Ядерна фізика. Частина 5. Частинка чи хвиля?

Ця стаття є частиною циклу з 8 статей про ядерну фізику.

Початок

Попередня частина

Сьогодні ми поговоримо про деякі основи фізики мікросвіту. Вона не настільки складна, як здається з першого погляду — з рештою всі ці теорії придумали люди. Розберемося з початку в тому, яка різниця між поняттями макросвіту, досвід з якого ми отримуємо безпосередньо, і мікросвіту, про який ми можемо судити тільки з “макроскопічних” фактів, таких як сигнали детекторів, чи засвічена фотоплівка. То яким чином трансформуються поняття, коли ми описуємо речі, знання про які маємо лише опосередковане?

Даючи мікроскопічним моделям влучні назви взяті з макросвіту, науковці не мають на увазі, що з назвою переносяться всі властивості певного поняття. Так само, якщо вашого знайомого люди називають бджілкою, то ніхто не розуміє це так, що в нього смугастий тулуб, або є крила за спиною — всім ясно що це слово описує відношення людини до праці. Така здатність розуму до виокремлення певних суттєвих для певної ситуації властивостей об’єктів і групування їх в категорії за цими ознаками і називається абстрактним мисленням. І існує воно всюди, де є люди, а не тільки в науці.

Ситуація, коли одна і та сама річ описується за допомогою різних понять, може стати більш зрозумілою після такого прикладу. Уявімо собі, що я хочу описати своє місце розташування приятелеві, що хоче зі мною зустрітися та знаходиться в іншій частині міста. Адекватним описом для нього буде точка на мапі міста. Сенс використання цього математичного об’єкту полягає в тому, що ми нехтуємо дрібними деталями у порівнянні з масштабами ситуації — друг їде до мене через все місто. Наразі йому достатньо точки на мапі, що позначає кав’ярню, де я сиджу. Але після його приїзду на місце, пояснюючи по мобільному телефону, як мене знайти, я вкажу залу, в якій сиджу, в якому напрямку я повернутий обличчям, в що одягнений, та інші деталі. А та точка на мапі нас більше не цікавитиме. Цей приклад показує, що на один і той самий об’єкт можна описати по різному в залежності від того, з чим його порівнюємо. Обидва описи мого розташування були водночас правдивими, але й неповними.

Так само описуючи частинки, фізики використовують різні моделі для опису їхньої взаємодії з іншими частинками і, на приклад, з детектором. Вибір адекватного опису взаємодії залежатиме також від інших факторів, на приклад, від енергії.

Коли говорять, що об’єкти мікросвіту водночас є і частинками і хвилею, то ці два слова вживають в значенні понять абстрактних. Отже використання цих слів не повинно викликати враження, що мікроскопічні об’єкти мають всі атрибути макроскопічних відповідників. Тепер давайте поговоримо про те, які властивості звичних нам макроскопічних частинок і хвиль переходять до абстрактних понять, а які фізика мікросвіту відкидає.

А зараз спробуємо прослідкувати за розвитком мікроскопічних понять по уявленнях про природу світла. Поки не було експериментальних методів дослідження, питання про його природу було справою особистих вподобань людини. Суперечок було багато, але жодна сторона не могла надати переконливих доказів. Першу здавалося б крапку в суперечках поставило відкриття явища інтерференції світла. Це є одне з явищ, які виказують хвильову природу об’єктів. Суть його в тому, що коли дві хвилі однакової частоти та з постійною різницею фаз коливань накладаються, то амплітуда результатної хвилі не є сумою амплітуд додатків, але в кожній точці є різною, бо залежить від різниці шляхів що долають хвилі від своїх джерел. Ця амплітуда сумарної хвилі матиме свої мінімуми і максимуми, відстань між якими залежить від довжини хвилі.

Для світла це явище було відкрите, коли спостерігали проходження його крізь дуже вузькі щілини. Для отримання двох променів світла з постійною різницею фаз використовували різні хитрощі для розділення одного променя на два і потім спостерігали їхню інтерференцію. Зараз існує цілий клас різних приладів, що використовують це явище — інтерферометри.

Після відкриттів серії явищ фізики надовго переконалися у хвильовій природі світла. Було встановлено, що світло є електромагнітною хвилею, тобто коливаються напруженості електричного та магнітного полів (детальніше про співвідношення між ними). Було розвинено цілу теорію розповсюдження світла, що зараз називається хвильовою оптикою.

Окрім видимого світла існують інші види електромагнітного випромінювання, які мають таку саму фізичну природу, але відрізняються довжиною хвилі. Найдовша хвиля з видимих відповідає червоному кольору, а найкоротша — фіолетовому. Більш довгу хвилю ніж червоне випромінювання має інфрачервоне, яке дуже часто асоціюють з передачею тепла. Просуваючись далі в сторону збільшення довжини, ми дійдемо до радіохвиль. Просуваючись в “короткохвильовому” напрямку від фіолетового світла, ми дійдемо спочатку до ультрафіолетового випромінювання, а потім — рентгенівського.

Наступна частина

Література

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982
2. Сивухин Д. В.Общий курс физики. — М.: Наука, 1986 — Т. IV. Оптика.