С позиций сегодняшних знаний о природе можно утверждать, что механистический детерминизм Лапласа не работает в микромере, где процессы взаимодействия частиц по своей природе являются вероятностными. При столкновении двух атомов один из них может возбудиться (перейти в возбужденное состояние), а может и остаться в основном, невозбужденном состоянии. В последнем случае атомы будут сталкиваться как идеально упругие шары, в первом случае как неупругие шары. Результаты столкновения в этих случаях будут сильно различаться, а решить, как будет происходить взаимодействие, до того как оно произойдет, в принципе невозможно.

Вмикромире могут одновременно протекать процессы, которые абсолютно несовместимы в макромире. Например, в опытах по дифракции электронов удавалось одну и туже частицу заставить пролетать одновременно сквозь два разнесенных друг от друга отверстия. Можно говорить лишь о вероятности прохождения данного конкретного электрона через выбранное отверстие. Для таких частиц оказывается неприменимым понятие траектории. Когда описывается квантовая микросистема, предсказывается ее поведение в рамках вероятностного описания, но не дается однозначного ответа, как конкретно она будет себя вести. При этом всегда остаются в силе причинноследственные связи.

2.6.6.Исследования в области электромагнитного поля и начало крушения механистической картины мира

Впредисловии к своему знаменитому труду «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон высказал следующую установку на бу-

дущее: Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить исходя из начал механики самые различные природные явления. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру

вуспех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами.

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира, было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

70

Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что кроме вещества, в природе существует еще и поле.

Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). Введение Фарадеем понятия «электромагнитного» поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894). В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн. Он смог также доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира. К числу противоречий, характерных для естествознания конца XIX века, можно отнести факт несимметрии уравнений Максвелла для электромагнитного поля по отношению к различным системам отсчета. Система уравнений, в справедливости которой никто не сомневался, давала разные решения для случаев, например, когда источник света двигается навстречу наблюдателю, и когда наблюдатель двигается навстречу источнику света, что противоречило принципу относительности Галилея, в справедливости которого также никто не сомневался. Для симметрии уравнений Максвелла было необходимо, чтобы в любой инерциальной системе отсчета скорость света имела одну и ту же величину, что противоречит правилу сложения скоростей Галилея.

Для выхода из создавшегося положения Лоренц чисто математически вывел такие преобразования координат, которые соответствовали бы симметрии уравнений Максвелла. Однако они существенно отличались от преобразований Галилея. Из них, в частности, следовало, что все тела в процессе движения деформируются (укорачиваются) вдоль линии движения. Это придавало симметрию системе уравнений Максвелла, но оставался вопрос о природе подобного укорочения. Попытки объяснить данный феномен с по-

71

мощью «эфирного ветра» потребовали экспериментальных подтверждений самого факта наличия эфира в пространстве Вселенной. Наличие эфира могло бы как-то обосновать постоянство скорости света, так как распространение волн в любой среде происходит с постоянной скоростью.

В 1881 г. Майкельсон провел опыт с использованием изобретенного им интерферометра, который доказал отсутствие эфирного ветра и эфира вооб-

ще. Абсолютное ньютоновское пространство оказалось пустым. В физике назрел кризис непонимания.

С тех пор механистические представления о мире были существенно по-

колеблены. Ведь любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было в конце концов отказаться от признания особой, универсальной роли механики.

2.6.7. Четвертая научная революция. Окончательное крушение механистической картины мира

Еще в конце XIX века большинство ученых склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Говорят, «дьявол кроется в деталях». Одной из них была нестыковка теоретических и экспериментальных результатов при излучении «абсолютно черного тела», которое, будучи нагретым до определенной температуры, способно излучать и поглощать, но не отражать электромагнитные волны. Эксперимент показал, что для каждой температуры существует длина волны, на которой тело излучает максимум энергии. Расчет, сделанный независимо друг от друга англичанами Джоном Рейли (Рэлеем) и Джеймсом Джинсом, основанный на свойствах электромагнитных волн и термодинамике Больцмана, приводил к абсурду: при уменьшении значения длины волны излучаемая энергия должна была стать бесконечно большой. Вся энергия Вселенной должна была давно уйти в ультрафиолетовое излучение, но этого на деле не происходило. Парадокс назвали «ультрафиолетовой катастрофой». Не находил объяснения и фотоэффект (возникновение электротока в разомкнутой цепи при освещении одного ее электрода светом): его парадокс состоял в том, что интенсивный свет с большей длиной волны не приводил к эффекту, а слабый свет, но с меньшей длиной волны, к эффекту, напротив, приводил. Кроме того, профессор Петр Николаевич Лебедев обнаружил и измерил давление световых волн на объект.

Макс Планк (1858-1947) – немецкий физик, предложил в 1900 году решение проблемы излучения черного тела, не укладывавшееся в рамки пози-

72

тивистского здравого смысла. Он предположил, что вещество не может из-

лучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Это означало, что волна имеет свойство частиц, корпускул! Энергия одной такой частицы определяется частотой (длиной) волны, и равна произведению частоты на новую мировую константу, названную постоянной Планка. Е = hv, где v — частота излучения, а h —постоянная Планка (h = 6,62 х 10-34 Дж х сек). Выполнив расчеты, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, совпадающее с экспериментом.

Планк предположил, что энергию электромагнитных колебаний нельзя делить до бесконечности и выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порциями — квантами. Это событие считается концом классического периода естествознания.

Альберт Эйнштейн (1879-1955) применил идею Планка к объяснению фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания электронов из материала электрода, которое приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Поэтому интенсивный свет с большой длиной волны к эффекту не приводит. А световое давление – это бомбардировка частицами, причем его величина зависит от энергии частиц (длины волны) в соответствии с теорией Планка. Другое название электромагнитных квантов – фотоны.

В 1897 году, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу — электрон. В последующих опытах по измерению заряда электрона и получению отношения этого заряда к массе было обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Уяснив, что электроны являются составными частями атомов всех веществ, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом (как бы «плавают») внутри положительно заряженной сферы. Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределенным ее зарядом и отрицательными зарядами электронов. Но модель «атома Томсона» просуществовала сравнительно недолго.

Эта модель описывала все наблюдаемые свойства… за исключением спектров излучения и поглощения. Если атомный газ подвергнуть воздействию, например, пропустить через него электрический разряд, то атомы ис-

73

пускают электромагнитное излучение. Его можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет линейчатый, а не сплошной, спектр, то есть – определенных длин волн (цветов). Если взять, к примеру, водород, в атоме которого имеется только один электрон, то согласно пудинговой модели возможно появление одной и только одной линии излучения. Электрон при колебаниях в окружающей его положительной жидкости, согласно теории Максвелла, мог испускать электромагнитную волну одной частоты. Эксперимент же обнаружил серию линий различных частот, причем даже в инфракрасной и ультрафиолетовой областях.

Англичанин Эрнест Резерфорд (1871-1937) поставил опыт, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (лишь некоторые отражалась назад), что совершенно противоречило капельной - пудинговой модели атома.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Резерфорд резонно предположил, что атом есть динамическая система наподобие солнечной: в центре находится массивное положительно заряженное ядро (от него и отскакивают положительные частицы), а вокруг по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Большая часть атома пуста – сквозь нее-то и летят альфа-частицы.

Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьезный недостаток: она оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения оставалась непонятной необычайная устойчивость атомов. Кроме того, в соответствии с законами электродинамики, частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте собственных колебаний электрона в атоме или числу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту.

Опыт же показывал другое: атомы дают электромагнитное излучение только определенных частот (именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми, т. е. состоящими из вполне определенных линий). Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность очень трудно совмещается с универсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома.

74

Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, разработал в 1913 году квантовую теорию строения атома. Нильс Бор сформулировал новый постулат, провозгласив, что законы микромира отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться (т.е. иметь строго определенную энергию) и не излучать, но не по любой орбите, а лишь по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн. Разным скоростям соответствуют разные радиусы орбит. Если электрон почему-то (например, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (и энергия атома в целом) меняется. Разность энергий излучается или поглощается в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку.

Каждой орбите соответствует своя энергия. Излучить энергию электрон может только в том случае, если ближе к ядру находится свободная допустимая орбита, на которую может перескочить электрон. На орбите с наименьшей возможной энергией электрон может находиться неограниченно долго. Но он может перескочить и на более высокую освободившуюся орбиту, если поглотит квант энергии (фотон). Никогда на одной орбите не могут находиться два электрона с одинаковым набором квантовых чисел (принцип Паули). Расчет и экспериментальные результаты (вспомним линии излучения и поглощения в спектрах) совершенно совпали.

Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излучения и квантовой теории, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда—Бора.

В1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Исследуя это явление, он наблюдал разряд наэлектризованных тел под действием указанного излучения и установил, что активность препаратов урана оставалась неизменной более года. Однако природа нового явления еще не была понята.

Вего исследование включились французские физики, супруги Пьер Кю-

ри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), которые открыли но-

вые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи»

–полоний и радий. Это свойство супруги Кюри назвали радиоактивностью. Явление радиоактивности указало на сложный состав атома, и все его

частицы – протоны, нейтроны и другие, подчинялись неочевидным законам квантовой механики. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превращения химических элементов из одних в другие.

75

Оказалось, что в результате радиоактивного распада некоторые элементы

самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенса-

цией.

Впрочем, наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

В1905 г. им была создана так называемая специальная теория относительности. В целом теория А. Эйнштейна основывалась на том, что — в отличие от механики И. Ньютона — пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понят-

ной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Хотя имя А. Эйнштейна по сей день в массовом сознании связывается с теорией относительности, эта теория была далеко не единственным его научным достижением. Опираясь на представление Планка о квантах, Эйнштейн еще в 1905 году сумел обосновать природу фотоэффекта. Каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Казалось, что корпускулярная теория материи торжествует. Фотон, например, явно имеет корпускулярные свойства (русский физик П.Н. Лебедев даже доказал в 1899 году существование светового давления). Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон — это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучается и поглощается — как частица.

В1924 году французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате от-

76

крытия (наблюдения) дифракции электронов. Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, проходящему мимо малых отверстий или узких щелей. Другими словами, распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок света с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории — квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего — это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее — диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть определено с помощью системы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует, например, установленное видным немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976) соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одно из фундаментальных положений квантовой механики. С точки зрения классической механики и просто «здравого смысла» принцип неопределенности представляется абсурдным.

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.

77