Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Фокусировка когерентного излучения в малых объектах позволяет создать высокие концентрации энергии. Новые источники света в миллионы раз превосходят яркость Солнца. Энергия этих источников может быть преобразована в другие виды энергии.

Мы уже говорили о давлении света. Оно обычно невероятно мало и может быть обнаружено лишь очень тонкими лабораторными приборами. А вот рубиновая молния, вырывающаяся из посеребренного торца квантового генератора, способна создать буквально фантастическое давление — порядка миллиона атмосфер.

Располагая таким высоким световым давлением, ученые и инженеры смогут осуществить ряд важных в научном и промышленном отношении процессов: исследование свойств веществ в сильных электрических полях, ускорение заряженных частиц, ускорение химических реакций, точную обработку различных материалов. При помощи квантовых генераторов и усилителей могут быть разрешены многие важные проблемы физики твердого тела, спектроскопии, биологии и медицины. Освоение волн видимого диапазона поможет уже в близком будущем создать необычайно высокоскоростные вычислительные машины.

Пучок лучей, испускаемый лазером, расходится гораздо меньше, чем свет любого другого источника. В опытах по передаче сигналов на 40 километров эти лучи разошлись всего на 30 метров в диаметре. Угол расходимости пучка радиоволн пропорционален длине волны и обратно пропорционален размеру передающей антенны. Это сразу показывает преимущество световых радиостанций перед работающими на более длинных волнах. По подсчетам Басова, чтобы осветить с Земли на Луне площадку в 1 квадратный километр в оптическом диапазоне волн, понадобится прожектор диаметром всего 20–30 сантиметров. В сантиметровом диапазоне радиоволн для этого потребуется антенна диаметром более километра.

Отсюда вывод, что для дальней радиосвязи особенно выгодно пользоваться лазерами. Высчитано, что при помощи существующих уже сегодня квантовых генераторов и усилителей в диапазоне световых волн возможно осуществление радиосвязи на расстояние в несколько световых лет, то есть на расстояние до ближайших звезд.

В печати появились сообщения, что именно этим путем мы скоро сможем ответить на вопрос: «Есть ли там кто-нибудь? Живут ли в глубинах космоса разумные существа, способные принять наши сигналы и как-то на них ответить?» Это сказано в увлечении: сигнал не может быть замечен на фоне звезды, ее шумового излучения. Но вот если бы сигнал посылали с корабля, не излучающего шума, тогда с утверждением, приведенным выше, можно было бы согласиться.

Когда-то люди пользовались оптическим телеграфом. На больших расстояниях одна от другой стояли мачты, на которых то вспыхивали, то угасали световые сигналы. Существовал также оптический телефон. Сейчас даже имена изобретателей этих устройств забыты. И вдруг, как часто бывает в науке, старая идея возрождается на новый лад. С созданием оптических квантовых генераторов началось радиотехническое освоение нового диапазона сверхкоротких электромагнитных волн.

Осуществление радиосвязи в таком диапазоне позволяет передавать чрезвычайно большой объем информации: принципиально один передатчик световых волн может вести одновременно передачу десятка тысяч телевизионных программ. Вместе с тем благодаря уменьшению расходимости пучка радиоволн и использованию направленности радиосвязи новый способ посылки сигналов позволяет очень сильно повысить дальность радиопередачи.

Когда был изобретен и впервые применен в войне против гитлеровской Германии радар, английские солдаты говорили с уважением о новом вооружении: «Он все может, разве что яичницы не сделает». О лазерах так не скажешь: они способны «зажарить яичницу». Они могут за несколько десятитысячных долей секунды поднять температуру вещества до 8000 градусов.

Не в этом, однако, главное. О квантовых генераторах и усилителях можно сказать, что область их применения почти неограниченна. Это одно из самых многообещающих открытий, сделанных в последние годы.

За символами математики

В наше время правильность новой научной гипотезы проверяется не соответствием ее «очевидности» в житейском смысле. Эта «очевидность» срамилась в прошлом много раз (звезды оказались дальше, чем представлялись, Земля — не плоская и т. п.), и ученые нашли другую форму проверки. Сегодня правильность гипотезы подтверждается и гипотеза становится признанной теорией, если выясняется, что она:

во-первых, не противоречит общим законам физики, в справедливости которых пока нет оснований сомневаться;

во-вторых, подтверждается на опыте, имеет выход, так сказать, на поверхность обыкновенных вещей (ибо нет и никогда не будет настолько абстрактной, отвлеченной научной истины, чтобы она не смогла бы быть рано или поздно проверенной конкретным опытом или наблюдением).

Создание квантовых генераторов — одно из ярких проявлений практической дееспособности квантовой механики, свидетельство того, что эта наука блестяще выдерживает вторую из названных проверок.

Первую проверку — соответствие новой гипотезы общим физическим законам — обычно осуществляют физики-теоретики. Если они приходят к выводу, что есть расхождение с проверенными законами, новую гипотезу обычно тут же и отбрасывают, не тратя лишних сил. Если теоретики признают ее теоретическую правильность, гипотеза поступает на контрольную проверку № 2, то есть проверку опытом.

Теоретическая проверка производится с помощью математики. Пишутся и решаются уравнения. Если все в порядке, эти уравнения сами по себе становятся средством дальнейшего развития новых идей.

Роль математики в физике вообще очень велика — настолько велика, что есть даже часть физики (может быть, вернее сказать — часть математики), называемая математической физикой (не смешивать с теоретической физикой!). Деятельность ученых, работающих в области математической физики, имеет следующий характер. Налицо физические идеи, общие физические законы (это и есть теоретическая физика) и выражающие их уравнения; уравнения нужно решать — это дает знание многих важных черт конкретных физических явлений. Но уравнения сложны, решать их — дело огромной трудности. Надо искать эффективные методы их решений, пусть даже только приближенные (как чаще всего и бывает). Здесь нужны как хорошее понимание физического содержания уравнений, так и большое математическое остроумие.

Хороший пример такой деятельности — труды советского физика академика Владимира Александровича Фока.

Едва идеи квантовой механики проникли в сознание ученых и нашли себе многочисленных и пламенных сторонников, возникло требование дать этой теории математический язык, разработать формулы, которые учитывали бы возможно больше факторов, влияющих на движение микрочастицы, помогали бы рассчитывать это движение. Основная задача квантовой механики — найти законы движения объекта микромиров — требовала, чтобы ее решили на математическом языке.

Задача эта была не из легких. Не только потому, что объекты квантовомеханического исследования нельзя сделать непосредственно видимыми никакими средствами. Но если бы даже можно было построить такой микроскоп, который увеличивал бы протон до размеров футбольного мяча (допустим на мгновение такую возможность), то исследователь не увидел бы ничего привычного, потому что свойства протона, как и всякого микрообъекта, представляют собой дуалистическое (двойственное) сочетание свойств волны и корпускулы. Если же мы увеличим протон до обычного тела не условно, с помощью микроскопа, а на самом деле (допустим и такую невероятную возможность!), то и в этом случае ничего не выиграем, потому что, раздувшись до размеров футбольного мяча, протон немедленно утратит все свои «фантастические» квантовомеханические свойства.

Представим следующую картину. Человек опустился в батискафе в глубину моря и увидел мир необыкновенной красоты. Перед ним, тараща глаза, проплывают причудливые рыбы, кругом, как на ночном небе, горят белые и желтые «звезды» — люминесцентные «фонари» глубоководных созданий. Некоторых из них человек улавливает приборами и извлекает на поверхность. Но тщетно будет он искать на столе лаборатории игру волшебных красок и движений, так поразивших его из окна исследовательского снаряда. Поблекнут краски и умрут движения вместе с теми, кто был их обладателем. Вырванные из родной среды, существа морской стихии перестанут быть самими собой.

Кто хочет изучать жизнь обитателей морей и рек, должен сделаться водолазом. Он должен научиться погружаться в чуждую обстановку, а не тянуть в свою (смертоносную для живущих под водой) представителей иной стихии.