Не фантастика, а наука

Сергей Александрович Чумаков

Почему инопланетная жизнь возможна? Как планировали построить атомный звездолёт? Почему премию Нобеля не вручают математикам? Что настоящая наука говорит о вечном двигателе? Об этом и много другом в форме коротких заметок читатели могут узнать из новой книги преподавателя физики и популяризатора науки. Рекомендовано тем, кто скучал на уроках физики.

Гравитационная постоянная за пределами школьных учебников

Каждый, кто начинает изучать физику или хотя бы помнит некоторые темы из школьного курса, знаком с физическими константами, которые иногда называют «коэффициентами пропорциональности». Все эти неизменные цифры, которые предлагается выучить наизусть, на самом деле нужны не только для того, чтобы облегчить вычисления. Фактически, они описывают наш мир и его границы. Например, постоянная Планка, названная так по фамилии одного из основоположников квантовой механики. В чём её смысл?

Представьте, что вы бросаете связку ключей, которую ловит ваш друг или подруга. Полёт этого объекта можно отлично описать принципами и законами классической механики, правилами, по которым в природе существуют массивные и большие тела. Не составит труда найти скорость ключей, ускорение, построить траекторию полёта и даже вычислить место приземления. Но если мы попытаемся применить те же законы к элементарным частицам, чьи размеры гораздо меньше тех, которые человек способен изучать с помощью оптических микроскопов, нас ждёт глубокое разочарование. Результат получится абсолютно нереальный, расходящийся с наблюдаемыми явлениями.

И вот тут у природы есть одна чудесная особенность, своеобразная граница существования привычного мира с его достаточно простыми свойствами бытия — эту границу описывает постоянная Планка. Если какое-то действие, пространственная величина существует в масштабах меньше этой постоянной, то мы имеем дело с квантовым миром и его эффектами, а если больше, то в дело вступают законы классической науки. Например, когда вы добавляете сахар в стакан, то крупицы, размеры которых гораздо больше планковских, спокойно покидают ложку и оказываются в чае или кофе. А вот если бы это были планковские размеры и масштабы, то применялся бы принцип неопределённости и вот уже сахар в стакане найти проблематично. Зато, совершенно спокойно определялась бы вероятность нахождения сахара в сосуде.

Изначально постоянную Планка ввели как некоторую теоретическую абстракцию, но очень скоро оказалось, что подобная константа входит во все законы микромира. Фактически, будь она чуть больше или чуть меньше, реальность вселенной могла бы стать совершенно другой — квантовые законы, которые очень трудно себе представить, смогли бы действовать и в «большом» мире.

Но мы оставим этот сюжет фантастике.

Если вернуться к строгим определением, то постоянную Планка ещё называют квантом действия, то есть мельчайшей и универсальной частицей в описании процессов. Она связывает энергию колебательной системы с её частотой. Чтобы понять физический смысл этого описания, представьте, что в ваших руках верёвка и вы начинаете ею трясти в горизонтальной плоскости. Чем больше движений рукой вы делаете, тем чаще происходят колебания и тем сильнее верёвка ударит по тому, кто захочет вмешаться в этот интересный процесс.