От динозавра до компота. Ученые отвечают на 100 (и еще 8) вопросов обо всем - Татьяна Зарубина

На гладком столе катушка в основном будет скользить на месте.

А теперь вспомним, как мы ездили на трехколесном велосипеде (в случае двухколесного нам бы пришлось еще отвлекаться на обсуждение его устойчивости по вертикали). Сидя на велосипеде и нажимая ногами поочередно вперед-вниз на пару педалей, мы приводим во вращение звездчатое колесо, на оси которого и сидят педали. А так как это звездчатое колесо при помощи цепи связано с парой задних колес, они тоже приводятся во вращение. Как и катушка из предыдущего эксперимента, вращающиеся задние колеса из-за действия сил трения толкают велосипед вперед. А можно ли придумать какой-то способ заставить колеса велосипеда вращаться без приложения наших мускульных усилий?

Ответ в истории науки найден давно. Нужно, очевидно, в конструкции велосипеда заменить педали двигателем (это может быть как электрический мотор, так и двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого периодически происходят резкие сжигания – «взрывы» топлива, заставляющие поршни совершать внутри цилиндров челночные движения). А уже затем вращение мотора или поступательное движение поршней двигателя вверх-вниз передается паре ведущих колес. Использование поршней работающего двигателя (вместо педалей) для вращения колес и обеспечит движение велосипеда, превращая одновременно последний в «самоход» – автомобиль. Чтобы превратить циклические перемещения подвижных частей двигателя во вращательное движение ведущих колес, была придумана специальная инженерная система – трансмиссия, простейшей версией которой и являются звездчатое колесо и цепь велосипеда.

Пришло время оглянуться назад. Совсем незаметно мы с вами, привлекая не самые невероятные знания по физике, по крайней мере мысленно и в принципе (в этом и состоит работа ученого-теоретика) сформулировали, как превратить нашу детскую забаву – велосипед в известное всем самоходное устройство – автомобиль. Поехали… кто на чем.

Еще древние греки, найдя загадочно-красивые окаменелости смолы хвойных деревьев – куски янтаря – и пожелавшие всего-навсего очистить их от пыли, явились первооткрывателями электричества. Как ни старались они облагородить поверхности необычных находок куском шерстяной ткани, пылинки явно не желали расставаться с янтарем. Янтарь по-гречески – электрон, поэтому удивительное свойство некоторых материалов притягивать к себе легкие частицы после натирания назвали электризацией.

Минуло несколько тысячелетий, пока не появилось научное объяснение этого наблюдения. А современный мир уже немыслим без электричества, и хотим мы этого или нет, но оказываемся в жизни полностью «электрозависимыми». Чтобы хоть на время снять напряжение, давайте окинем беглым взглядом основные вехи становления науки об электричестве.

Автором первого научного труда об электрических явлениях считается Уильям Гильберт (1600 год), придворный врач английской королевы Елизаветы. Он установил, что можно электризовать не только янтарь, но и другие «камни»: алмаз, аметист, стекло, опал, карборунд, сапфир, – и показал, что под действием пламени способность тел электризоваться резко уменьшается, что натолкнуло на мысль о «течении электричества». Он предположил также, что гром и молния имеют электрическую природу.

В 1663 году Отто фон Герике (бургомистр Магдебурга) создал машину для исследования взаимодействия наэлектризованных тел. В 1729 году в Англии Стивен Грей показал, что не все тела поддаются электризации, и это позволило впоследствии разделить все вещества на проводники и изоляторы (те, которые проводят через себя электричество, и те, которые не дают ему двигаться дальше). Через 4 года во Франции Шарль Дюфе ввел представление о двух видах электричества – смоляном (натираемые мехом вещества вели себя подобно янтарю) и стеклянном (его обнаруживало электризованное стекло, которое натирали шелком); впоследствии американец Бенджамин Франклин переименовал их в отрицательный и положительный заряды. Первый накопитель «электрической жидкости» – конденсатор («лейденскую банку») – создал в Голландии Питер ван Мушенбрук.

Бенджамин Франклин укротил молнию, создав первый громоотвод. В 1800 году Алессандро Вольта в Италии создал первый источник постоянного тока – первую электрическую батарейку, которая после замыкания способна была поддерживать неизменное течение электричества, – и назвал его «гальваническим элементом», воздав должное коллеге Луиджи Гальвани, изучавшему воздействие электричества на живые ткани. За свое открытие Вольта получил награду из рук самого Наполеона.

XIX век ознаменовал собой окончательное становление науки об электричестве, обнаружение ее неразрывной связи с магнетизмом, и, как следствие, человечество получило в свое распоряжение лампу накаливания, электрические генераторы, моторы, телеграфную и телефонную связь, радио.

Квантовая физика – это физика микромира, мира малых масс, интервалов времени и размеров. А разве действие законов классической физики Ньютона не распространяется на все массы, временные интервалы, размеры и скорости? Увы, нет. Физика Ньютона – это физика больших (по сравнению с размерами молекулы) тел и малых (по сравнению со скоростью света) скоростей. Как сказал один из великих физиков, «мир не похож на вложенных друг в друга матрешек», а именно такая иллюзия бытовала в обществе накануне становления квантовой физики. Известный русский поэт В.Я. Брюсов писал после появления планетарной модели атома (электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца):

Опыт показал, что простодушие поэта неоправданно, а мир малых масс обладает рядом по-настоящему удивительных свойств. Например, если планета, столкнувшись с достаточно массивным объектом, может слегка изменить свою траекторию (многие геологи считают, что в далеком прошлом с Землей такой случай был), то электрон не может изменить свою «орбиту» слегка. Набор «орбит», возможных в данном атоме, четко фиксирован, и никакие промежуточные «орбиты» невозможны. Слово «орбита» взято в кавычки потому, что частицы в квантовой физике не имеют координат, а только вероятности обнаружения в месте с теми или иными координатами. Так, электрон, участвующий в формировании изображения в вашем смартфоне, с ничтожно малой, но все же отличной от нуля вероятностью может оказаться в смартфоне вашей мамы, которая в это время уехала погостить к подруге в Самару.