настоящее имя Просветителя попало бы впоследствии на первые страницы
учебников по истории физики как имя выдающегося проповедника ранних
атомистических гипотез Но разве этого он добивался! Однако для нас итоги
мысленного эксперимента вполне удовлетворительны, а истолковать их можно
следующим образом
Никакого предоткрытия двадцатипятивековой давности, разумеется, не
было. Атомистические гипотезы тех времен не были, и что еще важнее, не могли
быть включены в существовавшую тогда систему естественнонаучного знания.
Выражаясь словами современных науковедов, научно-технический потенциал
античного мира не
позволял совершить такое включение. Поэтому ни Левкипп, ни Демокрит, ни
другие античные атомисты не предсказывали и не могли предсказать
существования тех атомов и элементарных частиц, которые были открыты в
процессе развития науки; в противном случае мы вынуждены были бы приписать
им собственные мысли, нарушить правила пользования "призмой времен". И
все-таки факт остается фактом - атомы присутствовали в картине мира древних
греков. В чем же здесь дело, нет ли противоречия? Чтобы ответить на этот
вопрос, следует обратить внимание вот на какое обстоятельство.
В античной науке была чрезвычайно ярко выражена своеобразная тенденция
синтезировать знания, предельно широко охватывать мир единой совокупностью
представлений. Конечно, во многих случаях не хватало конкретных данных, не
были еще установлены те тысячи и тысячи частных закономерностей, которые по
современным представлениям лежат в фундаменте научной картины мира. И все
же, несмотря на это, всякий мало-мальски уважающий себя ученый тех времен,
можно
сказать, стеснялся не ответить на какой-либо вопрос о природе явлений.
Научные традиции заставляли мыслителей античности выстраивать грандиозные
умозрительные модели мироздания, объясняя все и вся единым и
непротиворечивым образом. Ясно, что в такой ситуации нехватка конкретных
знаний по тем или иным вопросам должна была заменяться изрядным количеством
правдоподобных домыслов. Очень часто красота и общность умозрительных
построений играли в дискуссиях гораздо большую роль, нежели скрупулезное
сопоставление с опытными данными. Наука, как знание, пропущенное сквозь
строжайшие экспериментальные фильтры, наука в ее современном понимании была
еще впереди.
Естественнонаучные знания древних времен, не только добытые опытным
путем, но и домысленные, входили в состав прародительницы всех современных
наук - философии. Именно философия и пыталась воссоздать единую картину
мира; и в этой картине нередко причудливым (для нас!) образом переплетались
собственно научные данные, элементы искусства, логические упражнения и
практические рецепты. Однако создание пусть не полностью достоверной, но
единой копилки разнообразного опыта было совершенно необходимым делом -
делом, которое стало одним из важнейших буквально с первых мгновений
существования рода человеческого.
Человек, в биологическом отношении такое же примерно существо, как и мы
с вами, появился около миллиона лет назад. Появился и стал создавать общее
представление об окружающем мире, о своих собратьях, о себе самом. Любое
явление, имело оно правильное объяснение или нет, должно было войти в
"научную картину" нашего далекого пращура. Ему было ничуть не легче от того,
что, скажем, голодный тигр сидит в засаде, повинуясь рефлекторно
закрепленному инстинкту охоты, а боевой клич громадной обезьяны связан с
зачатками второй сигнальной системы... И, не дожидаясь строгих научных
заключений, в картину мира первочеловека входило представление о
таинственной, всюду подстерегающей его злой силе - безусловно, наивное, но
неоценимо полезное представление, заставляющее "держать ухо востро". Ведь за
каждую неверно истолкованную частность приходилось, как правило, платить
самой дорогой ценой - жизнью.
Таковы, в общих чертах, глубокие корни нашей тяги к намного опережающим
время сверхобобщениям. Атомы древних греков - один из замечательных примеров
на эту тему Они являются своеобразными логическими конструкциями, с помощью
которых античные философы достраивали свою картину мира, в частности,
докомплектовывали свои представления о структуре вещества.
МАРШРУТ © 2. КВАНТОВАННЫЙ МИР
Обозначим сразу же цель нашего второго путешествия. В начале 20-х годов
французский физик Луи де Бройль сделал удивительное предсказание - любые
объекты должны вести себя подобно волне, причем чем меньше масса объекта,
тем легче проявляются его волновые свойства. Отсюда, в частности, следовало,
что уже доступными к тому времени средствами экспериментаторы могут
зарегистрировать волновую картину рассеяния электронов, самых легких среди
всех частиц, обладающих массой.
Итак, менее чем через три десятилетия после, казалось бы, четкого
доказательства корпускулярной природы элементарных электрических зарядов
появилась идея о том, что электроны должны вести себя как типичные волны,
наподобие электромагнитных. Более того, гипотеза Л. де Бройля оказалась
самым настоящим предоткрытием - она сыграла исключительно важную роль в
развитии теории и через несколько лет получила блестящее экспериментальное
подтверждение.
Как представляли себе физики элементарную частицу, например, электрон,
в начале нашего века? Считалось, что это шарик из какого-то необычного
насыщенного электричеством вещества, имеющий размер порядка 10-13
сантиметра. Конечно, экспериментаторы того времени не имели возможности
видеть столь малые расстояния непосредственно, однако указанное значение
размера могло быть вычислено на основе классической электродинамики, и его
назвали "классическим радиусом" электрона. Попытки исследовать поведение
вещества в областях пространства с меньшими размерами наталкивались на
непреодолимые трудности. Поэтому уже тогда многие физики считали
"классический радиус" своеобразным барьером, за которым должны вступить в
игру совершенно новые законы природы.
Такая наглядная (отвлекаясь, разумеется, от невообразимо малых
масштабов!) модель электрона представлялась неудовлетворительной опять-таки
по весьма наглядным причинам Неприятности начинались уже в тот момент, когда
кто-нибудь пытался продвинуться хотя бы на шаг дальше и ответить на вопрос:
"Каковы же свойства вещества, из которого состоит элементарный электрический
заряд?"
Предположим, например, что электрон представляет собой упругий шарик,
способный сжиматься или расширяться,- вообще, деформироваться под действием
внешних сил, нечто вроде теннисного мячика, уменьшенного в тысячи миллиардов
раз! Но в таком случае весь опыт развития физики подсказывает, что само
"электронное вещество" должно обладать какой-то внутренней структурой
Действительно, откуда берутся замечательные упругие свойства того же самого
теннисного мячика? В тот момент, когда он ударяется, например, о землю,
молекулы образующего его вещества испытывают некоторую деформацию, но
стремятся немедленно возвратиться к исходному состоянию, и мяч резко
отскакивает. Иными словами, упругость связана с определенной молекулярной
структурой - взаимным расположением молекул и величиной силы, связывающей
эти микрообъекты между собой. Если великий И. Ньютон мог исследовать законы
соударения упругих бильярдных шаров, не углубляясь в проблему их
атомно-молекулярного строения, и выводить отсюда важные законы механики, то
в начале нашего века такая точка зрения уже не могла удовлетворить
исследователей Тем более, если речь шла об электроне! Его упругие свойства,
несомненно, требовали объяснения, то есть в конечном счете нужны были
дополнительные предположения о его внутренней структуре. Таким образом,
представление об упругом электроне-шарике неизбежно вело к идеям о
существовании каких-то более мелких частиц, из которых построено
"электронное вещество". Но ведь и те, более мелкие частицы будут построены
из еще более мелких частиц и т д. и т. п. И нет ничего скучнее такой
бесконечной повторяемости одного и того же приема постижения реальности!
А что, если одним махом покончить с этой повторяемостью уже на уровне
электрона? Что, если объявить его истинно элементарной частицей, тем самым
"атомом" в буквальном смысле слова, как его понимали древние греки?
Посмотрим, какие проблемы возникнут в этом случае.
С точки зрения физики можно вообразить идеальный "неделимый" объект, не
подверженный никаким деформациям. Он известен под названием "абсолютно
твердого тела". Такое представление довольно полезно в механике, где
изучается движение больших тел, но, разумеется, это типичное упрощение,
пригодное для определенного, ограниченного круга задач. В реальное
существование тел, которые никаким воздействием нельзя ни растянуть, ни
сжать, ни расщепить на части, трудно поверить, - попросту говоря, науке
неизвестны такие примеры. Но отсутствие примера - еще не достаточный
аргумент против "абсолютно твердого" электрона. А вдруг именно электрон и
представляет собой первый случай диковинного объекта?
Однако и в таком варианте мы сталкиваемся с серьезными затруднениями. В
физике хорошо известен такой закон: чем тверже тело, тем быстрее в нем
распространяется звук. В воде - намного быстрей, чем в воздухе, в металле -
намного быстрей, чем в воде и так далее... В конце концов, получается так,
что в "абсолютно твердом теле" звук должен распространяться с бесконечной
скоростью. Таким образом, звуковой сигнал проходил бы сквозь "абсолютно
твердый" электрон-шарик мгновенно. Этот воображаемый факт не нарушает
никаких правил обычной механики от Ньютона, но находится в непримиримом
противоречии с электродинамикой, основанной на уравнениях Максвелла.
Последняя, казалось бы, довольно абстрактная проблема послужила
отправной точкой для второй уже упомянутой статьи А. Эйнштейна в 1905 году.
А. Эйнштейн предположил, что никакое движение или взаимодействие - вообще,
несущий информацию сигнал - не могут распространяться быстрее света в
пустоте. Это ограничение потребовало серьезного пересмотра основ механики, а
впоследствии и физики в целом. Предположение А. Эйнштейна стало одним из
краеугольных камней так называемой специальной теории относительности -
одного из красивейших достижений научной мысли XX века. Механика частиц,
построенная на основе теории относительности, стала называться
релятивистской. Важнейшим ее достоинством как раз и оказалось хорошее
согласование с электродинамикой.
Не останавливаясь на обосновании теории относительности, мы будем
использовать два важных факта, следующих из нее. С первым мы уже знакомы -
это ограничение на скорость распространения любых сигналов: она не может
превышать скорость распространения света в пустоте. Второй факт состоит в
том, что масса тела, движущегося по законам теории относительности, должна
возрастать по мере того, как скорость движения тела приближается к
предельной, то есть к скорости света. Поэтому частица, обладающая массой,
практически никогда не может достичь предельной скорости, в этом случае она
обладала бы бесконечно большой массой.
Итак, гипотеза "абсолютно твердого" электрона вступила в конфликт с
релятивистской механикой. Сквозь шарик размером порядка 10-13 сантиметра ни
один сигнал не может проходить быстрее, чем за время порядка 10-23 секунды.
Это чрезвычайно малый промежуток времени, но он не равен нулю! Поэтому мы не
имеем права говорить об "абсолютной твердости" электронного вещества - оно
поневоле должно обладать некоторой упругостью. Но, как мы помним, с упругим
электроном-шариком тоже возникают немалые проблемы - необходимо объяснить
природу упругого материала, из которого сделан электрон...
До сих пор мы обсуждали причины неудовлетворительности классической
теории электрона с позиций классических же представлений. Старая концепция
оказалась внутренне противоречивой, и появление теории относительности лишь
подчеркнуло ее трудности. Многие физики того времени все еще питали надежды
на светлое будущее модели электрона-шарика, полагая, что новые гипотезы о
природе образующего микрочастицу вещества помогут спасти положение. Между
тем эта модель уже завершала свой "круг почета", чтобы навсегда покинуть
арену главных научных событий и занять достойное место в архиве
замечательных физических теорий. А на смену ей выходили новые представления
и законы квантовой физики...
В 1913 году датский физик Н. Бор предложил новую теорию атома. В ней на
долю электрона выпала тяжкая судьба главного ниспровергателя обычных понятий
о движении.
Н. Бор исходил из резерфордовских представлений о структуре атомов. Как
вы помните, Э. Резерфорд пришел к заключению о планетарном строении атома -
вокруг центрального ядра должны каким-то образом вращаться электроны.
Каким-то? Вот именно, каким? На этот вопрос и попытался ответить молодой
датский физик.
Дело в том, что аналогия между планетной системой и атомом хороша лишь
до определенного предела. Электроны, как известно, несут электрические
заряды и, двигаясь вокруг сильно заряженного ядра по круговым или почти
круговым орбитам, неизбежно имеют некоторое ускорение (ускорение равно нулю
только в случае прямолинейного и равномерного движения!). А ускоряемый заряд
имеет "неприятное" свойство - он обязательно излучает электромагнитные
волны. Поскольку волны обязательно уносят какую-то энергию, электрон ее
должен терять - ведь полная энергия обязательно сохраняется! Но рано или
поздно электрон потеряет всю свою энергию, как говорится, высветится, и
непременно упадет на ядро. Самое любопытное состоит в том, что произойти это
должно чрезвычайно быстро - всеобщая катастрофическая вспышка, и никаких
атомов! Необычайно унылая картина предстала бы перед нашим взором: нет
привычного нам вещества, не говоря уж о живых существах, а следовательно, и
наблюдать эту противную ситуацию вроде бы некому. Но ведь и обычное вещество
и, наконец, мы с вами существуем. Где же противоречие?
Чтобы все-таки согласовать резерфордовскую структуру атомов с
бесспорным фактом существования столь милой нашему сердцу
атомно-молекулярной вселенной, Н. Бор пошел на героический шаг - он просто
запретил электронам непрерывно излучать электромагнитные волны. Он
предположил, что электроны должны находиться на некоторых строго
определенных орбитах и, двигаясь по этим орбитам, никогда не теряют энергию.
Излучение же происходит тогда и только тогда, когда электрону "вздумается"
перескочить с одной орбиты на другую.
Но каждая строго определенная орбита соответствует и строго
определенному значению энергии электрона. Поэтому при перескоке с одной
орбиты на другую электрон может излучить или поглотить тоже строго
определенную порцию энергии. Эта порция, очевидно, равна разности между
начальным и конечным значениями энергии, которые электрон должен иметь на
соответствующих орбитах.
Таким образом, электрон поглощает или теряет энергию только порциями,
или квантами. Но ведь, скажем, потери происходят из-за излучения
электромагнитного поля! Значит, все будет вполне "увязано", если
предположить, что и само электромагнитное излучение происходит только
определенными порциями, то есть принять уже знакомую нам эйнштейновскую
гипотезу об излучении как потоке порций света, световых квантов-фотонов
Именно так и поступил Н. Бор.
Далее, он использовал эйнштейновскую связь между энергией фотона и
частотой и пришел к выводу, что частоты фотонов, которые способен излучать
атом, имеют также строго определенные значения. Этот результат превосходно
соответствовал многолетним наблюдениям экспериментаторов, изучавших спектры
излучения и поглощения различных атомов, и указывал на удивительную
закономерность появления полос, соответствующих некоторым строго
определенным значениям частоты.
Однако успех боровской модели в объяснении экспериментальных данных был
куплен дорогой ценой. Но такова уж, вероятно, судьба всех великих идей - они
редко появляются только для того, чтобы просто заделать мелкие огрехи на
поле существующей теории. Гораздо чаще старая теория вообще остается без
пышных одежд и живет лишь до тех пор, пока кто-нибудь не шепнет знаменитые
слова: "А король-то голый".
Запрещая непрерывное излучение, Н. Бор фактически запретил и
непрерывное движение электрона. И именно поэтому его идеи вызвали целый
шквал дискуссий. Еще бы! Ведь гениальный датчанин поставил под удар "святая
святых" классической физики - представление о непрерывном движении. Вместо
ясных траекторий в пространстве появились какие-то скачки между различными
орбитами, кое-кто уже и непрочь был пофантазировать: а вдруг электрон вообще
выскакивает из обычного пространства и времени...
Теория Н. Бора бросала смелый вызов всей физической теории в целом. На
стороне квантовой модели атома были только экспериментальные данные, которые
она объясняла, да, пожалуй, единственная теоретическая модель световых
квантов. Сам же А. Эйнштейн, заслуживший к тому времени славу главного
"крушителя основ", оказался в числе наиболее активных оппонентов Н. Бора. Не
столь уже редкий случай, когда концепция и ее творец становятся по разные
стороны баррикад...
В конечном счете, дискуссии показали, что теория Н. Бора стоит вне
конкуренции в описании атомных экспериментов, но практически ни один из
крупнейших теоретиков не был удовлетворен обоснованием квантовой картины.
Первый фундамент под квантовую модель атома как раз и был подведен в
работах тридцатилетнего Л. де Бройля, выполненных в 1923 году и включенных в
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг