eng
Содержание
Содержание
Предисловие ........................................................................ 5
1.
Введение в материю ..................................................... 10
Материя в масштабе атомов ..................................... 12
Материя в масштабе частиц ...................................... 14
Материя или энергия?............................................... 17
2.
Допустим, сила это... ................................................... 20
Что заставляет мяч двигаться вперед? ...................... 20
Сила противодействия .............................................. 24
Сила позволяет ускоряться ....................................... 25
«Мнимые» силы: вымысел или реальность? ............ 26
Центробежная сила «мнимая»? ................................ 30
3.
Немного давления ........................................................ 34
Сила Архимеда в воде ................................................ 36
Сила Архимеда в воздухе ........................................... 38
Средний свободный пробег ...................................... 41
Воздух сам себя держит ............................................. 43
Атмосфера создает давление ..................................... 44
4.
В уголке огня ................................................................. 52
Тепло и температура .................................................. 52
Изолировать, чтобы не было теплообмена .............. 56
Металл холоднее... Иллюзия? ................................... 56
Подуть, чтобы остудить ............................................. 58
Что происходит, когда вода кипит? .......................... 59
5.
Все электрическое или почти все! ............................. 65
Электрический заряд... знаменитый
неизвестный .............................................................. 66
Статическое электричество ...................................... 69
Электрический ток, движение зарядов .................... 74
Проводник или изолятор? ........................................ 76
Привести электроны в движение ............................. 77
6.
Небольшая доза радиации .......................................... 85
Что такое радиоактивность? ..................................... 86
Альфа-радиоактивность ............................................ 91
Бета-радиоактивность ............................................... 97
Гамма-радиоактивность ...........................................101
7.
Тише, это вибрирует! .................................................103
Звук это волна...........................................................103
Одна волна может погасить другую .........................105
Высокий или низкий, вопрос частоты ....................106
Эффект Доплера .......................................................107
Ударная волна ...........................................................110
Скорость распространения звука ............................112
Влияние скорости распространения
на высоту звука .........................................................113
Ухо и изменения давления .......................................115
8.
Большая семья электромагнитных волн .................118
Что представляет собой электромагнитная
волна?........................................................................119
Более или менее частые колебания .........................121
Микроволны .............................................................123
Инфракрасный: менее красный, чем красный .......127
Некоторые световые явления, которые
можно увидеть ..........................................................130
Рентгеновские лучи ..................................................139
Глоссарий ..........................................................................141
Идем дальше... .................................................................151
Алфавитный указатель ...................................................152
Предисловие
Книга, которую предлагает нашему вниманию Камиль
Фадель, представляет собой настоящее введение в материю,
показывая нам фундаментальные физические понятия в виде
экскурсии по различным состояниям материи; во время этой
экскурсии можно открыть любую главу на выбор и почитать.
Рассматриваемые темы такие же, как и в учебниках, но в зна-
чительной степени избавлены от математического форма-
лизма, который необходим для изучения науки в школе. Эта
книга предназначена для молодых (или не очень молодых),
кому интереснее познакомиться с наукой через качественное
описание, со вниманием к порядку и единицам величин. Как
правило, для понимания достаточно здравого смысла и эле-
ментарных арифметических операций. К тому же простые и
привлекательные иллюстрации, игра слов, веселые истории,
пояснения в виде вставок делают чтение еще приятнее.
Можно понять предназначение этой книги, учитывая
основную деятельность автора Камиля Фаделя. Будучи на-
учным медиатором во Дворце открытий и руководителем
физического отдела, он постоянно встречается с большим
количеством молодежи на короткое время экскурсии, пока-
зывая, как делается наука здесь и сейчас, пытаясь дать каж-
дому посетителю пощупать всё своими руками. Задача, таким
образом, заключается в том, чтобы вызвать интерес, чтобы в
школе было любопытно изучать материал, чтобы возникло
желание прийти на повторную, углубленную экскурсию. Но
суть не столько в прохождении курса, сколько в том, чтобы
возбудить интерес к науке. Таким образом нужна книга, соот-
ветствующая задаче, которую можно было бы читать навскид-
ку с любого места, частями, как при свободном посещении
музея, хотя книга хороша и как единое целое. Она основана
на наглядных и увлекательных опытах («Сделайте это до-
ма»). Исторический подход («Великие открытия») – еще
один способ привлечь внимание рядового читателя, мало
интересующегося точными науками. Наконец, Камиль,
которому интересна кухня науки, открывает двери в тему
современных исследований.
Читая прекрасные обзоры Открытия из Дворца от-
крытий, можно будет ознакомиться как с последними
научными открытиями, так и с историей через опыты
на столе. Камиль, кстати, является постоянным автором
этих разделов.
Этьен Гийон
Бывший директор Высшей нормальной школы и Дворца
открытий; исследователь ESPCI
(Высшая школа физики и индустриальной химии
города Парижа)
Введение в материю
Что такое материя? Этот вопрос для физики имеет такое
же значение, как вопрос «что такое жизнь?» для биологии.
Для простоты часто принимается три состояния материи:
в повседневной жизни вода, например, может быть твердой
(лёд), жидкой или газообразной (пар). Однако из этого ут-
верждения не следует, что эти три состояния не пересекаются.
На самом деле, достаточно взглянуть вокруг себя, чтобы по-
нять, что существует значительно больше состояний веще-
ства. Мука, йогурт, жевательная резинка, майонез, масло,
свитер, надувной шарик, пена для бритья, хлеб... содержат
столько веществ, что сложно распределить их по трем стан-
дартным категориям.
Возьмем, к примеру, сахарную пудру. Так как она может
перетекать из одного сосуда в другой, можно предположить,
что это жидкость, хотя она точно состоит из твердых крупи-
нок. Следовательно, можно сказать, что это не твердое тело
и не жидкость: все зависит от масштаба и условий наблюдения. Так же если мы перевернем баночку с майонезом, он не
потечет, как жидкость. Но если мы его помешаем ложкой,
чтобы он размягчился, то он поведет себя, как жидкость.
Зубная паста потечет, как жидкость, но лишь при условии,
что мы надавим на тюбик! Такое поведение, а также разное
другое, связано с трением между молекулами1, из которых
состоит вещество, а точнее – с их взаимодействием. Чтобы
понять и проанализировать, как и при каких условиях жид-
кость замерзает, почему смесь кукурузной муки и воды ведет
себя таким странным образом и какой механизм разжижает
майонез, если его помешать, нужно нырнуть вглубь вещества
на самый мелкий масштаб.
Сделайте это дома
Жидкий или твердый?
Насыпьте в миску кукурузной муки и добавьте немно-
го воды до получения тестообразной консистенции.
Наклоняя миску из стороны в сторону, вы увидите,
что смесь стекает, как жидкость, вдоль стенок. Однако
если вы захотите собрать эту смесь руками, вы увидите,
что под действием пальцев смесь становится тверже
и вам удастся оторвать кусочек и удержать его в руках
при условии непрерывного разминания. Иными сло-
вами, поведение теста зависит от того, какое на него
оказывается воздействие.
Материя в масштабе атомов
В течение долгого времени атом представляли себе, как
очень маленькую неделимую частичку, но в XX веке стало
понятно, что атом на самом деле делим. Атом, таким обра-
зом, представляет собой ядро, состоящее из частиц (протонов
и нейтронов) и электронов, находящихся на орбитах, вокруг
ядра.
Великие открытия
Квантовая физика
В то время как в течение почти всего XIX века физики
считали, что свет состоит не из корпускул (частичек),
а представляет собой волну, физик немецкого проис-
хождения Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал при
помощи расчетов, что сосуд, не содержащий материи,
но заполненный светом, имеет сходство с газом с опре-
деленных точек зрения.
Это наводило на мысль, что свет сам состоит из части-
чек (или квантов), тем более что несколькими годами
ранее его соотечественник Макс Планк (1858–1947)
пришел к похожему выводу, изучая свет, испускаемый
нагретым телом (таким, как нить накаливания или
панель обогревателя). Таким образом, световая волна
имеет корпускулярный характер. Введение корпускул
света, фотонов, в волновую теорию света стало первым
шагом в разработке новой физики, которую впослед-
ствии назовут квантовой физикой.
Спустя почти двадцать лет, этот «корпускулярно-волно-
вой» дуализм, как его иногда называют, был обобщен
Луи де Бройлем (1892–1987) и его единомышленни-
ками: на этот раз фундаментальная частичка вещества
атом также приобрела волновые свойства. Де Бройль
предсказал, что частицы вещества при определенных
условиях должны интерферировать между собой, как
волны. Что было сразу подтверждено эксперименталь-
но с электронами, позже – с атомами, и в 90-годы –
с крупными молекулами.
При очень малом масштабе атом и электрон уже нельзя
воспринимать как частицу, которую мы видим на макроскопи-
ческом масштабе. И действительно, частицы демонстрируют
необычное поведение. Например, можно заметить, что элек-
трон может находиться в нескольких местах одновременно!
Для описания странного мира бесконечно малого нужно
было разработать новую физику, со своими законами и пра-
вилами, квантовую физику.
Материя в масштабе частиц
Если мы хотим понять свойства материи на нашем уровне,
следует изучать атом. Если мы хотим идти дальше и понять
свойства протонов и нейтронов в атоме, нужно погрузиться
на невероятную глубину, где мы окажемся в мире физики
частиц.
Прежде всего следует выяснить, что находится между
атомным ядром и периферийными электронами. Сто лет на-
зад считалось, что там была пустота. В наше время полагают,
что ядро и электроны постоянно обмениваются фотонами,
частицами света, и что благодаря этому обмену электроны
вращаются на своей орбите вокруг ядра.
Затем следует понять, каким образом соседствуют ней-
троны и протоны в ядре? С 70-х годов прошлого столетия
известно, что протоны и нейтроны сами состоят из частиц,
уже элементарных, называемых «кварками», которые также
обмениваются другими частицами – мезонами и глюонами...
В настоящее время вся физика частиц строится на одном
принципе: частицы взаимодействуют (притягиваются, от-
талкиваются, преобразуются), обмениваясь с другими ча-
стицами, как при игре в пинг-понг. Таким образом, физикам
известны уже несколько сотен частиц.
Великие открытия
Бозон Хиггса
Для того чтобы понять разнообразие частиц и их свой-
ства, физики разработали в 60-е годы прошлого столе-
тия теорию, названную «стандартной моделью». Эта
модель предусматривала существование одной новой
частицы, названной бозоном Хиггса по имени ученого
предсказавшего ее существование. Без этой частицы все
остальные элементарные частицы имели бы нулевую мас-
су, как фотон. Частицы, взаимодействующие с бозоном
Хиггса, приобретают массу тем большую, чем сильнее
взаимодействие. Частицы, не взаимодействующие с ним,
имеют нулевую массу, такие как фотон и глюоны. Совсем
недавно (в 2012 г.) бозон Хиггса был наконец обнаружен
с помощью самого большого в мире ускорителя эле-
ментарных частиц адронного коллайдера, находящегося
на глубине ста метров под землей недалеко от франко-
швейцарской границы. Это открытие стало блестящим
подтверждением справедливости стандартной модели.
Однако остается объяснить наличие массы у еще одного
вида частиц, называемых нейтрино. Это означает не-
обходимость разработки новых теорий, т. к. нынешняя
теория не является последним словом в истории науки...
На заметку
Тайна темной материи
Начиная с 30-х годов прошлого века, известно, что
80%, а может и все 90% материи нашей Вселенной
составляет неизвестная материя, совершенно другая,
по сравнению с той, что нам известна. Она обнару-
живается по гравитационному влиянию, однако она
невидима. По этой причине ее принято называть
темной материей.
Книга, которую предлагает нашему вниманию Камиль
Фадель, представляет собой настоящее введение в материю,
показывая нам фундаментальные физические понятия в виде
экскурсии по различным состояниям материи; во время этой
экскурсии можно открыть любую главу на выбор и почитать.
Рассматриваемые темы такие же, как и в учебниках, но в зна-
чительной степени избавлены от математического форма-
лизма, который необходим для изучения науки в школе. Эта
книга предназначена для молодых (или не очень молодых),
кому интереснее познакомиться с наукой через качественное
описание, со вниманием к порядку и единицам величин. Как
правило, для понимания достаточно здравого смысла и эле-
ментарных арифметических операций. К тому же простые и
привлекательные иллюстрации, игра слов, веселые истории,
пояснения в виде вставок делают чтение еще приятнее.
Можно понять предназначение этой книги, учитывая
основную деятельность автора Камиля Фаделя. Будучи на-
учным медиатором во Дворце открытий и руководителем
физического отдела, он постоянно встречается с большим
количеством молодежи на короткое время экскурсии, пока-
зывая, как делается наука здесь и сейчас, пытаясь дать каж-
дому посетителю пощупать всё своими руками. Задача, таким
образом, заключается в том, чтобы вызвать интерес, чтобы в
школе было любопытно изучать материал, чтобы возникло
желание прийти на повторную, углубленную экскурсию. Но
суть не столько в прохождении курса, сколько в том, чтобы
возбудить интерес к науке. Таким образом нужна книга, соот-
ветствующая задаче, которую можно было бы читать навскид-
ку с любого места, частями, как при свободном посещении
музея, хотя книга хороша и как единое целое. Она основана
на наглядных и увлекательных опытах («Сделайте это до-
ма»). Исторический подход («Великие открытия») – еще
один способ привлечь внимание рядового читателя, мало
интересующегося точными науками. Наконец, Камиль,
которому интересна кухня науки, открывает двери в тему
современных исследований.
Читая прекрасные обзоры Открытия из Дворца от-
крытий, можно будет ознакомиться как с последними
научными открытиями, так и с историей через опыты
на столе. Камиль, кстати, является постоянным автором
этих разделов.
Этьен Гийон
Бывший директор Высшей нормальной школы и Дворца
открытий; исследователь ESPCI
(Высшая школа физики и индустриальной химии
города Парижа)
Введение в материю
Что такое материя? Этот вопрос для физики имеет такое
же значение, как вопрос «что такое жизнь?» для биологии.
Для простоты часто принимается три состояния материи:
в повседневной жизни вода, например, может быть твердой
(лёд), жидкой или газообразной (пар). Однако из этого ут-
верждения не следует, что эти три состояния не пересекаются.
На самом деле, достаточно взглянуть вокруг себя, чтобы по-
нять, что существует значительно больше состояний веще-
ства. Мука, йогурт, жевательная резинка, майонез, масло,
свитер, надувной шарик, пена для бритья, хлеб... содержат
столько веществ, что сложно распределить их по трем стан-
дартным категориям.
Возьмем, к примеру, сахарную пудру. Так как она может
перетекать из одного сосуда в другой, можно предположить,
что это жидкость, хотя она точно состоит из твердых крупи-
нок. Следовательно, можно сказать, что это не твердое тело
и не жидкость: все зависит от масштаба и условий наблюдения. Так же если мы перевернем баночку с майонезом, он не
потечет, как жидкость. Но если мы его помешаем ложкой,
чтобы он размягчился, то он поведет себя, как жидкость.
Зубная паста потечет, как жидкость, но лишь при условии,
что мы надавим на тюбик! Такое поведение, а также разное
другое, связано с трением между молекулами1, из которых
состоит вещество, а точнее – с их взаимодействием. Чтобы
понять и проанализировать, как и при каких условиях жид-
кость замерзает, почему смесь кукурузной муки и воды ведет
себя таким странным образом и какой механизм разжижает
майонез, если его помешать, нужно нырнуть вглубь вещества
на самый мелкий масштаб.
Сделайте это дома
Жидкий или твердый?
Насыпьте в миску кукурузной муки и добавьте немно-
го воды до получения тестообразной консистенции.
Наклоняя миску из стороны в сторону, вы увидите,
что смесь стекает, как жидкость, вдоль стенок. Однако
если вы захотите собрать эту смесь руками, вы увидите,
что под действием пальцев смесь становится тверже
и вам удастся оторвать кусочек и удержать его в руках
при условии непрерывного разминания. Иными сло-
вами, поведение теста зависит от того, какое на него
оказывается воздействие.
Материя в масштабе атомов
В течение долгого времени атом представляли себе, как
очень маленькую неделимую частичку, но в XX веке стало
понятно, что атом на самом деле делим. Атом, таким обра-
зом, представляет собой ядро, состоящее из частиц (протонов
и нейтронов) и электронов, находящихся на орбитах, вокруг
ядра.
Великие открытия
Квантовая физика
В то время как в течение почти всего XIX века физики
считали, что свет состоит не из корпускул (частичек),
а представляет собой волну, физик немецкого проис-
хождения Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал при
помощи расчетов, что сосуд, не содержащий материи,
но заполненный светом, имеет сходство с газом с опре-
деленных точек зрения.
Это наводило на мысль, что свет сам состоит из части-
чек (или квантов), тем более что несколькими годами
ранее его соотечественник Макс Планк (1858–1947)
пришел к похожему выводу, изучая свет, испускаемый
нагретым телом (таким, как нить накаливания или
панель обогревателя). Таким образом, световая волна
имеет корпускулярный характер. Введение корпускул
света, фотонов, в волновую теорию света стало первым
шагом в разработке новой физики, которую впослед-
ствии назовут квантовой физикой.
Спустя почти двадцать лет, этот «корпускулярно-волно-
вой» дуализм, как его иногда называют, был обобщен
Луи де Бройлем (1892–1987) и его единомышленни-
ками: на этот раз фундаментальная частичка вещества
атом также приобрела волновые свойства. Де Бройль
предсказал, что частицы вещества при определенных
условиях должны интерферировать между собой, как
волны. Что было сразу подтверждено эксперименталь-
но с электронами, позже – с атомами, и в 90-годы –
с крупными молекулами.
При очень малом масштабе атом и электрон уже нельзя
воспринимать как частицу, которую мы видим на макроскопи-
ческом масштабе. И действительно, частицы демонстрируют
необычное поведение. Например, можно заметить, что элек-
трон может находиться в нескольких местах одновременно!
Для описания странного мира бесконечно малого нужно
было разработать новую физику, со своими законами и пра-
вилами, квантовую физику.
Материя в масштабе частиц
Если мы хотим понять свойства материи на нашем уровне,
следует изучать атом. Если мы хотим идти дальше и понять
свойства протонов и нейтронов в атоме, нужно погрузиться
на невероятную глубину, где мы окажемся в мире физики
частиц.
Прежде всего следует выяснить, что находится между
атомным ядром и периферийными электронами. Сто лет на-
зад считалось, что там была пустота. В наше время полагают,
что ядро и электроны постоянно обмениваются фотонами,
частицами света, и что благодаря этому обмену электроны
вращаются на своей орбите вокруг ядра.
Затем следует понять, каким образом соседствуют ней-
троны и протоны в ядре? С 70-х годов прошлого столетия
известно, что протоны и нейтроны сами состоят из частиц,
уже элементарных, называемых «кварками», которые также
обмениваются другими частицами – мезонами и глюонами...
В настоящее время вся физика частиц строится на одном
принципе: частицы взаимодействуют (притягиваются, от-
талкиваются, преобразуются), обмениваясь с другими ча-
стицами, как при игре в пинг-понг. Таким образом, физикам
известны уже несколько сотен частиц.
Великие открытия
Бозон Хиггса
Для того чтобы понять разнообразие частиц и их свой-
ства, физики разработали в 60-е годы прошлого столе-
тия теорию, названную «стандартной моделью». Эта
модель предусматривала существование одной новой
частицы, названной бозоном Хиггса по имени ученого
предсказавшего ее существование. Без этой частицы все
остальные элементарные частицы имели бы нулевую мас-
су, как фотон. Частицы, взаимодействующие с бозоном
Хиггса, приобретают массу тем большую, чем сильнее
взаимодействие. Частицы, не взаимодействующие с ним,
имеют нулевую массу, такие как фотон и глюоны. Совсем
недавно (в 2012 г.) бозон Хиггса был наконец обнаружен
с помощью самого большого в мире ускорителя эле-
ментарных частиц адронного коллайдера, находящегося
на глубине ста метров под землей недалеко от франко-
швейцарской границы. Это открытие стало блестящим
подтверждением справедливости стандартной модели.
Однако остается объяснить наличие массы у еще одного
вида частиц, называемых нейтрино. Это означает не-
обходимость разработки новых теорий, т. к. нынешняя
теория не является последним словом в истории науки...
На заметку
Тайна темной материи
Начиная с 30-х годов прошлого века, известно, что
80%, а может и все 90% материи нашей Вселенной
составляет неизвестная материя, совершенно другая,
по сравнению с той, что нам известна. Она обнару-
живается по гравитационному влиянию, однако она
невидима. По этой причине ее принято называть
темной материей.