Представьте себе следующую ситуацию. Выхожу я ночью в поле… с футбольным мячом. Небо затянуто тучами, звезд нет, луны нет, в общем не видно ни зги. Я знаю, что где-то в поле стоит дерево, пусть для преданности это будет сосна. Даже не так, я не уверен, что она там есть (темно ведь), а только предполагаю. Более того, потрогать руками ее нельзя, а из всех «инструментов» научного познания – вышеозначенный футбольный мяч. Что и как я могу узнать об этой сосне?
Начнем с того, что один я в поле не воин – нужно звать друзей, да причем таких, что на все готовы, даже ночью по полю шляться. Ну что ж, я расставляю друзей, как можно плотнее друг к другу, вокруг того места, где, мне кажется, может скрываться сосна. Теперь мои друзья – это система наблюдения или детектор.
Затем я начинаю “пулять” мяч в ту пустоту, где, опять-таки, я надеюсь, стоит сосна (не забываем, что темно, я и мяч то едва не теряю). И наконец я анализирую реакцию моих друзей (а они у меня говорливые): кому мяч в голову отскочит, кому в колено, а до кого вообще не достанет. Если времени у нас много, я пуляю точно, да еще и спонсоры новые мячи регулярно подвозят, мне удастся установить следующее: в темноте есть область пространства, сквозь которое мяч не пролетает, наверное, это и есть дерево! Если бить точно в него – мяч отскакивает обратно, а если чуть сбоку – отлетает по касательной. Все!
Но на этом уже можно строить физическую модель дерева. Правда, модель получиться достаточно грубой, и сосна по началу будет мало чем отличаться от фонарного столба. Для уточнения модели нужно модифицировать эксперимент, например, заменить футбольные мячи на теннисные – может они “почувствуют” неровности коры и ветки. Тогда мы внесем поправки и уточним модель.
Но и футбольный, и теннисный мяч слишком крупные и тяжелые, они дадут какой-то результат с твердыми деревьями, а что если мне нужно изучить более нежные объекты? Например, подсолнух (а что, вот мне надо, почему нет?). Футбольный мяч такой объект просто не «почувствует». Для подсолнуха больше подойдут шарики для пинг-понга, а друзей нужно поставить поближе, что б они лучше улавливали слабые отскоки.
Я описал наш основной подход к изучению микромира. Мы предполагаем, что там, глубоко внутри что-то есть. Мы устанавливаем детекторы, выбираем шарики (фотоны, электроны, нейтроны, протоны), обстреливаем ими вещество и анализируем “отклик”. Чем меньше объект, тем сложнее выбрать подходящий инструмент. Наш собственный глаз – это уже детектор – он улавливает фотоны, но видимые фотоны (если рассматривать их как шарики) примерно в 10 000 раз больше атомов. Поэтому для изучения атомов они не подходят. Это все равно, что “изучать” сосну мячом километрового размера. Своим глазом мы атомы никак не увидим.
А вот электроны – вполне подходят. Именно они используются в просвечивающих электронных микроскопах, что позволяют нам подтвердить, визуализировать и изучить атомное строение вещества.
Папа физик – проще о сложном.