Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 31 страниц)

У истоков телевидения

Прототип современного телевизора, который – наряду с автомобилем, самолетом и телефоном – наиболее отчетливо представляет лицо современной цивилизации, следует искать в тихих лабораториях середины прошлого века.

В 1854 г. немецкий стеклодув и механик из Бонна Генрих Гейсслер (1815—1879) изобрел масляный насос, что позволило улучшить вакуум в закрытых стеклянных трубках, и научился впаивать в них электроды. Примерно в то же время базельский механик Генрих Даниэль Румкорф (1803– 1877) выпустил в продажу индукционные аппараты (так называемая «катушка Румкорфа», изобретенная в 1838 г. американским врачом Пейджем (1812—1868)), которые позволяли получать искры длиной в несколько сантиметров. Вначале оба эти изобретения служили в основном для развлечения: картина свечения газоразрядных трубок при включении их в цепь катушки Румкорфа настолько красива, что может привлечь к себе даже праздное любопытство. Но и ученые не остались равнодушными к новому явлению.

В 1856 г. из Лейпцига в Бонн переехал математик Юлиус Плюккер, которому на новом месте работы было предписано также читать лекции по физике («координаты Плюккера» известны теперь каждому математику, но в то время его работы не нашли признания среди современников).

В Бонне Плюккер увлекся опытной физикой, подолгу экспериментировал с трубками Гейсслера и занимался их усовершенствованием. Вскоре их стали называть трубками Плюккера, еще тридцать лет спустя – трубками Крукса, Гитторфа, Ленарда, а после исследований Дж. Дж. Томсона и открытия электрона появится «трубка Брауна» – прототип электронно-лучевой трубки, которую построил в 1897 г. Карл Фердинанд Браун (1850—1918), немецкий физик, удостоенный за свои работы в 1909 г. Нобелевской премии по физике.

Уильям Крукс

Родился Крукс в семье торговца на Риджен-стрит. Был он старшим из 16 детей от второго брака, и в семье росло еще 5 детей от первого брака. Как он сам говорил, в его доме вряд ли знали слово «наука», и первоначальное образование он получил у дяди, дверь книжной лавки которого находилась рядом с магазином отца.

В 19 лет он оканчивает только что открытый Королевский химический колледж и там же продолжает работать ассистентом. Одновременно с этим он посещает в Королевском институте лекции Фарадея, которые произвели на него незабываемое впечатление. В 1861 г. он открыл элемент таллий, а в 1863 г. его избрали членом Королевского общества, где 30 ноября 1878 г. он докладывал о свойствах катодных лучей.

Ходил упорный слух, что он был близок к открытию рентгеновских лучей. Дело в том, что во время экспериментов с катодными лучами он постоянно обвинял компанию Ильфор-да в том, что она поставляет ему засвеченные фотопластинки. (Как мы теперь понимаем, рентгеновские лучи, возникающие при столкновении электронов со стенками трубки, вполне могут засветить фотопластинки даже в закрытой коробке.) Слух не подтвердился, во всяком случае сам Крукс об этом нигде не упоминал публично.

Крукс был удивительно богатой натурой: изобретатель, биржевой делец, издатель журнала «Химические новости» и чистый исследователь – в одно и то же время. Человек он был приветливый, уравновешенный, преданный своей семье и осмотрительный с людьми посторонними. Крукс нигде не служил, всецело был предан науке, что не помешало ему, однако, верить в спиритизм и в 1913 г. стать президентом Королевского общества.

История его занятий спиритизмом такова. В 1867 г. в Гаване от желтой лихорадки умер его младший брат Филипп, которого он горячо любил. Ученик Крукса Кромвель Вэрли посоветовал ему пообщаться с умершим братом с помощью спиритизма. В 1874 г. Крукс прекратил эти занятия, хотя так и не отказался от своих убеждений.

«Это был исключительно независимый, оригинальный и мужественный ум, он смотрел на явления по-своему и не боялся высказывать мнения, в корне отличные от утверждений всех прежних ортодоксов»,– говорил о нем впоследствии Дж. Дж. Томсон.

Кинетическая теория газов

Подобно ученым XIX века мы стремимся в нашем изложении проникнуть в глубь атома. Но наряду с этими попытками в том же XIX веке пробовали объяснить физические свойства тел, не входя в детали внутреннего строения атомов. Мысль, лежащая в основе этих попыток, предельно проста: атомы, из которых состоят вещества в природе, не покоятся, а находятся в постоянном движении.

Оказалось, что подобное представление, если сформулировать его на языке математики, приводит к большому числу наблюдаемых следствий.

Такие попытки неоднократно предпринимались, начиная с Ньютона, который хотел объяснить газовый закон Бойля – Мариотта.

Уже Фрэнсис Бэкон утверждал, что теплота есть движение, и Роберт Бойль был с ним в этом согласен. Однако создателем кинетической теории материи следует считать Даниила Бернулли (1700—1782). Он родился в семье выходцев из Голландии, которая дала миру более ста выдающихся и знаменитых ученых, артистов, литераторов и государственных деятелей. Вопреки воле отца Даниил обучился математике у своего старшего брата Николая и затем закончил образование в Италии. В 1725 г. вместе с Николаем он едет в Петербург, куда петровские реформы привлекли многих иностранцев. Спустя восемь месяцев Николай умирает, а Даниил – профессор математики – прожил в Петербурге еще семь лет – до тех пор, пока мог переносить русский климат и образ жизни. Там он написал свою «Гидродинамику», которую напечатал в 1738 г. в Базеле, через пять лет после возвращения.

Примерно в то же время и в том же Петербурге сходные мысли развивал Л4ихаил Васильевич Ломоносов.

Кинетическую теорию газов постигла странная судьба. «Гидродинамику» Бернулли не заметили и обнаружили только спустя 120 лет, в 1859 г. А работы Ломоносова, написанные в 1742—1747 гг., стали известны лишь в 1904 г.

В XIX веке произошло второе рождение кинетической теории газов, поначалу тоже неудачное. В 1821 г. школьный учитель из Бристоля Джон Херэпет (1790—1868) высказывает вновь кинетическую гипотезу, но ее опять оставляют без внимания. Четверть века спустя, в 1845 г., морской инструктор Ост-Индской компании в Бомбее Джон Джеймс Уотерстон (1811—1883) прислал в Лондон в Королевское общество обширный трактат по кинетической теории газов. Это сочинение не напечатали, поскольку рецензенты оценили его как «нелепость, негодную даже для чтения перед Королевским обществом». Только в 1892 г. лорд Рэлей отыскал рукопись Уотерстона в архивах и опубликовал ее.

Причину такого единодушного забвения этих трудов следует искать в мировоззрении физиков того времени. Отчасти тому виной были тогдашние философские учения: в середине XIX века почти все философы отрицали существование атомов. (Что само по себе очень странно, поскольку для философов XVIII века факт существования атомов' был не только очевидным, но даже тривиальным.)

Тем не менее идеи Херэпета и Уотерстона не погибли: они решающим образом повлияли на работы Джеймса Прескотта Джоуля (1818—1889), который в 1851 г. впервые оценил скорость молекул газа. Она оказалась неожиданно большой: например, молекулы водорода при комнатной температуре движутся со скоростью 1800 м/с – вдвое быстрее артиллерийского снаряда.

В дальнейшем развитие кинетической теории материи пошло быстрее: ее переоткрыли Крёниг (1856 г.) и Клаузиус (1857 г.), развили почти до современного состояния Максвелл (1860 г.) и Больцман (1878 г.) Но уже десять лет спустя она вновь «вышла из моды», работам Больцмана «больше удивлялись, чем признавали их», его самого называли «последней опорой атомистики», да и сам он с грустью признавал: «Я последний, кто отрицает возможность построения любой иной картины мира, кроме атомической». Эта новая волна недоверия проникла в учебники и научные статьи. Например, в известном учебнике П. Г. Тэта (1885 г.) читаем: «Твердый атом... живет (в виде невероятной, но все еще не опровергнутой гипотезы) и поднесь... Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя непрерывна, то есть не состоит из частиц с промежутками». И даже в 1898 г. в одном из научных журналов писали, что «теория кинетическая так же ошибочна, как и механическая теория гравитации».

Однако лавина открытий начала XX века смела без следа эти запоздалые сомнения, и с тех пор кинетическая теория – одна из осноеных наук о строении материи, с помощью которой объяснили теплоемкость и теплопроводность твердых тел, упругость и вязкость газов к многое другое.

Михаил Васильевич Ломоносов

Первый русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов родился 8 ноября 1711 г. в далекой северной деревне Дени-совке на одном из островов Северной Двины вблизи города Холмогоры. Зимой 1731 г., двадцати лет от роду, он пришел с обозом в Москву и только здесь начал учиться. 4 апреля 1765 г. он умер русским академиком и почетным членом академий Стокгольмской и Болонской.

Мощь натуры, широта интересов, сила творческого гения – все поражает в Ломоносове. Он был первым, кто начал читать научные лекции на русском языке. Для этого необходимо было разработать научную терминологию – и он создал ее. Он написал первый русский учебник по минералогии и заложил основы современного русского стихосложения; руководил составлением карты России и писал сочинения «О размножении и сохранении Российского народа»; создавал мозаичные картины из приготовленных им самим цветных стекол и снаряжал экспедицию для отыскания морского пути в Индию вдоль северного берега России; изготовлял инструменты для морской навигации и построил первую химическую лабораторию в России.

В 1755 г. при активном участии Ломоносова в Москве был открыт первый русский университет, названный впоследствии его именем.

М. В. Ломоносов

Естественнонаучные взгляды Ломоносова стояли на уровне века, а зачастую и впереди него. Он был последовательным сторонником атомистики и столь же непримиримым противником теплорода. За 40 лет до Лавуазье Ломоносов систематически использовал весы в химических исследованиях, знаменитый опыт с прокаливанием металлов в запаянных ретортах он осуществил на 17 лет раньше Лавуазье и за 30 лет до Гершеля открыл атмосферу на Венере.

Ему приходилось нелегко: в то время Россия была феодальной неграмотной страной и занятия наукой не считались в ней почетным делом. Ломоносов был вынужден искать покровителей при дворе, заниматься множеством не относящихся к науке дел, но своим ученикам внушал: «Что может быть приятнее и полезнее потомству, чем физико-химические опыты, проделанные в свободное от более важных дел время».

Причину тепла и холода Ломоносов видел «во взаимном движении нечувствительных физических частичек». В 1744 г. он представил Петербургской академии наук диссертацию «Размышления о причине тепла и холода».

В протоколах Академии об этой работе сохранился отзыв, в котором сказано, что «адъюнкт Ломоносов слишком рано принялся за сочинение диссертаций». Низкая культура тогдашней Петербургской академии и прогрессирующая в дальнейшем изоляция России привели к тому, что научные труды Ломоносова не оказали влияния на последующее развитие мировой науки. Они были забыты, и в течение полутора столетий даже на родине о нем помнили почти исключительно как о придворном поэте. Лишь позже, к двухсотлетию со дня его рождения, постепенно извлекли из архивов научные труды Ломоносова и оценили величие этого воистину российского таланта.

ГЛАВА 3

Ганеша

Примерно половину знаний о внешнем мире человек приобретает в возрасте до пяти лет. В последующие десять лет он узнает о мире почти все и свои дальнейшие познания о нем (за исключением специальных) пополняет очень медленно. Быть может, потому, что к этому времени он уже успевает приобрести взрослую привычку – узнавая что-либо новое, обязательно спрашивать: «А для чего это?» При знакомстве с квантовой физикой эта вредная привычка очень мешает, потому что на первых порах не ясны ни суть атомных явлений, ни их относительная важность в общей картине. В этой ситуации надо поступать подобно детям, которые учатся говорить. Вначале они слышат непонятные им звуки, затем бессмысленно перебирают и повторяют слова и, наконец, замечают, что между ними существуют логические связи. Постепенно они убеждаются, что сами по себе слова часто ничего не означают, но иногда обретают неожиданный смысл, если произнести их в определенном порядке. Конечно, пройдет немало времени, пока они научатся улавливать самые тонкие оттенки мыслей и настроений за простыми сочетаниями обыденных слов. По существу, только тогда дети и становятся взрослыми.

В этой главе мы узнаем довольно много новых фактов об атомах, волнах и квантах. Быть может, выбор фактов и та уверенность, с которой мы будем их толковать, покажутся вначале не очень обоснованными – как ребенку поступки взрослого человека. Но с этим ничего нельзя поделать. Узнавая впервые непривычную реальность атомной физики, все мы поневоле становимся похожими на детей, вступающих в новый для них мир. Без фактов – нет науки. И чтобы наилучшим образом усвоить их – станем на время детьми, которые всегда больше знают, чем понимают.

* Конец прошлого и начало нашего века часто называют героическим периодом физики. Это было время, когда каждый год приносил неожиданные открытия, фундаментальность которых очевидна даже сейчас, более полувека спустя. Одно из таких открытий связано все с той же трубкой Крукса.

8 ноября 1895 г. в лаборатории университета в Вюрцбурге Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923), изучая катодные лучи, обнаружил новое излучение, которое возникало в том месте анода, куда падал пучок электронов. Свойства этого излучения были пугающе необычны: оно без труда пронизывало человеческое тело и даже закрытые дверцы сейфов.

Одного этого открытия было бы достаточно, чтобы нарушить привычный рабочий распорядок многих лабораторий мира. Но эпоха открытий только начиналась. Несколько месяцев спустя, в марте 1896 г., Антуан Анри Беккерель (1852—1908) открыл новый тип излучения, еще более странный: оно возникало самопроизвольно в куске урановой руды. Последующие опыты показали, что оно состояло из электронов, гамма-квантов и положительно заряженных частиц, которые Резерфорд назвал а-частицами.

Некоторые вещества (например, ZnS) начинали светиться, если на них попадал пучок а-частиц. Это позволило все тому же Уильяму Круксу в 1903 г. изобрести спинтарископ – прибор, который позволял видеть вспышки от единичных а-частиц, попадавших на экран из сернистого цинка.

Теперь эти два открытия хорошо известны, но мы о них все-таки напомнили, ибо без них история атома была бы все-таки неполной.

ПЛАНЕТАРНЫЙ АТОМ

В начале века в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. Например, ректор Мюнхенского университета Фердинанд Линдеман (ему принадлежит доказательство трансцендентности числа л) в 1905 г. утверждал, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы – форму лепешки». Продолжала жигь и теория «вихревого атома» лорда Кельвина, согласно которой атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытным курильщиком. (О ней Кирхгоф говорил: «Это прекрасная теория, потому что она исключает любую другую».)

Но большинство физиков склонялось к мысли, что прав Дж. Дж. Томсон: атом – это равномерно положительно заряженный шар диаметром 10~⁸ см, внутри которого плавают отрицательные электроны (или корпёсли, как писали в русских изданиях начала века), размеры которых 10"¹³ см. Сам Джи-Джи – как его называли ученики – относился к своей модели без энтузиазма, а часть физиков представляла себе атом совсем иначе.

Одни об этом говорили вслух. Среди них были Джонстон Стоней, предполагавший еще в 1891 г., что «электроны движутся вокруг атома, подобно спутникам планет»; Жан Перрен, пытавшийся в 1901 г. представить себе «нуклеарнопланетарную структуру атома»; японский физик Хантаро Нагаока, утверждавший в 1903 г., что «пространства внутри атома чрезвычайно громадны по сравнению с размерами самих, образующих его, электрических ядрышек, иными словами, атом представляет своего рода сложную астрономическую систему, подобную кольцу Сатурна». С этими утверждениями были согласны многие: сэр Оливер Лодж, французский физик Поль Ланжевен, норвежский ученый Карл Антон Бьеркнес – этот список можно продолжить.

Другие, как Петр Николаевич Лебедев, доверяли подобные мысли только своему дневнику: в 1887 г. ему казалось, что частота излучения атомов должна определяться частотой вращения электрона по орбите. А голос известного ученого-народника Николая Морозова не был слышен сквозь стены шлиссельбургской крепости.

Но ни один сторонник идеи планетарного атома не мог объяснить главного: устойчивости системы, состоящей из положительной сердцевины и электронов, которые вокруг нее вращаются.

Действительно, на круговой орбите электрон движется ускоренно и, следовательно, по теории Максвелла – Лоренца, должен терять энергию на излучение. Это излучение настолько интенсивно, что уже через 10“¹¹ с электрон обязан упасть на положительный центр притяжения. (Этот результат, полученный немецким ученым Шоттом в 1904 г., надолго станет решающим аргументом во всех спорах о структуре атома.)

Ничего похожего в природе не происходит: реальный атом не только устойчив, но и восстанавливает свою структуру после разрушений, как будто бы свидетельствуя тем самым в пользу модели Томсона. Однако в физике уже более двухсот лет принято правило: окончательный выбор между гипотезами вправе сделать только опыт. Такой опыт поставил в 1909 г. Эрнест Резерфорд (1871—1937) со своими «мальчиками», как он называл своих сотрудников.

Представьте себе крупного и шумного человека, который принужден сидеть в темной комнате и, глядя в микроскоп, считать на экране спинтарископа вспышки – сцинтилляции (от лат. scintilla – искра) а-частиц. Работа изнурительная: уже через две минуты глаза устают. Ему помогают опытный исследователь Ганс Гейгер (1882—1945) и двадцатилетний лаборант Эрнст Марсден (1889– 1970). Их прибор несложен: ампула с радием-С, испускающим а-частицы, диафрагма, которая выделяет из них узкий пучок и направляет его на экран из сернистого цинка, и микроскоп, через который наблюдают сцинтилляции а-частиц на экране. Место появления очередной сцинтилляции предугадать нельзя – они возникают беспорядочно, но так, что в целом на экране получается довольно резкое изображение щели диафрагмы.

Если на пути а-частиц поставить металлическую фольгу, то вместо резкого изображения щели на экране возникает размытая полоса. Она лишь немного шире изображения щели, получаемого в первом случае: частицы отклоняются от прямолинейного пути в среднем всего на 2°, однако несложный расчет показывает: чтобы объяснить даже такие небольшие отклонения, нужно допустить, что в атомах фольги могут возникать огромные электрические поля напряженностью свыше 200 кВ/см. В положительном шаре атома Томсона таких напряженностей быть не может. Столкновения с электронами – также не в счет: ведь по сравнению с ними а-частица, летящая со скоростью 20 км/с, все равно, что пушечное ядро рядом с горошиной. И все же пути а-частиц искривлялись. В поисках разгадки Резерфорд предложил Марсдену

проверить: а не могут ли а-частицы отражаться от фольги назад? С точки зрения модели Томсона предположение совершенно бессмысленное: пушечное ядро не может отразиться от горошины. Прошло два года. За это время Гейгер и Марсден сосчитали более миллиона сцинтилляций и доказали, что назад отражается примерно одна а-частица из 8 тысяч.

7 марта 1911 г. Манчестерское философское общество – то самое,

президентом которого был когда-то Джон Дальтон,– услышало доклад Резерфорда «Рассеяние а– и р-лучей и строение атома». В тот день слушатели узнали, что атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него на расстояниях примерно

10“⁸ см. Размеры ядра очень малы – всего 10“¹³—10“¹² см, но в нем заключена практически вся масса атома. Заряд ядра положителен и численно равен примерно половине атомной массы элемента.

Сравнение с Солнечной системой не случайно: диаметр Солнца (1,4-10⁶ км) почти во столько же раз меньше размеров Солнечной системы (6*10⁹ км), во сколько размеры ядер (10“¹² см) меньше диаметра атома (10~⁸ см).

Мы настолько свыклись с новыми понятиями, что, объясняя понятия электроники, ссылаемся на телевизор, а рассказывая о механике, приводим в пример паровоз. Поэтому сейчас нам трудно понять тогдашнее недоумение людей, по силе ума равных Резерфорду. Действительно, ведь все так прозрачно: просто а-частица отражается от ядер атомов. К этой картине мы привыкаем со школы. Но чтобы нарисовать ее в первый раз, необходима была выдающаяся научная смелость. Прежде чем эта картина попала в учебники, пришлось не только сосчитать свыше миллиона сцинтилляций: нужно было (как вспоминал в конце жизни Гейгер) «преодолеть такие трудности, смысл которых мы сейчас даже понять не в состоянии»; нужно было сначала в течение десяти (!) лет доказывать, что а-частицы – не что иное, как ядра атомов гелия. Обо всем этом постепенно забыли: результат был важнее и проще, чем путь, к нему приведший. О трудностях пути теперь можно было забыть: настало время думать о следствиях этого открытия.

Сообщение Резерфорда физики приняли сдержанно. Сам он в течение двух лет также не очень сильно настаивал на своей модели, хотя и был уверен в безошибочности опытов, которые к ней привели. Причина была все та же: если верить электродинамике, такая система существовать не может, поскольку электрон, вращающийся по ее законам, неизбежно и очень скоро упадет на ядро. Приходилось выбирать: либо электродинамика, либо планетарный атом. Физики молча выбрали первое. Молча, потому что опыты Резерфорда нельзя было ни забыть, ни опровергнуть. Физика атома зашла в тупик. И чтобы выйти из него, нужен был Нильс Бор.