Туннели и капли
Несутся по шоссе автомобили. Мы так давно не возвращались на шоссе, с которого начали наше путешествие, что читатель, возможно, забыл о нем. Но эта дорога незримо присутствует в нашем повествовании. Что же другое, как не хребты Родоп, навеяли нам образ потенциального барьера? Вернемся, однако, в машину, несущуюся по автостраде. Рокочет двигатель, и высокооктановый бензин превращается в нем в выхлопные газы. Затрачивается высококачественная, как мы установили в прошлой главе, химическая энергия. Но на что затрачивается? Ведь хорошо известно, что при перемещении тела по горизонтали без трения из пункта А в пункт Б никакой работы не совершается. Иное дело, если машина идет на подъем.
Интересно, есть ли среди наших читателей приверженцы классической физики? Наверное, есть. Строгий рецензент по поводу нашего замечания о простоте квантовой физики считает, цитируем: «Спрашивается, для кого эти науки (имеется в виду квантовая физика.— А. и Т. Ш.) так уж просты? Специалисты высшей квалификации до сих пор спорят и не приходят к единому мнению по самому «простому» разделу «простой» классической физики — механики». Не знаем, о чем спорят механики высшей квалификации, но для приверженцев классической физики сейчас самое время задать нам ка-верзный вопрос.
— Вы утверждаете, что законы квантовой физики едины и в микромире и в макромире. Но тогда почему автомобилю все-таки приходится напрягаться на подъемах, вместо того чтобы туннельно просочиться сквозь гору?
Вопрос справедливый, но и ответ на него недвусмыслен. Автомобиль не может просочиться туннельно сквозь гору по той простой причине, что такого объекта «автомобиль» на самом деле не существует. Есть множество атомов, образующих автомобиль и состоящих из электронов и ядер, состоящих, в свою очередь, из нуклонов. Каждый атом живет своей жизнью, и если вы хотите описывать поведение автомобиля как единого целого, что вам остается делать? Рассматривать не реальные процессы, происходящие с реальными атомами, а пользоваться средними по множеству атомов величинами. Конечно, для средних величин и законы иные. Именно в силу того, что поведение каждого атома подчиняется законам случая, они не могут все вместе одновременно вести себя одинаково. Мысленная точка — центр масс автомобиля — сквозь гору не просачивается.
Простите нас за это маленькое отступление, поводом к которому явились высказывания строгого рецензента. Так на что тратится энергия топлива, сжигаемого в автомобильном двигателе? Она тратится на преодоление трения и сопротивления воздуха. Преодоление сопротивления воздуха составляет довольно большую часть общих энергетических затрат, поэтому кузову автомобиля, как правило, придают специальную форму. Особенно это заметно у автомобилей гоночных.
Интересно, как вы представляете себе форму тела, наилучшим образом проникающего сквозь плотную среду? Атмосфера при больших скоростях — среда достаточно плотная, недаром она удерживает самолет, веся» щий несколько десятков тонн. Ну что вам тут же прихо« дит в голову? Наверное, известная поговорка «входит как нож в масло». Сразу представляешь себе острив ножа. А известно ли вам, что большие куски масла в продовольственных магазинах ножами не режут, да это и невозможно. Вместо ножей используют тонкую струну с двумя ручками на концах.
Автомобиль не исключение. Если форма автомобиля напоминает нож, то только нож, повернутый острием назад. Если двигать в атмосфере тело, острое спереди и тупое сзади, то позади этого тела образуется разрежение, так как струи воздуха не успевают заполнять его. Этот вакуум препятствует движению в гораздо большей степени, чем то, что называют лобовым сопротивлением. Поэтому так называемые обтекаемые тела имеют форму капли, падающей в атмосфере,— толстую спереди и заостренную на конце.
Капля дождя способна деформироваться и принимать форму, наиболее удобную для преодоления сопротивления воздуха. Но почему капля остается каплей, а не разбивается, особенно при преодолении атмосферного сопротивления, на более мелкие капельки или даже отдельные молекулы? Капля остается каплей благодаря поверхностному натяжению. Но разве поверхность воды обладает какими-то особыми свойствами, отличными от свойств той же воды в капле? Нет, здесь дело в другом. Просто молекулы в капле обладают меньшей энергией, чем те же молекулы на свободе. Капля воды окружена потенциальным барьером, как атом или атомное ядро.
Вам теперь понятно, зачем мы сделали экскурс в область автомобилей? Капля воды в равной степени может служить прообразом и автомобиля и атомного ядра. Интересная подробность. При окончании университета Нильсу Бору в качестве выпускной (мы бы сказали, дипломной) работы предложили исследование поверхностного натяжения жидкости. Наверное, поэтому много лет спустя Бор первым придумал капельную модель ядра. Модель, которая верно служит физикам и посейчас.