Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Можно представить себе, какое впечатление на публику произвели первые новости из физики микроскопических объектов. Точнее сказать, «наноскопических», поскольку ни в какой микроскоп не увидишь атомный размер — нанодюйм. Сто миллионов атомов в ряд образуют цепочку длиной в один сантиметр, а один грамм — это миллион-миллиардов-миллиардов атомов. Верить в реальность атомных величин помогало то, что рассчитанные на их основе теоретические свойства газов хорошо соответствовали — с точностью до процентов — измеренным. Соответствующую таблицу Максвелл также привел в своей лекции, показав, что физики, даже витая в теоретических облаках, твердо стоят на земле и что открылся реальный путь к исследованию мельчайших деталей мироздания.
Относительные массы молекул водорода, кислорода, окиси и двуокиси углерода — 1:16:14:22 — своими целыми числами намекали на какую-то новую упорядоченность, на некую структуру самих атомов и на общность этой структуры, однако для теории в этом направлении других оснований пока не было. Но Максвелл не поставил точку на достигнутом. Он был уверен, что атомы имеют структуру, исследовать которую лишь предстоит:
Атом — не жесткий объект. Он способен к внутренним движениям, а когда эти движения возбуждены, испускает излучение с длинами волн, соответствующими периодам его колебаний. При помощи спектроскопа длину волны света можно определить с точностью до сотой доли процента. Так убедились, что не только атомы любого образца водорода в наших лабораториях имеют один и тот же набор периодов колебаний, но что свет с тем же самым набором испускается Солнцем и звездами.
Стало быть, исследование самых малых физических объектов открыло возможность для исследования объектов самых больших и самых далеких. Путь к этому начал еще Ньютон. Пропустив солнечный свет через стеклянную призму, он получил спектр — полоску всех цветов радуги, а затем, пропустив эту радугу через перевернутую призму, вновь получил ясный солнечный свет. Это открытие, видимо, произвело сильнейшее впечатление на автора надгробной надписи в Вестминстерском аббатстве, раз он добавил «о чем ранее никто не подозревал».
Никто также не подозревал, что в ярком солнечном спектре имеются темные линии, пока их не разглядел в 1814 году германский физик Фраунгофер. Он разглядел и обозначил около шестисот линий, совершенно не понимая, что они такое.
Понимание пришло сорок лет спустя при исследовании цвета пламени, в которое помещали различные вещества. Исследовали с помощью спектроскопа, основа которого — стеклянная призма. Оказалось, что каждое вещество дает свой особый спектр — набор линий разной яркости. Каждая линия соответствует свету определенной длины волны. Собрав спектральные «отпечатки пальцев» разных веществ, исследователи получили новый и точный способ определять вещество по его спектру. И тогда заново вгляделись в линии Фраунгофера. То, что те линии — темные, а в спектрах пламени — яркие, объяснили тем, что первые — спектр поглощения света, а вторые — спектр испускания. Жаркий свет Солнца, проходя через вещество его прохладной атмосферы, поглощается особенно охотно на тех длинах волн, на которых это вещество излучало бы, если его как следует разогреть.
Таким образом установили, что атмосфера Солнца содержит водород, кислород, натрий, железо и другие хорошо известные земные элементы.
Почти таким же образом обнаружили на Солнце новое вещество. Обнаружили в протуберанцах, извергаемых из солнечных недр за границы солнечной атмосферы. Наблюдать спектр раскаленного протуберанца — спектр испускания — легче всего во время полного солнечного затмения, когда Луна, закрывая Солнце, оставляет открытыми лишь самые выдающиеся протуберанцы. Так в 1868 году обнаружили линию, какой не было ни в одном из собранных спектров, и предположили, что линия эта принадлежит веществу, на Земле пока не открытому. Неизвестное вещество назвали гелием — от греческого слова «солнце», и стали его искать на Земле. Нашли лишь через 27 лет.
Что было в самом начале?
В конце своей лекции 1874 года Максвелл обратил внимание на новое свойство природы, собственно и сделавшее возможными достижения молекулярной физики и астрофизики:
Молекулярная физика учит, что опыты никогда не могут дать чего-либо большего, чем статистическое знание, и что ни один закон, выведенный этим путем, не может претендовать на абсолютную точность. Но когда в размышлениях мы переходим от наших опытов к самим молекулам, мы покидаем мир случайности и переменчивости и вступаем в область, где все определенно и неизменно. Молекулы соответствуют своему прототипу с точностью, какую не найти в наблюдаемых свойствах тел, ими образуемых. Во-первых, масса каждой отдельной молекулы и все другие ее свойства абсолютно неизменяемы. Во-вторых, свойства всех молекул одного типа абсолютно тождественны.
Откуда бы ни добыть кислород и водород — из воздуха, из минералов разных геологических эпох или из метеоритов, — один литр кислорода соединится ровно с двумя литрами водорода, образовав ровно два литра водяного пара. Атомы водорода на Земле, на Сириусе или на Солнце абсолютно одинаковы. Этот фундаментальный научный факт подвел мысль Максвелла к краю науки:
Никакая теория эволюции не может объяснить такое сходство атомов, ибо эволюция подразумевает постоянные изменения, а атом не способен ни расти, ни распадаться, ни рождаться, ни уничтожаться. Следовательно, мы не можем приписать существование атомов и тождество их свойств какой-либо причине, которые мы называем естественными. С другой стороны, полное тождество каждого атома с любым атомом того же рода дает им, как метко выразился сэр Джон Гершель [выдающийся астроном и физик], характерный признак изделий, изготовленных по образцу, и исключает идею их вечного существования самих по себе.
Так мы подошли, строго научным путем, очень близко к тому месту, где Наука должна остановиться. Не потому, что Науке запрещено изучать внутренний механизм атома, который она не может разобрать на части, или исследовать устройство, которое она не может собрать. Прослеживая историю вещества, Наука останавливается, убедившись в том, что, с одной стороны, атомы были сделаны, а с другой, что они не были сделаны в каком-либо процессе, какие мы называем естественными.
Наука останавливается, но Максвелл не остановился и завершил лекцию так:
С тех пор, как атомы были сотворены, они сохраняют свое совершенство в числе, мере и весе. Неизменность их характеристик говорит нам, что стремления к точности в измерениях, к правдивости в суждениях и к справедливости в действиях мы относим к благороднейшим качествам потому, что они — существенные составляющие образа Того, кто вначале сотворил не только небо и землю, но и материалы, из которых они состоят.
Начало фразы — неявная цитата из Ньютона, который, в свою очередь, вольно процитировал библейскую Книгу Премудрости Соломона: «Ты, Господь, все расположил мерою, числом и весом». Ньютон в своей студенческой записной книжке перефразировал: «Бог все сотворил числом, весом и мерою». Библию Максвелл знал слишком хорошо, чтобы допустить случайную фразу в этом единственном проявлении его религиозного мировосприятия в его собственных публикациях.
Не пожалел ли он о своей откровенности, получив после лекции приглашение вступить в общество, защищающее «великие истины Библии против того, что ложно называют возражениями науки»? Приглашение он отклонил и, судя по черновику его ответа, отклонил потому, что в благом намерении увидел ограничение свободы научных исследований:
Я думаю, что результаты, к которым приходит каждый человек в своих попытках гармонизировать свою науку со своим Христианством, имеют значение лишь для самого этого человека и не должны получать от общества оценочный штамп. Потому что суть науки, особенно ее ветвей, простирающихся в области неведомого, состоит в том, чтобы постоянно —
На этом черновик обрывается, но можно думать, что Максвелл далее написал нечто вроде: «…чтобы постоянно задавать новые вопросы и сомневаться в привычных ответах».
Одна из задач науки — выяснение границ применимости ее теорий. Подобную границу Максвелл выявил, когда понял, что в молекулярной физике напрямую не работает Ньютонова механика, нацеленная на движение отдельного тела. На смену пришла статистическая механика, имеющая дело с огромным числом движущихся частиц. Так что, и выявляя границу применимости самой науки — в вопросе происхождения элементарных частиц вещества, Максвелл занимался своим делом.
Сам вопрос могла ему подсказать эволюционная теория Дарвина, тогда уже 15 лет горячо обсуждаемая. Теория эта объяснила массу биологических фактов, но один вопрос остался без ответа. «Никчемное дело — рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно рассуждать о происхождении материи», — писал Дарвин в 1871 году.
