Электричество шаг за шагом - [22]

Глава 3 Завод, где работают электроны

В твёрдом, жидком или газообразном веществе можно создать что-то вроде электрической реки — непрерывный упорядоченный поток свободных электронов или ионов. В этом упорядоченном движении, получившем название «электрический ток», как во всяком движущемся теле, запасена определённая энергия. Поэтому электрический ток может выполнять ту или иную работу, например превращать свою энергию в теплоту или в свет. Система, где работает электрический ток, чем-то напоминает завод: в ней есть цех, где свободные электроны или ионы получают энергию, есть цех, где они её отдают, и есть транспортные пути, по которым свободные заряды перемещаются, так сказать, к месту службы. Всё это вместе получило название «электрическая цепь».

Т-32. Многое из того, что было и ещё будет рассказано, есть большая неправда, поскольку не упоминает о существовании квантовой механики. В предисловии отмечалось, что многое в книге излагается упрощённо и очень упрощённо (Т-8), но были и ещё будут разделы, которые кое-кто из физиков назовёт вообще неверными. И по большому счёту будет прав — некоторые связанные с электричеством картины нарисованы не так, как их представляет квантовая механика («квантум» в переводе с латыни означает «сколько»), которая вот уже несколько десятилетий открывает надёжно скрытые от нас подробности устройства мира. Взять, к примеру, принцип неопределённости — утверждение квантовой механики о том, что очень часто невозможно, причём не технически, а в принципе невозможно, с предельной точностью определить координаты электрона или иной частицы и одновременно её энергетический запас, её импульс. Как правило, можно говорить не о точных координатах, а лишь о вероятности появления частицы в какой-то точке пространства. Именно поэтому физики не пользуются понятием «орбита электрона» — нельзя для каждого момента знать одновременно местонахождение и скорость (импульс) электрона, который вращается вокруг ядра.

Электрон может вращаться на разных расстояниях от ядра и иметь поэтому разный запас энергии. Но не любой, а строго определённый: он может, как принято говорить, находиться лишь на разрешённых законами природы строго определённых энергетических уровнях. Вращаясь со скоростью примерно 1000 километров в секунду (это представить себе невозможно — чуть ли не миллиард миллиардов оборотов в секунду!), электрон вместе с тем не излучает электромагнитные волны, хотя согласно классической физике должен излучать их. Лишь спрыгнув (Т-8) на более низкий энергетический уровень, то есть перескочив на более близкую к ядру орбиту (извините за запрещённое слово «орбита»), электрон выбрасывает строго определённую порцию энергии — квант электромагнитного излучения определённой частоты. И вот что замечательно: рассчитанные квантовой теорией для разных атомов энергетические уровни точно соответствуют излучаемой частоте, измеренной в экспериментах.

Ещё одна квантовая непривычность — частица, оказывается, это ещё и волна. Теоретически рассчитанная длина волны тем меньше, чем выше энергия частицы, что тоже в точности подтвердилось. В частности, электронный микроскоп перестаёт видеть особо мелкие детали потому, что электрон из-за своей волновой природы перекатывается через них, как морская волна перекатывается через небольшой камушек.

Глубокая, красивая и вместе с тем дерзкая квантовая теория уже многое дала практике. Например, транзисторы, лазеры и теоретически предсказанное, а затем открытое антивещество, в частности позитрон — электрон с положительным зарядом и протон с отрицательным — антипротон. Только квантовая теория объяснила через 45 лет после открытия такое сложное явление, как сверхпроводимость.

Но главное всё же в другом. Квантовая механика, а лучше сказать, квантовая идеология, в корне изменила наши до того незыблемые представления о природе вещей. Например, многое непрерывное стало дискретным, прерывистым, квантованным, даже гипотетические элементарные порции времени и длины стали объектом серьёзных теоретических исследований. Совершенно жёсткие, неотвратимые, казалось бы, процессы оказались вероятностными, их уже нельзя просчитать, нельзя уверенно предсказать их развитие.

ВК-36.Настало время перейти к более серьёзному знакомству с электричеством, с его схемами, приборами, процессами. А для этого нужно научиться количественно оценивать многие уже знакомые нам электрические характеристики, так же, например, как мы привыкли количественно оценивать продукты и товары у магазинного прилавка. Вы ведь не попросите продавца взвесить вам много сахара или продать мало пакетов молока. Вы обязательно назовёте единицу измерения и цифру, которая к ней относится.

Квантовая физика открыла удивительный и странный мир, знакомство с ним требует немалых усилий, умения поверить в то, во что поверить непросто. Много сделавший для становления квантовой физики А. Эйнштейн не мог смириться с её вероятностной природой: «Господь Бог в карты не играет». Даже профессионалы жалуются, что не могут представить себе странный квантовый мир, ищут способы как-то обмануть своё воображение.