Занимательная физика. Квантовая механика : манга

Занимательная физика

        Квантовая механика

Манга

Ohmsha



% m = § = Se о- Й№
\ I I \
   \ g^ щ





                ■.




*





                4G

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ МАНГА
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА К В А № т ® В А Я механика

Исикава Кэндзи Ютака Хиираги

     Перевод с японского Клионского А.Б.









2-е издание, электронное

 ЯМ

   издательство

Москва
ДМК Пресс, 2023

УДК 530.145
ББК 22.314
     К89



     Кэндзи, Исикава.
К89 Занимательная физика. Квантовая механика : манга / Кэндзи Исикава (автор), Хи-ираги Ютака (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 257 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — (Образовательная манга). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

        ISBN 978-5-89818-415-5

        Действие данной книги разворачивается в японской старшей школе «Кооки». Её персонажи — члены театрального кружка Канна, Яманэ и Глория, Канта (брат Канны и студент Японского университета), профессор Сануки. На этот раз кружок решает поставить спектакль, в наглядной форме объясняющий квантовую механику — науку о законах микромира. Пройдя через различные трудности, герои манги успешно справляются с этой задачей. Вместе с ними ты пройдёшь по пути зарождения и развития квантовой механики, узнав при этом:
        —   почему люди решили, что вещество состоит из атомов и молекул;
        —   как изучали строение атома;
        —   почему волны могут проявлять свойства частиц, а частицы — волновые свойства;
        —   что такое волновое уравнение и в чём состоит принцип неопределённости;
        —   в чём истинный смысл волн-частиц;
        —   как современные учёные пытаются построить единую картину мира; и о многом другом.
        Хотя книга содержит очень мало математических выкладок и проста для понимания, в конце ты сам научишься выводить волновое уравнение — основу квантовой механики!
        Книга может быть полезна для студентов научно-технических колледжей и вузов, начинающих изучение квантовой механики, а также для широкого круга любителей науки.

УДК 530.145
                                                                              ББК 22.314



      Электронное издание на основе печатного издания: Занимательная физика. Квантовая механика : манга / Кэндзи Исикава (автор), Хиираги Ютака (худож.) ; пер. с яп. А. Б. Клионского. — Москва : ДМК Пресс, 2016. — 256 с. — (Образовательная манга). — ISBN 978-5-97060-133-4. — Текст : непосредственный.

      Издательство выражает благодарность В. О. Панфилову

         Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательстваи.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.


ISBN 978-5-89818-415-5

© Кузнецов А. В., 2014
© Оформление, ДМК Пресс, 2014

            предисловие



           В детстве у меня была мечта - стать физиком. Она возникла в начальной школе и длилась до поступления в старшую школу. Конкретно говоря, я хотел заниматься квантовой механикой, чтобы прояснять строение молекул и атомов, истоки материи и энергии.
           Однако в старшей школе я как-то легко отказался от этой мечты и выбрал путь, приведший меня к моей нынешней работе. Этому было две причины.
           Первая причина - активная, заключалась в том, что у меня возник глубокий интерес к литературной деятельности. Вторая - пассивная причина, была в том, что мне было очень лень заниматься физикой, особенно математическими вычислениями с использованием уравнений.
           Впрочем, жизнь человека - это постоянная борьба между «хочется» и «не хочется», и я не раскаиваюсь в своём выборе. Кроме того, теперешняя работа, похоже, подходит мне - у меня ни разу не возникло мысли оставить её, чтобы стать учёным. Однако где-то в глубине души у меня остаётся близкое к восхищению чувство: «Ах, если бы тогда я больше времени уделил квантовой механике...»
           Поэтому на последнем совещании, где мы выбирали темы для следующей манги серии, меня словно кто-то за язык дёрнул: «Давайте сделаем мангу о квантовой физике!» К счастью, моим партнёрам эта идея понравилась, и я помню то облегчение, которое почувствовал, когда решение об издании наконец было принято.
           Однако...
           Начав писать сценарий, я сразу же раскаялся.
           «Как же это сложно!»
           Квантовая механика, за которую я взялся спустя долгое время, - на самом деле оказалась очень трудным предметом. Только я пробую продвинуться дальше, как на моём пути тут и там встают формулы, преграждающие путь. Похоже, мой мозг не претерпел значительной эволюции со времён старшей школы. Мысль о том, что я, может быть, взвалил на себя непосильную ношу, заставила меня побледнеть.
           Но я пообещал, что напишу мангу, которой могли бы наслаждаться даже те, кто до этого физикой серьёзно не занимался, и уже не мог отступать. Работа шла со скрипом, я стонал, даже не читая материалы, а просто разглядывая их, часто «плакался в жилетку» профессору Кавабата. И без поддержки многих людей, в особенности художника г-на Ютака Хиираги, а также г-на Араи и г-на Кавасаки - сотрудников компании Verte, ответственных за оформление и редактирование, эта книга никогда бы не вышла в свет. Выражаю им всем здесь свою благодарность.
           Разумеется, я далёк от мысли полностью разъяснить квантовую механику с помощью этой манги. Однако она написана так, что, следя за развитием событий манги, читатель может хотя бы понять, почему появилась квантовая механика и к чему она стремится. Поэтому мне бы хотелось, чтобы те, у кого чтение данной книги пробудило интерес, самостоятельно бросили бы вызов более специализированной литературе. Там разворачивается мир знаний, поражающий воображение.
           Как бы там ни было, герои эпохи прогресса квантовой механики в 1910-1940 годах все как один отличались неповторимой индивидуальностью. Особенно выделялся Нильс Бор, которого называют «отцом квантовой механики», вышедший победителем из многолетнего научного спора, который он вёл с самим Альбертом Эйнштейном.
           Не останавливаясь на этом, он энергично вступает в спор с Эрвином Шрёдингером - создателем самого важного в квантовой механике уравнения. Из уважения к Бору, бывшему на 2 года старше, Шрёдингер вначале терпеливо общался с ним, пока не слёг из-за переутомления в долгих, ведшихся ночи напролёт дискуссиях с Бором. Когда Шрёдингера привезли в больницу, он даже вздохнул с облегчением: «Вот он, долгожданный отдых!» - но его блаженство длилось недолго -Бор настиг его и здесь, развернув дебаты у кровати и не думая уходить. Говорят, что эти дебаты продолжались до тех пор, пока Шрёдингер не потерял сознание.
           И Вернер Гейзенберг, оформивший в виде принципа неопределённости самое большое открытие квантовой механики (миром правит не предопределённость, а случайность, поэтому описать

         его можно только с помощью вероятностей), ежедневно тратил на дискуссии по нескольку часов. Кроме того, будучи большим любителем прогулок, он каждый день проходил около 30 км, продолжая при этом разговаривать и не обращая никакого внимания на пейзажи. Со стороны такое поведение выглядело достаточно необычно.
           В ту эпоху множество учёных имело возможность проводить дни и ночи в дебатах только потому, что жили они по соседству друг с другом, в небольшой области Европы. Почему же произошла такая историческая случайность?
           Мне кажется, что они вовсе не были от рождения гениальны, ведь с точки зрения вероятности невозможно, чтобы в один и тот же период в одном и том же месте родилось так много гениев. Просто в ту пору в Европе было модно проявлять интерес к поискам первоисточника материи и энергии. Другими словами, присутствовала атмосфера интереса к поискам научной истины. И Эйнштейн, и Бор, и Шрёдингер, и Гейзенберг - все они, образно говоря, «наслаждались сёрфингом на волне эпохи».
           И эта волна на самом деле продолжается и сейчас. Кроме того, в настоящее время квантовая механика становится всё более интересной дисциплиной - не ограничиваясь изучением материи и энергии, она пытается дойти до самого первоисточника Вселенной.
           Конечно, не всем суждено стать физиками, но мне хотелось бы, чтобы побольше людей хотя бы знали о том, что есть такая область знаний - квантовая механика, в которой проводятся грандиозные исследования с целью разгадать загадку нашего мира.
           Не знаю, насколько поможет этому данная манга, но я буду счастлив, если она поможет расширить круг любителей и сподвижников квантовой механики.


Декабрь 2009 г.

Исикава Кэндзи

        несколько слое ОТ НАУЧНОГО Р6ААКТОРА



           Данная манга, как и предыдущая «Манга о Вселенной», - плод совместного творчества г-на Исикава Кэндзи и г-на Ютака Хиираги. И на этот раз я снова, не боясь обвинений в некомпетентности, взял на себя обязанности научного редактора. У меня самого, к сожалению, нет таланта к рисованию, но как поклонник и ценитель манги я не уступаю никому. Кроме того, хорошо зная по предыдущей манге мастерство автора и художника, я питал огромный интерес к тому, как же будет развиваться повествование на этот раз, и больше всего мне хотелось прочитать эту мангу раньше всех. В процессе чтения я обращал внимание на правильность содержания, и при необходимости исправлений прямо говорил об этом автору.
           Квантовая механика, созданная и развивавшаяся для того, чтобы описать различные явления микромира, содержащего такие объекты, как молекулы, атомы, элементарные частицы, фотоны, вместе с теорией относительности Эйнштейна играет роль одного из двух столпов современной физики. Без квантовой механики, и как базовых знаний, и как необходимого инструмента, сегодня не могут обойтись изучающие физику, химию, биологию, технические науки. Однако по таким причинам, как оторванность понятий и способа мышления от того, к чему мы привыкли в повседневной жизни, необходимость математических вычислений на основе комплексных чисел, на пути начинающих встаёт психологический барьер, препятствующий её углублённому изучению. Даже если отвлечься от математики, всё равно, такая, например, штука, как корпускулярно-волновой дуализм - эдакое «раздвоение личности», характерное для жителей микромира, может привести в замешательство кого угодно.
           Преодолению психологической преграды очень сильно помогает знание истории вопроса. Одной из особенностей данной книги является подробное и точное описание исторического контекста, различных многозначительных эпизодов. Кроме того, благодаря использованию такого мощного средства иллюстрации, как манга, исследуемые объекты и физические процессы становятся более осязаемыми. Согласно японской пословице «плотину прорывает от одного муравьиного хода», всего одно, даже очень маленькое отверстие в преграде может стать причиной большого прогресса. Конечно, данная книга - не учебник, но я уверен, что она вполне сможет сыграть роль «муравьиного хода», будучи использованной в качестве вводного курса или книги для дополнительного чтения при изучении квантовой механики. Недавно я был неприятно изумлён, столкнувшись с тем, что почти никто из японских студентов, которым я преподаю на кафедре физики, не смог назвать имя первого японского учёного - лауреата Нобелевской премии по физике. Однако я искренне надеюсь на то, что эта книга поможет исправить подобную ситуацию.

           Декабрь 2009 г.                                                     Кавабата Киёси

            содерждние



    Пролог
    ИССУМБОСИ И ДЮЙМОВОЧКА...........................1
    Сказка про Иссумбоси............................10
    Сказка про Дюймовочку............................И
    Так что же такое квантовая механика?............16


•X* Глава 1
УЛ ЧЕМУ РАВНА «ПОЛОВИНА ОТ ПОЛОВИНЫ
•>> ОТ ПОЛОВИНЫ...»?........................................21
• •
     1.1. Эти бесконечные парадоксы.........................22
;Х; «I Объяснение рассказа «Ахилл и черепаха»...............24
>••• 1.2. Существуют ли на самом деле молекулы и атомы?.....28
Х< 1.3. Давайте поищем невидимый глазу атом! ..............36
         © Вызов технологиям наблюдения маленького мира. Часть 1.
;Х; История развития микроскопа............................47
Х< А если бы не было «химического элемента» и «атома»? ....50
         © Теории о первоэлементах и атомах в других древних
;Х;       культурах........................................55

>Х Глава 2 КОГДА АТОМ ПЕРЕСТАЛ БЫТЬ «АТОМОМ».....................57
;Х; 2.1. Вещи образованы комбинацией атомов................58
Х< Периодическая система химических элементов..............62
Х< 2.2. Заслуги гениального химика Лавуазье.................66
• •••• Периодическая система химических элементов. Руководство
• X* по применению..........................................74
     Путешествие к атому — откуда вышли, туда и вернулись..80
• X;     © Вызов технологиям наблюдения маленького мира. Часть 2.
Х>        Существует микроскоп, позволяющий увидеть атомы!..85

X*: Глава 3 КАК ИЗУЧАТЬ «НУТРО» АТОМА?............................87
;Х* 3.1. Как открыли электрон — дитя электричества?.........88
• X* 3.2. Модели атома Томсона и Нагаока Хантаро............96

VIII

СОДЕРЖАНИЕ

           © Отец японской физики. Огромные заслуги доктора физических наук Нагаока Хантаро...................97
       3.3. Атомное ядро, открытое Резерфордом....................102
       От атома — в мир протонов, нейтронов, и наконец — кварков..112 >Х

       Глава 4                                                     :•>:
       без квантовой механики атомы сломались бы...........................................и?
                                                                    • •
       4.1. Строение атомов и вращение небесных тел — разные вещи.118
       4.2. Электрон не падает как мячик.....................125
       4.3. Модель атома Нильса Бора..........................131  >Х
       Как Нильс Бор стал «отцом квантовой механики»..........136  >Х
                                                                    • •
       Глава 5 СТАНЕТ ЛИ ПРИВИДЕНИЕМ ТОТ, КТО ПОСМЕЕТ
       ИССЛЕДОВАТЬ СУЩНОСТЬ МАТЕРИИ?..........................141  й:       5.1. Странная идея Луи де Бройля......................142
       5.2. Шрёдингер против Гейзенберга.....................162
       Знания из школьного курса математики, позволяющие понять    Х<
       уравнение Шрёдингера...................................169   Х<
       Знания из школьного курса физики, позволяющие понять        >Х
       уравнение Шрёдингера..................................172
       Специальная лекция. Уравнение Шрёдингера, которое сможет    •••••
       (наверное) немножко понять любой......................176
       5.3. Смысл волны, или «где находится электрон?».......184
       5.4. Невозможно одновременно определить «где находится?» и «как движется?».....................................200
                                                                    • •

       Эпилог КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ                          й>
       И НА «ИНЫЕ МИРЫ»......................................205
           © Суперпростое объяснение теории суперструн........211  Х<
       От копенгагенской интерпретации к многомировой.........214  •••'*
           © Как квантовая механика связана с нашей повседневностью. >Х
             Часть 1. Без туннельного эффекта невозможно изготовить бытовую электронику.............................223
           © Как квантовая механика связана с нашей повседневностью.
             Часть 2. Квантовая связь, квантовые компьютеры, квантовая Х> криптография.... Кругом кванты!..................225 >’•*

СОДЕРЖАНИЕ

IX

® Скрытые герои квантовой механики. Паули, провозгласивший спин электрона........................227

Приложение
ПОПРОБУЕМ САМИ РЕШИТЬ УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА!..............................229
Генеалогия Квантовой теории и Квантовой механики.236

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........240


ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Ученица 2-го класса старшей школы «Кооки». Сильна в спорте, но из-за любви к романтике выбрала театральный кружок. Спортивная девочка, её девиз: «Сделай перед тем, как подумать!»

242

Ученица 2-го класса старшей школы «Кооки». Приехала из Америки в рамках образовательного обмена. Девочка отаку, обожающая японские анимэ и мангу. В основном — смешной персонаж.

Ученица 2-го класса старшей школы «Кооки». Лидер театрального кружка, своей рассудительностью тянет Канну и Глорию в нужном направлении. Правда, иногда говорит глупости.

Старший брат Канны. Студент 3-го курса кафедры физики факультета естественных наук Японского университета. Ростом ниже своей младшей сестры и внешне неказист, но с детства увлекался астрономией и хорошо разбирается в звёздах и планетах.

Преподаёт в Японском университете, где учится Канта. Известный учёный в области астрономии и физики. В студенческие годы занимался в театральном кружке, поэтому любит «сценические эффекты».

X

СОДЕРЖАНИЕ