Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям64

  • docx
  • 06.04.2023
Публикация на сайте для учителей

Публикация педагогических разработок

Бесплатное участие. Свидетельство автора сразу.
Мгновенные 10 документов в портфолио.

Иконка файла материала Физика на пальцах 64.docx

Привычный мир физиков обрушился бук-вально в одночасье. Вот только что в физическом раю пели соловьи благолепия, пухли, как на дрожжах, жир-ные розы удовлетворенности, распространяя окрест благоуханные ароматы достижений. И вдруг бац ка-кая неприятность! Привычный рай трещит и развали-вается на части, а из разломов начинают торчать неви-димые ранее проблемы.

 

Я ничуть не шучу, мои маленькие друзья и товарищи покрупнее. Какие могут быть шутки о катастрофе ми-ровоззрения!

 

Весь девятнадцатый век физика развивалась такими бурными темпами и добилась таких успехов, что гордость физиков за свою вотчину была вполне обоснованной. Удалось создать стройную непротиворечивую картину мира, в основе которой лежала ньютоновская механика. Скорости, траектории, законы движения массивных тел... Все это можно было определить, просчитать и, зная все координаты, массы и скорости тел, предсказать, где они окажутся в любой момент времени в будущем.

 

Иными словами, мир представлялся фатальным. Что такое фатализм? Всеобщая предопределенность чему суждено случиться, того не миновать, как ни пытай-ся. От судьбы не уйдешь. Написано тебе на роду уто-нуть, значит утонешь... Именно такую «окаменевшую» и неизменяемую картину мира давала ньютоновская механика, в которой конечные координаты и другие параметры любого тела, любой частицы жестко детер-минировались (предопределялись) начальными усло-виями движения. Понятно, что на практике данных обо всех частицах вселенной у нас нет, но в теории мир был именно таким железно заданным формулами физических закономерностей.

 

Правда, о философской подоплеке своих механистиче-ских воззрений физики задумывались не особо, им просто нравилась та цельная картина мира, которая вырисовывалась к концу Х века. Как движутся пла-неты, понятно. Законы распространения волн извест-ны. Оптика позволяет делать очки и телескопы. Урав-нения Максвелла, описывающие электромагнитное по-ле, уже написаны. Электротехника развивается бурными темпами. Плохо ли?

 

И когда о ту пору юный абитуриент пришел к своему профессору физику Филиппу Жолли и сказал ему, что мечтает связать свою жизнь с физикой, тот томно отмахнулся:

 

Ах, молодой человек! Физика, как наука, в общем

и целом завершена, за исключением нескольких несу-щественных мелочей. Стоит ли вам портить себе жизнь? Займитесь лучше юриспруденцией или музыкой.

 

Этого юного абитуриента, который действительно от-лично играл на фортепиано и даже был автором одной оперетты, звали Макс Планк. Это имя сегодня известно всем, кто учился в школе или хоть что-то слышал о физике.

Макс Планк человек, который, уцепившись за те са-мые «несущественные мелочи», о которых говорил благодушный Жолли, взломал здание старой физики – и сам испугался содеянного.

 

Макс Планк человек, основавший здание новой фи-зики квантовой.

 

Макс Планк, придумавший кванты, человек, который сам в кванты не верил.

 

Именем Макса Планка названа одна из самых фунда-ментальных констант современной физики, описываю-щая базис нашего мира «постоянная Планка». А на могиле Макса Планка вместо дат его жизни и смерти выбиты совсем другие цифры значение постоянной Планка.

 

Планк прожил долгую нелегкую жизнь, пересекшую две мировые войны. Он пережил обоих своих сыновей, один из которых погиб в Первую мировую, а второй был в начале 1945 года повешен нацистами за участие в покушении на Гитлера. Дом Планка вместе с огром-ной библиотекой сгорел от попадания бомбы и почти 90-летний старик, в чем был, вместе с женой пешком отправился в никуда.

 

Знал ли тот юный мальчик Макс, стоявший перед ма-ститым профессором Жолли уважаемым ученым, ко-торый родился в эпоху Наполеоновских войн, сотря-савших Европу, что ему самому, Максу Планку, при-дется пережить две огромные войны, потерять детей и перевернуть физику? Не знал, конечно. И знать не мог в принципе, ибо тот переворот в физике, коему Планк дал начало, убедительно показал человечеству: мир нефатален, вы можете изменить будущее! Мир принципиально непредсказуем. Он квантовый. И слу-чайность вшита в самую основу бытия.

 

Так что же сделал Макс Планк такого, во что и сам не поверил?

 

Одной из тех неразрешимых «мелких проблемок», ко-торые стояли перед физиками конца девятнадцатого века и о которой говорил умудренный профессор Жол-ли молодому Планку, была проблема излучения так на-зываемого черного тела. Черное тело это придуман-ный физиками теоретический конструкт, вымышлен-ный объект, который все излучения поглощает

и ничего не отражает. При этом черное тело постепен-но нагревается и потому переизлучает тепло уже

в собственном диапазоне.

 

Дивиться тому, что физики взяли да и выдумали что-то, в реальном мире не существующее, не стоит. Дело в том, что физика всегда оперирует некими идеальны-ми моделями. Как и любая другая наука. Наука ведь не гонится за истиной, как вы, быть может, ошибочно предполагаете. Наука просто строит интеллектуальные модели. И проверяет их на соответствие реальности – работает или нет, можно с ее помощью делать пред-сказания или нельзя. Можно хорошая теория, берем на вооружение. Нет ошибочная.

 

Все научные теории без исключения имеют ограничен-ную область применения и строятся для решения практических задач. А так как человеческие хотелки все растут и растут, людям хочется получить больше

и больше, область решаемых задач вскоре начинает превышать возможности теории. И она перестает ра-ботать в новых условиях. Приходится строить более общую теорию, в которую старая теория входит част-ным случаем. Или же просто отказываться от старой теории, полностью меняя научную парадигму. Вы, я на-деюсь, знаете, что такое парадигма?Парадигма это система устоявшихся взглядов.

 

Так вот, в стройном здании физики позапрошлого века была одна теоретическая неясность. Исследуя излуче-ния разных нагретых тел, физики заметили, что постро-енные ими красивые теории не стыкуются с отвратитель-ной реальностью. Из теории получалось, что нагретое абсолютно черное тело должно излучать бесконечно большую энергию, что абсурдно. Теория давала сбой.

 

Пытаясь привести такую хорошую теорию к такой не-приятной практике, буквально за волосы таща форму-лы к реальности. Планк сделал гениальное допущение. Оно выглядело очень искусственным, но зато сразу по-зволило решить проблему на бумаге. Макс Планк предположил, что энергия излучения, которое отдает нагретое тело, испускается не сплошным потоком,

а порциями, которые Планк назвал квантами.

 

Предположение, конечно, глупое. Ну, что значит «из-лучается порциями»? Вот у нас есть бак, заполненный водой. Мы открыли кран, и она потекла сплошным потоком. А почему излучение от нагретого тела долж-но «течь» не сплошным потоком, а каким-то пункти-ром? Это же волны! Они бегут сплошняком! Что еще за порции такие дурацкие?

 

Однако введение этих порций в формулы дало хоро-ший результат и позволило, что называется, подогнать решение к ответу, известному из практических наблю-дений.

 

Работая над моделью излучения черного тела, Планк часто прогуливался по улице с сыном, не переставая думать обо всем этом. И однажды признался мальчику:

Или то, что я делаю, абсолютная бессмыслица, или самое большое открытие в физике со времен Ньютона!

 

Планк, который стоял на позициях классической физи-ки, очень расстраивался из-за того, что ему пришлось выдумать эти вот «рваные волны», которые излучаются непонятными порциями. Он рассчитывал, что кто-нибудь вскоре придумает что-то получше и исправит ситуацию, избавив мир от его дурацких квантов.

 

Увы! Кванты никак не хотели из теорий убираться, без них никак не получалось.

 

Неужели энергия тоже квантована, как и вещество? Поясню... Вещество, как мы уже знаем, делимо. Мель-чайшей его частичкой является атом. Может, и энергия тоже состоит из «атомов энергии»? Стоп! А при чем тут энергия, спросите вы, ведь речь у нас об излучении? Дело в том, что энергией в физике часто называют не только такую абстрактную вещь, как энергия кинетиче-ская или энергия потенциальная, но и вполне конкрет-ное электромагнитное излучение. Оно считается энер-гией в чистом виде, так сказать... В общем, Планку формулы подогнать к реальности удалось, но по смыс-лу получилась какая-то ерунда, какие-то «куски волн», «куски излучения», похожие на частицы.

 

Пока классическая физика осмысливала получившую-ся ерундень, по ней нанесли еще один удар. На сей раз постарался Эйнштейн.

 

Эйнштейн не только икона современной физики, но и самый известный физик среди простого народа. Не потому, что народ понимает его теории, а потому что Эйнштейн, волосатый и озорной, любил фотографи-роваться, высунув язык.


 

Скачано с www.znanio.ru