Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
Мы уже определяли понятие «длина»: метр — это такая длина, на которой укладывается 1 650 763,73 длины волны красно-оранжевой линии спектра Кг-86 в вакууме (изотоп криптона с массовым числом 86). Принятая за эталон спектральная линия соответствует переходу электрона с уровня 2рю на уровень 5t/s. Определенный таким образом метр приближенно равен 1/40 000 000 части парижского меридиана, принятой первоначально в 1800 г. за эталон метра.
Единица массы килограмм определяется как масса плати-но-иридиевого цилиндра специальной формы (его высота 39 мм равна диаметру основания), который изготовлен в 1789 г. Эта масса приближенно совпадает с массой 1 л дистиллированной воды при 4 °C.
Чтобы определить единицу времени, надо использовать какой-нибудь стабильный циклический процесс, например вращение Земли вокруг Солнца. Секунда — это 1 /31 556 925,9747 часть тропического года, который равен промежутку времени между двумя одинаковыми положениями Земли относительно звезд. Однако продолжительность тропического года медленно меняется (на 0,5 с в столетие) из-за прецессии земной оси и других возмущений, поэтому в эталоне принята продолжительность 1900 г., а точнее — года, который начался в 12 ч дня 31 декабря 1899 г.
С течением времени убедились, однако, что единицу времени, так же как и единицу длины, лучше всего определять на основе спектроскопических измерений. В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам дала новое определение секунды, .согласно которому секунда — это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу электрона между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния изотопа цезия с массовым числом 133 (цезиевый стандарт частоты).
Переход к атомным стандартам длины и времени был неизбежен не только потому, что спектроскопия — самый точный раздел физики. Дело в том, что атомные стандарты необычайно стабильны: они практически не зависят ни от температуры, ни от давления, ни даже от космических катастроф, чего нельзя сказать о первоначально принятых эталонах. (Например, «стандартный метр» хранят под стеклянным колпаком, при постоянной температуре, в железном шкафу, в глубоком подвале, три ключа от которого хранятся у трех разных должностных лиц, и с прочими предосторожностями.) Еще хуже обстоят дела с секундой. В самом деле, если через Солнечную систему неожиданно пролетит какое-то небесное тело, то период обращения Земли вокруг Солнца необратимо изменится, а вместе с ним изменится и продолжительность секунды. Ничто подобное не грозит атомным стандартам: они устойчивы и неизменны, как сам атом, на свойствах которого они основаны.
Три единицы — метр, килограмм, секунда — образуют часть системы единиц СИ и достаточны для описания всех механических движений. В физике традиционно используется другая система единиц — СГС, в основу которой положены сантиметр, грамм, секунда. Электромагнитная теория требует измерения еще двух фундаментальных величин: заряда е и скорости света с. А чтобы описать атом-
ные явления, необходимо знать также значение постоянной Планка h.
Для точного определения фундаментальных физических констант в 1875 г. создано Международное бюро мер и весов, которое раз в шесть лет собирает генеральные конференции мер и весов. На них тщательно оговариваются все технические подробности условий, в которых происходят измерения: температура, давление, высота над уровнем моря и т. д. Столь же скрупулезно перечисляются все детали приборов для измерения этих величин.
Отметим важную особенность таких измерений: только в редких случаях удается определить одну величину независимо от других. В остальных случаях необходимо использовать законы физики. Скажем, если скорость v частицы постоянна, то можно определить ее, измеряя расстояние Дх, которое частица пройдет за время Д/:
Дх
и наоборот: эталон метра можно определить по формуле / = сД/,
где Д/=1/<? секунд, £ = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме, что и было принято в 1983 г. Это — простой пример того, что все фундаментальные константы в некотором смысле взаимосвязаны. Существует специальный и довольно сложный раздел физики — метрология, задача которого — непротиворечиво определить весь набор физических констант, учитывая одновременно все данные об их измерениях.
Самый трудный вопрос — о границах применимости понятий, определенных таким способом. Легко сообразить, что единицы измерения — метр, килограмм, секунда — выбраны естественно, поскольку они соизмеримы с размерами самого человека. Действительно, 1 м — это рост пятилетнего ребенка, 1 кг — масса буханки хлеба, 1 с — один удар сердца. Сохраняют ли эти понятия свой прежний смысл при переходе к очень большим и очень малым расстояниям, массам и промежуткам времени?
Общего ответа на этот вопрос пока не существует. Например, у нас был случай убедиться, что к электрону понятие размера уже неприменимо. В теории атома, где понятие «движение» пришлось заменить новым, прежние понятия «длина», «масса», «время» все еще сохраняют свою силу. Это означает, что по крайней мере расстояние 10-8 см = = 10“10 м, масса 10-24 г— 10-27 кг (размер и масса атома) 118 и промежуток времени 10“17 с (период обращения электрона в атоме) еще можно понимать в их обычном смысле.
Аналогичная проблема возникает и в астрономии при попытке осмыслить огромные расстояния до галактик. Пожалуй, здесь она даже труднее, чем в теории элементарных частиц. Действительно, никто не может с легким сердцем утверждать, что он вполне понимает слова «расстояние в один миллиард световых лет». Формально все предельно просто: это расстояние, которое проходит луч света за 109лет, то есть расстояние в 109- (3,15 • 107 с) • (3-108м/с) = = 1025 м. Но как понять или хотя бы почувствовать, что в действительности скрывается за этим символом?
Воистину прав Паскаль: «Человек распят между двумя бесконечностями».
ГЛАВА 7
Русалка
В свои 23 года венгерский офицер Янош Бойаи открыл неевклидову геометрию и был счастлив этим до тех пор, пока не узнал, что где-то на границе Азии и Европы Николай Иванович Лобачевский обнародовал ту же геометрию несколькими годами ранее. И тогда жизнь Яноша стала походить на кошмар: повсюду ему чудились шпионы и соглядатаи, он подозревал всех, даже своего отца, всю жизнь посвятившего той же проблеме. Наверное, Фаркаш Бойаи не был так гениален, но он был человечнее и мудрее сына. Умирая, он говорил ему: «Не отчаивайся: когда приходит весна — все фиалки расцветают сразу».
В науке об атоме такая весна наступила в 1925 г.: всего за два года появилась, расцвела и даже дала первые плоды новая наука — квантовая механика. Ее основы с тех пор не изменились; так внезапно среди океана возникает
