может быть очень разной «по составу». Скажем, уже знакомый нам углерод-14 испускает бета-излучение, то есть поток электронов (просто электрон физики довольно часто называют «бета-частицей»). А вот железо-55 – это источник рентгеновского излучения, то есть фотонов с высокой энергией, именно поэтому этот изотоп применяется в медицине.

А вот другое вещество – уран. В отличие от углерода, железа или других «лёгких» элементов у этого металла вообще нет ни одного стабильного изотопа! Все 36 природных «разновидностей» урана распадаются (превращаются) – одни быстрее (минуты и секунды), другие медленнее (сутки, годы и даже миллионы и миллиарды лет). Кусок природного урана испускает три вида излучения – гамма-излучение (фотоны с очень высокой энергией), бета-излучение (свободные электроны) и альфа-излучение. Частица альфа-излучения – это ядро гелия, собранные вместе 2 протона и 2 нейтрона.

Насколько опасна радиация?
Наверное, после прочитанного вы уже догадываетесь о том, что радиоактивные изотопы есть абсолютно у всех веществ в природе. Например, мы знаем из разных телепередач про здоровый образ жизни, что бананы богаты микроэлементом калием, и поэтому очень полезны. Но калий – это всегда смесь разных изотопов. И стабильных калия-39 и калия-41, и нестабильного (то есть радиоактивного!) калия-40. Поэтому каждый съеденный вами банан радиоактивен, хотите вы этого или нет. Однако доза радиации, которую вы при этом получаете, совершенно ничтожна. Чтобы «умереть от банановой радиации», вам придётся очень быстро съесть... примерно 50 миллионов бананов! Трудновато будет...

Радиоактивное излучение в природе есть всегда и везде – это нормально. Радиацию излучаем вы, я, деревья, дома, вода, воздух, солёные огурчики, экран компьютера или телевизора. И ничего страшного в этом нет. Но вот когда радиации становится очень много – вот тогда беда и уже ничего смешного. Разогнанная до высокой скорости частичка радиации (альфа-частица, гамма-квант, электрон, нейтрон), попадая в организм, «врезается» в молекулы и разрушает их. Особенно опасны в этом отношении альфа-частицы, самые массивные... Одна частица – это, конечно, пустяки, никто не заметит. Но если она не одна?

Скажите, можно ли из ружья разрушить прочную каменную стену? «Ха-ха-ха»? Однако давайте представим, что таких пуль не десятки, не сотни и не тысячи, а триллионы. Или даже квадриллионы! Одна пуля делает в каменной стене небольшую царапинку, выщербинку, почти незаметную глазом. Но если бы таких пуль было невероятно много – они бы стёрли каменную стену в порошок. Напрягите воображение – и поймёте, как это может быть.

Точно так же действует и радиация в больших дозах. Невидимые глазу частицы разрушают наши клетки, безжалостно разрывают на куски молекулы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Навсегда ломается механизм наследственности, клетки прекращают нормально размножаться, органы постепенно перестают работать. Раковые опухоли, бесплодие, мутации, внутренние кровотечения, тяжёлые ожоги – чем больше полученная организмом доза радиации, тем страшнее опасность. Именно поэтому радиацию часто называют «невидимым убийцей».

Можно ли остановить радиацию?
Ещё раз напоминаем – «радиация» это понятие очень расплывчатое. Радиация – это смесь альфа-излучения (то есть ядер гелия), бета-излучения (то есть электронов), нейтронного излучения (нейтронов) и гамма-излучения (то есть фотонов). Скажем, альфа-частицы сами по себе крайне опасны, но обладают очень небольшой проникающей способностью – поток альфа-частиц можно спокойно тормознуть защитными перчатками или даже листом плотной бумаги. Так что «невозможно остановить», о котором пишет Валерий – не про альфа-частицы точно. Альфа-излучение может стать смертельным для человека, если нечаянно наглотаться или надышаться радиоактивной пыли – вместе с водой, едой или воздухом. Но обычный защитный костюм и противогаз (или респиратор) эту опасность вполне устраняют.

Бета-излучение – то есть свободные электроны – является более «пробивным». Однако и с ним вполне способен справиться защитный слой из стекла или алюминия. Главное – не проглотить источник бета-излучения и не допустить его попадания на незащищённую кожу.

Ещё более опасно нейтронное излучение – однако от него хорошо помогает защититься слой воды.

Самым сильным проникающим действием обладает гамма-излучение – чтобы защититься от него, нужен слой из тяжелых металлов (стали, свинца и т. д.), земли или бетона. Тут уже сложнее: сами понимаете, мы можем построить для людей подземное убежище от радиации с многослойными стенами – но вот сшить из свинца или бетона «костюм для прогулок» уже проблематично...

(На заглавном фото статьи человек держит в руках (в перчатках!) кусок обогащённого урана, используемого в качестве топлива для атомных электростанций. Для этого годятся только изотопы урана 235, но в природном уране их очень мало. Чтобы использовать уран в качестве топлива, нужно довести долю урана 235 в нём до 3–5%, то есть "обогатить". Это делают на специальных "заводах", оборудованных специальными установками – высокоскоростными аэродинамическими центрифугами. Больше половины таких заводов, существующих в мире, находятся у нас в России.)

Но всё-таки на Земле радиацию можно ослабить и победить. Не верите – спросите у людей, которые десятилетиями работают на атомных электростанциях.

Почему до сих пор никто не полетел на Марс
Другое дело – космос. Построить космический корабль с толстыми стенками из воды, бетона и свинца – а сколько же такой корабль будет весить и как такой запускать? А тонкие металлические стенки от космической радиации защищают очень плохо. Космическая радиация, то есть невидимые потоки излучения от Солнца и звёзд, пока является непреодолимым препятствием для организации полёта человека на Марс.

Мы (по крайней мере, в теории) уже сейчас вполне можем построить космический корабль для полёта к Марсу, можем придумать систему снабжения космонавтов воздухом, едой и водой, но вот защитить людей от космического излучения пока не получается. Расчёты безжалостно показывают – за время путешествия к Марсу, нахождения на Марсе и обратного полёта к Земле космонавты получат дозу радиации, несовместимую с жизнью. Так что проблема есть – и решать её придётся учёным и инженерам будущего... Интересно, справятся ли они?

Напоследок – самое интересное
Как мы с вами уже поняли, в нашей Вселенной существуют как стабильные, так и нестабильные частицы; как стабильные, так и нестабильные (они же – радиоактивные) вещества. И вот тут учёные, проведя тщательные подсчёты, выяснили удивительнейшую вещь.

Оказывается, баланс между «стабильностью» и «нестабильностью» во Вселенной невероятно тонкий, буквально как попытка пройти по лезвию ножа. Если бы определённые параметры (как говорят физики, «фундаментальные постоянные») отличались от тех, которые есть, хотя бы на один-два процентика, нашей Вселенной... не было бы!

В ней или царила бы «полная нестабильность», когда всевещества неизбежно распадаются – и не возникло бы никаких планет, никаких сложных молекул типа аминокислот или белков, не возникло бы жизни. Или, наоборот, случилась бы «полная стабильность», в которой невозможны ядерные реакции, в которой не зажглись бы звёзды, не сформировались бы галактики...

Говорите, непонятно, как во Вселенной случайно возникла жизнь? Современные учёные говорят, что им всё больше непонятно, как случайно получилась наша Вселенная...