Евгений Юрьев – Физика для чайников (страница 1)
Евгений Юрьев
Физика для чайников
Введение: поздравляю, вы живете в сказке и ничего не понимаете
Посмотрите на свои руки. Прямо сейчас, не отрываясь от чтения. Видите? Это, по мнению вашего же мозга, самое знакомое и понятное, что у вас есть. Но если вы верите, что твердо знаете, из чего сделана ваша ладонь и почему она не проходит сквозь стол, – вы глубоко заблуждаетесь. Вы вообще ничего не знаете о том, что держите в руках, на чем сидите и через что смотрите мемы. Вы – волшебник, который колдует, не подозревая о существовании магии.
Вас обманывают. Каждую секунду.
Ваши глаза врут вам о цвете, уши – о тишине, а кожа – о реальности прикосновений. Все, что вы считаете обыденным, – это квантовый цирк, электромагнитный фарс и гравитационная комедия ошибок. Вы живете в самой фантастической вселенной, какую только можно вообразить, но продолжаете тупить в экран смартфона, думая, что это просто «телефон». А между тем в вашем кармане лежит объект, который нарушает законы классической физики так часто, что даже сами законы сдались и пошли курить в сторонку.
Вот главная новость, которая взорвет ваш шаблон: магия не закончилась в средневековье. Она просто сменила вывеску на «научно-технический прогресс», потому что людям лень учиться. Мы называем «чудом» то, что не можем объяснить, и «бытом» то, что объяснять поленились. Лазерная резка, GPS-навигация, светодиодная лампочка на кухне – это не просто удобные штуки. Это чистые чудеса, за которые в прошлом веке вас бы сожгли на площади. Но вы, вместо того чтобы благоговеть перед силами природы, злитесь, когда микроволновка греет суп целых две минуты.
Краткий разнос реальности: магия – это физика, которую мы ленимся выучить.
Физика – это не скучные формулы на доске, которыми вас мучили в школе. Физика – это свод правил Вселенной. Это описание того, как из ничего возникает что-то, как время течет с разной скоростью у ваших ног и головы, и как электроны нагло проходят сквозь стены, чтобы вы могли поставить лайк под очередным видео с котиком. Вам кажется, что это преувеличение? А вот и нет. Без квантового туннелирования (процесса, где частица проходит сквозь барьер, как призрак сквозь стену) ваш процессор был бы бесполезным куском песка. Вы читаете этот текст только потому, что природа позволяет нарушать свои же запреты. Как вам такой уровень хаоса?
Цель этой книги – не научить вас физике. Цель – заставить вас почувствовать себя тем самым героем, который только что понял, что живет в Матрице. Только вместо зеленых цифр у нас – реальные законы мироздания, которые работают прямо сейчас.
Пока вы читали это предложение, через ваш череп пролетело несколько миллиардов нейтрино (частиц, рождающихся в недрах звезд). Вы даже не чихнули.
Ваше отражение в зеркале, которое вы видели сегодня утром, – это ложь. Вы смотрели на свое прошлое. Настоящего себя вы не видели ни разу в жизни.
Стул, на котором вы сидите, на 99.99% состоит из пустоты. Вы парите над ним в наноскопическом зазоре, удерживаемые только яростью электрических полей.
Если после этого вступления у вас не возникло желание отложить книгу и тихо охнуть, значит, вы либо гений, либо безнадежны. Для гениев дальше будет скучновато, а для безнадежных – это последний шанс узнать, в каком удивительном мире они живут.
Добро пожаловать в реальность. Она гораздо страннее, чем любая сказка, которую вам рассказывали в детстве. И да, она не требует вашей веры. Она просто работает. Даже когда вы спите. Даже когда вы думаете, что ничего не происходит.
В этой книге не будет заумных формул. Не будет нравоучений. Будет только грубый, честный разговор о том, как приручить хаос, который вас окружает, и перестать быть гостем в этом мире, где чайник – это термодинамический шедевр, а смартфон – самый мощный артефакт в истории человечества. Пристегните ремни. Ваша привычная картина мира сейчас пойдет в разнос.
Глава 1. Твой смартфон – это прирученный хаос
Транзисторы и квантовое туннелирование: как электроны проходят сквозь стены, чтобы ты мог поставить лайк
Возьмите свой телефон. Неважно, новая ли это модель или та, у которой уже треснул угол экрана. Положите его на ладонь. Почувствуйте вес. Внутри этого гладкого куска стекла и металла прямо сейчас творится такое безумие, что у создателя «Матрицы» случился бы когнитивный диссонанс. Внутри вашего смартфона миллиарды электронов каждую секунду делают то, что по всем законам классической физики делать не имеют права. Они проходят сквозь стены.
Звучит как бред наркомана? Это называется квантовое туннелирование, и без него у вас в кармане был бы не компьютер, а бесполезный кирпич. Чтобы понять масштаб подлости, представьте, что вы пытаетесь пройти сквозь бетонную стену своей квартиры. Классическая физика говорит: «Невозможно, иди в дверь». Квантовая физика, почесывая затылок, отвечает: «А почему бы и нет? Если ты достаточно мал и нахален, то есть крошечный шанс, что ты просто окажешься с другой стороны, минуя преграду».
Транзисторы в современных процессорах стали настолько крошечными, что их размеры исчисляются единицами нанометров. Для сравнения: один нанометр – это одна миллиардная метра. Когда физические барьеры становятся толщиной в несколько атомов, электроны теряют всякое уважение к правилам. Они просто проходят сквозь эти барьеры, как призраки сквозь стену.
Если бы не гении вроде Эрвина Шрёдингера, который описал это уравнение, инженеры бы не научились не бороться с эффектом, а использовать его. Раньше туннелирование было проблемой: транзистор не мог закрыться, ток утекал, процессор перегревался. Сегодня это стало основой работы. Контролируемый хаос. Человечество построило цивилизацию на том, что научилось говорить частицам: «Ты проходишь, ты нет, а ты проходишь, но только чуть-чуть».
Почему процессор не взрывается: физика на грани безумия в куске кремния
Теперь о том, почему эта крошечная песчинка кремния не превращает ваш карман в небольшой вулкан. Кремний – это не просто песок. Это самый подлый элемент в таблице Менделеева. Он является полупроводником: вроде и не металл, но и не изолятор. При определенных условиях он проводит ток, при других – нет. Инженеры научились вытравливать в куске кремния целые города с населением в миллиарды транзисторов. Например, современные мощные процессоры содержат более пятнадцати миллиардов транзисторов. Пятнадцать миллиардов переключателей на площади с ноготь.
Как же это чудо не плавит вам руку? Ответ кроется в том, что, несмотря на всю квантовую свистопляску, инженеры подчинили хаос законам термодинамики. Они создали архитектуру, где 99.9% транзисторов в любой момент времени выключены. Энергия тратится только на переключение состояний «включено-выключено», а не на бесконечный нагрев. Это как если бы у вас был мегаполис, где свет зажигается ровно на миллиардную долю секунды, когда кто-то проходит мимо датчика, и тут же гаснет.
Но самое безумное здесь даже не это. Самое безумное – это точность. Представьте, что вы строите город с домами, размер которых в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, и вам нужно провести в каждый дом электричество так, чтобы оно не перескочило к соседу. А теперь представьте, что провода настолько тонкие, что электроны начинают вести себя не как шарики, а как волны, которые размазаны по пространству. Вы не знаете точно, где находится электрон в данный момент, но вы строите схемы, которые работают с этой вероятностью. Это как собирать мебель из конструктора, где детали существуют в трех местах одновременно, пока вы на них не посмотрите.
Эксперимент
Положите телефон на стол и попробуйте нажать на экран, не касаясь его, с расстояния в полсантиметра. Не получается? А транзисторы внутри делают это миллиарды раз в секунду. Но есть эксперимент проще: зайдите в настройки телефона и найдите пункт «о телефоне». Посмотрите на частоту процессора. Это гигагерцы. Один гигагерц – это миллиард тактов в секунду. Пока вы моргаете, что занимает около 0.3 секунды, ваш процессор успевает выполнить триста миллионов операций. Если бы он выполнял их не в кремнии, а в вашем мозгу, вы бы сгорели как спичка. Но вам просто скучно, потому что приложение долго грузится.
Связь с бытом, которая взорвет ваш шаблон
Когда вы заряжаете телефон и он греется, вы ругаете производителя за плохое охлаждение. А на самом деле вы становитесь свидетелем борьбы квантовой механики с нашим миром. Тепло – это неизбежная плата за то, что мы заставили кремний думать. Электроны, проходя сквозь барьеры, теряют энергию, которая превращается в тепло. Вы ругаете горячий корпус, а в этот момент внутри происходит настоящая магия: миллиарды частиц нарушают законы физики, чтобы показать вам очередное видео.
Кремний в вашем кармане – это самый сложный объект, который человечество когда-либо создавало. Он умнее вас в миллион раз не потому, что он хороший, а потому, что вы ленитесь понять, как он работает. Вы пользуетесь плодами квантовой революции, чтобы писать в сообщениях короткие фразы. Это все равно что купить мощный спортивный автомобиль и ездить на нем до магазина за хлебом на первой передаче. Но хуже всего даже не это. Хуже всего то, что вы считаете это обычным делом.