Эддингтон А. Относительность и кванты.
Пер. с англ. № 266. Изд. 4, стереотип.

Оглавление

Из первой главы. Крах классической физики

Структура атома

В 1905–1908 гг. Эйнштейн и Минковский подвергли пересмотру самые основы наших представлений о времени и пространстве. В 1911 г. Резерфорд внес наиболее существенное со времен Демокрита изменение в наше представление о материи. Любопытно, что эти два открытия были встречены совершенно по-разному. Новые идеи о пространстве и времени всеми воспринимались как нечто революционное; одни отнеслись к ним с горячим сочувствием, другие – с резкой враждебностью. Новые же представления о материи проделали обычный путь научных открытий – справедливость их обнаружилась постепенно, и по мере накопления опытных подтверждений старая теория спокойно вытеснялась новой. Никто не почувствовал внезапного удара. И все же, прислушиваясь к протестам против большевизма современной науки и к сожалениям о старом добром порядке, я склонен думать, что истинным злодеем в этой драме является не Эйнштейн, а Резерфорд. Разница между современными и прежними представлениями о вселенной заключается не столько в перестройке понятий пространства и времени, произведенной Эйнштейном? сколько в том, что все, считавшееся наиболее прочным, теперь рассматривается как совокупность крошечных сгустков, движущихся в пустоте. Это последнее обстоятельство особенно сильно бьет по тем, которые думают, что истинная природа вещей более или менее соответствует их внешнему виду. Существование внутриатомной пустоты, установленное современной физикой, имеет еще большее значение, чем существование открытой астрономией межзвездной пустоты.

Атом так же пуст, как солнечная система. Если бы в человеческом теле не было пустот и его протоны и электроны собрались в одну массу, то от человека остался бы комочек, едва различимый в увеличительное стекло.

Эта пористость материи была неизвестна прежней атомной теории. Правда, и тогда знали, что в газах, например в воздухе, атомы находятся на больших расстояниях друг от друга и оставляют большую часть занятого газом пространства пустым. Но при ртом считалось, что только те тела содержат сравнительно небольшое количество материи, которые по своим характерным свойствам похожи на воздух. "Воздушное ничто" было обычным выражением для обозначения невещественного. В твердых же телах атомы находятся близко друг к другу, так что прежняя атомная теория в согласии с обычными представлениями считала твердые тела плотно заполненными веществом без сколько-нибудь значительных промежутков.

Возникшая в конце XIX столетия электрическая теория материи сперва стояла на той же точке зрения. Было известно, что отрицательное электричество состоит из элементарных зарядов очень небольшого размера. Но зато считалось, что другая составная часть материи – положительное электричество – распределена по сфере, размеры которой совпадают с размерами атома и внутри которой плавают крошечные отрицательные электроны. Таким образом и Эта теория считала, что большая часть пространства внутри твердого тела является заполненной.

В 1911 г. Резерфорд впервые показал, что положительное электричество тоже сконцентрировано в крошечных комочках. Его опыты с рассеянием альфа-частиц показали, что атом является источником таких больших электрических сил, существование которых возможно только при громадных концентрациях положительного электричества. Размеры этого положительного ядра должны быть ничтожны по сравнению с размерами атома. Таким образом впервые было признано, что большая часть объема атома ничем не заполнена и что атомная система не похожа на вещественный "биллиардный шар", а по типу скорее совпадает с "солнечной системой". Через три года после этого на основании резерфордовской модели Нильс Бор развил свою знаменитую теорию, и начался ряд быстрых успехов в этом направлении. Как бы ни менялась в дальнейшем наша точка зрения, возвращение к старым субстанциальным атомам является невозможным.

В настоящее время общепризнано, что все разнообразные формы материи в конечном счете состоят из двух элементарных слагающих – протонов и электронов. По своим электрическим свойствам они равны и противоположны друг другу: протон заряжен положительно, электрон – отрицательно. Но в других отношениях их свойства совершенно различны. Масса протона в 1840 раз больше массы Электрона, так что почти вся масса материи сводится к массе образующих ее протонов. Изолированный протон встречается только в простейшем типе материи – водороде, атом которого состоит из одного протона и одного электрона. В других же атомах положительное ядро представляет собой соединение известного числа протонов и меньшего числа электронов. Нейтрализующие его электроны разбросаны вокруг ядра как отдаленные спутники; они могут даже отрываться от атома и свободно двигаться по материи. Диаметр электрона равен 1/50000 диаметра атома; диаметр ядра не на много больше; диаметр же изолированного протона, повидимому, еще значительно меньше.

Тридцать лет назад шли большие споры по поводу так называемого увлечения эфира, т.е. по поводу того, увлекается ли эфир Землей при ее вращении вокруг Солнца. В то время прочность атома считалась бесспорной, и казалось невозможным, чтобы материя могла проложить себе путь через эфир, не вызывая его возмущения. Результаты опытов, указывающие на отсутствие такого возмущения, были с этой точки зрения совершенно непонятны. Теперь же ясно, что эфир может свободно проходить через атом, как через солнечную систему.

К атомной "солнечной системе" мы вернемся в следующих главах. Пока же нас интересуют только два свойства атома: 1) его пустота и 2) тот факт, что он построен из электрических зарядов.

Ядерная теория атома Резерфорда обычно не причисляется к ряду больших научных переворотов настоящего столетия. Она представляет собой большое открытие, но такое открытие, которое целиком укладывается в классическую схему физики. Природу и значение этого открытия можно выразить в простых терминах, т.е, в терминах ходячих научных концепций. Эпитетом "революционный" обычно обозначают два великих достижения современной науки: теорию относительности и теорию квантов. Эти теории не сводятся просто к новым открытиям, а влекут за собой изменение всех наших взглядов на вселенную. Их нельзя сразу выразить в обычных терминах, так как классическая физика и не помышляла об этих концепциях.

Я не уверен, что термин "классическая физика" когда-либо получал точное определение. Идея его заключается в том, что общая схема законов природы, изложенная Ньютоном в его "Principia", дала те рамки, в которых происходило все дальнейшее развитие. В пределах этой схемы наши взгляды могли претерпевать большие изменения: корпускулярная теория света сменилась волновой; теплоту, вместо калорической субстанции, стали рассматривать как кинетическую энергию; на место теории электрической жидкости стала теория эфирных натяжений. Но все это еще укладывалось в первоначальную схему. Понятия волн, кинетической энергии и натяжений имели в ней место и применение этих понятий для объяснения более широкого круга явлений служило только подтверждением всеобъемлющего охвата первоначальной точки зрения Ньютона. Посмотрим теперь, каким образом эта классическая схема потерпела крах.

Фитц-джеральдово сокращение

Удобнее всего нам будет начать со следующего факта. Рассмотрим стержень, движущийся с очень большой скоростью. Пусть сначала его направление перпендикулярно направлению движения. Повернем его теперь на 90^o, т.е. поставим его по направлению движения. Стержень испытает сокращение. Вдоль направления движения он будет короче, чем тогда, когда стоял перпендикулярно ему.

Это явление, носящее название фитц-джеральдова сокращения, при обычных условиях чрезвычайно мало. Оно совершенно не зависит от материала стержня и определяется исключительно его скоростью. Если эта скорость равна, например, 28 км/сек, т.е. скорости Земли вокруг Солнца, то сокращение достигает 1/200000000 на единицу длины, или 5,5 см на диаметр Земли.

Существование его обнаруживается рядом опытов самого разнообразного типа. Наиболее ранним и известным из них является опыт Майкельсона и Морлея, впервые произведенный в 1887 г., повторенный более точно Морлеем и Миллером в 1905 г. и вслед за ними рядом исследователей в последние один-два года. Я не буду описывать этих опытов; укажу лишь, что наиболее удобный метод для придания стержню большей скорости заключается в помещении его на Землю, движущуюся с большой скоростью вокруг Солнца. Я не буду сейчас также говорить о том, насколько убедительны эти опыты Гораздо более важно подчеркнуть, что наблюдаемое сокращение как раз таково, какого нужно было бы ожидать на основании общеизвестных свойств материального стержня.

Вам, вероятно, кажется странным, что размеры движущегося стержня зависят от направления его движения. Скорее нужно было бы ожидать, что они останутся неизмененными. Но какой стержень вы имеете в виду? Если вы себе представите его в виде непрерывной субстанции, заполняющей пространство, потому что таково свойство всякой субстанции, то тогда, действительно, изменение его размеров кажется странным. Но наука рассматривает стержень как совокупность электрических частиц, находящихся на сравнительно больших расстояниях друг от друга. С этой точки зрения, наоборот, является чудесным то, что стержень вообще имеет какие-то определенные размеры. Пространство, занятое частицами, т.е. объем стержня, остается в среднем постоянным только до тех пор, пока электрические силы, стремящиеся сблизить между собою частицы стержня, и отталкивательные силы, вызванные движением этих частиц, уравновешивают друг друга. Когда же стержень приходит в движение, электрические силы, действующие между его частицами, меняются. Движущееся электричество представляет собою электрический ток. Но электрический ток в противоположность покоящемуся электричеству служит источником магнитных сил. Интенсивность этих сил, возникающих благодаря движению зарядов, разумеется, по направлению движения одна, а по перпендикулярному направлению – другая.

Таким образом, когда стержень, т.е. все составляющие его электрические частицы, приведен в движение, между этими частицами возникают новые магнитные силы взаимодействия. Ясно, что первоначальное равновесие при этом нарушается, и расположение частиц меняется сообразно новому положению равновесия. В частности, меняется протяженность всей системы частиц, т.е. длина стержня.

Итак, мы видим, что в фитц-джеральдовом сокращении нет ничего чудесного. Оно кажется непонятным, только если рассматривать стержень по-старому, – как непрерывную субстанцию, заполняющую пространство вследствие своей субстанциальности. Наоборот, оно является совершенно естественным свойством совокупности частиц, равновесие которых поддерживается электромагнитными силами и которые "Заполняют пространство" только в том смысле, что мешают всякому другому телу проникнуть в него. В самом деле, нужно ожидать, что длина стержня остается постоянной только до тех пор, пока силы, действующие на стержень, постоянны. При движении же стержня возникают новые магнитные натяжения, не связанные ни с какими внешними воздействиями, а являющиеся естественным свойством электрической структуры самого стержня. Под влиянием этих натяжений и происходит сокращение. Вы можете возразить, что для достаточно твердого стержня сокращение должно быть незаметно. Однако в действительности сокращение одинаково для стержня из стали и из резины: чем больше твердость стержня, тем больше и сокращающее его натяжение. Не надо думать, что невозможность сохранить постоянную длину является недостатком стержня. Это есть недостаток: только по сравнению с каким-то воображаемым "нечто", не обладающим электрической структурой, т.е. вообще чем-то нематериальным. Фитц-джеральдово сокращение, подобно инерции, является неотъемлемым и характерным свойством материи.

Наши рассуждения носят чисто качественный характер; разработать вопрос количественно – дело математики. Эта проблема была разработана Лорентцом и Лармором около 1900 г. Они вычислили изменение средней протяженности совокупности электрических частиц, вызываемое новыми силами, появляющимися при ее движении. В результате вычисления получилось как раз фитц-джеральдово сокращение, вытекающее из вышеупомянутых опытов. Таким образом мы можем убедиться в его существовании двояким путем: для одних предпочтительнее* считать, что достоверность результата основывается на данных опыта; Для других же более убедительно то, что фитц-джеральдово сокращение является необходимым следствием общепринятой схемы электромагнитных законов Максвелла. И теория и опыт иногда приводят к ошибкам, так что обе эти альтернативы одинаково хороши.

Об авторе

Выдающийся английский физик и астроном, член Лондонского королевского общества (1914). Учился в Кембриджском университете, а с 1906 по 1913 гг. был ассистентом в старейшей в Англии Гринвичской обсерватории. С 1914 г. – профессор и директор обсерватории Кембриджского университета. В 1921–1923  гг. президент Королевского астрономического общества в Лондоне.

Научные работы А.С.Эддингтона посвящены главным образом изучению движения звезд, их внутреннего строения, теории относительности и релятивистской космологии. Именно он экспериментально подтвердил одно из предсказаний теории относительности – отклонение лучей света в гравитационном поле Солнца, которое он обнаружил во время полного солнечного затмения в 1919 г. Им получен ряд основополагающих результатов в таких областях астрофизики, как внутреннее строение звезд, состояние межзвездной материи, движение и распределение звезд в Галактике. В последние годы А.С.Эддингтон работал над созданием единой физической теории на основе квантовой механики, общей теории относительности и теории расширения Вселенной.