О волнах и частицах или беседа с внуком о пользе б

О ВОЛНАХ И ЧАСТИЦАХ  ИЛИ БЕСЕДА С ВНУКОМ О ПОЛЬЗЕ БРОСАНИЯ КАМНЕЙ В ВОДУ

- Хорошо, Паша, на реке! Хоть и Камское, а всё-таки – море. Помнишь, как ты любил разноцветные камушки и гальки собирать?

- Помню.

- Ну-ка, возьми вон тот, серенький со светлой каёмочкой, да брось его подальше. Ух, ты, молодец, далеко зашвырнул, славная волна от камня пошла. Вот ответь мне, в каком направлении эта волна распространяется?

- Да как я, дед, отвечу: волна ведь и от  нас, и к нам и вправо, и влево идёт.

- Правильно, близко около камня, вернее, на малом расстоянии от него направление распространения волны указать невозможно, у него большая НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЬ. А вот когда катер проходил, волна только к берегу шла.

- Так волна ведь прямая была, а катер далеко плыл.

- Говорят не «прямая», а «плоская». Всё дело в том, что катер был далеко, и фронт волны, действительно, выпрямился, тут ты прав, поэтому направление распространения волны определяется однозначно. В этом и состоит одно из свойств волновых процессов: чем меньше неопределённость расстояния, тем больше неопределённость направления распространения волны.

- Значит, они обратно пропорциональны? Это мы проходили по математике.

- Совершенно верно. По-другому это волновое свойство можно сформулировать так: произведение неопределённостей расстояния и направления для волны есть величина постоянная.
А теперь я тебя спрошу: «Где ты был сегодня?»

- Так я много где был, утром в городе, потом мы с папой на дачу приехали, теперь вот на реке загораем.

- Вот-вот, ты понял, что я вопрос поставил не совсем корректно: спрашивать «где» бессмысленно без уточнения промежутка времени. Если речь идёт о нескольких часах, то твоё местонахождение могло измениться на десятки километров, если о нескольких минутах, то - в пределах нескольких километров или даже всего десятков метров. На какое расстояние ты можешь переместиться, например, за десять минут?

- Если я пешком пойду, то один километр пройду, на велике три проеду, а на автомобиле, наверное, десять, а то и больше.

- Ага. И чем же ходьба пешком отличается от езды на автомобиле?

- У меня ноги, а у автомобиля мотор.

- Тем, что у твоих ног и у мотора автомобиля разные мощности, значит, вы можете использовать за одно и то же время разную ЭНЕРГИЮ, поэтому можете совершать разные ДЕЙСТВИЯ. В физике произведение энергии на время так и называется – «действие». Помнишь, в каких единицах измеряется энергия?

- Дед, каникулы же…

- Энергия измеряется в джоулях, так она называется в честь английского учёного Джеймса Джоуля, поэтому единица измерения пишется с большой буквы: «Дж». Время измеряется в секундах, сокращённо «с», поэтому размерность действия «Дж*с».
Из наших разговоров следует, что между действием и неопределённостью расстояния есть связь. Чувствуешь?

- Наверно... Вот теперь почувствовал.

- Ну как же, вот смотри: если время зададим точно, то есть промежуток времени будет равен нулю, а, значит и действие равно нулю, то мы совершенно точно можем указать, где мы находимся, неопределённость местоположения тоже будет нулевая.
Теперь самое главное: наш мир устроен так, что действие не может быть равно нулю!!! Есть значение действия, меньше которого в природе не бывает.

- Значит, мы не можем точно указать, где мы находимся? Что-то тут неправильно.

- Успокойся, для наших с тобой габаритов это не страшно. Дело в том, что это минимальное действие очень-очень маленькое. В джоулях-в-секунду оно имеет значение «ноль, запятая, тридцать три нуля, 66 и ещё много цифр, последовательности которых не повторяются». В отличие от числа «Пи», вычислить значение минимального действия нельзя, оно определяется экспериментально.
Выходит, что значение этой замечательной природной константы получается делением числа 66 (примерно) на число, представленное единицей с 35-ю нулями после неё: десять в тридцать пятой степени. Поэтому значение произносится так: «Шестьдесят шесть – на десять в минус тридцать пятой степени»:
66*10-35  Дж*с.
Назовём указанную величину «Госпожа шестьдесят шесть минус»: «66-» - она достойна этого. Тем более, что мой возраст как раз 66-, знаешь ведь маркировку фильмов: 12-, 18+.

- Я фильмы 18+ не смотрю.

И правильно делаешь, ещё успеешь. Спроси: а причём здесь волны.

- А причём здесь волны?

- Давай сравним частицы и волны. Частица имеет массу, двигается с определённой скоростью, т.е. в определённом направлении. Произведение массы на скорость называется импульсом, значит, частица обладает определённым ИМПУЛЬСОМ. В каждый момент времени частица находится в определённом месте, т.е. имеет определённую КООРДИНАТУ.
А теперь – внимание! – импульс измеряется в (Дж*с)/м, поэтому, умножив импульс на координату (расстояние) мы получим размерность действия! Вспомним свойство волн: произведение неопределённости направления на неопределённость расстояния есть величина постоянная. Значит, произведение неопределённости импульса на неопределённость координаты не может быть больше «Госпожи 66-»!

- Стоп-стоп, дед. Это же свойство волн, причём здесь частицы?

Вот! Вот!! Вот!!! Все материальные тела – это волны!

- Почему, дед?

- Не знаю. Но в окружающих нас предметах волновые свойства мы не замечаем, слишком уж «Госпожа 66-» маленькая. А вот для крохотных частичек, которые называют элементарными или микрочастицами: электронов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы, - её величина становится существенной. Ведь они двигаются на расстояниях «десять в минус большой степени» метров, а их массы равны «десять в минус ещё большей степени» килограмм.
В итоге для электрона в атоме мы не можем указать, где он находится в данный момент и куда двигается. Электрон повсюду, он распределён вокруг атомного ядра, как волна вокруг камня. Говорят, что вокруг ядра существует электронное облако. Размер этого облака, а, значит, размер атома не может быть произвольным. Существуют размеры, которым соответствуют определённые энергии, говорят – энергетические состояния. Кто, думаешь, определяет величину этих состояний?

- Неужели «Госпожа 66-»?

- Да. Следовательно, она определяет размер атомов, стало быть, и молекул, и наших с тобой тел, и планет, и звезд. «Госпожа 66-» определяет размеры Вселенной. Согласен, что она достойна звания Госпожа?

- Согласен.

- Если значение «Госпожи 66-» изменится, изменится мир, но, слава Создателю, эта величина не изменилась с момента Большого Взрыва.
 Это ещё не всё. Электрон в атоме может перейти из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией, т.е. уменьшить свою энергию на вполне определённую, разрешённую «Госпожой 66-» величину. Я рассказывал тебе о законе сохранения энергии. Куда же девается эта ПОРЦИЯ энергии?

- Куда?

- Эта порция, которую называют КВАНТ, излучается в виде электромагнитной волны. Я тебе рассказывал про излучение атомов, так вот так оно и происходит.  Энергия электромагнитной волны пропорциональна её частоте, коэффициент пропорциональности … правильно: «Госпожа 66-». Эту константу немецкий учёный Макс Планк ввёл в 1900 году именно для того, чтобы объяснить законы излучения; с тех пор она так и называется – постоянная Планка. Волновые свойства частиц называются квантовыми, а наука, изучающая поведение микрочастиц и строение атомов – квантовой механикой.
Так что не три толстяка управляют миром, а три константы: постоянная Планка, гравитационная постоянная и скорость света. Я, вроде бы, тебе о всех рассказал, дальше ты сам.
Пойдём лучше поныряем да поплаваем, пока постоянная Планка не изменилась.

АЮ