Ирина Радунская - Кванты и музы

После открытия Максвеллом законов электромагнитного поля выявилась иная, чем думали раньше, плоть мироздания. Не атомы и пустота, как считали древние атомисты; не сплошная материя, как хотелось верить Аристотелю. Плоть мира — это электромагнитное поле и вещество. Вот фундамент, на котором предстояло возводить новое здание мира. Надо было найти связь между этим полем — электромагнитным полем, включающим в себя свет, магнитные и электрические поля, — и веществом, мельчайшим зерном которого уже был признан электрон.

Первый шаг в объединении поля и вещества после Максвелла сделал голландец Лоренц. Он создал электронную теорию вещества. Он угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы вещества и одновременно элементарные частицы электричества (кванты вещества и электричества одновременно). Сочетание электронов с электромагнитным полем образует всё многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение электронов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение электронов.

Если электроны, частицы материи, являются одновременно и частицами поля, размышлял Эйнштейн, то что вынуждает нас фундаментом мира считать две ипостаси: поле и вещество? Не более ли логично опереться на одну реалию: поле? И самый мудрый из физиков мечтал охва тить все явления Вселенной теорией единого поля, включающего и электромагнитные волны, и гравитационные, и ядерные, и все известные и ещё неизвестные людям поля. Ему это не удалось, но он верил в целесообразность такой модели мира, чувствовал её исчерпывающую полноту — и кто знает, может быть, ещё при нашей жизни физика подтвердит эту концепцию…

Эйнштейн оставил нам теорию относительности — ключ к пониманию взаимоотношений поля и вещества. Эта теория помогает найти качественную и количественную меру взаимоотношений этих двух субстанций. И одна из мер — общий закон сохранения энергии и вещества, закон их эквивалентности.

Эйнштейн нашёл такие удивительные проявления закона эквивалентности массы и энергии (в мире больших скоростей и энергий), столь парадоксальные, не наблюдаемые в повседневной жизни, что физикам это казалось курьёзом, не заслуживающим внимания. Например, из теории относительности следовало, что масса движущегося тела больше его же массы в покое; масса нагретого тела больше массы холодного, частицы которого движутся медленнее. Разность, предсказываемая теорией, была столь мала, что казалось невозможным её обнаружить. И мысль о том, что одно и то же тело может иметь разную массу, считалась многими бредом.

И вот Астону посчастливилось натолкнуться на одно из проявлений этого парадоксального предсказания. В том, что ядро тяжёлого элемента, составленное из нескольких ядер водорода, имело иной вес, чем простая сумма весов тех же ядер водорода, но свободных, не связанных между собой, Астон увидел намёк на эйнштейновское утверждение.

В 1920 году он объявил, что при объединении протонов в более тяжёлые ядра результирующее ядро должно быть легче за счёт «эффекта упаковки». Это было прямое следствие положения Эйнштейна об эквивалентности вещества и энергии. И действительно, чтобы разрушить образовавшееся тяжёлое ядро и освободить протоны, потребовалось именно то количество энергии, которое соответствовало разности массы ядра и суммарной массы его осколков. Величина «дефекта массы» в точности определялась формулой Эйнштейна…

Итак, учёные, пытаясь ответить на «проклятый» вопрос о взаимоотношениях энергии и вещества, продвинулись ещё дальше в глубь атома, в его ядро.

Перед ними стояли фундаментальные проблемы. «Мы знаем, — писал Эйнштейн, — что всё вещество состоит из частиц немногих видов. Как различные формы вещества построены из этих частиц? Как эти элементарные частицы взаимодействуют с полем?»

Прежняя, классическая физика, не ведавшая о зернистой, квантовой структуре вещества и поля, не могла дать ответ.

Ответ могли принести только новые идеи, новые эксперименты.

Впрочем, мы забежали вперёд. Прослеживая торжественный марш новых идей, мы не должны забывать, что продвижение это носило драматический характер. Учёные разрушали многовековое представление об элементарности атома, цепляясь за старые истины, стремясь сохранить саму идею существования простейших, элементарнейших «прачастиц».

Томсон, определивший заряд и массу электрона, предположил, что именно электроны и есть эти «прачастицы», что из них возникают все атомы, если их объединяет между собой некая сила. В первом варианте этой гипотезы роль связующей силы играла магнитная сила. Но огромная — тысячекратная! — разница масс электрона и атома водорода делала такую гипотезу чрезмерно сложной.

Во второй гипотезе Томсон обращается к электростатической силе, считая, что пространство, в котором собраны электроны, образующие атом, способно действовать так, как если бы оно имело положительный заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов.

Неясность этой гипотезы составляет её основное достоинство — её трудно опровергнуть. Но она не позволяет понять, как устроен атом.

Томсон и другие учёные стремились уточнить эту модель и получили много интересных результатов. Предлагали ещё ряд моделей, но и они, как этого следовало ожидать от любого построения, основанного на гипотезах, не выдерживали проверки опытом. Всё это были симптомы глубокого кризиса физики начала прошлого века.

Трагедия одного из величайших физиков — Больцмана — показывает, как сложно обстояли дела в мире физики. Больцман покончил с собой. Он отчаялся в своей борьбе за материалистическое понимание явлений природы.

Решающий шаг внутрь атома сделал Резерфорд. Он обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился! Наблюдения за дальнейшим поведением альфа-частиц заставили его сделать однозначный вывод: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре, а компенсирующий отрицательный заряд распределён в сфере с радиусом, сравнимым с радиусом атома».

Расчёты показали, что радиус ядра сравним с величиной, принятой тогда для радиуса электрона, а радиус атома превосходит его примерно в сто тысяч раз и составляет около стомиллионной доли сантиметра.

Так возникла планетарная модель атома: малое тяжёлое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Химические свойства элемента определяются числом и взаимным расположением электронов.

Человеческое мышление склонно к аналогиям. Было ес тественно предположить, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Это выглядело весьма правдоподобно и просто: большое повторяется в малом.

Всё было хорошо в этой модели. Она могла непротиворечиво объяснить многие явления, но… не могла существовать! Физики сразу заметили неблагополучие в такой привлекательной картине. Солнце и планеты электрически нейтральны, а ядра атомов и электроны — это тела заряженные. И их взаимоотношения совсем иные. Следуя законам электродинамики, отрицательно заряженные электроны, вращаясь вокруг положительного ядра, должны постепенно потерять свою энергию и упасть на него. Но такого явления никто никогда не наблюдал. Если бы электроны атомов вдруг начали падать на ядра, настал бы конец света!

Итак, напрашивался единственный вывод: либо неверны законы электродинамики, либо атомы устроены иначе.

Правильность законов электродинамики не вызывала сомнений. Её подтверждала работа электрических двигателей и генераторов, действие радиотелеграфа, поведение стрелки компаса и многое другое. Кризис физики всё обострялся… Однако развитие науки шло по пути диалектического преодоления внутренних противоречий.

Выход из тупика указал в 1913 году Бор. Его объяснение повергло физиков в недоумение.

Представьте себе реакцию человека, которому сообщили сенсационную новость: в Азии совсем иные законы природы, чем в Европе. В Азии в отличие от Европы деревья растут вверх корнями…

Нечто похожее произошло в среде физиков, когда молодой датский учёный Нильс Бор высказал свою догадку: в микромире не применимы законы макромира. В атоме — другие законы природы, чем вне его. Если в свободном пространстве заряженное тело при движении по окружности теряет энергию, то внутри атома этого не происходит.

Бор утверждал, что электроны в атоме не подчиняются классической электродинамике: могут вращаться на опре делённых стационарных орбитах, не излучая энергии. Излучение происходит только при переходах электронов с одной из стационарных орбит на другую — более близкую к ядру. Тут электрон выстреливает порцию энергии — квант.