КАК ЗАГЛЯНУТЬ В МИКРОМИР

Психология и физиология восприятия информации

Принято думать, что закономерности квантовой механики проявляются лишь при наблюдении объектов микромира, требующем тонкого и сложного лабораторного оборудования.

Между тем еще в прошлом веке, задолго до того, как физики приступили к исследованиям микромира, химики установили факты, которые объяснимы лишь с позиций квантовой механики. Эти факты лежат в основе явлений весьма обыденных, встречающихся нам повсеместно и постоянно.

Макромир, микромир... Где граница, отделяющая один от другого? Дело тут, очевидно, не в простом различии масштабов, а в стоящей за этим количественным различием какой-то качественной разнице.

Когда знакомишься с царящими в микромире законами квантовой механики, они не могут не удивлять своим несоответствием повседневному опыту.

Например, энергия электрона в атоме может прирастать и уменьшаться строго определенными порциями, принимая лишь отдельные дискретные значения. Или такая странность: некоторые пары физических характеристик микрочастицы не поддаются одновременному измерению со сколь угодно высокой точностью. Например, чем точнее определяется положение какой-либо частицы в пространстве, тем больше погрешность в определении ее скорости (или, можно сказать, импульса; напомним, что импульс определяется как произведение массы тела на его скорость).

Еще одна странность: в микромире каждая частица (например, тот же электрон) наделена свойствами волны, а каждая волна-свойствами частицы. Поэтому в движении микрочастиц обнаруживаются волновые эффекты. Например, пучок электронов, проходя сквозь кристалл, дает дифракционную картину подобно тому, как дает ее свет, проходящий через дифракционную решетку.

Напомним, что дифракционная решетка образована периодически повторяющимися прозрачными и непрозрачными участками, причем длина повторяющегося ее фрагмента сравнима с длиной световой волны. Проходящий через решетку свет, падая на экран, создает на нем своеобразную картину с периодически изменяющейся освещенностью:
Дифракционная картина

Можно задать наивный вопрос: почему же ничего подобного не приходится наблюдать при движении макроскопических тел? Почему, например, при этом не возникают дифракционные явления? Или все-таки их можно получить, если, допустим, обстреливать дробью подходящую решетку из достаточно прочных прутьев?

Рассуждая формально, мы, конечно, можем применить к стремительно несущимся дробинкам те соотношения, по которым в квантовой механике для частиц отыскиваются параметры соответствующих волн. Согласно так называемой формуле де Бройля, длина волны вычисляется делением знаменитой постоянной Планка на им* пульс частицы. Вот численное значение постоянной Планка: h=6,626 o 10-34 кг*м2/сек.

Учтем теперь, что для получения дифракционных эффектов расстояния между рассеивающими препятствиями должны быть сравнимы с длиной волны рассеиваемого излучения. В знаменитом опыте К. Дэвисссна и Л. Джермера, которые в 1927 году впервые наблюдали дифракцию электронов на монокристалле никеля, электроны разгонялись разностью потенциалов порядка ста вольт. Вычислив скорость, приобретаемую при этом электронами (5 106м/сек), и взяв из справочника массу электрона (9-Ю-28 г), нетрудно рассчитать период подходящей для опыта дифракционной решетки: около Ю-8 см. Величинами такого порядка измеряются и межатомные расстояния в кристаллах. Это и делает возможным наблюдение дифракционных эффектов в опыте Дэвиссона и Джермера. Вот картина дифракции, полученная ими:
Дифракционная картина Дэвиссона и Джермера

Дифракционная картина Дэвиссона и Джермера

Проведем такой же расчет для нашего гипотетического опыта с дробинками. Масса дробинки - доли грамма, скорость, приобретаемая пробью при выстреле,- сотни метров в секунду. Формально вычисленная длина соответствующей волны составляет величину порядка 10-34 метра. Расстояния между прутьями решетки, на которой можно было бы наблюдать дифракцию дробин, должны быть столь же мизерными - то есть во много раз меньшими, чем сами дробины. Абсурдный вывод, К которому мы пришли, лишает смысла наш гипотетический опыт...

Поставим наивный вопрос и по поводу соотношений неопределенности, одно из которых связывает, например, погрешности в измерении координаты и импульса микрочастицы. Произведение обеих погрешностей не может быть ниже величины. 2л = 1,055*10-34 кг*м2/сек. Мизерность этой константы вновь приводит нас к выводу, несовместимому с возможностями наших непосредственных ощущений...

Окончательный итог проведенных нами рассуждений беспрекословен: в привычном для нас макромире нет явлений, в которых явным и непосредственным образом обнаруживали бы себя законы микромира, квантовые эффекты.

Знаток физики может возразить на это, назвав несколько хрестоматийных экспериментов, где квантовые эффекты, охватывая обширные ансамбли микрочастиц, приводят к явлениям макроскопических масштабов. Что же, рассмотрим некоторые из них.
Опыт Эйнштейна де Гааза

...Железный цилиндр подвешивают на упругой нити внутри соленоида. Переключают ток, меняя его направление в соленоиде,- и цилиндр поворачивается. Таков известный опыт Эйнштейна - де Гааза В нем дает о себе знать чисто квантовый феномен - связь между магнитным моментом и моментом количества движения электронов. Когда их магнитные моменты разом изменяют свое направление, это вызывает и изменение их суммарного момента количества движения. Полный же момент всего цилиндра в целом должен остаться неизменным - в силу закона сохранения момента. Ради его соблюдения цилиндр и поворачивается.

...Жидкий гелий, охлажденный до определенной температуры, теряет вязкость и просачивается через тончайшие щели. 8 явлении сверхтекучести, обнаруженном П. Л. Капицей, проявляется особое коллективное взаимодействие между атомами гелия, имеющее чисто квантовую природу.

Можно назвать еще несколько макроскопических квантовых эффектов. И каждый из них будет представать перед нами в обстановке сложного лабораторного эксперимента, будет требовать для своего проведения весьма непростого оборудования.

Подобные эффекты, хотя и доступные непосредственному наблюдению, все-таки оказываются за гранью повседневного житейского опыта. Стало быть, сохраняет свою силу только что сделанный нами вывод: в явлениях обыденной реальности законы микромира не проявляются никак.

И тем не менее этот вывод неверен. Задолго до того, как физика столкнулась с удивительными феноменами микромира, задолго до того, как возникла квантовая механика, химикам были известны факты, суть которых составляли еще неведомые науке положения квантовой теории. Причем эти факты были вскрыты при исследовании явлений самых обыденных, самых повседневных.

О них и пойдет речь. Пламя газовой конфорки

А так же смотрите: PHP скрипты на заказ

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно