Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком

Квантовая физика – это набор самых действенных принципов, когда‑либо придуманных людьми. Это самая проверенная и доказанная теория из всей науки.

Нильс Бор представил миру квантовую теорию в 1927 году, и с тех пор она господствует в науке.

Любой, кто не поражён квантовой теорией, просто её не понимает.

Нильс Бор, один из создателей квантовой механики

В основе квантовой теории лежит вероятность того, что все возможные события могут произойти, сколь бы фантастичны и необычны они ни были.

Из-за этого многие стали думать, что квантовая физика – это не наука, а воображаемая теория.

Постулаты классической физики

1. Пространство и время абсолютны. Любое сложное движение можно разложить на совокупность простых движений.

2. Существует связь причины и следствия. По теории Ньютона, у каждого изменения в движении есть причина.

3. Детерминизм. Если в какой‑то момент нам известно состояние движения объекта, то мы можем определить его состояние в любой момент будущего и прошлого.

4. Свойства света полностью описаны в теории электромагнитных волн Максвелла.

5.

 Свойство системы можно рассчитать с любой степенью точности. Атомные системы не исключение.

Все эти постулаты нам знакомы из школы. И кажутся достаточно очевидными, потому что мир, который мы видим вокруг, казалось бы, подчиняется им. Но на самом деле сейчас все эти постулаты ставятся под сомнение как раз благодаря квантовой физике.

Глава 6

Как устроен атом

Первую модель атома предложил в 1904 году Джозеф Томсон. Она забавно называлась «пудинг с изюмом».

Считалось, что положительный заряд равномерно размещён по всему атому и внутри него находятся отрицательно заряженные электроны – как изюм в пудинге.

Кстати, не путайте Джозефа Томсона с другим физиком – Уильямом Томсоном, который известен ещё как лорд Кельвин. Этот Томсон, который лорд, был первым учёным, получившим право заседать в палате лордов. И в честь него мы говорим «температура по Кельвину».

Следующую, усовершенствованную модель атома предложил Резерфорд, ученик Джозефа Томсона, в 1911 году. Он установил, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, при этом ядро занимает меньше одной миллиардной части объёма атома. Это стало называться планетарной моделью атома.

#физикишутят

Уильям Томсон (лорд Кельвин) однажды отменил свою лекцию и написал на доске:

Professor Tomson will not meet his classes today.

(«Профессор Томсон не сможет сегодня встретиться со своими учениками».)

Студенты решили подшутить над профессором и стёрли первую букву в слове classes (получилось lasses – «любовницы»).

На следующий день Томсон увидел это исправление, но не растерялся, а стёр ещё одну букву в этом же слове и молча ушёл (получилось asses – «ослы»).

Сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженным электроном должна быть равна центростремительной силе, действующей на вращающийся электрон. Но если электроны кружатся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, и постоянно ускоряются, то почему они не излучают электромагнитные волны? (Напомню, что ускорение ведёт к изменению скорости движения тела, а скорость может меняться не только по величине, но и по направлению.) Электроны должны были постоянно терять энергию и в результате упасть на ядро (любое заряженное тело, движущееся с ускорением, излучает электромагнитные волны и, следовательно, теряет энергию). Ответ нашёл ученик Резерфорда – Нильс Бор.

Нильс Бор, пожалуй, самый знаменитый разработчик квантовой теории. Амбициозный датчанин приехал работать в Манчестерскую лабораторию Резерфорда, едва зная английский. Бор учил язык по полному собранию сочинений Диккенса, которое он привёз с собой.

Нильс Бор работал несколько лет и усовершенствовал модель Резерфорда, предложив следующие постулаты.

Постулаты Бора

• Электроны могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, не излучая электромагнитных волн (энергию).