Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Помимо анализа письменных источников, сравнения находок в разных раскопках, использования стратиграфии, т. е. анализа относительного расположения слоев с теми или иными находками, археологи и палеоклиматологи уже давно используют методы дендрохронологии — в стволе многих пород деревьев ясно различимы ежегодные слои, по толщине которых можно судить о погодных условиях, а нахождение, к примеру, вулканической пыли в них позволяет увязать эти слои с известными датами извержений вулканов и т. д. (напомним, что возраст некоторых сейквой в Северной Америке превышает 4 тыс. лет). Аналогичный метод применим и к анализу ежегодных отложений слоев осадков на дне некоторых озер. Для более древних дат все большую популярность приобретает анализ слоев карбонатов, откладываемых в колониях кораллов: он, в частности, позволяет даже оценить количество дней в году в прошлом (в некоторых кораллах различимы ежедневные слои), т. е. замедление скорости вращения Земли — оказывается, в середине Девона продолжительность года была порядка 400 дней.

Все эти методы дают лишь относительную датировку, их нужно увязать с абсолютными значениями дат. Эту задачу решил радиохимик Уиллард Ф. Либби (1908–1980, Нобелевская премия по химии, 1960).

История, приведшая к этому открытию, началась с того, что в 1939 г. Серж Корф из университета Нью-Йорка обнаружил, что космические лучи вызывают в верхних слоях атмосферы поток нейтронов, которые легко поглощаются азотом, превращая его в радиоактивный изотоп углерод-14 (С-14).

Далее, как сообразил Либби, такой углерод окисляется, а получившийся углекислый газ поглощается в процессе фотосинтеза растениями. Если предположить, что этот процесс идет с постоянной скоростью, то все живые организмы в процессе фотосинтеза или при поедании растений получают изотоп С-14. Тем самым, в них при жизни, несмотря на распад, поддерживается постоянный уровень этого изотопа, который, однако, начинает падать с прекращением его поглощения после смерти.

Период полураспада С-14 равен 5730 годам, и Либби заключил, что «должна существовать возможность путем измерения оставшейся радиоактивности измерять время, которое прошло с момента смерти, если она произошла в период от 500 до 30 тыс. лет тому назад».

Либби проверил точность этого метода, измерив радиоактивность образцов красного дерева и пихты — их точный возраст был установлен подсчетом годовых колец. Он также проанализировал кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона, кусочки льняной ткани, которыми были перевязаны манускрипты, найденные в районе Мертвого моря, хлеб из дома в Помпеях, погребенный под вулканическим пеплом в 79 г. н. э. и другие предметы, возраст которых был уже известен. При этом он получил блестящее подтверждение своей теории, и изобретенный им метод датирования стал широко применяться в археологии[3]. Сам Либби смог определить возраст древесного угля со стоянки древних людей в Стоунхендже (Англия) и кочерыжки кукурузного початка из пещеры в Нью-Мехико, т. е. определил время формирования соответствующих культур, а также установил, что последний ледниковый период в Северной Америке окончился 10 тыс. лет назад, а не 25 тыс., как было ранее подсчитано геологами и т. д.

Вскоре для гораздо более древних периодов были развиты методы, основанные для длительностях других распадов: калий-аргоновый, урановый и т. д. Так возникла новая область исследований: абсолютная или изотопная геохронология. И конечно, новые методы ведут к новым открытиям и заставляют пересмотреть многие устоявшиеся догмы и представления.

Уже давно в литературе, особенно популярной, обсуждается проблема гибели динозавров — страшной катастрофы, постигшей некогда Землю. Однако, как показал Марк Михайлович Рубинштейн (1915–1978), гибель динозавров и смена их млекопитающими вовсе не должна была быть мгновенной — она могла тянуться достаточно долго, соответствуя скорости эволюции, просто палеонтологи привыкли датировать слои по находкам останков животных и поэтому все слои с динозаврами относили к одному и тому же периоду — радиоактивные же методы разносят их по времени.

4. Эрнест Резерфорд

Опыт без фантазии может дать немного.

Э. Резерфорд

Как все же иногда случается, Эрнест Резерфорд (1871–1937, Нобелевская премия по химии 1908) словно предчувствовал свои будущие открытия или, точнее, ему удалось осуществить именно свои представления о мире: еще студентом второго курса Кентербери-колледжа в Новой Зеландии он выступил на семинаре с докладом «Эволюция элементов». Он тогда уже думал, что атомы химических элементов должны представлять собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц, хотя еще не было практически никаких оснований думать о сложном строении атома и тем более — сравнивать атомы разных веществ (гипотеза Праута начала XIX в. о том, что все атомы построены из атомов водорода, была опровергнута и прочно забыта).

В 1895 г. Резерфорд приезжает в Англию, в Кавендишскую лабораторию, к самому Джи-Джи Томсону. Первое, по-видимому, его открытие, заброшенное из-за переезда, — это создание приемника электромагнитных волн, фактически, осуществление радиосвязи (раньше Попова и Маркони). Но в лаборатории у Томсона Резерфорд понимает: идут более фундаментальные разработки, — и поэтому он без сожаления, без публикаций, отказывается от всего, сделанного ранее, чтобы заняться проблемами строения вещества.

Он помогает Дж. Дж. Томсону в его исследованиях электрона, но затем полностью сосредотачивается на изучении радиоактивности. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области — обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном — сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучениях, исследована их природа, введено понятие времени полураспада радиоактивных атомов.

В 1902–1903 гг. совместно с Фредериком Содди (1877–1956, Нобелевская премия по химии 1921) Резерфорд разработал теорию радиоактивного распада. Затем он изучает рассеяние альфа-частиц на атомах, строит их теорию, и альфа-частицы становятся его любимым орудием исследований.

Позже, в 1919 г. Резерфорд осуществляет вековую мечту алхимиков о трансмутации — превращении одного элемента в другой, правда, не свинца в золото, а азота в кислород, но важен был сам принцип — превращения элементов возможны.

Первым прибором, который использовался тогда в исследованиях излучений, был спинтарископ (от греческого «спинтер» — искра) Крукса — это коробочка, верх которой закрыт стеклом, а на дно нанесено вещество-сцинциллятор, дающий вспышку при ударе альфа-частиц, так что наблюдателю необходимо сидеть рядом и считать число вспышек за определенное время.

Вторым прибором стал счетчик Гейгера, разработанный Резерфордом и Хансом Вильгельмом Гейгером (1882–1945) к 1908 г. Он представляет собой металлическую трубку, по оси которой проходит тонкая нить, изолированная от корпуса, на корпус и нить подается электрическое напряжение, которое несколько меньше пробойного. Ток в цепи не идет, но как только через трубку проскочит заряженная частица, она ионизует на своем пути воздух, и по этому каналу начнет проходить ток — загорится лампочка, зазвенит звонок или т. п.

Со счетчиками Гейгера работать в то время было еще нелегко и поэтому часто пользовались методом сцинциляций, считали вспышки. И вот однажды, в 1911 г., в ходе эксперимента по подсчету числа альфа-частиц, рассеянных в тонкой металлической фольге, студент-новозеландец Эрнест Марсден (1889–1970) расположил, возможно по ошибке, несколько таких счетчиков сзади мишени. Они, конечно, должны были молчать, но давали вспышки — редко, очень редко, одна-две на десять тысяч, но вспыхивали!

Резерфорд думал о результатах эксперимента по рассеянию альфа-частиц на металлических фольгах неустанно, но ничего не приходило в голову: «Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от нее и ударил бы в стреляющего».

Но ведь этого не может быть — не может альфа-частица отлететь назад при ударе о пудинг или кисель, каковыми, согласно Томсону, должны быть атомы!

К тому времени он обзавелся новинкой, первым, как говорят, мотоциклом в Манчестере, и полюбил носиться на нем по окрестностям. (Пэр Британского королевства, получивший титул барона Нельсон оф Кембридж, к тому времени уже лауреат Нобелевской премии, он не забывал своего пастушеского детства на ферме в Новой Зеландии и так и не смог привыкнуть к великосветским манерам.) И вот как-то раз мотоцикл сломался на пустынной дороге, и Резерфорду пришлось заночевать в поле в стогу сена.

Он дремал, поглядывал на звезды, и тут перед ним возник образ: атом как Солнечная система — в середине ядро вместо Солнца, а вокруг крутятся электроны как планеты. Такая модель не могла быть принята современниками[4] — она противоречила теории электромагнетизма Максвелла, согласно которой любой заряд, движущийся с ускорением, в частности вращающийся, должен излучать волны и тереть на это энергию. Значит — в случае движения по окружности — падать на центр за одну миллиардную долю секунды. Но Резерфорд ее упрямо отстаивал (сотрудники называли его за упрямство, своеобразное чувство юмора и громогласность Крокодилом): атом почти пустой — ядро в 10 тыс. раз меньше атома в целом, а электроны крутятся вокруг него!