Глава I. Начала
страница №3
...м, ничем не отличавшиеся от законов, управляющих течением жидкости по трубам, настойчиво изучал оставшиеся еще не вполне ясными свойства упругих тел. Судьбе было угодно столкнуть его с замечательным химиком Бунзеном, успевшим прославиться изобретением угольно-цинкового гальванического элемента и тем, что с его помощью Бунзен получил металлический магний, литий, кальций и стронций.Потеряв глаз при взрыве во время одного из опытов, тяжело отравившись мышьяком, Бунзен оставался оптимистом и видел многое, скрытое от других. Он проложил дорогу химии металлорганических соединений и химии радикалов и стремился создать метод химического анализа, пригодный для контроля металлургических процессов. Здесь основным требованием была быстрота - качество, почти недоступное химии.
Итак, они встретились, и совместная работа закипела. Они начали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов, пользуясь спектроскопом и газовой горелкой, специально изобретенной Бунзеном. Эта горелка, существующая поныне, дает почти бесцветное пламя. Ее потомки трудятся и в газовых плитах, ив огромных топках.
После Ньютона не только в лабораториях, но и в светских гостиных увлекались разложением белого света в радужные полоски. Но лишь в самом начале XIX века Волластон соединил призму с узкой щелью в камере-обскуре. Так возник спектроскоп. Спектр получился в нем необычайно ярким, как хвост жар-птицы, цвета были насыщенными, свободными от белесой дымки, мешавшей всем предшественникам Волластона. На фоне радужной полоски Волластон увидел семь темных линий. Он принял их за границы, разделяющие цвета спектра, и не придал им никакого значения. Мелкий факт, вполне понятный. Что могло быть более обычным, чем границы, в ту пору - пору мелких княжеств и враждующих государств.
Не удивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.
Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Волластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали четкие темные линии... Их были сотни...
Спектроскопы Фраунгофера завоевывали все большую популярность. Многие любовались чарующей симфонией света. Но "смотреть" не означает "видеть". По своему смыслу "видеть" гораздо ближе к "понимать". Именно это имеет в виду англичанин, спрашивая: "You see?"
Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривали всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких и ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что желтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали и при внесении в пламя других солей натрия. Зеленые линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.
Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу - Тальбот прав, говоря: "Когда в спектре пламени появляются определенные линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени". Более того, каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных" линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.
Так родился спектральный анализ.
Вскоре после начала совместных работ Бунзен и Кирхгоф открыли два новых элемента, которым они дали наименования цезий (от латинского "голубой") и рубидий (красный) в соответствии с цветом характерных для этих элементов спектральных линий. Открытие убедительно продемонстрировало мощь нового метода. В развитие и применение спектрального анализа включилось множество ученых.
Один за другим были открыты таллий, индий и галлий - последний предсказан Д.И.Менделеевым на основании его периодического закона.
В спектре Солнца обнаружились линии, не совпадающие с какими-либо из известных на Земле. Так люди познакомились с гелием, лишь впоследствии найденным в земных условиях. Это был триумф. Но, пожалуй, много большее научное и философское значение имел постепенно крепнувший вывод о единстве мира, проявляющемся в том, что вся вселенная состоит из одних и тех же элементов.
В 1888 году Гельмгольц писал, что открытие спектрального анализа вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое открытие, потому что оно позволило заглянуть в миры, представлявшиеся нам совершенно недоступными.
Постепенно оказалось, что спектральные линии элементов расположены отнюдь не хаотически, а подчиняются вполне определенным закономерностям. Стало ясно, что закономерности связаны с какими-то особенностями самих элементов. Многие спектральные линии удалось сгруппировать в серии, подчиняющиеся очень простым математическим закономерностям. Удалось обнаружить простые числовые коэффициенты, входящие в формулы для нескольких различных серий, в том числе и таких, которые относятся к различным элементам. Но что означает этот порядок? Вследствие чего он существует? Природа как бы бросала вызов ученым. Как мог пренебречь им Томсон?
Ультрафиолетовая катастрофа
Но не одной этой загадкой тревожила природа умы тех, кто еще не устал от ее сюрпризов. Здесь мы вынуждены отбросить все, что никак не связано со светом. Даже из того, что имеет к нему непосредственное отношение, недостаток места заставляет отбирать лишь самое интересное.
Одна из таких загадок восходит к Кирхгофу. Объяснение природы фраунгоферовых линий привело Кирхгофа к формулировке общего закона, суть которого проста, как просты и другие великие законы природы: способность вещества излучать пропорциональна его способности поглощать и зависит от температуры. Термодинамика, достигшая к тому времени больших успехов, позволяла утверждать, что все тела, находящиеся внутри замкнутой оболочки, должны прийти к тепловому равновесию - достичь одинаковой температуры. При этом не важны ни размеры, ни форма тел или самой оболочки, ни вещество, из которого они состоят. Не требуется и соприкосновения между ними. Равновесие будет обеспечено испускаемым и поглощаемым ими излучением.
Что, если в оболочке, в которой уже установилось тепловое равновесие, проделать небольшое отверстие? Это один из тех простых вопросов, на которые не существует простых ответов. Но если оболочка находится внутри другой замкнутой оболочки, положение упрощается. Между ними начинается обмен энергией, и постепенно их температура выравнивается. В ходе этого обмена через отверстие меньшей оболочки будет проходить излучение, переносящее избыток энергии от более нагретой части к менее нагретой. Если внешняя оболочка горячее, то поток энергии направлен из нее во внутреннюю полость меньшей оболочки, которая поглощает все излучение, как абсолютно черное тело.
Так Кирхгоф пришел к понятию "абсолютно черного тела" и построил его модель в виде камеры с очень малым отверстием. Энергия, выходящая из такого отверстия наружу, определяется только температурой "абсолютно черного тела" и не зависит от вещества, из которого она сделана. Если раскалить модель до высокой температуры, отверстие будет сиять ослепительным белым светом. Это не игра слов, а прямое следствие закона Кирхгофа. Раскаленное "черное тело" должно приходить в равновесие с окружающими его более холодными телами, для этого оно должно путем излучения передавать внешним телам свою избыточную энергию. Если оно очень нагрето, то излучение должно быть весьма ярким.
Удивительные свойства "абсолютно черного тела" привлекли к нему внимание множества исследователей. Обобщив результаты других ученых и свои собственные, венский физик Стефан показал, что энергия, излученная "черным телом", пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. А это температура, отсчитанная не по шкале Цельсия, а по шкале Кельвина, нуль которой соответствует не температуре таяния льда, а той недостижимо низкой температуре, при которой (по мнению Кельвина) прекращается всякое тепловое движение. Вскоре соотечественник Стефана, один из величайших физиков прошлого века, Больцман, чисто теоретически доказал, что закон Стефана может быть получен без специальных экспериментов, как простое следствие законов термодинамики.
Закон Стефана - Больцмана, как его теперь называют, оказался верным во всем доступном нам диапазоне температур. Он считался одним из величайших достижений физики, хотя... было не очень понятно, какую роль здесь играет переносчик излучения - эфир.
Прошло еще десять лет, и глубокий аналитик Вин довел до конца попытки русского физика В.А.Михельсона определить распределение энергии в спектре "абсолютно черного тела". Исходя лишь из мысленных экспериментов и развивая идеи Больцмана, Вин доказал, что второй закон термодинамики требует, чтобы спектральная интенсивность излучения "черного тела" выражалась некоторой неизвестной ему функцией от произведения длины волны света на температуру "черного тела", причем множителем перед этой функцией должна быть пятая степень его температуры.
То, чего требует второй закон термодинамики, было свято для физиков прошлого века и пребудет истинным во все века. Людям остается лишь пытаться понять, почему так происходит. Из закона, полученного Вином с помощью простых математических операций, получается еще один закон. Вин назвал его законом смещения максимум кривой, изображающей спектр излучения "черного тела", смещается в зависимости от температуру тела. Смещается так, что остается постоянным произведение абсолютной температуры "черного тела" на длину волны, соответствующей максимуму излучения. И этот закон, полученный лишь на основе законов термодинамики, соблюдается во всех известных нам случаях. Он позволяет определять температуру тел без всяких термометров, лишь с помощью спектроскопа. Так удалось решить, казалось, неразрешимую задачу определения температуры Солнца и звезд.
Вин попытался сделать еще один шаг - определить математический вид функции, входящей в закон излучения "абсолютно черного тела". Полученная им формула требовала, чтобы интенсивность излучения на каждой длине волны стремилась к пределу при повышении температуры. Опыт опроверг такой вывод. Формула Вина совпадала с экспериментом лишь при малых длинах волн и низких температурах. При высоких температурах и больших длинах волн она резко противоречила опыту.
За дело взялся знаменитый Рэлей, который до 1873 года носил фамилию своего отца - Стретт, а затем за научные заслуги получил дворянство и титул лорда Рэлея. Рэлей правильно подметил, что трудности определения вида неизвестной функции Вина связаны с тем, что остался за бортом эфир. Рэлей применил к системе, состоящей из вещества и эфира, безупречный классический закон, установленный Максвеллом и Больцманом. Согласно этому закону энергия в любой физической системе распределяется равномерно между всеми степенями свободы системы. Эфир считался непрерывной средой. Значит, он имеет бесконечное число степеней свободы, и это необходимо учесть. Рэлей получил очень простую формулу - спектральная плотность излучения "черного тела" должна быть пропорциональна его температуре и обратно пропорциональна квадрату длины волны, на которой проводится измерение.
За всю свою жизнь прославленный физик не испытывал такого разочарования. Полученная им формула не совпадала с результатом опыта. Вместо известной всем колоколообразной кривой, вершина которой определяется законом смещения Вина, его формула, совпадая о опытом на длинноволновом склоне кривой, требовала бесконечного роста энергии по мере укорачивания длины волны. Ведь квадрат длины волны стоял в ней в знаменателе! Этот вывод вошел в историю науки как "ультрафиолетовая катастрофа".
Но это был не единственный абсурдный вывод, следовавший из формулы Рэлея. Ведь любая конкретная порция материи содержит конечное число степеней свободы, а число степеней свободы эфира бесконечно в любом объеме. Значит, в соответствии с формулой Рэлея вся энергия должна перейти в эфир, а вещество должно остыть до абсолютного нуля. Хуже всего то, что вина лежала не на формуле Рэлея. Формула лишь вскрыла то, что оставалось скрытым в самих основах классической физики. Вдобавок ко всему Лоренц показал, что даже простая пропорциональность интенсивности излучения при абсолютной температуре должна приводить к абсурду.
Так великие творцы величественного здания классической физики обнаружили под его фундаментом зыбучие пески. Так XIX век закончился трагедией, научным тупиком, из которого не было выхода. Все казалось безупречным: и основные принципы, проверенные многовековым опытом, и математические преобразования, основанные на незыблемых аксиомах. До сих пор они всегда приводили к предсказаниям, подтверждавшимся опытом. А если случались расхождения, то всегда обнаруживались погрешности в опыте, или в вычислениях, или в каких-то дополнительных предположениях, не имевших отношения к основам науки.
Здесь же было не так. Порок лежал в самих основах. Но в чем он состоял и как его устранить, оставалось неясным.
Приближался следующий век.