Просто о сложном
Sep. 20th, 2021 07:55 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
eddy_emПочему, интересно, у нас система образования так построена, что ни выпускник школы, ни выпускник ВУЗа ничегошеньки об устройстве мира не знает?
Хочется процитировать Летова: "Я проснулся среди ночи, и понял", только не то, что "все идет по плану", а что совсем наоборот (реально, в полтретьего проснулся, и начал думать: как дочке можно объяснить мироустройство "на пальцах", пока у нее вообще физики нет — второй класс-то; после этого у меня опять были думы насчет своих рабочих моментов, кстати, придумал, как без использования БТА выявить гнутия в своей новой безымянной железяке). Ну, поехали.
Ну вот возьмем простейшее: атом. Ученикам в школе говорят, как будто бы электроны "кружатся" вокруг атома! Позже рассказывают о том, что бывают разные типы орбиталей, а в электронный микроскоп видно, что они имеют разную форму: сфера, "гантель" и т.п. И тут возникает когнитивный диссонанс: ведь школьник знает, что движущийся с ускорением электрон излучает, а тут — фигушки! Почему нельзя объяснить "на пальцах", что электрон вокруг атома никуда не движется, а покоится?!! А "электронная орбиталь" — просто вид его волновой функции. Но тут есть еще один "прикол": по принципу запрета Паули, на одной орбитали могут находиться лишь два электрона — с разными спинами. Однако, p-орбиталь одного уровня может пересекать s-орбиталь следующего. И получается, что одновременно в одной точке могут находиться сразу несколько электронов с одинаковым спином (правда, у них разная энергия).
А вот еще один парадокс: у электрона с околонулевой энергией (т.е. свободного) радиус волновой функции немногим больше "радиуса" протона — всего-то около трех ферми! А вот у того же электрона на стабильной орбите атома водорода радиус волновой функции составляет около 0.5Å. У электрона внешней оболочки атома какого-нибудь дубния радиус волновой функции еще больше (в четыре раза)! Т.е. у связанных электронов "размер" тем больше, чем ближе его энергия к нулю, а у свободного — "внезапно" меньше. Как ребенку это на пальцах объяснить? Между прочим, даже в курсе физики ВУЗа ничего подобного не объяснялось (хоть и давно это было, но еще припоминаю свой курс физики).
Однако, судя по всему, у электронов таки есть некоторый предел на радиус волновой функции, когда они теряют возможность покоиться относительно своего центрального ядра. Иначе нейтронные звезды могли бы "нейтронизоваться" не полностью, а сохранять в составе часть протонов, образуя эдакий гигантский атом, вокруг которого болтались бы электроны на стабильных орбитах. Мы такого не видим (да и, скорей всего, у нейтронной звезды только ядро состоит из нейтронного вещества) — т.е. электроны "теряют" способность болтаться вокруг атома, превращаются в "метасвободные" и падают в конечном итоге на это ядро, потеряв энергию на излучение (после падения, благодаря кулоновским силам, они "находят" свой протон, и превращают его в нейтрон).
Еще можно вспомнить, что у нейтронной звезды крайне высокое магнитное поле. И внутри нее нет ничего, что могло бы "динамить". Т.е. все нейтроны в звезде выстроены так, что их магнитные моменты более-менее совпадают по направлению! Здесь новый когнитивный диссонанс возникает: хочется как пример взять кусок железяки, состоящей из большого количества магнитных доменов, а в каждом домене атомы выстроены организованно: их магнитные моменты примерно одинаково направлены. А диссонанс — в температуре Кюри, ведь при высоких температурах домены "разваливаются", магнетизм теряется. Правда, с нейтронными звездами эта аналогия не сработает: их ядро по сути — ядро атома. "Им можно".
А аннигиляция электрона и протона? У меня еще в 11 классе физики в учебнике были нарисованы красивые фейнмановские диаграммы, а вот объяснить ученикам, что же там на самом деле происходит, учительница не могла. Ну ведь столько теорий есть! Необязательно же школьникам давать все эти страшные формулы 11- (а то и больше) мерного пространства. Можно просто рассказать, что с точки зрения струнной теории весь наш мир — "надстройка" над свернутыми 11-мерными структурами в пространстве Калаби-Яу. Есть замечательные научно-популярные книжки, где все это "на пальцах" без страшных формул объясняется.
И та же теория тяготения намного проще объясняется, как свойство пространства-времени. Ну нафига мутить мозг ученикам гипотетическими гравитонами, если их в природе не существует? Вы еще монополь Дирака вспомните!
А физический вакуум? Ну зачем выдумывать "пустоту", если ее не существует?
А зачем выдумывать "виртуальные фотоны", которыми взаимодействуют между собой заряженные частицы, если это намного проще объясняется с точки зрения теории струн?
Зачем вообще вся эта ложь?
Кстати, если взглянуть на состав атомного ядра, то тоже внезапно оказывается, что самым стабильным является протон, несмотря на то, что он состоит из кварков, как и нейтрон. Однако, каким-то чудом нейтрон умудряется развалиться на электрон и протон. А о периоде полураспада протона никто до сих пор ничего дельного сказать не может. Ясно лишь, что оно тоже в конце-концов должно развалиться. Правда, тут тоже косяк есть: составные части нуклонов (которых на сей момент всего лишь три известно: протон, антипротон и нейтрон) в свободном виде не существуют! Да еще и заряженные кварки имеют дробный заряд, как и некоторые другие "экзотические" частицы (однако, обнаруженные в опытах на ускорителях). А чтобы кварки не развалились, ядреные физики придумали для них "клей": пионы (виртуальные, причем). Мне это напоминает ситуацию с попыткой объяснить электростатическое взаимодействие виртуальными фотонами!
Ребята, ну давайте уже повысим размерность и перестанем выдумывать несуществующие частицы! Правда, Хокинг предсказывал "волосы" черных дыр: образование виртуальных пар частица-античастица у горизонта событий, при котором одна из компонент пары поглощается черной дырой, а вторая "сваливает" в свободное пространство. Тут-то мы и приходим к мысли, что никакой пустоты нет! Вакуум — физическая сущность, материя. И у него полным-полно всяких интересных свойств. Здесь в помощь тоже пригодилась бы струнная теория — пусть еще не сильно-то продуманная, но уже похожая на эдакий переход от преобразований Ньютона к преобразованиям Лоренца, которые в свое время наделали шумихи.
Физика элементарных частиц — не все "белое пятно". Есть еще и в макрофизике такие белые пятна: те же "темная материя" и "темная энергия". ОК, возможно, время "темной энергии" еще придет, и мы таки разработаем физическую теорию, объясняющую, что за НËХ вокруг нас творится! Однако, "темная материя" — вообще жесть!.. Если всякие MOND и подобные теории пытались как-то объяснить "на пальцах" весь этот бред с "невидимой материей, взаимодействующей с нами только гравитацией", то не очень-то давно были обнаружены галактики, начисто лишенные этой НËХ. И тут из вменяемых объяснений "на пальцах" приходит лишь одно: Мультивселенная. Вселенных много, они существуют параллельно в общем "дохренамерном" вакууме, однако, могут взаимодействовать между собой, путем искривления пространства (то, что в проекции на наши 4 измерения называется гравитацией). И вот здесь-то мозг совсем взрывается…
Хочется процитировать Летова: "Я проснулся среди ночи, и понял", только не то, что "все идет по плану", а что совсем наоборот (реально, в полтретьего проснулся, и начал думать: как дочке можно объяснить мироустройство "на пальцах", пока у нее вообще физики нет — второй класс-то; после этого у меня опять были думы насчет своих рабочих моментов, кстати, придумал, как без использования БТА выявить гнутия в своей новой безымянной железяке). Ну, поехали.
Ну вот возьмем простейшее: атом. Ученикам в школе говорят, как будто бы электроны "кружатся" вокруг атома! Позже рассказывают о том, что бывают разные типы орбиталей, а в электронный микроскоп видно, что они имеют разную форму: сфера, "гантель" и т.п. И тут возникает когнитивный диссонанс: ведь школьник знает, что движущийся с ускорением электрон излучает, а тут — фигушки! Почему нельзя объяснить "на пальцах", что электрон вокруг атома никуда не движется, а покоится?!! А "электронная орбиталь" — просто вид его волновой функции. Но тут есть еще один "прикол": по принципу запрета Паули, на одной орбитали могут находиться лишь два электрона — с разными спинами. Однако, p-орбиталь одного уровня может пересекать s-орбиталь следующего. И получается, что одновременно в одной точке могут находиться сразу несколько электронов с одинаковым спином (правда, у них разная энергия).
А вот еще один парадокс: у электрона с околонулевой энергией (т.е. свободного) радиус волновой функции немногим больше "радиуса" протона — всего-то около трех ферми! А вот у того же электрона на стабильной орбите атома водорода радиус волновой функции составляет около 0.5Å. У электрона внешней оболочки атома какого-нибудь дубния радиус волновой функции еще больше (в четыре раза)! Т.е. у связанных электронов "размер" тем больше, чем ближе его энергия к нулю, а у свободного — "внезапно" меньше. Как ребенку это на пальцах объяснить? Между прочим, даже в курсе физики ВУЗа ничего подобного не объяснялось (хоть и давно это было, но еще припоминаю свой курс физики).
Однако, судя по всему, у электронов таки есть некоторый предел на радиус волновой функции, когда они теряют возможность покоиться относительно своего центрального ядра. Иначе нейтронные звезды могли бы "нейтронизоваться" не полностью, а сохранять в составе часть протонов, образуя эдакий гигантский атом, вокруг которого болтались бы электроны на стабильных орбитах. Мы такого не видим (да и, скорей всего, у нейтронной звезды только ядро состоит из нейтронного вещества) — т.е. электроны "теряют" способность болтаться вокруг атома, превращаются в "метасвободные" и падают в конечном итоге на это ядро, потеряв энергию на излучение (после падения, благодаря кулоновским силам, они "находят" свой протон, и превращают его в нейтрон).
Еще можно вспомнить, что у нейтронной звезды крайне высокое магнитное поле. И внутри нее нет ничего, что могло бы "динамить". Т.е. все нейтроны в звезде выстроены так, что их магнитные моменты более-менее совпадают по направлению! Здесь новый когнитивный диссонанс возникает: хочется как пример взять кусок железяки, состоящей из большого количества магнитных доменов, а в каждом домене атомы выстроены организованно: их магнитные моменты примерно одинаково направлены. А диссонанс — в температуре Кюри, ведь при высоких температурах домены "разваливаются", магнетизм теряется. Правда, с нейтронными звездами эта аналогия не сработает: их ядро по сути — ядро атома. "Им можно".
А аннигиляция электрона и протона? У меня еще в 11 классе физики в учебнике были нарисованы красивые фейнмановские диаграммы, а вот объяснить ученикам, что же там на самом деле происходит, учительница не могла. Ну ведь столько теорий есть! Необязательно же школьникам давать все эти страшные формулы 11- (а то и больше) мерного пространства. Можно просто рассказать, что с точки зрения струнной теории весь наш мир — "надстройка" над свернутыми 11-мерными структурами в пространстве Калаби-Яу. Есть замечательные научно-популярные книжки, где все это "на пальцах" без страшных формул объясняется.
И та же теория тяготения намного проще объясняется, как свойство пространства-времени. Ну нафига мутить мозг ученикам гипотетическими гравитонами, если их в природе не существует? Вы еще монополь Дирака вспомните!
А физический вакуум? Ну зачем выдумывать "пустоту", если ее не существует?
А зачем выдумывать "виртуальные фотоны", которыми взаимодействуют между собой заряженные частицы, если это намного проще объясняется с точки зрения теории струн?
Зачем вообще вся эта ложь?
Кстати, если взглянуть на состав атомного ядра, то тоже внезапно оказывается, что самым стабильным является протон, несмотря на то, что он состоит из кварков, как и нейтрон. Однако, каким-то чудом нейтрон умудряется развалиться на электрон и протон. А о периоде полураспада протона никто до сих пор ничего дельного сказать не может. Ясно лишь, что оно тоже в конце-концов должно развалиться. Правда, тут тоже косяк есть: составные части нуклонов (которых на сей момент всего лишь три известно: протон, антипротон и нейтрон) в свободном виде не существуют! Да еще и заряженные кварки имеют дробный заряд, как и некоторые другие "экзотические" частицы (однако, обнаруженные в опытах на ускорителях). А чтобы кварки не развалились, ядреные физики придумали для них "клей": пионы (виртуальные, причем). Мне это напоминает ситуацию с попыткой объяснить электростатическое взаимодействие виртуальными фотонами!
Ребята, ну давайте уже повысим размерность и перестанем выдумывать несуществующие частицы! Правда, Хокинг предсказывал "волосы" черных дыр: образование виртуальных пар частица-античастица у горизонта событий, при котором одна из компонент пары поглощается черной дырой, а вторая "сваливает" в свободное пространство. Тут-то мы и приходим к мысли, что никакой пустоты нет! Вакуум — физическая сущность, материя. И у него полным-полно всяких интересных свойств. Здесь в помощь тоже пригодилась бы струнная теория — пусть еще не сильно-то продуманная, но уже похожая на эдакий переход от преобразований Ньютона к преобразованиям Лоренца, которые в свое время наделали шумихи.
Физика элементарных частиц — не все "белое пятно". Есть еще и в макрофизике такие белые пятна: те же "темная материя" и "темная энергия". ОК, возможно, время "темной энергии" еще придет, и мы таки разработаем физическую теорию, объясняющую, что за НËХ вокруг нас творится! Однако, "темная материя" — вообще жесть!.. Если всякие MOND и подобные теории пытались как-то объяснить "на пальцах" весь этот бред с "невидимой материей, взаимодействующей с нами только гравитацией", то не очень-то давно были обнаружены галактики, начисто лишенные этой НËХ. И тут из вменяемых объяснений "на пальцах" приходит лишь одно: Мультивселенная. Вселенных много, они существуют параллельно в общем "дохренамерном" вакууме, однако, могут взаимодействовать между собой, путем искривления пространства (то, что в проекции на наши 4 измерения называется гравитацией). И вот здесь-то мозг совсем взрывается…
