Айзек Азимов - О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

• Название: О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики
• Автор: Айзек Азимов
• Издательство: Центрполиграф
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-227-04946-9

Автор книги рассказывает о появлении первых календарей и о том, как они изменялись, пока не превратились в тот, по которому мы сейчас живем. Вы узнаете много интересного и познавательного о метрических системах, денежных единицах и увлекательных парадоксах физики, химии и математики. Занимательные исторические примеры, иллюстрируя сухие факты, превращаются в яркие рассказы, благодаря живому и образному языку автора.

---

Но вернемся к теме. Вы убедились, что существует немало единиц, в которых может быть выражено количество энергии, образовавшееся при полном превращении 1 грамма массы. Этот грамм высвободит:

900 000 000 000 000 000 000 эрг,

или 90 000 000 000 000 Дж,

или 21 500 000 000 000 кал,

или 21 500 000 000 ккал,

или 25 000 000 кВт ч.

В результате можно сделать вывод: эрг — очень малая единица, но когда их 900 квинтиллионов, это не может не впечатлить. Преобразовав 1 грамм массы в энергию и использовав ее с должной эффективностью, мы обеспечили бы горение 1000-ваттной электрической лампочки в течение 2850 лет, то есть от эпохи Гомера до наших дней.

Разве это не решит проблему топлива?

Давайте поставим вопрос по-другому: какую массу следует преобразовать, чтобы произвести 1 кВт ч энергии?

Если 1 грамм массы производит 25 000 000 кВт ч энергии, то для производства 1 кВт • ч необходимо 1/25 000 000 грамма.

Полученная величина чрезвычайно мала. Предположим, мы выбрали единицу, меньшую грамма, и назвали ее микрограмм. Это миллионная часть грамма, то есть 10-6 г. Тогда 1 кВт ч получается преобразованием 0,04 микрограмма массы.

Но даже микрограмм слишком велик и поэтому неудобен; тем более что нас может заинтересовать единица мощности меньше, чем кВт ч. Поэтому мы можем говорить о микромикрограммах (сейчас их называют пикограммами). Это одна миллионная от миллионной части грамма, иными словами, 10-12 г. Теперь можно утверждать, что для производства:

Чтобы вы лучше прочувствовали эти числа, хочу вам сообщить, что масса обычной клетки человеческого тела — 1000 пикограммов. Если бы условия сложились так, что человеческое тело получило способность преобразовывать массу в энергию, преобразование содержимого 125 клеток (тело, где их не менее 50 000 000 000 000, вполне может себе позволить), снабдило бы тело питанием в размере 2500 ккал на целый день.

Количество массы, которое после преобразования выработает 1 эрг энергии, является слишком маленькой величиной, поэтому нужна величина еще меньше, и мы обратимся к пикопикограммам. Это 10-24 г, то есть триллионная триллионной части грамма. Потребуется 1950 пикопикограммов массы, чтобы произвести 1 эрг энергии.

Ну и что? Отдельный атом водорода имеет массу примерно 1,66 пикопикограмма, атом урана — 235 — массу 400 пикопикограммов. Следовательно, 1 эрг энергии получается преобразованием 1200 атомов водорода или 5 атомов урана-235.

При обычном расщеплении только 1/1000 часть массы превращается в энергию, и для производства 1 эрга энергии понадобится 5000 расщепленных атомов урана. При слиянии атомов водорода в энергию преобразуется 1/1000 часть массы, значит, для получения 1 эрга энергии понадобится 120 000 слившихся атомов водорода.

На этом, я думаю, можно оставить в покое формулу е = mс2.

Глава 14 ЕДИНИЦА ВОЗДЕЙСТВИЯ

После переиздания моей книги «Я, робот» издательством «Даблдей & Компани» некоторые обозреватели (несомненно, обладавшие огромным интеллектом и тонким вкусом) начали отзываться о ней как о «классическом произведении», что не могло не доставить мне удовольствие.

Слово «классический» имеет то же значение, что прилагательное «первоклассный» или часто звучащее в устной речи слово «классный». Любое из них полностью совпадает с моим собственным мнением о книге «Я, робот», но я (исключительно ввиду своей скромности и щепетильности) скорее умру, чем признаю этот факт открыто. Сейчас я упоминаю об этом лишь потому, что наша беседа с вами, уважаемые читатели, является сугубо конфиденциальной.

Правда, слово «классический» имеет и второе значение, которое нравится мне намного меньше. Литераторы эпохи Возрождения часто использовали его, рассуждая о произведениях античной Греции и Рима. Следовательно, «классический» означает не только «хороший», но еще и «старый».

Что я могу сказать… Книга «Я, робот» впервые увидела свет несколько лет назад, а ее отдельные главы были написаны… Ну, это не важно. Суть заключается в том, что я решил слегка обидеться, поскольку меня посчитали достаточно старым для написания классического произведения. Поэтому следующую главу я посвятил одной из областей, где «классический» является скорее оскорблением, чем похвалой.

Попятно, что это должна быть область, где быть старым автоматически означает быть неправым. Можно с умным видом рассуждать о современном искусстве, литературе или мебели, мысленно презрительно ухмыляясь, поскольку рассматриваемые произведения не выдерживали никакого сравнения с великими творениями старых мастеров. Однако, как только речь зайдет о современной науке, оратору останется только снять шляпу и с почтением прижать ее к груди.

В первую очередь это относится к физике. Существует современная физика и классическая физика. Причем граница между ними проведена очень точно: все, что было до 1900 года, относится к классической физике, то, что было после, — к современной.

На первый взгляд такое деление выглядит весьма спорным. Напрашивается вывод, что дело лишь в необъективности наших современников, живущих в XX веке. Однако при более детальном рассмотрении выясняется, что такое деление имеет полное право на существование, оно вполне объяснимо и очень точно. Именно в 1900 году увидели свет основные труды по теоретической физике. После этого ничего подобного уже не было.

Теперь вы, наверное, уже догадались, о чем я собираюсь говорить.

Все началось с немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, который совместно с Робертом Вильгельмом Бунзеном (изобретателем газовой горелки Бунзена) в 1859 году заложил основы спектрального анализа. Кирхгоф открыл, что каждый элемент, раскаленный добела, излучает свет определенных частот, а пары этого элемента, подвергнутые радиационному облучению из более горячего источника, поглощают свет именно тех частот, которые он излучал ранее. Короче говоря, материал поглощает именно те частоты, которые при других условиях излучает; и излучает те частоты, которые при других условиях поглощает.

Но давайте представим некое тело, которое будет поглощать излучение всех частот, попадающих на него, причем поглощать полностью. Тогда оно ничего не будет отражать, то есть окажется абсолютно черным. Кирхгоф доказал, что абсолютно черное тело, будучи раскаленным, будет испускать излучение всех частот. Такое излучение полного спектра частот называется излучением абсолютно черного тела.

Конечно, абсолютно черных тел в природе не существует. Но в 1890 году немецкий физик Вильгельм Вин поставил довольно интересные опыты, как раз связанные с этим. Представьте, что у вас есть замкнутая полость с маленьким отверстием в непрозрачной стенке. Любое излучение, проходящее извне через отверстие, либо поглощается расположенной напротив пего стенкой, либо отражается. Отраженное излучение попадает па другую стенку и опять частично поглощается. Отраженная его часть опять падает на другую стенку и т. д. Фактически излучение, попавшее внутрь сквозь отверстие, после многократного отражения больше не находит путь наружу. Получается, что отверстие поглотило излучение и, применяя ту же терминологию, ничего не отразило. Иначе говоря, мы имеем дело с абсолютно черным телом. Если полость нагреть, излучение, идущее из отверстия, должно быть излучением абсолютно черного тела и, если следовать логике Кирхгофа, содержать все частоты.

Вин приступил к изучению характеристик излучения этого черного тела. Он обнаружил, что при любой температуре присутствует широкий разброс частот, но он не является равномерным и имеет явно выраженный максимум в середине. Некая промежуточная частота испускается в большей степени, чем все остальные, более высокие или низкие. Более того, с ростом температуры максимум сдвигается в направлении более высоких частот. Если температура удваивается, частота в точке максимума тоже удваивается.

Возникает вполне закономерный вопрос: почему излучение черного тела распределяется таким образом?

Для начала давайте рассмотрим инфракрасный свет, видимый свет и ультрафиолетовый свет. Диапазон частот инфракрасного света от 100 миллиардов (100 000 000 000) до 400 триллионов (400 000 000 000 000) волн в секунду. Чтобы количество нулей не сбивало с толку, разделим приведенные выше числа на 100 миллиардов и будем считать частоты не в волнах в секунду, а «пакетами» по 100 миллиардов волн в секунду каждый. В этом случае диапазон частот инфракрасного света будет от 1 до 4000.

Аналогично получим диапазон частот для видимого света от 4000 до 8000, а для ультрафиолетового света от 8000 до 300 000.

Теперь можно предположить, что если черное тело поглощает все излучение с одинаковой легкостью, то и отдаст его одинаково легко. Какова бы ни была его температура, его энергия может излучаться на любой частоте, а конкретный выбор частот является случайным.