Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

– Физика изучает мир и потому не может обойтись без наглядности, – считали физики старой школы. – Ведь за формулами всегда стоит какая-то реальность! Нужно просто придумать такие модели, которые бы реальность адекватно описывали и давали возможность ее понять не только на уровне формул. Вот мы же может формулами описать сжатие пружины или полет пули, и можем эти процессы наглядно себе представить. Давайте же найдем такие наглядные модели, которые бы давали наглядное представление о событиях в микромире.

– А это невозможно, – жестко возражало новое, молодое поколение физиков. – Как можно представить себе «вектор состояния» или «волновую функцию»? Придется вам теперь обходиться только формулами! Хе-хе.

– Какие же вы все-таки мерзкие! – обижались старички. – Ведь быть такого не может, чтобы природа сама о себе чего-то не знала. Скорее всего это мы о ней чего-то еще не успели узнать, раскрыть каких-то ее секретов, поэтому нам и кажется, что в природе микромира царят случайность и неопределенность и что летящий электрон находится одновременно во всех точках пространства. А на самом деле – он где-то в одном месте. Просто нужно дальше изучать мир и постичь наконец скрытую пока еще от нас реальность. Потому как то, что получается из формул, просто противоречит интуиции!

– Да нет никакой скрытой реальности, дедки! – цинично смеялось над физиками старого поколения поколение молодое. И называло стремление стариков к наглядности «наивным реализмом». – А что касается интуиции, то она всего лишь порождение макромира и наших чувств, завязанных на макромир, забудьте про нее.

И вы уже знаете, что среди обиженных дедков были такие зубры, такие столпы физики, как Планк, де Бройль и Эйнштейн, которые сами стояли у истоков мировоззренческой катастрофы. Эти люди растерянно пытались найти хоть какие-то наглядные модели, чтобы описать корпускулярно-волновой дуализм и прочие чудеса микромира. А новое поколение только рукой махало, даже не пытаясь найти каких-то картинок, довольствуясь только формулами.

Об этом драматичном споре один из физиков новой волны – Макс Борн высказался так: «Нашу полемику нельзя назвать чисто научной дискуссией. Скорее, она напоминала религиозные споры времен Реформации. Так что надежд на примирение мало». И в общем, был прав. Мировоззренческая катастрофа была такой, что кое-кто из физиков на этой почве даже увлекся древнеиндийской философией, как это сделал, например, Эрвин Шредингер.

Усугубило катастрофу и то обстоятельство, что физике пришлось отказаться не только от концепции физической реальности, но и от концепции объективности! Раньше считалось, что есть объективный мир и есть субъект, то есть человек, который этот мир изучает. Объективность же мира в том и заключается, что он от субъекта никак не зависит. Он просто существует, вне зависимости от того, изучаем мы его или нет и кто этим занимается – Иванов, Петров или Сидорчук. Законы природы от нас не зависят, мы их просто познаем…

Но законы микромира оказались столь странными, что в них наблюдение субъекта за реальностью очень даже влияло на реальность! Объективная реальность оказалась зависящей от субъекта!

Вот пример.

Двухщелевой эксперимент с электроном, который пролетает в две щели и рисует на экране интерференционную картину. Итак, один электрон пролетел в две щели. «А может, все-таки в одну?» – с надеждой вопрошали физики-классики. Что ж, можно проверить. Можно неподалеку от одной из щелей поставить регистратор, который будет засекать, пролетел в эту щель электрон или нет. Если регистратор электрон засечет – значит, он действительно пролетел в эту щель. А если не засечет – значит в другую!

Ну, и что же вы думаете? Как только ставят регистратор, как только начинают проводить наблюдение, так электрон и вправду начинает пролетать только в одну щель – либо в эту, либо в соседнюю. Но при этом интерференционная картинка на экране исчезает!

Интерференция исчезает, когда электрон «узнает», что мы за ним наблюдаем, вот в чем проблема. Электрон начинает вести себя, как обычная частица. А когда не наблюдаем (выключаем прибор регистрации), он снова ведет себя, как волна, и картинка сложения волн на экране возникает снова.

Как неожиданно…

И одна из главных физических формул микромира, которая описывает так называемый «вектор состояния», она ведь описывает математическими значками не только само состояние изучаемой квантовой системы, но и наши знания о ней. Они включены в формулу. Ну, разве могли физики старой школы так легко с этим смириться?

А уж когда физики-теоретики стали изучать вакуум и самые мелкие структуры бытия, последние остатки наглядности в виде мысленных картинок или рисунков растворились и остались одни сплошные формулы.

Что поделаешь, миром руководит математика!

Те, кто не поленился и прочитал информационный блок о теории относительности, наверняка остался впечатлен фокусами со временем. Как это так – время замедляется при росте скорости?! Что это означает? А это означает, что все процессы в месте замедления времени идут медленнее.

– Но позвольте! – скажет умный человек в круглых очках. – Если все процессы идут медленнее, и часы в том числе, то откуда мы знаем, что время замедлилось? Мы этого просто не заметим, ведь замедлились все процессы!

Верно. Внутри такой системы, в которой замедлилось время, никто ничего не заметит. Это будет заметно только снаружи. Ведь все познается в сравнении! Размеры предметов измеряются методом сравнения их с линейкой, временн ые промежутки – путем сравнения их с промежутками времени, отмеряемыми часами. А если не с чем сравнивать, то как узнаешь?

Поэтому о замедлении времени в какой-то системе может судить только внешний наблюдатель, находящийся вне этой системы. Вот он как раз и может сказать:

– Ой! А у вас часы идут медленнее. И стареете вы как-то медленнее, чем я. И двигаетесь. И думаете. Вы, наверное, тормоз!

В общем, теория относительности показала, что относительны не только масса и пространство, но и время: масса тела с увеличением скорости растет, линейные размеры тела (то есть само пространство) сокращается, а время замедляется.

Немало философов ломало голову о природе времени. Физики ньютоновской эпохи полагали: вот есть материя, из которой сделано все; есть пространство как вместилище всех вещей; и есть время как мера длительности происходящих процессов. Материя – это актеры, сцена – это пространство, а длительность спектакля – это время. Причем пространство и время останутся, даже если из мира убрать материю.