§1. Введение

Вот то, что кончилось у нас в прошлом семестре, в исторической перспективе это физика на конец XIX и начало XXвека, и эта физика стала называться классической. А вот дальше – в XX веке – появилась новая физика, не то, что новые главы, она по существу другая. И в этот семестр у нас фактически войдёт всё, что создано в ХХ веке.

И тут дело не просто во временной последовательности, – важно то, что эта физика качественно другая. Проблема в том, что классическая физика оказалась не в состоянии объяснить, как устроен окружающий нас мир. Ну, кое-что, конечно, есть: паровые машины, электричество, радио – вся эта техника была создана на базе этой физики, но глубинные свойства окружающего мира (вот не то, что вы создали руками, а именно, что вот здесь вокруг) казались за пределами понимания современников.

Простой пример. Теплота, молекулярная физика используют свободные атомы: вот в воздухе носятся атомы, точнее молекулы. Все тепловые явления кинетическая теория, в частности теплопроводность, теплоёмкость, прекрасно объясняет, но если копнуть глубже, то там мы сталкиваемся с вещами необъяснимыми. Молекулы воздуха сейчас сталкиваются тут всё время, число столкновений в секунду колоссальное, и что? Скажем, сталкиваются молекулы кислорода, разлетаются, сталкиваются, разлетаются, сталкиваются... И они остаются теми же самыми, а молекула – это некоторая структура, это не просто там какой-то мифически неделимый объект (именно такое понятие скрывалось за словом атом в древности, атом – неделимый), уже ясно было, что это объект, обладающий структурой: в атоме есть электрон, позитрон, – механическая система. Почему же эти атомы сталкиваются, и всё время остаются тождественными себе, они не несут на себе никаких следов их предыдущей жизни? Факт, конечно, необъяснимый. Сталкиваются два автомобиля, и, конечно, они несут на себе следы столкновения, а если они будут сталкиваться ежесекундно, в конце концов, получится совсем не то, что было вначале, и это всё понятно, почему же на атоме не остаётся следов? Можно этот атом разбить вдребезги, но потом из этих осколков может опять слепиться этот атом, тот же самый. Это, казалось бы, находится в ведении обычной механики: существует система частиц (в атоме не так их много). Вот, солнечная система, – механика всё это дело объясняет, но стабильность атомных структур и стабильность структур, тогда уже построенных из атомов (то, что мы видим вокруг себя стабильно в известных пределах), не изменяющийся, устойчивый мир – это не прописано в классической физике. В классической физике параметры любой системы могут принимать любые значения, эти параметры подвластны внешним воздействиям.

Есть, например, солнечная система, механику Ньютон придумал, и он же придумал формулу для силы взаимодействия, и понеслось. Функционирование этой системы было понято, можно было делать предсказания на 1000 лет вперёд, на 1000 лет назад. Например, специалисты в небесной механике могут вычислить все солнечные затмения, которые происходили 1000 лет назад, это так и делается для хроников: есть сообщения, что там было такое-то явление природы и прочее.1)

Вот такая система: Земля вращается вокруг Солнца на расстоянии 150 миллионов км, другие планеты имеют свои параметры орбит. Почему? А не почему – начальные условия. Когда-то это дело всё затикало.2) Пролетела бы где-нибудь сравнительно близко от этой солнечной системы другая звезда, – всё бы это возмутилось: параметры орбит стали бы другими, система претерпела бы определённые пертурбации (их можно было бы рассчитать и предсказать), мы получили бы другую систему. Атом не так! Скажем, планетарная модель атома: есть ядро, электроны, валентность, – но его свойства не меняются не то, что там где-то вблизи пролетел, а именно колоссальное число столкновений, которые происходят сейчас здесь за секунду, не меняет этих характеристик.

Я ещё раз обращаю внимание, что этот факт не подпадает под юрисдикцию классической физики, нет в ней таких механизмов, которые позволили бы объяснить эту зависимость.

Дальше, например, генетический код. Организм вырастает из клетки, понятно, что должен быть план, по которому организм развивается, и этот план должен иметь материальный носитель. Есть материальный носитель, скажем, молекула ДНК, гигантская молекула длиной порядка 3м, она в клетке свёртывается в спираль, это линейная конфигурация макроскопических размеров, там записан этот код. Какова должна быть стабильность записи этого кода, что на протяжении тысяч поколений информация не теряется! Все вы знакомы с носителями информации, и, конечно, есть устойчивые носители, скажем там цифровая запись, но вот более старый носитель информации – виниловые нити (в аналоговых машинах), – информация плывёт, понятно, что нити крутятся, крутятся, крутятся, и постепенно возникают мелкие искажения, и делаются всё хуже и хуже. С генетическим кодом ничего такого не получается. Есть там крупные поломки, иногда рождаются уродцы, но это редкие случаи. Вообще-то, на протяжении тысяч поколений сохраняется этот код.

Классическая физика не предусматривает никаких механизмов поддержания такой стабильности. Если вы пороетесь в памяти, любая макроскопическая система, и системы, на которых мы упражнялись и которые описываются классической физикой, обладают тем свойством, что малые внешние воздействия вызывают малые изменения параметров системы, то есть всякая система может плавно менять свои параметры, а вот такие устойчивые структуры не прописаны там.

Это я клоню именно к тому, что на самом деле всё, что мы до сих пор изучали, не позволяет понять, как же всё-таки устроен окружающий мир, почему он имеет такие свойства, какие имеет.

Ну, и вот то, чем мы будем заниматься в течение семестра, – изучать, как физика ответила на этот вызов, и каким образом всё-таки удалось (а это действительно удалось) понять, как устроен этот мир.

И сразу скажу, между прочим, что на уровне наблюдаемых явлений в масштабах Земли и то, что сейчас творится на небе, на этом уровне физика сейчас проблем не имеет, то есть все эти наблюдаемые свойства, полученные здесь, не представляют собой загадки и исчерпывающим образом на этом уровне описываются. Есть проблемы на более фундаментальном уровне – вглубь вещества – не на уровне атомов, молекул, ядер, а ещё гораздо глубже, то есть вот поведение на таком более глубоком уровне там да есть проблемы, но тот уровень не проявляется в наблюдаемом физическом мире, тот глубинный уровень не проявляется. Он был существенен на самых ранних этапах возникновения Вселенной, и там действительно есть проблемы, которые не решены ещё, но повторяю, это проблемы на том уровне, который не влияет практически на то, что мы видим вокруг (то, что мы видим вокруг, там проблем нет, тут физическая теория практически дошла до предела).

Но так глубоко мы здесь не закопаемся, а вот устройство мира на уровне атомов, молекул, твёрдых тел, вот эти вещи мы здесь с вами разберём и поймём, в глубь элементарных частиц мы не залезем и те глубинные вещи затрагивать практически не будем.

Вот такая программа действий. Так, ладно, это лирика была, а теперь перейдём к делу.

§2. Взаимодействие света с веществом. Корпускулярные свойства света

1. Внешний фотоэффект

2. Эффект Комптона

3. Давление света

Мы кончили тем, что свет это есть электромагнитные волны, и оптика это теория, имеющая дело с распространением электромагнитных волн. Всё нормально: там волны, интерференция дифракция – все эти типичные волновые явления. Оказалось, однако, опять, что эта картина, а именно то, что свет есть электромагнитные волны, наталкивается на непреодолимые трудности при попытке понять, как свет взаимодействует с веществом. Один аспект взаимодействия мы с вами рассматривали – рассеяние, – там нам стало понятно, почему небо синее.1) На самом деле, взаимодействие света с веществом не описывается в рамках вот этого представления о свете как об электромагнитных волнах. Ну и коротко обсудим известную вам вещь – фотоэффект.

1. Внешний фотоэффект

Вот, пусть мы имеем металл. Металл это, кстати, что такое? Это твёрдое тело, внутри которого имеются свободные электроны, которые могут свободно двигаться внутри этого тела. Именно металлы это те тела, в которых есть свободные электроны; не то, что в металлах это есть, а металлы – это такие вещества. Характерные свойства металлов (блеск) это свойство того, что в нём свободные электроны. Если на металл падает свет, то из металла вылетают электроны, это экспериментальный факт, был в своё время такой опыт, и явление называется фотоэффектом. Ну, прежде всего, чтобы начать обсуждать, почему они вылетают, давайте поймём, почему они не вылетают, если они там есть. Тоже, кстати, вопрос не праздный.

Что такое металл? Металлы – это такие вещества, у которых при соединении атомов в решётку отскакивают валентные электроны, остаются ионы, которые стоят в узлах решётки, и, значит, мы имеем такую структуру: ионы с положительными зарядами, а между ними электроны, и эти электроны свободно сквозят через эту решётку. Почему электрон не вылетает, никаких стенок нет? Ответ простой: как только электрон вылетел, весь кусок (до этого был нейтральным) становится положительно заряженным, и он затягивает его обратно. Вроде бы мы ответили на вопрос, но не так-то просто!

В жидкости молекулы нейтральны, между ними силы взаимодействия. Когда молекула жидкости вылетает (внутри жидкости на молекулу действуют силы во все стороны и в среднем они уравновешены), появляются силы, которые её затягивают обратно. Поэтому мы имеем поверхность жидкости, отделяющую воду в стакане от окружающего воздуха. Но молекулы в жидкости имеют разные скорости, и мы видели в своё время распределение молекул по скоростям (или распределение по энергиям в газе). Функция распределения имеет «хвост», и, в принципе, здесь сейчас в воздухе можно найти молекулу с любой энергией; молекулы в жидкости так же имеют функцию распределения с «хвостом», и там, в принципе, можно найти молекулу с достаточной энергией. С энергией достаточной для чего? А для того, чтобы она смогла совершить работу против сил притяжения, а эта работа заведомо конечна, и улететь. Значит, в жидкостях имеются за счёт хаотического теплового движения молекулы с энергиями большими, чем работа по преодолению сил притяжения, возникающих, когда она взлетает. Молекула, обладающая такой энергией, совершает эту работу, вылетает, при этом её кинетическая энергия убывает на какую-то величину, но всё равно она улетает. Происходит испарение жидкости, и это испарение обуславливает то, что жидкая фаза неустойчива принципиально.1) Ну, понятно почему. Допустим, быстрые молекулы улетели вот из этого хвоста распределения, но хвост отрастает всё время, если температура остаётся та же самая, хвост отрастает, и поэтому, в конце концов, они испарятся все.

Владимира Иннокентьевича Бабецкого (3 семестр) (стр. 1 из 27)

§1. Введение

1. Внешний фотоэффект