Жанр: Энциклопедия
Сто великих научных открытий
...тавил о себе заговорить.
Нильса признавали необычайно способным исследователем. Его дипломный проект, в
котором он определял поверхностное натяжение воды по вибрации водяной струи,
принес ему золотую медаль Датской королевской академии наук. В 1907 году он стал
бакалавром. Степень магистра он получил в Копенгагенском университете в 1909
году. Его докторская диссертация по теории электронов в металлах считалась
мастерским теоретическим исследованием.
В 1911 году Бор решил поехать в Кембридж, чтобы несколько месяцев поработать в
лаборатории Дж. Дж. Томсона, первооткрывателя электрона. Мать Нильса и его брат
Харальд одобрили эту идею. Не очень рада была, быть может, его невеста Маргарет,
но и она согласилась.
Бор тогда мучительно размышлял над моделью Резерфорда и искал убедительные
объяснения тому, что с очевидностью происходит в природе вопреки всем сомнениям:
электроны, не падая на ядро и не улетая от него, постоянно вращаются вокруг
своего ядра. Вот что пишут в книге "Биография атома" К. Манолов и В. Тютюнник:
"Если у водорода только один электрон, каким образом можно объяснить тот факт,
что он излучает несколько различных по длине волны световых лучей?" - думал Бор.
Он вновь возвратился к теории Николь-сона. Блестящее согласие между вычисленными
и наблюдаемыми значениями отношений длин волн спектров является сильным
аргументом
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
173
в пользу этой теории. Однако Никольсон отождествляет частоту излучения с
частотой колебаний механической системы. Но системы, в которых частота является
функцией энергии, не могут испускать конечного количества однородного излучения,
так как при излучении частота их будет меняться. Кроме того, системы,
рассчитанные Николь-соном, будут неустойчивы при некоторых формах колебаний. И,
наконец, теория Никольсона не может объяснить сериальные законы Баль-мера и
Ридберга.
- Хансен, мне кажется, ответ есть! - сказал Бор. - С помощью выведенного мною
условия устойчивости орбиты электрона в атоме можно рассчитать скорость движения
электрона по орбите, ее радиус и полную энергию электрона на любой орбите.
Причем все формулы содержат один и тот же множитель, так называемое квантовое
число, которое принимает те же целочисленные значения 1, 2, 3, 4 и т.д. Каждому
из этих чисел соответствует определенный радиус орбиты... - Бор немного помолчал
и продолжал. - Ну конечно же, теперь все ясно. Атом может существовать, не
излучая энергии, только в определенных стационарных состояниях, каждое из
которых характеризуется своим значением энергии. Если электрон переходит с одной
орбиты на другую, атом либо испускает, либо поглощает энергию в виде особых
порций - квантов!..
- Так вот в чем секрет! - воскликнул Хансен. - Значит, спектр атома отражает
его строение!
- Теперь все становится на свои места. Ясно, почему атом водорода испускает
несколько видов лучей. Если пронумеруем орбиты, начиная с самой близкой к ядру,
то можно сказать, что электрон перескакивает с четвертой на первую, с третьей на
первую, с третьей на вторую орбиту и т. д. Каждый перескок сопровождается
излучением света соответствующей длины волны. Очень надеюсь, что мне удастся
найти и количественную зависимость..."
В 1913 году Нильс Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчетов,
важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме
всегда существует большое число устойчивых и строго определенных орбит, по
которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на
него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с
одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую. Если при таком переходе
электрон удаляется от ядра, то необходимо сообщить ему извне некоторое
количество энергии, равное разнице в энергетическом запасе электрона на верхней
и нижней орбите. Если электрон приближается к ядру, то лишнюю энергию он
"сбрасывает" в виде излучения...
Вероятно, постулаты Бора заняли бы скромное место среди ряда интересных
объяснений новых физических фактов, добытых Резерфор-дом, если бы не одно
немаловажное обстоятельство. Бор с помощью найденных им соотношений сумел
рассчитать радиусы "разрешенных"
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
орбит для электрона в атоме водорода. Зная разницу между энергиями электрона на
этих орбитах, можно было построить кривую, описывающую спектр излучения водорода
в различных возбужденных состояниях и определить, волны какой длины должен
особенно охотно испускать атом водорода, если подводить к нему извне избыточную
энергию, например, с помощью яркого света ртутной лампы. Эта теоретическая
кривая полностью совпала со спектром излучения возбужденных атомов водорода,
измеренным швейцарским ученым Я. Бальмером еще в 1885 году!
Планетарная модель атома получила могучее подкрепление, у Резерфорда и Бора
появлялось все больше и больше сторонников.
Вернер Карл Гейзенберг
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
Когда прошел восторг первых успехов теории Бора, все вдруг осознали простую
истину: схема Бора противоречива. От такого факта некуда было укрыться, и им
объясняется тогдашний пессимизм Эйнштейна, равно как и отчаяние Паули.
Физики вновь и вновь убеждались, что электрон при движении в атоме не
подчиняется законам электродинамики: он не падает на ядро и даже не излучает,
если атом не возбужден. Все это было настолько необычно, что не укладывалось в
голове: электрон, который "произошел" от электродинамики, вдруг вышел из-под
контроля ее законов. При любой попытке найти логический выход из подобного
порочного круга ученые всегда приходили к выводу: атом Бора существовать не
может.
Выходило, что движение электрона в
атоме подчиняется каким-то другим законам - законам квантовой механики.
Квантовая механика - это наука о движении электронов в атоме. Она первоначально
так и называлась: атомная механика. Гейзенберг - первый из тех, кому выпало
счастье эту науку создавать.
Вернер Карл Гейзенберг (1901 - 1976) родился в немецком городе Вюрцбурге. В
сентябре 1911 года Вернера отдали в престижную гимназию. В 1920 году Гейзенберг
поступил в Мюнхенский университет. Окончив его, Вернер был назначен ассистентом
профессора Макса Борна в Геттингенском университете. Борн был уверен, что
атомный микромир настолько отличается от макромира, описанного классической
физикой, что ученым нечего и думать пользоваться при изучении строения атома
привычными понятиями о движении и времени, скорости, пространстве и определенном
положении частиц. Основа микромира - кванты, которые не следовало пытаться
понять или объяснить с наглядных позиций устаревшей классики. Эта радикальная
философия нашла горячий отклик в душе его нового ассистента.
Действительно, состояние атомной физики напоминало в это время какое-то
нагромождение гипотез. Вот если бы кому-нибудь удалось на опыте доказать, что
электрон действительно волна, вернее, и частица и волна. Но таких опытов пока не
было. А раз так, то и исходить из одних только предположений, что представляет
собой электрон, по мнению педантичного Гейзенберга, было некорректно. А нельзя
ли создать теорию, в которой будут только известные экспериментальные
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
данные об атоме, полученные при изучении излучаемого им света? Что можно сказать
об этом свете наверняка? Что он имеет такую-то частоту и такую-то интенсивность,
не больше...
В июне 1925 года заболевший Гейзенберг уехал отдохнуть на остров Гельголанд в
Балтийском море. Отдохнуть ему не удалось - там он вдруг понял неожиданную
истину: нельзя представлять себе движение электрона в атоме как движение
маленького шарика по траектории. Нельзя, потому что электрон не шарик, а нечто
более сложное, и проследить движение этого "нечто" столь же просто, как движение
бильярдного шара, нельзя.
Л.Пономарев в своей книге пишет: "Гейзенберг утверждал: уравнения, с помощью
которых мы хотим описать движение в атоме, не должны содержать никаких величин,
кроме тех, которые можно измерить на опыте. А из опытов следовало, что атом
устойчив, состоит из ядра и электронов и может испускать лучи, если его вывести
из состояния равновесия. Эти лучи имеют строго определенную длину волны и, если
верить Бору, возникают при перескоке электрона с одной стационарной орбиты на
другую. При этом схема Бора ничего не говорила о том, что происходит с
электроном в момент скачка, так сказать "в полете" между двумя стационарными
состояниями. А все, и Гейзенберг в том числе, по привычке добивались ответа
именно на этот вопрос. Но в какой-то момент ему стало ясно: электрон не бывает
"между" стационарными состояниями, такого свойства у него просто нет!
А что есть? Есть нечто, чему он не знал пока даже названия, но был убежден: оно
должно зависеть только от того, куда перешел электрон и откуда".
До того времени физики пытались найти гипотетическую траекторию электрона в
атоме, которая непрерывно зависит от времени и которую можно задать рядом чисел,
отмечающих положение электрона в определенные моменты времени. Гейзенберг
утверждал: такой траектории в атоме нет, а вместо непрерывной кривой есть набор
дискретных чисел, значения которых зависят от номеров начального и конечного
состояний электрона.
Он представил состояние атома в виде бесконечной шахматной доски, в каждом
квадрате которой написаны числа. Естественно, что значения этих чисел зависят от
положения квадрата на "атомной доске", то есть от номера строки (начальное
состояние) и номера столбца (конечное состояние), на пересечении которых стоит
число.
Если известны числа X своеобразной записи "атомной игры", то об атоме известно
все необходимое, чтобы предсказать его наблюдаемые свойства: спектр атома,
интенсивность его спектральных линий, число и скорость электронов, выбитых из
атома ультрафиолетовыми лучами, а также многое другое.
Числа X нельзя назвать координатами электрона в атоме. Они заменяют их, или, как
стали говорить позже, представляют их. Но
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
что означают эти слова - на первых порах не понимал и сам Гейзенберг. Однако тут
же с помощью Макса Борна (1882-1970) и Паскуаля Иордана удалось понять, что
таблица чисел - не просто таблица, а матрица.
"Матрицы, - замечает Л.И.Пономарев, - это таблицы величин, для которых
существуют свои строго определенные операции сложения и умножения. В частности,
результат перемножения двух матриц зависит от порядка, в котором они
перемножаются. Это правило может показаться странным и подозрительным, но
никакого произвола в себе не содержит. По существу, именно это правило отличает
матрицы от других величин. Менять его по своей прихоти мы не вправе - в
математике тоже есть свои незыблемые законы. Законы эти, независимые от физики и
всех других наук, закрепляют на языке символов все мыслимые логические связи в
природе. Причем заранее неизвестно, реализуются ли все эти связи в
действительности.
Конечно, математики о матрицах знали задолго до Гейзенберга и умели с ними
работать. Однако для всех было полной неожиданностью, что эти странные объекты с
непривычными свойствами соответствуют чему-то реальному в мире атомных явлений.
Заслуга Гейзенберга и Борна в том и состоит, что они преодолели психологический
барьер, нашли соответствие между свойствами матриц и особенностями движения
электронов в атоме и тем самым основали новую, атомную, квантовую, матричную
механику.
Атомную - потому, что она описывает движение электронов в атоме. Квантовую - ибо
главную роль в этом описании играет понятие кванта действия. Матричную -
поскольку математический аппарат, необходимый для этого, - матрицы".
В новой механике каждой характеристике электрона: координате, импульсу, энергии
- соответствовали соответствующие матрицы. Потом уже для них записывали
уравнения движения, известные из классической механики.
Гейзенберг установил даже нечто большее: он выяснил, что кван-тово-механические
матрицы координаты и импульса - это не вообще матрицы, а только те из них,
которые подчиняются коммутационному (или перестановочному) соотношению.
В новой механике это перестановочное соотношение играло точно такую же роль, как
условие квантования Бора в старой механике. И точно так же, как условия Бора
выделяли стационарные орбиты из набора всех возможных, коммутационное
соотношение Гейзенберга выбирает из множества всех матриц только квантовомеханические.
Не случайно, что в обоих случаях - и в условиях квантования Бора, и в уравнениях
Гейзенберга - необходимо присутствует постоянная Планка. Постоянная Планка
непременно входит во все уравнения квантовой механики, и по этому признаку их
можно безошибочно отличить от всех других уравнений.
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Новые уравнения, которые нашел Гейзенберг, были непохожи ни на уравнения
механики, ни на уравнения электродинамики. С точки зрения этих уравнений
состояние атома полностью задано, если известны матрицы координаты или импульса.
Причем структура этих матриц такова, что в невозбужденном состоянии атом не
излучает. Согласно Гейзенбергу, движение - это не перемещение электрона-шарика
по какой-либо траектории вокруг ядра.
Движение - это изменение состояния системы во времени, которое описывает матрицы
координаты и импульса.
Вместе с вопросами о характере движения электрона в атоме сам собой отпал и
вопрос об устойчивости атома. С новой точки зрения в невозбужденном атоме
электрон покоится, а потому и не должен излучать.
Теория Гейзенберга была внутренне непротиворечива, чего схеме Бора так
недоставало. Вместе с тем она приводила к таким же результатам, что и правила
квантования Бора. Кроме того, с ее помощью удалось, наконец, показать, что
гипотеза Планка о квантах излучения - это простое и естественное следствие новой
механики.
Надо сказать, что матричная механика появилась весьма кстати. Идеи Гейзенберга
подхватили другие физики и скоро, по выражению Бора, она приобрела "вид, который
по своей логической завершенности и общности мог конкурировать с классической
механикой".
Впрочем, было в работе Гейзенберга и одно удручающее обстоятельство. По его
словам, ему никак не удавалось вывести из новой теории простой спектр водорода.
И каково было его удивление, когда некоторое время спустя после опубликования
его работы, как он написал, "Паули преподнес мне сюрприз: законченную квантовую
механику атома водорода. Мой ответ от 3 ноября начинался словами: "Едва ли нужно
писать, как сильно я радуюсь новой теории атома водорода и насколько велико мое
удивление, что Вы так быстро смогли ее разработать".
Появление матричной механики Гейзенберга физики встретили с огромным
облегчением: "Механика Гейзенберга снова вернула мне радость жизни и надежду.
Хотя она и не дает решения загадки, но я верю, что теперь снова можно
продвигаться вперед", - писал Паули 9 октября 1925 года.
Свою веру он вскоре сам же и оправдал. Применив новую механику к атому водорода,
он получил те же формулы, что и Нильс Бор на основе своих постулатов. Конечно,
при этом возникли новые трудности, однако это уже были трудности роста, а не
безнадежность тупика.
Нильс Бор
ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
Принцип, который очень точно и емко Бор назвал дополнительностью, - одна из
самых глубоких философских и естественно-научных идей настоящего времени. С ним
можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о
физическом поле.
"За годы, предшествующие выступлению Н. Бора в Комо, имели место многочисленные
дискуссии о физической интерпретации квантовой теории, - пишет У.И. Франкфурт. -
Суть квантовой теории - в постулате, согласно которому каждому атомному процессу
свойственна прерывность, чуждая классической теории. Квантовая теория признает в
качестве одного из своих основных положений принципиальную ограниченность
классических представлений при их применении к атомным явлениям, чуждую
классической физике, но в то же время интерпретация эмпирического материала
основывается главным образом на применении классических понятий. Из-за этого при
формулировке квантовой теории возникают существенные трудности. Классическая
теория предполагает, что физическое явление можно рассматривать, не оказывая на
него принципиально неустранимого влияния".
Для доклада на Международном физическом конгрессе в Комо "Квантовый постулат и
новейшее развитие атомной теории" ввиду важности обсуждавшихся проблем Бору была
предоставлена четырехкратная норма времени. Дискуссия по его докладу заняла все
оставшееся время конгресса.
"...Открытие универсального кванта действия, - говорил Нильс Бор, - привело к
необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия
следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая
теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие
в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия
Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений
атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут
быть включены в рамки причинного описания... Этот результат, первоначально
казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
основы мироздания
в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным
поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами,
используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с
необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно
учтено по самому смыслу понятия измерения...
Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой ситуации в
физике в отношении анализа и синтеза опытных данных. Она заставляет нас заменить
классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым
обычно "дополнительностью". Получаемые нами с помощью различных измерительных
приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в
действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным
образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в
частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно
проанализировать "индивидуальность" отдельного атомного процесса, которую,
казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса
на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать
непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам
необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого
не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между
постулатом теории относительности и принципом дополнительности при всем их
различии можно усмотреть определенную формальную аналогию. Она заключается в
том, что подобно тому, как в теории относительности оказываются эквивалентными
закономерности, имеющие различную форму в разных системах отсчета вследствие
конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности,
изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно
противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически
совместимыми.
Чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации,
совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего
рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль
за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой
контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа
однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими
используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем
говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта
исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий,
существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь
взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно
возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это имеет место в
квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние на ход
изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны
отказаться от характерной для классического описания связи между
пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими
законами сохранения. Это вытекает из того, что использование масштабов и часов
для установления системы отсчета по определению исключает возможность учета
величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе
рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в
формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии,
могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается
строгий контроль за пространственно-временным поведением объекта".
Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же
опыте определить обе характеристики атомного объекта - координату и импульс.
Но Бор пошел дальше. Он отметил, что координату и импульс атомной частицы нельзя
измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора.
Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно
легкий подвижный "прибор". Но именно из-за его подвижности положение его весьма
неопределенно. Для измерения координаты нужен очень массивный "прибор", который
не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом
случае ее импульс, мы этого даже не заметим.
"Дополнительность - вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны
всем благодаря Бору, - пишет Л.И.Пономарев. - До него все были убеждены, что
несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость
их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства
их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они
равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.
Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов
хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не
исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для
измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р - это те понятия,
которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В
знакомой нам цепочке познания - явление - образ, понятие, формула, принцип
дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики
и на логике ее умозаключений.
Дело в том, что среди строгих положений формальной логики ¦ существует "правило
исключенного третьего", которое гласит: из двух
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
противоположных высказываний одно истинно, другое - ложно, а третьего быть не
может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку
там понятия "волна" и "частица" действительно противоположны и несовместимы по
существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба они одинаково хорошо
применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного
описания необходимо использовать их одновременно".
Принцип дополнительности Бора - удавшаяся попытка примирить недостатки
устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип
расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не
только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений.
Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой
механики, где он возник первоначально. Лишь позже - при попытках распространить
его на другие области науки - выяснилось его истинное значение для всей системы
человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого шага, но нельзя
отрицать его плодотворность во всех случаях, даже далеких от физики.
"Бор показал, - отмечает Пономарев, - что вопрос "Волна или частица?" в
применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у
атома нет, и потому вопрос не допускает однозначного ответа "да" или "нет".
Точно так же, как нет ответа у вопроса: "Что больше: метр или килограмм?", и у
всяких иных вопросов подобного типа.
Два дополнительных свойства атомной реальности нельзя разделить, не разрушив при
этом полноту и единство явления природы, которое мы называем атомом...
...Атомный объект - это и не частица, и не волна и даже ни то, ни другое
одновременно. Атомный объект - это нечто третье, не равное простой сумме свойств
волны и частицы. Это атомное "нечто" недоступно восприятию наших пяти чувств, и
тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы
вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта,
опираясь на опыт, позволяет познать ее и без этого. В конце концов (надо
признать правоту Борна), "...теперь атомный физик далеко ушел от идиллических
представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны
природы, подстерегая бабочек на лугу".
Энрико Ферми
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен (1897-1956) и Фредерик (19001958)
Жолио-Кюри. 15 января 1934 года их заметка была представлена Ж. Перреном
на заседании Парижской Академии наук. Ирен и Фредерик сумели установить, что
после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы - магний, бор,
алюминий - испускают позитроны. Далее они попытались установить механизм этого
испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время
случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц (препарат
полония) на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они
подвергали ее облучению в течение пример
...Закладка в соц.сетях
