По ту сторону кванта
По ту сторону кванта читать книгу онлайн
Бытует упорное мнение, что в науке есть факты, которые начинающим с нею знакомиться знать рано, а сообщать искушённым в ней — стыдно. Чаще всего об этом вспоминают, когда пытаются объяснить строение атома. Быть может, поэтому до сих пор не написана книга о квантовой механике достаточно строгая, чтобы не обидеть знатока, достаточно простая, чтобы не отпугнуть новичка, и вместе с тем интересная им обоим.
Эта книга не для знатоков, хотя и они найдут здесь несколько неожиданных фактов. Она для тех, кто заканчивает школу, и для тех, кто пытается посмотреть на мир немного шире, чем позволяет им их специальность — необходимо узкая, чтобы быть продуктивной.
В предлагаемой книге история атома рассказана вполне строго. Но строгость в ней не самоцель: как правило, нам интересны не только сами факты, но и их толкование и обстоятельства, при которых они открыты. Поэтому главное в книге — эволюция идей и понятий атомной физики, образующих единую систему — простую и гармоничную. Именно эта внутренняя красота была побудительной причиной появления книги. Я буду считать свою работу не напрасной, если прочитавший её почувствует силу логических построений квантовой механики и красоту их неожиданно простых следствий.
Внимание! Книга может содержать контент только для совершеннолетних. Для несовершеннолетних чтение данного контента СТРОГО ЗАПРЕЩЕНО! Если в книге присутствует наличие пропаганды ЛГБТ и другого, запрещенного контента - просьба написать на почту [email protected] для удаления материала
«…То, что сегодня кажется нам непонятным, когда-нибудь будет казаться, с более высокой точки зрения, особенно простым и гармоничным. Но прежде чем эта цель будет достигнута, проблема кванта действия не перестанет побуждать и оплодотворять мысль исследователей, и чем большие трудности представятся в её решении, тем важнее она окажется для расширения и углубления всего нашего физического знания».
Планк прекрасно сознавал значение своего открытия (он говорил сыну: «Сегодня я сделал открытие такое же важное, как Ньютон»), но никогда этого не афишировал. Вероятно, поэтому укоренилось заблуждение, что Планк, «очевидно, не знал, что он делает, когда делал это».
Приведённые отрывки из нобелевской речи лишний раз опровергают это заблуждение.
ГЛАВА ВТОРАЯ
В истории человечества нам интересны не имена государей и не даты их правления — хотя без этого история не существует вообще, а рождение, расцвет и упадок цивилизаций, эволюция и существо идей, которые столетиями направляют волю людей и определяют характер их взаимоотношений; в истории мы хотим понять причины обновления идей и обстоятельства их угасания.
Точно так же история физики — это не просто набор фактов, а связная картина возникновения и развития физических идей, без которых наука может показаться произвольным набором формул и понятий.
Истины плодотворны только тогда, когда между ними есть внутренняя связь, а связь эту можно проследить только в развитии.
Даже дикари на низшей ступени развития имеют свою историю. С утратой истории исчезнет связь времён, и люди перестанут быть людьми, точно так же, как отдельный человек, утратив память, необратимо деградирует.
Для физика история его науки — необходимый элемент образования, без которого он всегда останется ремесленником. Для всех остальных — это большей частью история человеческих судеб, которые подчас настолько же необычны, как и судьбы царей или полководцев.
Чтобы понять законченность и красоту понятий современной физики, необходимо проследить их истоки и путь развития. Только после этого они смогут стать вам близкими и понятными — точно так же, как близка вам родина, историю и культуру которой вы впитали с молоком матери.
Знаменитый математик Феликс Клейн говорил как-то, что самый быстрый и надёжный путь овладеть любой наукой — пройти самому весь путь её развития. Это не самый простой путь, но он самый интересный, и мы избрали именно его.
В дальнейшем нам особенно важно проследить эволюцию понятий: лучи, атомы, электроны, чтобы в конце пути почувствовать красоту их синтеза.
ЛУЧИ
Солнечный луч, если внимательно за ним проследить, может привести к порогу квантовой физики. Весьма вероятно, что вам этот переход не кажется пока убедительным. Но ощущение произвола, которое испытывает человек при первом знакомстве с теорией Планка, на самом деле обманчиво. Формула Планка не результат умозрения, она появилась лишь после длительного анализа точных опытов. Конечно, чтобы придумать её, одного анализа мало: необходима ещё и сила мысли, и взлёт фантазии, и смелость перед лицом неожиданных следствий теории.
Учёные Релей, Джинс, Вин и до Планка предлагали различные формулы для описания спектра абсолютно чёрного тела. Но каждый раз экспериментаторы Отто Люммер (1860–1925) и Эрнст Принсгейм (1859–1917) после тщательного измерения этого спектра решительно отвергали их, как несовершенные. Только формула Планка удовлетворила их: она поразительно совпала с результатами их опытов, хотя и не становилась от этого более понятной.
Последуем примеру этих физиков и рассмотрим строение солнечного луча ещё внимательнее, чем мы это делали до сих пор. В дальнейшем мы увидим, как много информации он с собой несёт, и надо только научиться её читать.
Если пропустить луч солнца через призму, то на экране позади неё возникает спектр — явление обычное, и за двести лет к нему привыкли. На первый взгляд между отдельными частями спектра нет резких границ: красный непрерывно переходит в оранжевый, оранжевый в жёлтый и т. д.
Так и думали до тех пор, пока в 1802 году английский врач и химик Уильям Хайд Волластон (1766–1828) не рассмотрел этот спектр более пристально. Он обнаружил при этом несколько резких тёмных линий, которые без видимого порядка пересекали спектр Солнца в разных местах. Он не придал им особого значения, полагая, что их появление зависит либо от качества призмы, либо от источника света, либо от других побочных причин. Да и сами линии он считал интересными только потому, что они отделяют друг от друга цветные полосы спектра. Впоследствии эти тёмные линии назвали фраунгоферовыми — по имени их настоящего исследователя, а не первооткрывателя.
Иосиф Фраунгофер (1787–1826) прожил недолго, но у него была удивительная судьба. В 11 лет, после смерти родителей, он пошёл в ученье к шлифовальных дел мастеру. Работать приходилось так много, что на школу уже не оставалось времени, и потому до 14 лет он не умел ни читать, ни писать. Но однажды дом хозяина рухнул; и случилось так, что пока Фраунгофера извлекали из-под обломков, мимо проезжал наследный принц. Он пожалел юношу и вручил ему значительную сумму денег. Их оказалось достаточно, чтобы Иосиф смог купить себе шлифовальный станок и даже начать учиться.
То было время наполеоновских войн и больших перемен в Европе. А Фраунгофер между тем в заштатном городке Бенедиктбейрене учился, шлифовал оптические стёкла и тщательно исследовал тёмные линии в спектре Солнца. Он насчитал их там 574, дал главным названия и указал их точное местоположение в спектре. Положение это было строго неизменным, в частности, всегда в одном и том же месте жёлтой части спектра появлялась резкая двойная линия, которую Фраунгофер назвал линией D.
И ещё один важный факт установил Фраунгофер: в спектре пламени спиртовки на том же самом месте, где и тёмная линия D в спектре Солнца, всегда присутствует яркая двойная жёлтая линия. Значение этого факта оценили только много лет спустя.
В 1819 году Фраунгофер переехал в Мюнхен и стал там профессором, членом Академии наук и хранителем физического кабинета. Продолжая свои исследования тёмных линий в спектре Солнца, он убедился, что их причина не оптический обман, а сама природа солнечного света. Побуждаемый странной природой этих линий к дальнейшим наблюдениям, он открыл их затем в спектре Венеры и Сириуса.
Иосиф Фраунгофер умер и похоронен в Мюнхене в 1826 году. На его могиле надпись: «Approximavit sidera — Приблизил звёзды». Но лучший памятник ему — его открытия.
Среди открытий Фраунгофера для нас особенно важно сейчас его наблюдение над двойной D-линией. Тогда, в 1814 году, когда он опубликовал свои исследования, на это наблюдение особого внимания не обратили. Однако труды его не пропали: прошло 43 года, и Вильям Сван (1828–1914) установил, что двойная жёлтая линия D в спектре пламени спиртовки возникает в присутствии металла натрия. (Его следы в составе поваренной соли почти всегда можно найти в различных веществах, и в спиртовке — тоже.) Как и многие до него, Сван не понял значения своего открытия и потому не сказал решающих слов: «Эта линия принадлежит металлу натрию».
К этой простой и важной мысли пришли только два года спустя (в 1859 году) два профессора: Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899). В Гейдельберге, в старой университетской лаборатории, они поставили несложный опыт. До них через призму пропускали либо только луч Солнца, либо только свет от спиртовки. Кирхгоф и Бунзен пропустили и то и другое сразу и обнаружили явление, о котором стоит рассказать подробно.
Если на призму падал только луч Солнца, то на шкале спектроскопа они видели спектр Солнца с тёмной линией D на своём обычном месте. Тёмная линия по-прежнему оставалась на месте и в том случае, когда исследователи ставили на пути луча горящую спиртовку. Но когда на пути солнечного луча они ставили экран и освещали призму только светом спиртовки, то на месте тёмной линии D чётко проявлялась яркая жёлтая линия D натрия. Кирхгоф и Бунзен убирали экран — линия D вновь становилась тёмной.
