Милантьев В.П. История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме Изд. стереотип.

Оглавление

Введение

История физики является одним из важнейших разделов физики. Ее основная задача состоит не столько в констатации фактов, открытий, гипотез, сколько в анализе эволюции понятий и представлений. Как считал великий физик Альберт Эйнштейн: "... не интересна история фактов, – когда, кто это сделал и т. д., волнует эволюция идей" (по словам Р. Шэн- кленда, УФН, 87(4), с. 711, 1965). Вместе с тем идеи и представления высказывались и развивались реальными людьми, гениальными творческими умами в конкретный исторический период существования человеческого общества. Поэтому невозможно отделить эволюцию идей от их творцов с их ошибками и блистательными победами. Факты же сами по себе еще не представляют собой науку. Об этом образно сказал французский физик и математик Анри Пуанкаре: "Наука состоит из фактов, как дом из камней. Но собрание фактов еще не наука, точно так же как куча камней еще не дом". Чтобы понять, как создавалось и развивалось величественное здание современной физики, необходимо изучить эволюцию понятий и представлений от их истоков до современного уровня. В этом духе высказывался известный физик Ван дер Варден, "... полного понимания физической теории можно достичь, лишь следуя историческому методу. Этот метод позволяет нам судить, насколько та или иная гипотеза необходима для объяснения определенного круга явлений, можно ли ее видоизменять и каковы пределы ее применимости" (сб. Теоретическая физика XX века / Под ред. М. Фирца, В. Вайскопфа. М.: ИЛ, 1962, с. 231).

Значительная часть развития физических идей связана с фундаментальной переработкой и переосмыслением основных представлений мыслителей древности. Это: атомистическая гипотеза Демокрита–Эпикура, которая сохраняла свое значение до конца XIX века; воззрения Аристотеля, игравшие большую роль вплоть до середины XVII века, и в борьбе с которыми сформировалась механика; учение Платона о теплороде, которое в разных вариантах использовалось почти до середины XIX века.

Среди различных физических идей особую роль играет атомная гипотеза. Об этом блестяще сказал выдающийся американский физик Ричард Фейнман: "Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом – это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения" (Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Т. 1, 2. М.: Издательство ЛКИ/URSS, 2007, с. 23).

Настоящая книга посвящена истории развития атомной гипотезы от ее возникновения до современного состояния. Насколько нам известно, книги такого рода пока отсутствуют, хотя в литературе по истории физики и истории квантовой теории, конечно, затрагиваются и вопросы эволюции представлений об атоме.

Физические понятия и представления, сформулированные многими мыслителями – естествоиспытателями, чаще всего опирались на опытные данные, получаемые с помощью непосредственного созерцания и осмысления явлений природы. Но лишь в ХVIII веке, когда физика из "философии природы", или естествознания в целом, превратилась в самостоятельную науку, не стало сомнений, что, по словам французского энциклопедиста Дени Дидро, "экспериментальная физика бесспорно составляет основу наших подлинных знаний". Это отмечал великий физик Исаак Ньютон в своих знаменитых "Началах": "Свойства тел познаются не иначе, как с помощью экспериментов; следовательно, за общие свойства надо принимать те, которые постоянно обнаруживаются в опытах и которые как не подлежащие уменьшению, устранены быть не могут. Понятно, что в противность ряду опытов не следует измышлять на авось каких-нибудь бреден, не следует также уклоняться от сходственности в природе, ибо природа всегда проста и всегда сама с собой согласна".

Великий английский физик Джеймс Максвелл подчеркивал, что физические понятия и представления возникают на основе эксперимента "в согласии с числом, мерой и весом". В своей лекции в Королевском колледже в Лондоне в 1860 году он говорил: "Истины, которым мы подчиняемся, лежат высоко за областью туманов и бурь, скрывающей эти истины от непросвещенного ума. Тем не менее, они покоятся на крепком фундаменте мироздания и были утверждены давно в согласии с числом, мерой и весом... Все величины должны быть точными величинами, все законы должны быть выражены в терминах точных величин, чтобы всегда существовал эффективный способ обнаружения ошибки и полная гарантия против неясности или неоднозначности... " (УФН, 135(3), с. 371, 1981).

Развитие физики происходило при тесном взаимодействии экспериментальных и теоретических исследований. Как говорил в своей Нобелевской речи американский физик Роберт Милликен, "Наука идет вперед на двух ногах – теории и эксперимента. Иногда вперед выдвигается одна нога, иногда другая, но неуклонный прогресс достигается лишь тогда, когда обе шагают одинаково". Квантовые понятия и представления, составляющие основу физики атома, также возникали под неумолимым напором экспериментальных фактов. Вместе с тем идеи, высказываемые гениальными творцами современной физики, часто опережали эксперимент, и лишь в дальнейшем они получали опытное подтверждение. Эти идеи произвели коренную революцию в физике, и стали основой современной физики, в том числе, физики атомов и молекул. Конечно, гениальные идеи не возника- ли на пустом месте, – они подготавливались всем ходом развития физики.

Становление и развитие атомной физики происходило при революционном переосмыслении классических понятий и представлений и сопровождалось острыми дискуссиями по проблеме причинности в физике, проблеме измерений и роли наблюдателя, и по проблем человеческого познания вообще. Некоторые итоги этих дискуссий отражены в книге великого датского физика Нильса Бора "Атомная физика и человеческое познание" (М.: ИЛ, 1961). Одной из острых является проблема отражения действительности в понятиях и представлениях физики. По этому поводу Эйнштейн писал: "Реальность не дана нам, а задана (так же, как задают загадки). Это означает, что понять происходящее вне нас можно с помощью построения понятий, достоверность которых целиком основана на их подтверждении. Построенные таким образом понятия точно соответствуют "действительности", и любой дальнейший вопрос о "природе действительности" является бессмысленным". Подчеркивая особенности квантовых понятий и представлений и основанной на них физической картины мира, выдающийся немецкий физик Макс Планк говорил: "Построение физической науки происходит на основе измерений и так как каждое измерение связано с чувственным восприятием, то все понятия физики берутся из мира ощущений. Поэтому также каждый физический закон в принципе относится к событиям из мира ощущений... В физике, как и в любой другой науке, царствует не только логика, но и разум. Не все то, что не содержит логических противоречий, также и разумно" (М. Избр. соч. с. 569). И далее он развил удивительную диалектическую мысль: "... Хотя причиной для всякого улучшения и упрощения физической картины мира всегда является новое наблюдение, т. е. процесс в мире ощущений, однако физическая картина мира по своей структуре при этом все более удаляется от мира ощущений... происходящий одновременно с дальнейшим усовершенствованием физической картины мира дальнейший ее отход от мира ощущений, означает не что иное, как дальнейшее приближение к реальному миру... " (там же, с. 759).

Понять такие странные на первый взгляд мысли можно, проследив весь путь развития представлений об атоме. Этот путь, полный, по словам Эйнштейна, "драмы идей", рассматривается в данной книге.

Более двух тысячелетий атом считался мельчайшей бесструктурной частицей вещества. Лишь великие открытия XIX и ХХ веков привели к пониманию того, что атом обладает структурой и состоит из электронов и ядра. Затем оказалось, что и ядро является сложным объектом, состоящим из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны получили общее название – нуклоны. Дальнейшее развитие физики показало, однако, что простые представления о том, что ядро состоит из протонов и нейтронов, как из "последних кирпичиков", также неверно. Из экспериментов следует, что нуклоны имеют сложную структуру, они строятся из кварков и взаимно превращаются друг в друга. Согласно современным представлениям "кирпичиками" мироздания являются лептоны и кварки. Лептонами являются, в частности, электроны. Имеют ли лептоны и кварки структуру, покажет будущее развитие физики. Таким образом, атомная физика убедительно подтвердила мысль, которую высказывали многие прозорливые ученые, о бесконечности познания природы. Эту мысль облек в поэтическую форму Валерий Брюсов еще в 1922 году:

Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков! Еще,
быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Квантовые понятия и представления кажутся довольно трудными при первом знакомстве с ними, и противоречащими "здравому смыслу", основанному на обыденном опыте. Например, в микромире невозможно одновременно точно определить координату и импульс частицы в некотором направлении; не существуют орбиты – траектории электронов в атоме; все микрочастицы, например электроны, являются тождественными – их нельзя отличить ни по какому признаку – они все абсолютно на одно "лицо", и т. д. Чрезвычайно важным было открытие, что законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, справедливые для макропроцессов, выполняются и в микромире. Наряду с этим оказалось, что в микромире существуют свои специфические законы сохранения, например, закон сохранения четности и т. д.

Современная квантовая теория разрушила, казалось бы, вполне естественные представления о качественной одинаковости макро- и микро – мира. Вместе с тем она привела к пониманию их единства и взаимообусловленности. Квантовая теория блестяще объясняет не только свойства мира атомов, но и макроскопические эффекты, например, сверхпроводимость и сверхтекучесть. Более того, оказалось, что без квантовых представлений невозможно объяснить и некоторые мегапроцессы, например, свойства нейтронных звезд – пульсаров. Оказалось также, что межзвездное пространство нашей Галактики содержит газ, состоящий из атомов и молекул, и что существуют межзвездные мазеры, и т. п. В последние годы происходит взаимное проникновение физики высоких и сверхвысоких энергий, изучающей явления на расстояниях порядка 10^-13–10^-16 см, и астрофизики, изучающей свойства макроструктур Вселенной.

Как и всякая физическая теория, квантовая теория и физика атомов имеет многочисленные приложения. Это атомные электростанции и атомные корабли, квантовые генераторы электромагнитного излучения – мазеры, лазеры, квантовые компьютеры и многое другое.

Физика является интереснейшей и увлекательнейшей наукой, приносящей большое удовлетворение тем, кто, преодолевая трудности, чувствует в ней красоту. Как говорил М. В. Ломоносов, "ничто на земли смертному высше и благороднее быть не может, как упражнение, в котором, красота и важность, отнимая чувствие тягостного труда, некоторою сладостию ободряет". Современная физика достигла высочайшего развития и совершенства, но не следует думать, что физика как наука полностью построена. Еще великий философ древности Сократ предостерегал: "Основная ошибка, которой следует остерегаться, – полагать, что мы знаем больше, чем на самом деле". Эту же мысль развивал один из основателей квантовой физики Луи де Бройль: "Величайшей ошибкой, которую, кстати, очень легко сделать, было бы мнение о том, что современные представления науки являются окончательными... Мы никогда не должны забывать (история наук это доказывает), что каждый успех нашего познания ставит больше проблем, чем решает... ".

Приведем в заключение слова Эйнштейна о науке: "В своей долгой жизни я познал одну истину, что вся наша наука кажется примитивной и неразвитой, если ее сравнить с реальностью, и все же это самая большая драгоценность, которой мы обладаем".

В книге используются многочисленные цитаты из источников, которые указаны в тексте и в списке литературы. Были использованы также материалы из различных сайтов в интернете. В приложении приведены в сокращенном виде классические статьи Эрнеста Резерфорда, Макса Планка и Нильса Бора.

Автор искренне благодарен профессору В. И. Санюку, внимательно прочитавшему рукопись и сделавшему ряд ценных замечаний.

Об авторе