Майкл Файер - Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

• Название: Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир
• Автор: Майкл Файер
• Издательство: Питер
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-496-01069-6

Физика — это сложнейшая, комплексная наука, она насколько сложна, настолько и увлекательна. Если отбросить математическую составляющую, физика сразу становится доступной любому человеку, обладающему любопытством и воображением. Мы легко поймём концепцию теории гравитации, обойдясь без сложных математических уравнений. Поэтому всем, кто задумывается о том, что делает ягоды черники синими, а клубники — красными; кто сомневается, что звук распространяется в виде волн; кто интересуется, почему поведение света так отличается от любого другого явления во Вселенной, нужно понять, что всё дело — в квантовой физике. Эта книга представляет (и демистифицирует) для обычных людей волшебный мир квантовой науки, как ни одна другая книга. Она рассказывает о базовых научных понятиях, от световых частиц до состояний материи и причинах негативного влияния парниковых газов, раскрывая каждую тему без использования специфической научной терминологии — примерами из обычной повседневной жизни. Безусловно, книга по квантовой физике не может обойтись без минимального набора формул и уравнений, но это необходимый минимум, понятный большинству читателей. По мнению автора, книга, популяризирующая науку, должна быть доступной, но не опускаться до уровня читателя, а поднимать и развивать его интеллект и общий культурный уровень. Написанная в лучших традициях Стивена Хокинга и Льюиса Томаса, книга популяризирует увлекательные открытия из области квантовой физики и химии, сочетая представления и суждения современных учёных с яркими и наглядными примерами из повседневной жизни.

---

Частица в ящике

Квантовомеханическая задача, в которой частица, такая как электрон, заключена в одномерном ящике с бесконечно высокими непроницаемыми стенками. Энергетические уровни частицы в ящике квантуются, то есть для неё существуют дискретные энергетические уровни. Частица в ящике — это простейшая квантовомеханическая задача, в которой частица заключена в небольшой области пространства и имеет квантованные уровни энергии.

Частота

Число повторов регулярного события в единицу времени. Для волны частота — это число пиков волны, которые проходят мимо за определённое время. Для волн, движущихся с одинаковой скоростью, высокая частота соответствует коротким волнам, а низкая частота — длинным волнам. Длина волны — это расстояние между пиками волны. Для световых (электромагнитных) волн частота равна скорости света, делённой на длину волны.

Черноте́льное излучение (излучение абсолютно чёрного тела)

Свет, испускаемый горячим объектом. Цвет этого света зависит от температуры объекта. Черноте́льное излучение — это первое физическое явление, при описании которого Максом Планком в 1900 году были использованы идеи, которые впоследствии легли в основу квантовой механики.

Электромагнитная волна

Волна, состоящая из электрического и магнитного полей, которые колеблются с одинаковой частотой и распространяются со скоростью света. Электромагнитные волны — это описание света в классической механике. Классическая теория электромагнитных волн полезна в описании многих свойств света и радиоволн, но она не может описать многие явления, такие как фотоэлектрический эффект.

Электрон

Субатомная частица с отрицательным зарядом, одна из фундаментальных составляющих атомов и молекул. Отрицательный заряд электрона равен положительному заряду протона, но противоположен по знаку. Атом содержит одинаковое число электронов и протонов, так что в целом он не имеет электрического заряда. Добавление электрона к атому превращает его в анион с единичным отрицательным зарядом. Отдавая электрон, атом становится катионом с единичным положительным зарядом.

Энергетические уровни

В атомах, молекулах и других квантовых абсолютно малых системах энергия не является непрерывной величиной. Изменения энергии могут происходить только дискретными шагами. Каждое отдельное дискретное значение энергии называется энергетическим уровнем.

Комментарии

1

Сёрен Кьеркегор (1813–1855) — датский философ и писатель. — Примеч. пер.

2

Отождествлять массу и вес не вполне корректно. Масса — это скалярная характеристика, присущая объекту самому по себе, а вес — векторная величина (сила), зависящая от состояния, в котором объект находится. Однако для объектов, покоящихся на поверхности Земли, масса и вес пропорциональны друг другу, и в обиходе между ними часто не делают различия. — Примеч. пер.

3

Строго говоря, эта величина называется размахом колебания, а амплитудой обычно называют половину этой величины, то есть отклонение пиков от среднего уровня. — Примеч. пер.

4

В приведённых примерах в качестве обозначений используются первые буквы английских слов velocity (скорость), distance (расстояние) и time (время). Однако нередко буквы выбираются совершенно произвольно. — Примеч. пер.

5

По вертикали. — Примеч. пер.

6

О таких волнах говорят, что они находятся в противофазе. — Примеч. пер.

7

Эдвард Уильямс Морли (1838–1923) — американский физик и химик, с высочайшей точностью определивший атомную массу кислорода. — Примеч. пер.

8

Колебаться. — Примеч. пер.

9

В нашей стране эта игра носит название «Али-Баба». — Примеч. пер.

10

Более известен в России как Луи де Бройль. — Примеч. пер.

11

Точнее, эти функции (комплекснозначные), заданные на трёхмерном пространстве. — Примеч. пер.

12

За пределами видимого диапазона о цвете излучения можно вести речь лишь условно. Корректнее говорить о длине волны света. — Примеч. пер.

13

На уровне n=5 не показаны девять g-орбиталей, соответствующих l=4. — Примеч. пер.

14

Квантовое число l называется орбитальным и характеризует момент импульса электрона, называемый также угловым моментом. — Примеч. пер.

15

Другой термин — «отталкивание электронных пар». — Примеч. пер.

16

Первый ряд переходных металлов располагается в четвёртом периоде Периодической системы элементов и охватывает элементы от скандия (Sc) до цинка (Zn). Второй ряд переходных металлов располагается в пятом периоде и охватывает элементы от иттрия (Y) до кадмия (Cd). Подробнее они описываются ниже. — Примеч. пер.

17

В оригинале Aufbau procedure (от нем. Aufbau — «строительство, сборка»). В русскоязычной литературе обычно используется термин «правило Клечковского» или, реже, «правило Маделунга». — Примеч. пер.

18

В 2000 году группа финских химиков в университете Хельсинки сумела синтезировать гидрофторид аргона HArF. Это единственное известное на сегодня соединение аргона. Оно очень нестойкое и существует лишь при температурах порядка 10 K. — Примеч. пер.

19

В последние годы вместо термина «разрыхляющая молекулярная орбиталь» всё чаще используется калька с английского «антисвязывающая молекулярная орбиталь». — Примеч. пер.

20

От англ. spin — вращение, вращаться. — Примеч. пер.

21

Молекула диуглерода (C2) может возникать на короткое время, но она химически очень активна и неустойчива. Диуглерод появляется, например, как промежуточный продукт при горении природного газа. Спектральные линии диуглерода (полосы Свана) придают пламени газовой горелки голубой цвет. — Примеч. пер.

22

Шаростержневые модели молекул являются частным случаем более общего типа моделей, называемых скелетными. — Примеч. пер.

23

Объёмные модели молекул также называют моделями Стюарта-Бриглеба. — Примеч. пер.

24

Строго говоря, этот угол составляет 109,471…°. — Примеч. пер.

25

Эта быстрая реорганизация сети водородных связей лишает смысла всякий разговор о памяти воды, на которую часто ссылаются гомеопаты и околомедицинские шарлатаны. — Примеч. пер.

26

Фолдингом (или укладкой) белка называют процесс самопроизвольного сворачивания аминокислотной цепи белка в уникальную, характерную для неё пространственную структуру. Большинство биологически значимых свойств белков проявляется только в таком сложенном состоянии. — Примеч. пер.

27

Мазут по-английски — heating oil, дословно «топочное масло». Поэтому в английском языке мазут естественным образом встаёт в один ряд с маслом любого вида (oil), бензином (light oil) и нефтью в целом (oil). — Примеч. пер.

28

Точнее, молекула жирной кислоты. В английском языке термин fat (жир) может относиться к жирным кислотам, а не только к состоящим из них триглицеридам (о которых речь в конце главы), как в русском языке. В переводе такое упрощённое словоупотребление сохранено лишь там, где оно не приводит к недоразумениям, то есть в основном в диетологическом контексте. — Примеч. пер.

29