Коллектив авторов - Новая история стран Европы и Америки XVI–XIX века. Часть 1
В 1907 г. Эйнштейн распространил идеи квантовой теории на физические процессы, не связанные с излучением. Рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле, он объяснил уменьшение теплоемкости твердых тел при понижении температуры. На этой основе Вальтер Нернст (1864–1941) доказал свою теорему, сформулированную в 1906 г. как третий закон термодинамики. Она гласила, что при стремлении температуры фиксированной системы к абсолютному нулю энтропия также стремится к нулю (иначе говоря, конечная последовательность термодинамических процессов не может привести к достижению температуры, равной абсолютному нулю). Окончательно постулаты квантовой физики были признаны научным сообществом в начале 1920-х гг. после экспериментальных работ американского физика Артура Комптона (1892–1962).
Появление гипотезы о корпускулярно-волновых свойствах квантов, в сочетании с уже доказанной периодичностью химических свойств элементов, вызвало повышенный интерес ученых к проблемам строения материи. Первым шагом по формированию физико-химической концепции сложного строения вещества стало открытие отрицательно заряженной микрочастицы – электрона (как предложил называть «атом электричества» английский физик Дж. Стоней). Исследования по этой проблематике начали Уильям Гитторф (1844–1915), Уильям Крукс (1832–1919) и Жак Перрен (1870–1942). В конце 1890-х гг. английский физик Джозеф Томсон (1856–1940) разработал первую электронную модель атома. Он предположил, что атом напоминает своего рода «пудинг с изюмом», где положительный энергетический заряд распределен в большой сфере, а отрицательно заряженные электроны представляют редкие «вкрапления». Эта идея оказалась ошибочной, но сама электронная теория была подтверждена как опытным путем, так и математически. На этой основе голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) завершил формирование комплексной теории элементарных частиц.
Новую модель атома разработал в 1911 г. Эрнст Резерфорд (1871–1937). После серии опытов по прохождению заряженных элементарных частиц через пластики металлов он предположил, что атом напоминает планетарную систему – вокруг малого положительно заряженного ядра движутся по своим «орбитам» отрицательные электроны. Коллега Резерфорда, Фредерик Содди (1877–1956), обнаружил, что элементы с разной массой, но одинаковой энергией ядра обладают схожими химическими свойствами и занимают одну и ту же «клетку» в периодической системе. Такие вещества Содди предложил называть изотопами (от греч. iso – «одинаковый» и topos – «место»). Уже в 1920-х гг. новые исследования показали, что и само ядро атома включает две разновидности элементарных частиц – протоны и нейтроны. Число положительно заряженных протонов, равное числу электронов, обеспечивает нейтральный заряд всего атома и указывает на место вещества в периодической системе, а разница в количестве нейтронов (нейтрально заряженных частиц) объясняет происхождение изотопов.
Планетарная модель атома имела существенный недостаток с точки зрения классического электромагнетизма – ускоренно движущиеся электроны должны выделять, а значит и устойчиво утрачивать энергию. Выход из этого противоречия предложил датский физик Нильс Бор (1885–1962), выдвинувший в 1913 г. гипотезу о том, что устойчивое орбитальное движение электрона обеспечивается взаимодействием положительного и отрицательного зарядов и не приводит к излучению энергии. Излучение энергии имеет место лишь в том случае, когда вся система переходит из одного стационарного состояния в другое. Причем частота излучения тогда будет зависеть также не от движения каждого электрона, а от общего количества энергии, излучаемого при переходе.
Распространение квантовых принципов на механику и электродинамику, возможность формирования на этой основе целостной физической картины мира вызывали сомнения у многих ученых. К числу скептиков присоединились тогда и Макс Планк, и Альберт Эйнштейн. Инициатива в разработке квантовой (нерелятивисткой) механики перешла к молодым ученым – В. Паули (1900–1958), В. Гайзенбергу (1901–1976), В. Фоку (1898–1974), П. Дираку (1902–1984), Д. Уленбеку (1900–1974), С. Гаудсмиту (1902–1979). Большинству из них едва исполнилось по 20–25 лет, из-за чего их исследования нередко называли «крестовым походом детей». Возглавили этот «поход» представители более старшего поколения – Эрвин Шредингер (1887–1961) и Луи де Бройль (1892–1987). Им удалось сформулировать систему доказательств квантового характера не только светового излучения, но и элементарных частиц самой материи. Из этой теории следовало, что любая частица обладает как корпускулярными свойствами (энергией и импульсом), так и волновыми (частотой и длиной волны). Поэтому невозможно точно зафиксировать координаты и траекторию частицы (это означало бы пренебрежение волновыми характеристиками), равно как нельзя использовать классические методы полевых расчетов, не пренебрегая информацией о материальном характере «поведения» частицы.
Квантовая теория преодолевала, таким образом, уверенность в обязательной наглядности, очевидности, строгой логичности изучаемых явлений. Мир элементарных частиц казался скорее виртуальным, призрачным, нежели реальным. Любая попытка дать исчерпывающее объяснение его законов неизбежно приводила к противоречию, а описание взаимодействия элементарных частиц могло быть составлено лишь на основе вероятностных принципов. В результате создание теории квантовой механики значительно ускорило формирование неклассической общенаучной методологии. Базовые постулаты квантовой физики (в первую очередь сформулированные Н. Бором принципы дополнительности и соответствия) приобрели философское значение.
В обобщенном виде принцип дополнительности гласил, что любое сложное явление может быть полно описано лишь при применении не менее чем двух взаимоисключающих понятий. Такие понятия отражают сущностные свойства изучаемого явления, хотя и являются антиподами по отношению друг другу (например, функция и структура, волна и корпускула и т. п.). Таким образом, принцип дополнительности обосновывал необходимость синтеза различных характеристик сложных явлений, а также самих методов научного познания.
Принцип соответствия рассматривал ту же проблему в ином ракурсе – каждая новая научная теория может быть признана истинной только в том случае, если она не противоречит достоверно установленным предыдущим теориям. Исходя из этого принципа, научное познание основывалось не только на синтезе методов, но и на преемственном накоплении «достоверных» знаний. Подобная установка преодолевала дисциплинарные традиции позитивизма, но сохраняла позитивистскую трактовку сущности научного знания – как комплекса точно установленной, «зафиксированной» информации.
Реализация принципов дополнительности и соответствия в построении научной картины мира наталкивалась на противоречие между классическими и неклассическими закономерностями. Эта проблема решалась квантовой физикой на основе вероятностного принципа. Любой постулат должен был изначально формулироваться с помощью принципов классической механики. Если из него следовали многообразные и даже противоречащие друг другу выводы, то итоговая характеристика движения определялась как наиболее вероятностное состояние. Таким образом, неклассические закономерности рассматривались как предельные, особые проявления классических.
Иной вариант анализа сложных явлений мира был разработан в теории релятивисткой механики (лат. «relativus» – «относительный»). Первые шаги к формированию теории относительности были предприняты еще в конце XIX в. Польский физик Мариан Смолуховский (1872–1917) выдвинул идею флуктуаций, т. е. временных колебаний термодинамических систем, делающих явления обратимости и необратимости относительными, зависимыми от времени и условий наблюдений. Американский ученый Джозайя Гиббс (1839–1903) рассматривал релятивистскую механику как «теорию ансамблей», т. е. мысленную совокупность систем, не находящихся в строго определенном взаимодействии. Свойства такого «ансамбля» оказывались относительны в зависимости от произвольного набора сосуществующих компонентов. Проблемам релятивисткой динамики были посвящены многие работы М. Планка. В окончательном виде принципы релятивистской механики были сформулированы А. Эйнштейном (в 1905 г. как специальная, а в 1916 г. – как общая теория относительности).
Специальная теория относительности исходила из двух классических постулатов: во-первых, в любых инерциальных, т. е. движущихся прямолинейно и без ускорения, системах все физические процессы протекают одинаково, во-вторых, скорость света в вакууме не зависит от движения источника или наблюдателя, т. е. она предельна и одинакова во всех инерциальных системах. Однако было отвергнуто фундаментальное допущение ньютоновской физики – представление об абсолютной одновременности событий, т. е. абсолютной природе времени и пространства. Эйнштейн был убежден, что ускоренное движение наблюдаемой системы, равно как и самого наблюдателя вносит существенные коррективы в восприятие времени, длины и массы тел. События, синхронные с точки зрения одного наблюдателя, не являются одновременными для второго наблюдателя, движущегося относительно первого. Следовательно, само понятие одновременности является лишь относительным. Длина одного и того же объекта с точки зрения движущегося и неподвижного наблюдателей также будет различной. Масса объекта является относительной величиной, поскольку с точки зрения ускоренного движения представляет собой меру инерционности, а значит возрастает по мере увеличения скорости.
