Леонид Пономарев - По ту сторону кванта

• Название: По ту сторону кванта
• Автор: Леонид Пономарев
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1971

Бытует упорное мнение, что в науке есть факты, которые начинающим с нею знакомиться знать рано, а сообщать искушенным в ней — стыдно. Чаще всего об этом вспоминают, когда пытаются объяснить строение атома. Быть может, поэтому до сих пор не написана книга о квантовой механике достаточно строгая, чтобы не обидеть знатока, достаточно простая, чтобы не отпугнуть новичка, и вместе с тем интересная им обоим.

Эта книга не для знатоков, хотя и они найдут здесь несколько неожиданных фактов. Она для тех, кто заканчивает школу, и для тех, кто пытается посмотреть на мир немного шире, чем позволяет им их специальность — необходимо узкая, чтобы быть продуктивной.

В предлагаемой книге история атома рассказана вполне строго. Но строгость в ней не самоцель: как правило, нам интересны не только сами факты, но и их толкование и обстоятельства, при которых они открыты. Поэтому главное в книге — эволюция идей и понятий атомной физики, образующих единую систему — простую и гармоничную. Именно эта внутренняя красота была побудительной причиной появления книги. Я буду считать свою работу не напрасной, если прочитавший ее почувствует силу логических построений квантовой механики и красоту их неожиданно простых следствий.

---

Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определенной длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, если нет глубоких идей, мыслили аналогиями. Все хорошо помнили, что частота колебаний пружины с грузиком зависит от ее упругости, следовательно, рассуждала часть физиков, и в атоме электроны связаны «какими-то» пружинами различной упругости. Когда мы возбуждаем атом, электроны начинают колебаться и при этом излучают свет с частотой колебания пружинок. Отсюда, по мысли Локьера, сразу следовало, что число электронов в атоме равно числу линий в спектре элемента. Кроме того, атом с подобным устройством будет наиболее охотно поглощать именно те лучи, которые он сам испускает. Но ведь именно это и обнаружили Кирхгоф и Бунзен в своем знаменитом опыте с парами натрия!

Несмотря на успехи модели атома с упругосвязанным электроном, многие понимали ее логическое, или, точнее, эстетическое, несовершенство. А вскоре обнаружили и прямые противоречия с опытом. Дж. Дж. Томсон, изучая рассеяние рентгеновых лучей на атомах различных элементов, пришел к выводу, что число электронов в атоме сравнительно невелико и примерно равно половине атомного веса элемента. В 1904 году он предложил свою модель атома, развив гипотезу однофамильца Уильяма Томсона (лорда Кельвина): внутри положительного равномерно заряженного атома-шара диаметром 10-8 см плавают отрицательные электроны, квазиупруго с ним связанные. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным, как это и должно быть.

В начале нашего века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие из них предлагали другие модели. Но, несмотря на частные разногласия, все чувствовали: в науке об атоме наступает новая эпоха.

ВОКРУГ КВАНТА

УИЛЬЯМ КРУКС (1832–1919)

Родился У. Крукс в семье торговца на Риджен-стрит в Лондоне. Был он старшим из 16 детей от второго брака, и было еще 5 детей от первого. Как он сам говорил, в его семье вряд ли знали слово «наука», и первоначальное образование он получил у дяди, книжная лавка которого находилась рядом с магазином отца.

В 19 лет он оканчивает только что открытый Королевский химический колледж и работает ассистентом в том же колледже. Одновременно он посещает в Королевском институте лекции Фарадея, которые произвели на него незабываемое впечатление.

В 1861 году он открыл элемент таллий, а в 1869 году его избрали членом Королевского общества, где 30 ноября 1878 года он докладывал его членам о свойствах катодных лучей.

Ходит упорный слух, что он был близок к открытию рентгеновых лучей. Дело в том, что во время экспериментов с катодными лучами он постоянно обвинял компанию Ильфорда в том, что она поставляет ему засвеченные фотопластинки. (Как мы теперь понимаем, рентгеновы лучи, возникающие при столкновении электронов со стенками трубки, вполне могли засветить фотопластинки даже в закрытой коробке.) Слух не подтвержден, во всяком случае сам Крукс об этом нигде не упоминал публично.

Крукс был удивительно богатой натурой: изобретатель, издатель журнала «Химические новости» и чистый исследователь в одно и то же время. Человек он был приветливый, уравновешенный, преданный своей семье и осмотрительный с людьми посторонними.

«Это был исключительно независимый, оригинальный и мужественный ум, он смотрел на явления по-своему и не боялся высказывать мнения, в корне отличные от утверждений всех прежних ортодоксов», — говорил о нем впоследствии Дж. Дж. Томсон.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Вместе с учеными XIX века мы стремимся сейчас проникнуть в глубь атома. Но наряду с этими попытками в том же XIX веке пробовали объяснить физические свойства тел, не входя в детали внутреннего строения атомов. Мысль, лежащая в основе этих попыток, предельно проста: атомы, из которых состоят все вещества в природе, не покоятся, а находятся в постоянном движении.

Оказалось, что подобное представление приводит к большому числу следствий, если сформулировать его на языке математики. А такие попытки, начиная с Ньютона, который хотел математически объяснить газовый закон Бойля — Мариотта, неоднократно предпринимались. Однако создателем кинетической теории материи следует считать Даниила Бернулли (1700–1782).

Он родился в семье выходцев из Голландии, в семье, которая дала миру более 120 выдающихся и знаменитых ученых, артистов, литераторов и государственных Деятелей. Вопреки воле отца Даниил обучался математике у своего старшего брата Николая и затем закончил образование в Италии. В 1725 году вместе с Николаем он едет в Петербург, куда петровские реформы привлекли многих иностранцев. Спустя восемь месяцев Николай умирает. Даниил — к тому времени уже профессор математики — прожил в Петербурге еще семь долгих лет, до тех пор, пока смог переносить русский климат и образ жизни. Здесь он написал свою «Гидродинамику», которую напечатал через пять лет после возвращения, в 1738 году, в Базеле.

Примерно в то же время, и в том же Петербурге сходные мысли развивал Михаил Васильевич Ломоносов.

Кинетическую теорию газов постигла странная судьба. «Гидродинамику» Бернулли не заметили и обнаружили ее только спустя 120 лет, в 1859 году. А работы Ломоносова, написанные в 1742–1747 годах, стали известны лишь в 1904 году.

В XIX веке произошло второе рождение кинетической теории газов, поначалу тоже неудачное. В 1821 году Джон Херэпет (1790–1868) — темпераментный и любящий споры школьный учитель из Бристоля — высказывает вновь кинетическую гипотезу, но ее опять оставляют без внимания. Четверть века спустя, в 1845 году, морской инструктор Ост-Индской компании в Бомбее Джон Джеймс Уотерстон (1811–1883) прислал в Лондон в Королевское общество обширный трактат по кинетической теории газов. Это сочинение не напечатали, поскольку рецензенты оценили его как «…нелепость, негодную даже для чтения перед Королевским обществом». Только в 1892 году лорд Рэлей отыскал рукопись Уотерстона в архивах и опубликовал ее.

Причину такого единодушного забвения этих трудов следует искать в общем умонастроении физиков того времени. Отчасти тому виной были тогдашние философские учения: в середине XIX века почти все философы отрицали существование атомов.

Тем не менее идеи Херэпета и Уотерстона не погибли: они решающим образом повлияли на работы Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), который в 1851 году впервые оценил скорость молекул газа. Она оказалась неожиданно большой: например, для молекул водорода она равна примерно 1800 м в секунду — вдвое больше скорости артиллерийского снаряда.

В дальнейшем развитие кинетической теории материи пошло быстро: ее переоткрыли Крониг (1856) и Клаузиус (1857) и развили почти до современного состояния Максвелл (1860) и Больцман (1880). С тех пор это одна из основных наук о строении материи, с помощью которой объяснили теплоемкость и теплопроводность твердых тел, упругость и вязкость газов и многое другое.

МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ

По вполне понятным причинам особо следует отметить вклад в науку об атомах и их движении, сделанный Ломоносовым. В 1742 году в диссертации «О составляющих тела природы нечувствительных физических частичках, в которых находится достаточное основание частичных свойств» он писал:

«…§ 87. Аксиома. Сложные тела состоят из некоторого числа составных частей, на которые они распадаются…

§ 89. Теорема 10. Все тела состоят из нечувствительных физических частичек, заключающих в себе основание частичных качеств, которые при движении не могут разделиться на другие, меньшие…

§ 90. Изъяснение. Мы называем физическими монадами нечувствительные физические частички, не разделяющиеся на другие, меньшие, при движении Мы не оспариваем возможность мысленно делить материю до бесконечности, но полагаем возможным, не опасаясь ошибки, обойтись без этого в физических делах. Также не заботимся мы и о рассеянной по материи пустоте (если она существует); с ней ведь не связано никакого понятия, кроме протяжения, поэтому она никаких свойств не имеет и ничего посему не может дать сущности и природе вещей, независимо от того, существует ли она, или нет.

§ 91. Теорема 11. Фигура физических монад неизменна…»

Причину тепла и холода Ломоносов видел «во взаимном движении нечувствительных физических частичек». В 1744 году он представил Академии наук диссертацию «Размышления о причине тепла и холода», представление о которой дают несколько выдержек из нее:

«§ 1. Весьма известно, что тепло возбуждается движением: руки от взаимного трения согреваются, дерево загорается, искры вылетают при ударе кремнем о сталь, железо накаливается при ковании его частыми, сильными ударами…