Четвертая научная революция. Проникновение в глубь материи. Теория относительности и квантовая механика. 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. Но в первые десятиле­тия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных откры­тий, сделанных в течение чрезвычайно короткого истори­ческого периода, охватывающего последние годы XIX сто­летия и первые десятилетия XX века.

В 1896 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.

В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогич­ным урану? В 1898 году были открыты новые элементы, такжеобладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», — полоний и радий. Это свойство супруги Кюри

назвали радиоактивностью. Их напряженный труд принес щедрые плоды: с 1898 г. одна за другой стали появлять­ся статьи о получении новых радиоактивных веществ.

А годом раньше, в 1897 году, в лаборатории Кавенди-ша в Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) 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.

В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил свою модель атома, ко­торая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома «предшествовали эксперименты, про­водимые Э. Резерфордом и его учениками, ставшими впос­ледствии знаменитыми физиками, Гансом Гейгером (1882-1945) и Эрнстом Марсденом (1889-1970). В результате этих экспериментов, показавших неприемлемость модели атома Дж. Томсона, было обнаружено, что в атомах суще­ствуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами ато­мов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Исходя из этих новых представлений, Резерфорд и выдвинул свое понимание строения атома, которое он об­народовал 7 марта 1911 года на заседании Манчестерского философского общества. По его мнению, атом подобен Сол­нечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него²⁴.

Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьез­ный недостаток: она оказалась несовместимой с электро­динамикой Максвелла. Согласно законам электродинами-

ки, 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 (что то же) 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.

Разрешение этих противоречий выпало на долю изве­стного датского физика Нильса Бора (1885-1962), предло­жившего свое представление об атоме. Последнее основы­валось на квантовой теории, начало которой было положе­но на рубеже XX века немецким физиком Максом. План­ком (1858-1947). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излуче­ния может происходить только дискретно, конечными пор­циями — квантами.

Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в каче­стве исходной, разработал в 1913 году квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постула­ты: в любом атоме существуют дискретные (стационар­ные) состояния, находясь в которых атом энергию не из­лучает; при переходе атома из одного стационарного состо­яния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.

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.

Следует отметить, что научные заслуги Резерфорда не ограничиваются исследованиями, приведшими к упомяну­той планетарной модели атома. Совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956) он провел серь­езное изучение радиоактивности. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превраще­ния химических элементов из одних в другие.

Как тут не вспомнить крушение стремлений и надежд многих поколений алхимиков получать одни химические элементы (чаще всего — золото) из других в связи с откры­тием во второй половине XVIII века Лавуазье закона неиз­менности химических элементов. И вдруг, в начале XX века, оказалось, что в результате радиоактивного распада неко­торые элементы самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенсацией.

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).

В 1905 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 понятной 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»²⁵.

Более подробно о теории относительности сказано в разделе, посвященном пространственно-временным пред­ставлениям. Мы здесь лишь отметим, что эта теория полу­чила признание далеко не сразу. Специальная теория от­носительности была быстро принята лишь узким кругом известных физиков-теоретиков. Но в 20-х годах, после появления общей теории относительности, этот круг суще­ственно расширился. Эйнштейн получил полную поддерж­ку многих выдающихся ученых, работавших в других об-

ластях физики, но обладавших широкой культурой физи­ческого мышления.

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.

В 1924 году произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате открытия (наблюдения) дифракции электронов в эксперименте, по­ставленном в 1927 году американскими физиками Клин­тоном Дэвиссоном (1881-1958) и Лестером Джермером (1896-1971). 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. Нам трудно представить себе, как все это может быть «на самом деле».

Все вышеизложенные революционные открытия в фи­зике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов класси­ческой механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменнос­ти химических элементов и т. д. 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.