Читать онлайн «Лекции по основным курсам физики: Волновая физика и строение вещества»

ВОЛНОВАЯ ФИЗИКА Курс лекций для ФМШ Часть 1. ОПТИКА И ВОЛНЫ 1. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК А. П. Ершов 31 января 2005 г.  1 В последнем семестре нам осталось понять, как устроены окружающие нас пред- меты. Примерно мы уже знаем, что все сделано из атомов, кроме света, сделанного из фотонов. Но что такое атомы, пока не ясно. Когда-то существование атомов нужно было доказывать. Сейчас каждый слышит про атомы почти с рождения. Это словно бы и неплохо, но все имеет свои теневые стороны. Привыкнув к идее атома, труднее сформулировать для себя вопрос: почему атомы именно такие? В начале прошлого семестра мы уже отмечали загадку атомного масштаба 1 Å, или 10−8 см. Чем определяется этот размер? Почему бы, например, электрону не летать раз в сто ближе к ядру (или вообще во сколько угодно раз ближе)? В англоязычных странах популярен отрывок из «Рапсодии» Дж. Свифта: So, naturalists observe, a flea Has smaller fleas that on him prey; And these have smaller still to bite ’em; And so proceed ad infinitum. т. е. на блохах живут более мелкие блошки, на тех свои паразиты, еще меньше, и так да- лее до бесконечности. Цитируют эти стихи обыкновенно в глубокомысленном тоне и без комментариев, как бы подразумевая, что умному достаточно. Должно быть, тут отраже- но восхищение сложностью и неисчерпаемостью мироздания. Эта-то идея бесконечно- го ряда матрешек и оказалась неверна1 . Действительно, блохи страдают от паразитов: клещей, червей, бактерий. Современный микроскоп показывает душераздирающие кар- тины, например, кишечник блохи, паразитирующей на грызунах, полностью забитый палочками чумы2 . «Червь, терзающий блоху, сам может быть поражен клещом, в свою очередь зараженным жгутиковыми, в клетках которых живет болезнетворный вирус». Но это и все: никакой организм не может быть меньше, скажем, ста атомных размеров. Прогрессия масштабов быстро доходит до предела, раз всякий паразит значительно меньше хозяина. Всего есть шесть уровней, считая человека, а вовсе не бесконечность3 . Если подумать, то это выходит гораздо интереснее, чем примитивная («дурная») бесконечная иерархия уровней. Мы увидим, что с уменьшением масштаба возникает совершенно новая физика, которую мудрецы прошлого и вообразить не могли. Это – волновая физика, которой мы и займемся. Атомы такие, как они есть, потому, что они построены из определенных типов волн и сами тоже являются волнами. По сравнению со всем, что у нас было раньше, это – страна чудес. Но начнем, как всегда, с самых простых вещей. 1 На русском языке близким эквивалентом культурной ситуации является стихотворение Пушкина «Движенья нет, сказал мудрец брадатый... ». 2 Rotshild M. , Shlein Y. , Ito S. A colour atlas or insect tissues via the flea. Science Book, N. Y. , 1986. См. резюме: В мире науки (Scientific American), 1987, №1. 3 Свифт вообще живо интересовался масштабным фактором, вспомним его лилипутов и великанов.