Библиотека    Новые поступления    Словарь    Карта сайтов    Ссылки






предыдущая главасодержаниеследующая глава

ГЛАВА I РАЗВИТИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В НАУКЕ

1.1. Фундаментальные физические теории

I. Механистическая картина мира

Механика является первой фундаментальной физической теорией. Важнейшими понятиями механики стали - материальная точка как абстракция, абсолютно твердое тело как идеализация высокого уровня, масса как мера количества вещества, вес как сила, с которой тело действует на опору. Эти понятия выражаются через физические величины: импульсы, силы, энергия, координаты. Ключевым понятием механики является движение. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является тяготение.

Механистические представления (механистическая картина мира) формируются на основе гелиоцентрической системы Н. Коперника, экспериментального естествознания Г. Галилея, законов небесной механики И. Кеплера и механики И. Ньютона. Создателем механики считают Исаака Ньютона. В 1686 году он представил свой труд «Математические начала натуральной философии», в котором давалось математическое доказательство гипотезы Коперника, предложенной Кеплером, где указано, что все небесные движения объясняются на основании единственного тяготения к центру Солнца, обратно пропорционального квадрату расстояний. Этот труд состоит из трех книг, в которых представлена картина мира, основанная на законах механики, где доказано всемирное тяготение как следствие из применений механики к движениям небесных тел. В книгах сформулированы три закона движения (законы Ньютона), даны определения физических величин, изложены основы кинематики (раздел механики, изучающий движение тел без учета их массы и действующих на них сил) и динамики материальной точки, твердого тела, механика жидкостей и газов, а также сформулирована система мира с точки зрения закона всемирного тяготения. Понимание действия закона пришло к Ньютону в процессе анализа и систематизации разнообразных фактов: яблоко притягивается к Земле, воды океанов - к Луне, планеты - к Солнцу, значит, все тела притягиваются друг к другу вследствие наличия у них массы.

9

Характерные особенности механистической картины мира

1. В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя - вещественная субстанция, состоящая из атомов и корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

2. Концепция абсолютного пространства и времени: пространство трехмерно, постоянно и не зависит от материи; время не зависит ни от пространства, ни от материи; пространство и время не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер.

3. Движение - простое механическое перемещение. Законы движения являются фундаментальными законами мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения есть действие на них внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей. Принцип дальнодействия предложил Ньютон. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников. Концепция дальнодействия основана на понимании пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела.

4. Все механические процессы предопределялись законами механики и подчинялись принципу детерминизма. Детерминизм - философский подход, признающий объективную закономерность и причинную обусловленность всех явлений природы и общества, отрицание беспричинных явлений. Случайность исключалась из данной картины мира. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме динамических законов. Динамический закон - это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний. Динамический закон, абстрагируясь от случайности, выражает непосредственную необходимость. Поэтому он дает отражение объективной действительности с точностью, исключающей случайные связи.

5. На основе механистической картины мира в XVIII - XIX вв. была разработана земная, небесная, молекулярная механика. Макромир и микромир подчинялись одним и тем же механическим законам. Это в результате привело к абсолютизации механистической картины мира, которая стала рассматриваться в то время как универсальная.

II. Электромагнитная картина мира

Данная модель природы возникла в конце XIX века. Механистический способ мышления уже был не способен объяснить новые эмпирические факты, полученные в разных областях научного знания: химии, биологии, космологии и др. М. Фарадей первым пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными,

10

непрерывными. Им были сформулированы начала электромагнетизма. Идеи Фарадея нашли отклик в работе Д. Максвелла, который создает в результате теорию электромагнитного поля. Согласно данной теории, весь мир заполнен электромагнитным эфиром, пустоты в нем нет. Электрическое, магнитное и электромагнитное поля трактовались как состояния эфира, который был их носителем. Поскольку эфир был средой для распространения света, то его называли еще «светоносным эфиром». Важнейшими понятиями теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля - сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке. Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) - движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается уравнениями Максвелла.

Характерные особенности электромагнитной картины мира

1. В рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Материя рассматривалась как единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Мир - это электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

2. Ньютоновская концепция дальнодействия заменяется фарадеевским принципом близкодействия. Он утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

3. В середине XIX века появилась кинетическая теория газов или статистическая механика, которая основывалась на теории вероятности. Случайность, вероятность с этого времени нашли свое место в физике и были отражены в форме статистических законов. Статистический закон - это закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта, позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении. Данный закон выражает диалектическую связь необходимости и случайности. Он не исключает случайность, а рассматривает ее как форму проявления необходимости.

4. Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются созданной Г. Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Эта теория восстанавливает в правах дискретные электрические заряды и сохраняет поле как объективную реальность.

11

5. Учитывая законы электродинамики, А. Эйнштейн ввел идею относительности пространства и времени. Тем самым было устранено противоречие между континуальными (полевыми) представлениями о материи и ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени. В результате сформировалась реляционная (относительная) концепция пространства и времени: пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи. ОТО стала последней крупной теорией (1916 г.), созданной в рамках электромагнитной картины мира.

III. Квантово-полевая картина мира

Истоки учения об атоме и квантовая теория

Первым ввел понятие материи (субстанции) греческий философ Фалес Милетский в VI веке до н. э. считая, что этой материей является вода. Фактически, это было первое материалистическое учение античности.

Другой философ Анаксимандр, ученик Фалеса, отрицает возможность воды быть первоматерией и считает, что первоматерия есть некое бытие, несхожее ни с каким веществом. Существует вечное движение по превращению форм бытия.

Анаксимен полагал, что первоматерия - это воздух. Данный взгляд мало чем отличался от взгляда Фалеса.

Ближе всего к современному взгляду физики на мир был Гераклит. Гераклит в качестве первоматерии называл огонь. В самом деле, как будет показано далее, найденное Эйнштейном соотношение массы и энергии позволяет четко себе представить огонь - энергию в современном понимании - как первопричину всего сущего.

Эмпедокл рассматривает все сущее с позиций четырех элементов: земли, воды, огня и воздуха. Движущие силы - любовь и вражда. Плюрализм - наличие нескольких элементов в качестве субстанциональных - преодолевает трудности монизма в объяснении многообразия окружающей действительности. Остается нерешенным вопрос о возможности преобразования элементов друг в друга.

Анаксагор доходит до предела в плюралистическом мировоззрении и утверждает о том, что вещи состоят из «семян». Существует бесконечное множество «семян», которые в разном соотношении и по-разному взаимно расположены в вещах. Многообразие мира вещей объясняется с позиции количественного и позиционного различия в их «семенном» составе.

Философами Левкиппом и Демокритом было введено понятие атома, вечного неразделимого и не обладающего никакими специфическими свойствами. Атомы движутся в пустоте, что так же важно, поскольку по современным представлениям, пустота - необходимый атрибут мате-

12

рии. Пустота, по теории относительности Эйнштейна, определяет геометрию пространства и является условием всякого движения.

Платон соединил онтологичность чисел пифагорейцев и элементы Эмпедокла, поставив во взаимное соответствие элементы и правильные геометрические фигуры. Важно, что элементы сопоставлены с математическими абстракциями, а сами элементы преобразуются друг в друга путем преобразования соответствующих им правильных фигур. Правда Платон не указывает, что он имеет в виду под соответствием правильных фигур и элементов - то ли это действительная форма элементов, огня, например, в виде квадрата, то ли это некоторое другое соответствие в мире идей.

Проведем аналогию между древними и современными физическими представлениями. Так, современные элементарные частицы - протоны, нейтроны, электроны и другие вполне соответствуют «атомам» Демокрита. Элементарные частицы материальны и составляют любое вещество. Есть некоторое отличие в понятии неразложимости этих «атомов». При столкновении этих частиц они распадаются на другие частицы. Но, что самое интересное, эти частицы тоже элементарные частицы, а не части первых.

По аналогии с концепцией элементов (огонь, земля, вода, воздух) в качестве единственного элемента, огня, выступает энергия.

Самым интересным является то, что Платон также имел отдаленную, но в общих чертах правильную тенденцию рассматривать элементы вместе с их геометрическими идеями. Дело в том, что уже создано, пока на качественном уровне, единое уравнение материи. Собственные решения этого уравнения суть элементарные частицы.

На протяжении христианской эпохи взоры людей обратились от исследования природы в область трансцендентного. Людей интересовал смысл жизни, а материальный мир рассматривался как временный и не стоящий слишком большого внимания. Вопросы мироустройства, Вселенной считались хорошо отраженными в Писании, и этого было достаточно.

Со времени начала Эпохи Возрождения наблюдается постепенный поворот человека к природе. Возникают реалистические течения. Ключом реалистических воззрений можно считать процедуру объективации. Объективация отстраняет исследователя от исследуемого объекта. Влияние на исследуемую систему со стороны инструментов исследователя может быть сколь угодно малым. Объективным считается то, что никак не зависит от того, существует ли субъект или нет.

Одной из разновидностей реализма является метафизический реализм Декарта. Декарт считал самоочевидным существование реальности, мира вещей. Собственное существование можно было доказать рассматривая сомнение в этом существовании. Отсюда вытекает наличие феномена мышления, а затем и доказательство собственного существования: «Cogito ergo sum» (Мыслю, значит, существую - лат.).

13

Декарт - представитель рационализма. Кроме рационалистического метода познания, несомненно являющегося основой всякого научного познания, Декарт собственно произвел отделение исследователя и исследуемого объекта в явной форме. Такой взгляд на мир, как бы со стороны, был главенствующим в течение последующих двух с половиной веков. Закоренелость этой мысли в головах ученых XX в. вызывала серьезные трудности в понимании и признании новой, квантовой, теории. Но в те времена не могло быть и речи ни о чем другом: для проведения какого-либо серьезного исследования необходимо абстрагирование, выключение из рассмотрения тех свойств объекта, которые явным образом не изменяются в ходе исследуемого процесса.

Других философов - Беркли, Локка и Юма, не устраивал рационалистический подход Декарта. Локк сказал: «Ничего нет в разуме, чего ранее не было бы в чувстве». Эмпиристы не задавались вопросами сущностных взаимосвязей между явлениями, так как по Беркли мысленная связь между явлениями, устанавливаемая нами есть иллюзия причинности, а реальное положение дел нам неведомо.

Наступило время кантовской философии. Прежде вопросов бытия Кант спросил, а возможно ли знание о вещах? Он приходит к довольно пессимистическому ответу, что вещь существует для себя самой. Познание ее сущности невозможно.

Кант задает неприятный вопрос: «А существует ли мир вещей вообще?» Ответ на него Кант находит в представлениях об априорных формах. Априорные формы это такие схемы познания, которые всегда присутствуют при любом акте познания. По Канту, невозможно помыслить их отсутствие или неабсолютность. Такими формами являются сам мир вещей и явлений, закон причинности и пространство. Если мы, например, попытаемся представить, что существует несколько пространств или его не существует, то все равно множественное будет находиться в каком-то другом пространстве, а вместо отсутствующего пространства придет пустое, но все равно пространство. Аналогичная ситуация происходит с законом причинности.

Пространство и закон причинности считались априорными формами вплоть до развития современного физического мировоззрения. Естественно, что во времена Канта их никаким иным образом нельзя было и помыслить.

Пространство в квантовой теории можно отнести к априорной форме. В этой схеме познания происходит рассмотрение движения частиц, протекания процессов.

Гораздо труднее дело обстоит в общей теории относительности. Пространство оказывается зависимым от расположения масс. Кривизна пространства оказывается переменной и определяется тем, насколько массив-

14

ное тело находится в данной точке. Проводились попытки провести экспериментальное доказательство искривления пространства вблизи больших масс. Так при солнечном затмении наблюдается смещение положения звезд. Конечно, наблюдаемые явления могут быть объяснены не только искривлением световых лучей, проходящих вблизи Солнца, но факт остается фактом.

Квантовая теория лишает статуса априорности закон причинности. Как было уже сказано, повеление элементарных частиц описывается только статистически в силу неполноты нашего знания. Тем не менее, утверждать, что, то или иное движение, положение частицы имеет свои причины неверно. Изменение координаты частицы не имеет никакой причины! Мир недетерминирован. Такой взгляд на вещи совершенно не соответствует классическим представлениям и прежней физики и философии.

Надо заметить, что сказанное выше не отнимает у пространства и закона причинности статуса априорности полностью. Описание и осмысление любого эксперимента, прибора, результатов опыта невозможно без использования привычных терминов и категорий. Поэтому на макроскопическом уровне пространство и закон причинности являются априорными формами. Таким образом, границы применимости априорных форм четко обозначены уровнем исследования.

Квантовая теория и строение материи

Понятие материи, на самом деле, многоуровневое. Рассмотрим эти уровни по отдельности.

Из чего построено всякое вещество? Атомы химических элементов образуют соединения посредством химической связи. Химическими методами можно поменять связи между атомами, но не затронуть типового свойства атома - превратить его в другой элемент. До открытия ядерных реакций понятие материи в основном сводилось к атомам и их взаимосвязям.

Открытие радиоактивности, эксперименты Резерфорда показали сложность строения атома. Атом содержит ядро и электроны. Расщепление ядер показало, что они в свою очередь, так же как и атомы, сложны. Вводится понятие элементарных частиц. Этими частицами являются нейтрон, протон и электрон. На сегодняшний день при данном уровне развития науки понятие материи сводится к элементарным частицам. Но это еще не предел.

Установлено, что столкновение элементарных частиц рождает новые элементарные частицы, но это не обломки первых, а такие же элементарные частицы. Частицы превращаются друг в друга, в излучение, поскольку их сущность - энергия, та самая потенция, о которой еще мыслил Аристотель. Более того, эти частицы в состоянии образовываться из кинетической энергии - энергии движущегося тела.

15

Энергия - подлинное бытие. Она же и есть материя, хотя не обязательно обладает плотностью, как это должно было бы быть при классическом подходе. Энергия - это то, из чего все образуется и во что, в конечном счете, может превратиться.

Энергия воплощается в вещах, в излучении, во взаимодействиях тел - все это формы материи, а так же ее движения. Материя подчиняется единому уравнению. Ранее в математике было показано, что существует ограниченное число групп симметрии. Данные группы лежат в основе законов природы, точнее в их формальном математическом представлении. Универсальное уравнение материи так же симметрично относительно этих групп. Решения этого уравнения представляют собой элементарные частицы.

Не все так безоблачно с пониманием мира с позиций квантовой теории. Существует пока непреодоленное противоречие между квантовой теорией и теорией относительности.

Связано это с тем, что в теории относительности присутствует предельное ограничение точности по времени. Отсюда вытекает возможность сколь угодно больших энергий в соответствие с принципом неопределенности.

Данное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что и древние мыслители имели некоторое правильное понимание проблемы материи. Материя действительно строительный материал и потенция, так как энергия это и возможность совершения некой работы, а так же источник возникновения элементарных частиц.

С другой стороны, отчасти прав был Платон, когда говорил, что элементам - элементарным частицам в современном понимании - соответствует число, решение универсального уравнения материи в рамках квантовой теории.

Не стоит полагать, что древние философы уже, якобы, знали все то, до чего дошла современная наука. Их рассуждения были чисто умозрительными и в ряде случаев неверными. Реальная ситуация такова, что современные представления о материи можно соотнести с представлениями древних и увидеть много общего. Главная особенность современных взглядов в том, что они, в отличие от древних взглядов, подкреплены серьезнейшим эмпирическим материалом.

В течение длительного времени прежде развития квантовой теории предполагалось существование некоего всепроникающего вещества. Необходимость в таком предположении исходила из наблюдаемого факта - свет проходит через вакуум. Следовательно, поскольку волновые свойства света были уже установлены, необходимо было постулировать наличие среды, в которой световые волны распространяются. Было непонятно, есть ли он вообще, а если и есть, то, движется ли он вместе с движущимся телом или нет. В любом случае имелась возможность обнаружить наличие «эфирного ветра». Если эфир покоится относительно Земли, то ветер бу-

16

дет около 30 км/с! Если же движется вместе с Землей, то на разных высотах величина «эфирного ветра» должна быть различной.

Для проверки гипотезы существования эфира Майкельсон и Морли провели опыт, который был основан на том, что при наличии «эфирного ветра» скорость света должна быть разной в зависимости от направления «ветра». Разность скоростей света в разных направлениях приводит к появлению разности хода световых лучей в интерферометре, ориентированном по направлению движения Земли. Если бы интерференционная картина изменилась при ином ориентировании интерферометра относительно движения Земли, то наличие эфира можно считать доказанным. На деле никакого эфирного ветра не оказалось.

После того, как с распространением света проблемы были сняты, и стало ясно, что свет спокойно может распространяться в пустоте, встал вопрос о зависимости скорости света от скорости среды, в которой он распространяется. На опыте оказалось, что скорость света в движущейся по направлению распространения света воде даже меньше, чем в покоящейся. Такие, странные на первый взгляд, результаты привели ученых в замешательство. В последствии оказалось, что скорость света по отношению к движущемуся навстречу ему телу не превышает скорость света в вакууме.

Эйнштейн сделал смелое предположение: скорость света в вакууме - максимально достижимая материальным телом скорость. Это предположение стало постулатом теории относительности. Поскольку предельной скоростью движения материального тела может быть скорость света в вакууме, то, не вдаваясь в конкретные выражения теории относительности, оказывается, что время и расстояние в движущейся системе отсчета относительно другой системы связано с ее скоростью относительно этой второй системы отсчета.

В теории относительности вводится понятие одновременности, отличное от обыденного понятия. Одновременными могут считаться только те события, информация о которых, например, свет, прибывают в точку наблюдения в один и тот же момент времени, судя по часам, находящимся в этой точке.

Весьма интересным оказалось соотношение массы и энергии, найденное Эйнштейном. В связи с этим возникли антиматериалистические тенденции в философии. Правда эти антиматериалистические тенденции не получили широкого распространения.

На рубеже XIX и XX веков активно развивается квантовая теория. Рэлей и Джинс пытались объяснить с позиций классической механики хорошо известный факт, заключающийся в том, что при нагревании тела независимо от его цвета, оно начинает светиться цветом, зависящим от температуры. Сначала тело светится красным, далее оранжевым, потом при еще большем повышении температуры белым цветом. Представле-

17

ния классической механики, применяемые к объяснению данного факта, приводили к противоречиям с наблюдениями. Кроме того, классическая механика была абсолютно не в состоянии объяснить устойчивость атомов в свете планетарной модели, бытовавшей в то время. Стало ясно, что надо менять теорию.

Макс Планк - немецкий физик, попытался объяснить наблюдаемые явления на основе некоторых соотношений, казавшихся ему верными. Поначалу данные соотношения М. Планка имели характер догадок, причем сам Планк продолжал их анализировать. Физический смысл этих соотношений был неясен даже самому М. Планку! Оказалось, что М. Планк говорил о новой физической реальности - квантованности энергии, которую может поглощать или испускать атом. Дело в том, что по предположению М. Планка значение энергии атома не континуально, а прерывисто.

Нильс Бор положил начало «матричной механике». Здесь уже происходит отказ от традиционной планетарной модели атома, и серьезнейшим образом формализуются утверждения теории. Матричная механика, в отличие от классической, объясняла устойчивость атомов.

Луи - де - Бройль развивает представления о соответствии всякой элементарной частице волны. Развитие этим представлениям дал немецкий физик Э. Шредингер. Основную трудность в понимании, представляло собой это самое «соответствие». Например, как может свет, поток фотонов, быть одновременно волной? Эксперимент, как ни странно, указывал на дуалистическую природу света. Позднее Шредингер показал эквивалентность своих исследований с «матричной механикой». Тем не менее, противоречия в волновом и корпускулярном представлении электронов и света оставались неразрешенными.

Настоящий успех достигнут к 1924-26 гг. В физику вводится понятие «волны вероятности». Вот как это описывает В. Гейзенберг: «Волна вероятности означала нечто подобное стремлению к определенному протеканию событий. Она означала количественное выражение старого понятия «потенция» аристотелевской философии».

Введение вероятностных представлений в физику дало совсем иное понимание процессов микромира. Несмотря на это нововведение, классические представления не утратили своего значения. Теперь для применения классической или квантовой теории обозначились четкие границы. На самом деле, классические представления не совсем точно соответствуют природе.

Так одновременно сколь угодно точно определить координату и импульс частицы невозможно. Произведение этих неопределенностей имеет порядок постоянной Планка. Проблема состоит в том, что в отличие от прежних представлений, когда исследователь и его инструменты никак (или почти никак) не влияли на результаты эксперимента, исследование микромира производится другими объектами того же микромира. Например,

18

чтобы определить координату электрона, необходимо, чтобы он провзаимодействовал с фотоном, иначе мы никак не получим информации. Это взаимодействие существенно изменит координату электрона. Аналогичная ситуация с импульсом. В микромире описание процессов возможно лишь на вероятностном уровне.

Итак, в конце XIX века в физике произошло множество открытий, носящих революционный характер: открытие А. Беккерелем в 1897 году явления радиоактивности; в 1900 году М. Планк выдвинул квантовую гипотезу о прерывности процессов излучения. В результате в физике сформировалось два, казалось несовместимых представления о материи - корпускулярное и континуальное (полевое). В 1913 году Н. Бор предложил свою модель атома (стационарную), в которой электрон, вращавшийся вокруг ядра, излучал энергию только порциями при переходе с одной орбиты на другую. Это противоречило известным законам электродинамики, но позволило сделать прорыв в науке, т.е. создать фундаментальные физические теории - квантовую механику и квантовую электродинамику. Над их созданием работали Э. Резерфорд, Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн.

Важнейшие понятия новых теорий

Корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждой частицы материи свойств волны и частицы одновременно.

Cоотношение неопределенностей Гейзенберга - невозможность одновременного измерения координат и импульса частицы.

Мировые универсальные константы - постоянные, которые не сводимы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой части Вселенной:

- скорость света в вакууме (с = 300 000 км/с) - это максимальная скорость для всех возможных взаимодействий в природе;

- гравитационная постоянная (G), используемая в законе всемирного тяготения;

- постоянная Планка (h) - это квант энергии, входит во все уравнения, описывающие процессы на уровне микромира;

- постоянная Больцмана (k), она устанавливает связь между микроскопическим динамическими явлениями и макроскопическими характеристиками состояния объединений частиц.

Характерные особенности квантово-полевой картины мира

1. Меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий.

19

Физическое взаимодействие

Взаимодействие представляет собой воздействие одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

Движение представляет собой любое изменение, взаимодействие вообще.

Взаимодействие выступает как движение материи.

Любые формы движения есть проявление фундаментальных взаимодействий материи (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного).

Фундаментальные типы взаимодействий

Сильное - взаимное притяжение и отталкивание составных частей атомного ядра. Характеризуется выделением очень большого количества тепла. Действует на крайне коротких расстояниях (10-15 м между частицами в атомных ядрах. «Склеивает» протоны и нейтроны в ядре атома.

Слабое действует только в микромире и описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно в 10 раз слабее сильного, но сильнее гравитационного. Не приводит к связыванию частиц. Управляет распадом радиоактивных элементов и эффективной термоядерной деятельностью Солнца.

Электромагнитное имеет универсальный характер и может выступать в зависимости от знака заряда либо как притяжение, либо как отталкивание. Играет главную роль в притягивании протонов и электронов друг к другу, благодаря чему возможно образованию молекул. Одним из проявлений силы этого взаимодействия является молния. Оно в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие описывается электростатикой, электродинамикой, квантовой электродинамикой.

Гравитационное имеет универсальный характер и выступает в виде притяжения. Оно является самым слабым из всех остальных взаимодействий (сила электростатического отталкивания электронов в 10 раз больше силы их гравитационного притяжения). На уровне атомов выражено очень слабо. Более заметно его влияние на большие объекты: планеты, звезды, галактики. В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона. В ОТО гравитация - проявление кривизны пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса). В квантовой теории, квантами поля тяготения являются гравитоны, которые переносят энергию, обладают импульсом и другими характеристиками.

Современная физика объединяет все 4 типа физического взаимодействия в единое суперсимметричное суперполе. Предлагается рассмотрение эволюции Вселенной из этого суперсимметричного состояния, в котором вся материя представлена только физическим вакуумом.

20

Спонтанное нарушение симметрии вакуума в процессе расширения Вселенной приводит к многообразию физического мира. Успех построения единой теории поля связывается с возможностями синтеза ОТО и квантовой теории поля.

2. Все процессы описываются на основе принципа близкодействия - взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

3. Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. С точки зрения ОТО, они сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

4. Утверждается понятие причинности в физике:

- причинность представляет собой связь состояний во времени. Данная связь предполагает на основе знания предшествующего состояния системы возможность предсказать ее последующее состояние;

- в научных теориях под причинностью понимают закономерное, необходимое протекание процессов. Причинно обусловленные процессы тем и характеризуются, что в них задание начального состояния определяет последующие состояния. Именно в существовании такой последовательности состояний и заключается выражение принципа причинности в науке;

- общее отношение причинных связей и функциональных зависимостей предстает следующим образом: функциональные зависимости являются математической формой выражения причинных связей. Причинность характеризует объективные связи, существующие в действительности; функциональные зависимости позволяют наиболее адекватно отразить эти связи в познании;

- вопрос о природе причинности и причинных отношениях в физике конкретизируется в проблеме соотношения динамических и статистических законов с объективными закономерностями.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. В результате оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

21

IV. Современная физическая картина мира

Фундаментальной концепцией современной физической картины мира признается теория относительности А. Энштейна.

Теория относительности А. Эйнштейна

Данная теория полностью ломает привычные понятия пространства, массы, времени. Оказывается, что геометрия пространства зависит от расположения масс. Вокруг массивных тел пространство несколько искривляется. Чтобы это проверить делались эксперименты по наблюдению расположения звезд в период солнечного затмения (о них уже говорилось ранее).

Самым необычным, с привычной точки зрения, в общей теории относительности является рассмотрение существования вещи как процесса движения в пространстве метрических координат и времени. Тело движется по кратчайшему пути в этом пространстве.

Теория относительности не оставляет без внимания вопросы космологии. Бесконечно или нет пространство? По представлениям общей теории относительности пространство имеет циклический профиль. Таким образом, можно себе представить, что наблюдатель, направивший свой взор из любой точки пространства через мощный телескоп, увидит собственный затылок!

Теория относительности включает в себя частную и общую теорию относительности.

Основывается:

на постулате относительности, утверждающем неизменность физических законов при переходе от одной системы отсчета к другой;

на постулате постоянства скорости света.

3. Вскрыла конкретные формы органической взаимосвязи пространства и времени. Пространство и время перестали рассматриваться как независимые друг от друга сущности. В физику вводится представление о пространственно-временном четырехмерном континууме. Континуум - непрерывное, связанное, целостное единство точек, чисел или физических величин.

4. Установила зависимость пространства и времени от распределения движения и материи, т.е. показала тем самым относительность свойств пространства-времени.

5. Вскрыла относительность массы и энергии. Закон сохранения массы и закон сохранения энергии потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон сохранения энергии или массы (В. Гейзенберг). Каждой массе соответствует энергия; любой энергии - масса. Всякий процесс с выделением энергии связан с

22

потерей массы, и обратно, приобретая энергию, тело одновременно приобретает и массу.

6. Установила эквивалентность тяжелой и инертной масс.

Специальная теория относительности (СТО) (1905):

Установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т.е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер;

Доказала, что пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел. По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени);

Установила зависимости пространственных и временных характеристик от движущихся относительно друг друга материальных систем;

Установила органическую связь пространства и времени, связав их в единое целое - пространственно-временной континуум.

Общая теория относительности (ОТО) (1916):

Доказала еще большую непосредственную зависимость свойств пространства-времени от движущейся материи, в частности, от концентрации и движения материальных масс;

Установила, что отклонение реальных свойств пространства от евклидовых («кривизна» пространства), а также изменение ритма течения времени обусловливаются материальными массами, полями тяготения. При наличии сильных полей тяготения искривление пространства увеличивается, а ход времени замедляется;

Пространство-время является выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не может;

Пространство и время - не самостоятельные субстанции, а формы существования единственной субстанции - материи.

Описанные выше положения теории относительности приводят к серьезным понятийным проблемам. Сущность ее заключается в том, что, как уже говорилось ранее, те понятия, к которым мы привыкли теперь, означают нечто другое. Пространство, время, масса, считавшиеся ранее абсолютными и основными понятиями любого физического опыта, находятся теперь в сложной взаимосвязи.

Характерные особенности:

1. Современные представления о строении материи предполагают в ее основе 350 фундаментальных частиц и античастиц;

23

2. Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундаментальных частиц и античастиц;

3. Движение есть проявление фундаментальных взаимодействий, переносчиками которых являются фотоны, глюоны и промежуточные бозоны;

4. Принципиальные особенности: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность.

Принципы современной физики

Наряду с фундаментальными физическими теориями существуют более общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы и формы движения материи. Эти законы называются принципами современной физики.

1. Принцип соответствия, сформулирован Н. Бором в 1923 году. Суть - любая новая, более общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя.

2. Принцип неопределенности, сформулирован В. Гейзенбергом в 1927 г. Суть - принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем допускает соотношение неопределенностей Гейзенберга. В классической механике частица, движущаяся по определенной траектории, имеет точные значения координаты, импульса, энергии; микрочастица, обладающая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не имеет одновременно точных значений координаты и импульса. Это означает, что координаты, импульс и энергия микрочастицы могут быть заданы лишь приблизительно.

3. Принцип дополнительности, сформулирован Н. Бором в 1927 году. Суть - при экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти взаимоисключающие характеристики не могут применяться одновременно, поскольку свойства квантовых объектов (квантовый объект - это не волна и не частица) запрещают их одновременное использование. Однако эти свойства в равной мере характеризуют микрообъект, что предполагает их использование в том смысле, что вместо одной единой картины необходимо применять две: энергетически-импульсную и пространственно-временную.

24

1.2. Квантовая механика и элементарные частицы

Квантовая механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, постольку квантовая механика применяется для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат), скоростей и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

Нерелятивистская квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория.

Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.

Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом действия и имеет размерность действия. Если в условиях задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.

25

Общая теория относительности - неквантовая теория. В этом отношении она подобна классической электродинамике Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам точно так же, как и электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов.

Впервые квантовые представления были введены в 1900 году немецким физиком Планком в работе, посвященной теории теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами.

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е. что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более широко - электромагнитного излучения, называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Льюис в 1929 году.

Для создания современной картины мира важным событием оказалось то, что в 1922 году американский физик Комптон открыл эффект, в котором впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц.

Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц. В этом проявляется дуализм света, его корпускулярно-волновая природа.

Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

В 1913 году Бор применил идею квантов к планетарной модели атома. Эта модель на основе классических представлений приводила к парадоксу - радиус орбиты электрона должен был постоянно уменьшаться из-за излучения и электрон должен был упасть на ядро. Для объяснения ус-

26

тойчивости атомов Бор предположил, что электрон испускает световые волны не постоянно, а лишь при переходе с одной орбиты, удовлетворяющей условиям квантования, на другую (тогда и рождается квант света).

Применение Бором квантовых идей к теории строения атома привело к построению "полуклассической" теории, которая встретилась со многими трудностями.

Модель атома Бора была построена за счет нарушения логической цельности теории: с одной стороны, использовалась Ньютонова механика, с другой - привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электромагнитной теории.

Теория Бора не могла объяснить, как движется электрон при переходе с одного уровня на другой.

Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела к выводу, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории, орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электрона в атоме. Стало ясно, что для построения модели атома необходима принципиально новая теория, которая для описания поведения электрона в атоме не оперирует понятиями ньютоновской механики. В новую теорию могли входить только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 году Бором условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы.

Т.е. не только фотоны, но и все "обыкновенные частицы" (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.

В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция электронов, а позднее - дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально.

В 1926 году австрийский физик Шредингер предложил уравнение, описывающих поведение волн, соответствующих каждой частице (волн де Бройля), во внешних силовых полях. Это волновое уравнение, которое получило название уравнение Шредингера, является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики, волновой механики.

В 1928 году Дираком было сформулировано релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле. Уравнение Дирака стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики.

27

Немецкий физик В. Гейзенберг построил формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали некоторые абстрактные величины - матрицы.

Работа Гейзенберга была развита Борном и Иорданом. Так возникла матричная механика. Вскоре после появления уравнения Шредингера эквивалентность этих двух форм была доказана.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории связано с работой Гейзенберга 1927 года, в которой был сформулирован принцип, утверждающий, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Этот принцип получил название "соотношение неопределенностей".

Соотношение неопределенностей устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению входящих в соотношение неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством измерительной техники, а с объективными свойствами микромира.

Завершение построения аппарата квантовой механики породило острые дискуссии в отношении интерпретации этой теории, поскольку она существенно отличается от классических теорий.

Отличие квантовой механики от классических теорий

Важное отличие состоит в том, что в классических теориях описываются свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы (при этом в различных макроскопических ситуациях микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные свойства, например, частицы или волны).

Классическим теориям был свойственен «лапласовский детерминизм», названый в честь французского физика и математика Пьера Симона Лапласа. В своей работе «Опыт философии теории вероятности» (1814 г.) Лаплас предполагал, что досканально зная состояние системы в данный момент, можно с уверенностью предсказать ее будущее. Он считал, что Мир устроен таким образом, что для предсказания любых явлений в этом мире достаточно знать координаты и импульсы всех частиц во Вселенной, подставить их значения в математические уравнения и решить их.

Примерно 100 лет назад лапласовский детерминизм был основой мировоззрения ученых, базой научной рациональности вообще. Ученые стремились придавать результатам своей деятельности форму абсолют-

28

ной необходимости, т.е. абсолютного детерминизма. Открываемые в этот период законы получили название динамических законов.

Другим существенным отличием квантовой механики от классической, вызвавшим острые дискуссии, является ее принципиально вероятностный характер.

С позиций лапласовского детерминизма, ньютоновская механика с ее однозначными законами причины и следствия является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория, с этой точки зрения, должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных законов, как это делает механика.

Активное применение теории вероятностей в физике, которое началось с середины XIX века, привело к появлению нового типа законов и теорий - статистических.

Важно подчеркнуть, что использование вероятностно-статистических методов в науке не противоречит концепции лапласовского детерминизма. На эмпирическом уровне объекты даны в единстве существенных и несущественных, случайных свойств, поэтому использование вероятностных представлений вполне обосновано. На теоретическом уровне использование вероятностей предполагало однозначную детерминированность тех индивидуальных явлений, которые в совокупности дают статистический закон.

С позиций лапласовского детерминизма, использование вероятностных представлений в науке вполне оправдано, но познавательный статус динамических и статистических теорий существенно различен. Статистические теории с этих позиций - это неподлинные теории; они могут быть практически очень полезны, но в познавательном плане они неполноценны, они дают лишь первое приближение к истине, и за каждой статистической теорией должна стоять теория, однозначно описывающая реальность. Одна из интерпретаций квантовой механики была построена с позиций лапласовского детерминизма.

Фактически такую интерпретацию развивали Эйнштейн, Шредингер и их сторонники, когда утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории. Они ориентировали физиков на поиск такой теории микроявлений, которая по своей структуре и характеру законов была бы подобна классической механике или классической электродинамике. В этом русле строилась программа элиминации вероятностных представлений из теории микромира путем обнаружения "скрытых параметров", т.е. таких свойств элементарных частиц, знание которых позволило бы достичь их строго однозначного описания.

Против такой интерпретации квантовой механики выступили Борн и другие, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию.

Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в

29

современной физике не закончены до сих пор, тем не менее, развитие квантовой механики ослабляет позиции сторонников лапласовского детерминизма.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы, в первоначальном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы". Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой античастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсеном в 1932 году.

В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью, и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Имен-

30

но оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

31

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.

Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, необладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии (наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается).

Группы элементарных частиц

Наиболее известные элементарные частицы - электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, лептоны и нейтрино.

1. Фотоны (кванты электромагнитного поля).

2. Лептоны (легкие частицы).

3. Бозоны (квазичастицы).

4. Кварки (самые микроскопические).

5. Адроны (большие, сильные частицы):

а) барионы (тяжелые) - комбинация из трех кварков;

б) мезоны (средние) - переносчики ядерных сил.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, среднее время жизни, заряд, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Некоторые элементарные частицы, например, фотоны не имеют массы покоя. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны, мезоны, барионы.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относят фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. В структуре макротел стабильные частицы играют важнейшую роль. Остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 - 10-24 с, после чего распадаются.

Элементарные частицы со средним временем жизни 10-23 - 10-22 с называют резонансами, которые распадаются еще до того, как успевают покинуть атом или атомное ядро.

Все элементарные частицы обладают электрическим зарядом: положительным, отрицательным либо нулевым. Почти каждой частице соответствует античастица с противоположным зарядом.

32

Состояние элементарных частиц выражается понятием «спина», или моментом движения микрочастицы.

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. «Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований». Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени) применяется общее название - калибровочная симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обуславливает взаимодействия частиц. Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объединение").

Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

В 60-х годах американскими физиками С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, пакистанским физиком А. Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Это частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.

В основе "Великого объединений" лежит тот факт, что при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) увеличивается константа электрослабого взаимодействия и уменьшается константа сильного взаимодействия. Экстраполяция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трех взаимодействий при некотором энергетическом масштабе, при котором происходит спонтанное наруше-

33

ние симметрии "великого объединения", приводящее к возникновению масс у космических объектов.

В разных моделях "великого объединения" предсказывается различная величина энергетического масштаба, но в любом случае такие энергии недостижимы в обозримом будущем ни на ускорителях, ни в космических лучах. Для проверки моделей "Великого объединения" могут использоваться либо их предсказания в низкоэнергетической области, либо космологические следствия этих моделей (по современным представлениям, на очень ранних стадиях расширения Вселенной могли достигаться температуры много большие, чем энергетический масштаб "Великого объединения").

Одним из предсказаний моделей "Великого объединения" является несохранение барионного заряда и, как следствие, нестабильность протона.

Супергравитация - калибровочная теория суперсимметрии, представляющая собой суперсимметричное обобщение общей теории относительности (теории тяготения).

Расширенная теория супергравитации обладает симметрией, в принципе позволяющей объединить все известные виды взаимодействий - гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Однако имеющиеся модели пока далеки от реальной действительности (в частности, в них нет места некоторым фундаментальным частицам).

Таким образом, современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия необходимы для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, получаемого из одного фундаментального взаимодействия - супкрсилы. Доказательством является факт объединения электромагнитного и слабого взаимодействия при энергии 100 млрд. электрон-вольт, что теоретически соответствовало температуре Вселенной через 10-10 с после Большого взрыва. При энергии 1015 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 1019 ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий. Косвенно эти идеи подтверждаются в астрофизике.

1.3. Концепции пространства и времени

В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объемов и протяженности.

Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и, в первую очередь, в макроми-

34

ре твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона "Математические начала натуральной философии". Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

- абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью;

- относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени: час, день, месяц, год...

Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.

При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя.

Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время и привел их в движение. Бог, являясь суще-

35

ством непространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная везде сущность.

Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и их последователями. Ньютон также разделял эти взгляды.

В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идеи, высказанные в общем виде еще александрийским теологом Оригеном (III в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.

Есть концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.

Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Де-

36

карт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физике, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. "Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем".

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: "Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой". Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции: "Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил".

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Таким образом, слово "относительно" в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в спе-

37

циальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течение 106 - 1015 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

38

Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

"Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света".

Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Со скоростью света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.

В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утвержда-

39

ющий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала ничего нет. Замедление вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а ее частота - к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастает на столько, что красное гравитационное смещение окажется действительно бесконечным.

С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и действительно испытывают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и потому в полном смысле этого

40

слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает.

Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигнет его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры. Таким образом, материя влияет на свойства пространства и времени.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Разработанная теория суперструн, которая представляет элементарные частицы в качестве гармонических колебаний этих струн и связывает физику с геометрией, исходит из многомерности пространства. А это означает, что мы на новом этапе развития науки, на новом уровне познания возвращаемся к предсказаниям А. Эйнштейна 1930 г.:

"Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образно говоря, берет сейчас реванш и "съедает" материю".

41

Возможно, существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие, мы можем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если ее существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из существования кванта пространства также следует существование кванта времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных интервалов.

Единство и многообразие свойств пространства и время

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые неразрывно связаны и с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Из всеобщих свойств пространства и времени следует, прежде всего, отметить:

Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть);

Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования;

Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей;

Единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо "разрывов" в самом пространстве;

Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи - невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а их нужно объединить в понятии четырех-

42

мерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи - пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

Общие свойства пространства:

Протяженность - рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементов материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы;

Связность и непрерывность проявляются в характере перемещения тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо "разрывов" в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях. Вместе с тем, пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем;

Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов;

Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной - евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Общие свойства времени:

Длительность выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интер-

43

валом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относиться к метрическим свойствам;

Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход;

Всеобщим свойством времени является необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события - это те, которые возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной - настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него к будущему, но никогда наоборот.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака

44

времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распады неустойчивых частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино. Установлено, что и протоны могут распадаться за период времени порядка 1031 лет;

4. Одновременность времени проявляется и в линейной, генетически связанной между собой, системе измерений. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры - двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно - временные свойства систем.

К пространственным свойствам относятся:

Контрольные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел;

Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как макромиру, так и микромиру, являются фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества;

Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно также полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидному пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями в зависимости от распределения тяготеющих масс.

Специфические свойства времени:

1. Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада, ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений;

Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедле-

45

ние всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в одной системе, могут быть неодновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно единое пространство.

Некоторые авторы в качестве самостоятельных выделяют: биологическое и социальное пространство и время, индивидуальное, психологическое, художественное историческое и т.д. Основания для этого есть.

В биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени.

Таким образом, теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

Направленность времени, связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира следует из второго начала термодинамики. Направленность времени, определяющая принцип причинности, отличает временные координаты от пространственных, причем для одновременных событий нет симметрии между «правым» и «левым». В современной картине мира в основу положены необратимые процессы, и поэтому возможно единообразное описание живого и неживого миров.

Вывод об основных результатах, к которым приходит теория относительности:

относительность свойств пространства-времени;

относительность массы и энергии;

- эквивалентность тяжелой и инертной масс.

46

1.4. Симметрия в физике

Симметрия, инвариантность, законы сохранения играют, несомненно, важную роль в физической науке. К примеру, поиски гармонии мира (симметрии) привели одного из самых ярких естествоиспытателей всех времен Иогана Кеплера к открытию законов движения планет. Т. Вейель отмечал, что симметрия «является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытался постичь и создать порядок, красоту и совершенство». «Для человеческого разума симметрия обладает, по-видимому, совершено особой притягательной силой, - писал Р. Фейнман. - Нам нравится смотреть на проявление симметрии в природе, на идеально симметричные сферы планет или Солнца, на симметричные кристаллы, на снежинки, наконец, на цветы, которые почти симметричны».

Что же такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводится параллели: симметрия и уравновешенность, симметрия и гармония, симметрия и совершенство. Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: «симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали» [Фейнман Р.]. Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-то свойств объекта) по отношению к каким-нибудь преобразованиям, каким-нибудь операциям, выполняемым над объектом.

Понятие симметрии имеет определённую «структуру», состоящую из трёх факторов:

1) объект или явление, симметрии которого рассматриваются;

2) изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3) инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию.

Подчеркнём: инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определённым преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то, несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на диалектике сохранения и изменения.

В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойство пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии. Примерами геометрических сим-

47

метрий являются: однородность пространства и времени, изотропность пространства, пространственная чётность, эквивалентность инерциальных систем отсчёта.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами пространства и времени выражающие свойства определённых физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии. Примерами динамической симметрии являются симметрии электрического заряда.

К динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

Взаимосвязь форм симметрии вытекает из единства таких атрибутов материи, как пространство, время и движение. Жесткое противопоставление этих форм принципиально недопустимо. В самом деле, рассматривая, например, такую «типичную» геометрическую симметрию, как однородность пространства, можно заметить, что в её определении в скрытом виде содержатся динамические характеристики. Ведь суть этой симметрии в том, что в пространственных перемещениях при определённых физических условиях, например при слабых полях тяготения, поведение тел не зависит от занимаемого ими места в пространстве, что и выражается в независимости присущего им импульса от их пребывания в тех или других точках пространства. Без учёта единства пространства и движения материи говорить о каких-либо свойствах симметрии пространства просто бессмысленно. В абсолютно пустом пространстве нет ни однородности, ни разнородности. В нём вообще ничего нет и о нём ничего сказать нельзя. Ни одну геометрическую симметрию нельзя определить без привлечения прямого или опосредованного, динамических параметров. Даже определение такой простой геометрической симметрии, как симметрия двух точек по отношению к какой-то прямой, включает в себя возможность их совмещения, т.е. определённого движения. Без движения и вне движения не существует ни одной геометрической симметрии.

В свою очередь динамические симметрии связанны со свойством пространства и времени, что выражается в возможности их геометрической интерпретации. Например, такая динамическая симметрия, как симметрия изотопического спина, в котором поворот на 1800 независимо от направления поворота, превращает протон в нейтрон, а нейтрон - в протон. Возможность такой интерпретации симметрии изотопического спина, т.е. тождественность протонов и нейтронов по отношению к сильным взаимодействиям, ясно указывает на то, что эта симметрия связанна с определёнными пространственными формами.

Таким образом, любая геометрическая симметрия связана с движением и взаимодействием материальных объектов, а любая динамическая симметрия - со свойствами пространства и времени.

48

Приведём ряд примеров геометрической симметрии.

1. Предположим, что все электроны одного атома поменялись с электронами другого атома. Поскольку электроны тождественны (любой наугад выбранный электрон ничем не отличается от мириадов других электронов), то от обмена электронов никаких изменений в атомах не произойдёт. Это есть симметрия.

2. Или возьмём известные всем со школьной скамьи агрегатные состояния вещества - твёрдые, жидкие, газообразные. Для определённости в качестве твёрдого вещества рассмотрим идеальный бесконечный кристалл. В нём существует определённая, так называемая дискретная симметрия относительно переноса. Это означает, что, если сдвинуть кристаллическую решётку на расстояние, равное интервалу между двумя атомами, в ней ничего не изменится - кристалл совпадет сам с собой. Если же кристалл расплавить, то симметрия получившейся из него жидкости будет иной: она возрастёт. В кристалле равноценными были только точки, удалённые друг от друга на определённые расстояния, так называемые узлы кристаллической решётки, в которых находились одинаковые атомы.

3. Жидкость же однородна по всему объёму, все её точки неотличимы одна от другой. Это означает, что жидкость может смещаться на любые произвольное расстояния (а не только на какие-то дискретные, как в кристалле) или поворачиваться на любые произвольные углы (чего в кристаллах делать нельзя вообще), и она будет совпадать сама с собой. Степень её симметрии выше.

4. Газ ещё более симметричен: жидкость занимает определённый объём в сосуде и наблюдается асимметрия внутри сосуда, где жидкость есть, и точки, где её нет. Газ же занимает весь предоставленный ему объём, и в этом смысле все его точки неотличимы одна от другой. Всё же здесь было бы правильнее говорить не о точках, а о малых, но макроскопических элементах, потому что на микроскопическом уровне отличия всё-таки есть. В одних точках в данный момент времени имеются атомы или молекулы, а в других нет. Симметрия наблюдается только в среднем, либо по некоторым макроскопическим параметра объёма, либо по времени. Но мгновенной симметрии на микроскопическом уровне здесь по-прежнему ещё нет. Если же вещество сжимать очень сильно, до давлений, которые в обиходе недопустимы, сжимать так, чтобы атомы были раздавлены, их оболочки проникли друг в друга, а ядра начали соприкасаться, возникает симметрия и на микроскопическом уровне. Все ядра одинаковы и прижаты друг к другу, нет, не только межатомных, но и межъядерных расстояний и вещество становится однородным. Но есть ещё субмикроскопический уровень. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые двигаются внутри ядра. Между ними тоже есть какое-то пространство. Если продолжать сжимать так, что будут раздавлены и ядра, нуклоны плотно прижмутся друг к другу. Тогда и на субмикроскопическом уровне появится

49

симметрия, которой нет даже внутри обычных ядер. Именно в этом состоянии вещество находится внутри так называемых нейтронных звёзд.

Из сказанного можно увидеть вполне определённую тенденцию: чем выше температура и больше давление, тем более симметричным становится вещество. Эта тенденция оказалась чрезвычайно общим законом.

До сих пор мы говорили о самой простой, геометрической симметрии. Однако в природе существуют и другие неизмеримо более сложные её виды. Пространство и время, из свойств симметрии которых следуют основные законы сохранения, заполнены материей и «пропитаны», силами, посредством которых разные части этой материи взаимодействуют друг с другом. Согласно современным представлениям, в природе существуют четыре основных типа сил, или, иными словами, четыре типа взаимодействий: сильные, электромагнитные, слабые, гравитационные. Природа их выглядит совершенно различной, но за каждой стоит какая-то симметрия.

Наиболее интересные различия типов взаимодействий связаны с симметрией. Все взаимодействия элементарных частиц контролируются абсолютными законами сохранения. Однако существуют законы сохранения (и соответствующие им принципы симметрии), справедливые для одних взаимодействий и несправедливые для других. Так, законы сохранения пространственной и зарядовой чётности выполняются в электромагнитных и сильных взаимодействиях, но не выполняются в слабых взаимодействиях. Существует правило: чем сильнее взаимодействие, тем оно симметричнее. Иначе говоря, чем слабее взаимодействие, тем в меньшей мере оно контролируется законами сохранения. Так сильное взаимодействие наиболее симметрично. В обусловленных им процессах сохраняются все квантовые числа, справедливы законы сохранения и изоспина.

Электромагнитное взаимодействие является чуть менее симметричным, чем сильное. В процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется, но все прочие законы сохранения, в том числе и для проекции изоспина, остаются справедливыми.

Слабое взаимодействие наименее симметрично. В процессах, им обусловленных, выполняются только универсальные законы сохранения (законы сохранения импульсов, момента импульса и электрического заряда).

Перейдем теперь к конкретным свойствам симметрии пространства и времени.

1. Симметрия относительно переноса вдоль любой прямой. Перенос в любом направлении можно разложить по трем взаимно перпендикулярным осям. Таким образом, пространство имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

2. Время задается одной величиной, а не тремя, как точка в пространстве. Симметрия времени уже, чем симметрия бесконечной прямой, если рассматривать время во всех его аспектах, но, тем не менее, не исключена

50

возможность, что время симметрично по отношению к одному определенному классу законов природы. К этому классу принадлежат законы механики, которым подчинены движения тел в пространстве и во времени. К примеру, обращение Земли вокруг Солнца совершается одинаково в течение десятков тысяч лет; если бы не влияли другие планеты и приливы, и Солнце не теряло постепенно свою массу вследствие излучения, орбита Земли оставалась бы неизменной сколь угодно долго. Отсюда надо заключить, что время однородно, т.е. все его моменты равносильны, по крайне мере по отношению к чисто механическим явлениям.

3. Есть еще одно преобразование симметрии, связанное с временем. Уподобив его точкам на прямой, мы можем пойти еще дальше и спросить: существует ли симметрия относительно перемены направлений времени? Абстрактная прямая, безусловно, обладает такой симметрией, но обладает ли время?

Если изменить (мысленно) направление времени на обратное, то все материальные частицы переменят знак скорости. Но «попятное» движение будет совершаться строго по тем же траекториям, по каким происходило движение вперед. Законы механики полностью симметричны относительно прошедшего и будущего. Например, затмения Солнца так же хорошо определяются в прошлом, как и в отдаленном будущем.

Таким образом, по отношению к определенному классу явлений - механическим движениям - время допускает замену прошедшего на будущее. Можно сделать и более общее определение: все законы физики в таком виде, как мы знаем их до сих пор, симметричны относительно изменения знака времени.

Рассмотрим симметрию пространства. Есть существенная разница между координатной системой на плоскости и в пространстве. Координатные системы на плоскости всегда могут быть полностью совмещены друг с другом. Действительно, пусть совмещены абсциссы. Тогда возможны два случая: либо ординаты тоже совмещены, либо они направлены в противоположные стороны. В первом случае нечего больше доказывать, а во втором случае надо повернуть одну из систем вокруг абсциссы на 1800, выведя ординату из плоскости.

Две оси легко совместить только что описанным способом. После этого третьи оси могут иметь либо одинаковое, либо противоположное направление. В последнем случае их невозможно совместить никаким поворотом. Ведь если повернуть систему вокруг оси абсцисс, то ординаты тоже повернутся вместе с третьей осью. Следовательно, если две из трех осей совпадают, а третьи направлены противоположно, то такие координатные системы невозможно совместить. По аналогии с руками координатные системы называются правой и левой. Отличать их следует так. Обычный «правый» винт направляют (мысленно) по оси Z. Тогда, если вращать головку винта от оси Х оси Y по часовой стрелке, то сам винт будет переме-

51

щаться по оси Z. Правый винт, отраженный в зеркале, становится левым. Законы механики совершенно тождественно формулируются в обеих системах координат.

Всегда следует помнить, что симметрия того или другого рода есть свойство определенных законов движения, а не абстрактного пространства, как его представляют себе по учебникам геометрии. Всякие физические законы выражают известное приближение к истине: абсолютных законов пока нет, и мы не знаем, существуют ли они. Поэтому свойства симметрии являются приближенными в той же мере, как сами законы движения, обладающие этими свойствами.

Столь осторожное высказывание относится к законам, которые еще не уточнены: мы не можем предугадать, в какую сторону пойдет уточнение. Но бывают случаи, когда свойства симметрии не нарушаются при переходе к более детальным закономерностям движения. Так, все что сказано о симметрии пространства и времени в ньютоновской механике, целиком переносится в квантовую механику. Особенно важно при этом свойство симметрии относительно правого-левого: в квантовой механике из него получается новый закон сохранения, который нельзя формулировать в классической механике.

Пространство обладает еще одним видом симметрии - относительно поворотов координатных систем. Достаточно далеко от всех тяготеющих тел все точки пространства равноценны, равно как все прямые, проведенные через любую точку. Вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной. Симметрию относительно поворотов называют изотропией, относительно переносов - однородностью.

Может показаться, что рассуждение о свойствах симметрии пространства, основанное на законах движения, ничего не прибавляет к нашим действительным знаниям о движении. Все свойства пространства заключены в геометрии Евклида, которой механика пользуется от своего зарождения и по сей день. Но интуитивное чувство реальности, с которым связано применение геометрии Евклида, основано, в конечном счете, на повседневном опыте. Насколько он хорош в масштабе Солнечной системы? А во всей Вселенной? Ньютон высказался осторожно в этом смысле, чувствуя, что свойства пространства могут быть определены только физически, а не чисто геометрически. Но последующие поколения ученых были более догматичны.

По-новому подошел к вопросу только Эйнштейн, который показал, что пространство удовлетворяет аксиомам евклидовой геометрии приближенно. Как раз отклонение от евклидовости воспринимаются как действие сил тяготения. Но механика Эйнштейна существенно уточняет ньютоновскую. В рамках механики Ньютона пространство однородно и изотропно.

52

1.5. Великие физики: жизнь и творчество

Галилео ГАЛИЛЕЙ (Galilei)

(1564 - 1642)

Галилео Галилей - итальянский физик, механик и астроном, один из основателей естествознания, поэт, филолог и критик. Галилео Галилей принадлежал к знатной, но обедневшей флорентийской семье. Отец его, Винченцо, известный музыкант, оказал большое влияние на развитие и формирование способностей сына. До 1575 года Галилей жил в Пизе, мальчик посещал там школу, затем семья переселилась во Флоренцию. Дальнейшее воспитание Галилео получил в монастыре Валломброса, где стал послушником монашеского ордена. Здесь познакомился с работами латинских и греческих писателей. Однако вскоре отец забрал сына из монастыря под предлогом тяжёлой глазной болезни... В 1581 году Галилей поступил в Пизанский университет, где поначалу стал изучать медицину. Здесь он впервые познакомился с физикой Аристотеля, с самого начала показавшейся ему неубедительной, и обратился к чтению древних математиков - Евклида и Архимеда. Архимед стал его настоящим учителем. Увлечённый геометрией и механикой, Галилей бросил медицину и вернулся во Флоренцию, где провёл четыре года, изучая математику. Результатом этого периода жизни Галилея стало сочинение "Маленькие весы" (1586 г., издано в 1655 г.), в котором описаны изобретенные и изготовленные им самим гидростатические весы для быстрого определения состава металлических сплавов, и геометрическое исследование о центрах тяжести телесных фигур. Эти работы быстро принесли Галилею известность среди итальянских математиков. В 1589 он получил кафедру математики в Пизе, где продолжил научную работу. В рукописях сохранился его "Диалог о движении", написанный в Пизе и направленный против Аристотеля. Часть выводов и аргументация в этой работе ошибочны, и Галилей впоследствии от них отказался. Но уже здесь, пока не называя имени польского астронома Коперника, он приводит доводы, опровергающие возражения Аристотеля против суточного вращения Земли.

С 1589 г. Галилей - профессор Пизанского университета, в 1592 - 1610 гг. - Падуанского, в дальнейшем - придворный философ герцога Козимо II Медичи. Заняв в 1592 году кафедру математики в Падуе, Галилей вступил в период наивысшего расцвета своей научной деятельности. В эти годы возникли его статические исследования о машинах, где он исходит из общего принципа равновесия, совпадающего с принципом возможных перемещений, созрели его главные динамические работы о законах свободного падения тел, о падении по наклонной плоскости, о движении тела,

53

брошенного под углом к горизонту, об изохронизме колебаний маятника. К этому же периоду относятся исследования о прочности материалов, о механике тел животных. Наконец, в Падуе Галилей стал вполне убеждённым последователем Коперника. Однако научная работа Галилея осталась скрытой от всех, за исключением друзей. Лекции его читались по традиционной программе, в них излагалось учение Птолемея. В Падуе Галилей опубликовал только описание пропорционального циркуля, позволяющего быстро производить различные расчёты и построения.

В 1609 году, на основании дошедших до него сведений об изобретённой в Голландии зрительной трубе, Галилей строит свой первый телескоп, дающий приблизительно трехкратное увеличение. Работа телескопа демонстрировалась с башни св. Марка в Венеции и произвела громадное впечатление. Вскоре Галилей построил телескоп с 32-кратным увеличением. Наблюдения, произведённые с его помощью, разрушили представление

Аристотеля об "идеальных сферах" и догмат о совершенстве небесных тел: поверхность Луны оказалась покрытой горами и изрытой кратерами, звёзды потеряли свои кажущиеся размеры, и впервые была постигнута их колоссальная удалённость. У Юпитера обнаружилось четыре спутника, на небе стало видно громадное количество новых звёзд. Млечный Путь распался на отдельные звёзды. Свои наблюдения Галилей описал в сочинении "Звёздный вестник" (1610 - 1611 гг.), и оно произвело ошеломляющее впечатление, вызвав ожесточённую полемику. Галилея обвиняли в том, что всё виденное им - оптический обман. Его противники использовали как аргумент и то, что его наблюдения противоречат Аристотелю, а, следовательно, уже поэтому - ошибочны.

Астрономические открытия послужили поворотным пунктом в жизни Галилея: он освободился от преподавательской деятельности и по приглашению герцога Козимо II Медичи переселился во Флоренцию. Здесь он становится придворным "философом" и "первым математиком" университета, без обязательства читать лекции. Продолжая телескопические наблюдения, Галилей открыл фазы Венеры, солнечные пятна и вращение Солнца, изучал движение спутников Юпитера, наблюдал Сатурн. В итоге Галилей опубликовал своё первое антиаристотелевское сочинение "Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и тех, которые в ней движутся" (1612 г.), где применил принцип равных моментов к выводу условий равновесия в жидких телах. Однако в 1613 году стало известно о письме Галилея к аббату Кастелли, в котором он защищал взгляды Коперника. Письмо послужило поводом для прямого доноса на Галилея в инквизицию. В 1616 г. конгрегация иезуитов объявила учение Коперника еретическим, книга Коперника была включена в список запрещенных. Имя Галилея в постановлении не было названо, но частным образом ему было приказано отказаться от защиты этого учения. Галилей формально подчинился декрету. В течение нескольких лет он принуждён был молчать о системе Копер-

54

ника или говорить о ней намёками. Единственным большим сочинением ученого за этот период был "Пробирщик" (1623 г.) - полемический трактат по поводу трёх комет, появившихся в 1618 году. В отношении литературной формы, остроумия и изысканности стиля это одно из наиболее замечательных произведений Галилея.

В 1623 году на папский престол под именем Урбана VIII вступил друг ученого кардинал Маффео Барберини. Для Галилея это событие казалось равносильным освобождению от уз интердикта (декрета). В 1630 он приехал в Рим уже с готовой рукописью "Диалога о приливах и отливах" (первое название "Диалога о двух главнейших системах мира"), в котором системы Коперника и Птолемея представлены в разговорах трёх собеседников: Сагредо, Сальвиати и Симпличо. Папа Урбан VIII согласился на издание книги, в которой учение Коперника излагалось бы как одна из возможных гипотез. После длительных цензурных мытарств Галилей получил долгожданное разрешение на напечатание с некоторыми изменениями "Диалога"; книга появилась во Флоренции на итальянском языке в январе 1632. Однако через несколько месяцев после выхода книги Галилей получил приказ из Рима прекратить дальнейшую продажу издания. По требованию инквизиции он был вынужден в феврале 1633 приехать в Рим: против него был возбуждён процесс. На четырёх допросах - от 12 апреля до 21 июня 1633 - Галилей отрекся от учения Коперника и 22 июня принёс на коленях публичное покаяние в церкви Maria Sopra Minerva. "Диалог" был запрещен, а Галилей 9 лет официально считался "узником инквизиции". Сначала он жил в Риме, в герцогском дворце, затем в своей вилле Арчетри, под Флоренцией. Ему были запрещены разговоры с кем-либо о движении Земли и печатание трудов.

Несмотря на папский интердикт, в протестантских странах появился латинский перевод "Диалога", в Голландии было напечатано рассуждение Галилея об отношениях Библии и естествознания. Наконец, в 1638 году в Голландии издали одно из самых важных сочинений Галилея, подводящее итог его физическим изысканиям и содержащее обоснование динамики, - "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...". В 1637 году Галилей ослеп.

Он умер 8 января 1642. В 1737 была исполнена последняя воля Галилея - его прах был перенесён во Флоренцию в церковь Санта-Кроче, где он был погребён рядом с Микеланджело.

Влияние Галилея на развитие механики, оптики и астрономии неоценимо. Его научная деятельность, огромной важности открытия, научная смелость имели решающее значение для победы гелиоцентрической системы мира. Особенно значительна работа ученого по созданию основных принципов механики. Если основные законы движения и не были высказаны Галилеем с той чёткостью, с какой это сделал Исаак Ньютон, то по существу закон инерции и закон сложения движений были им вполне

55

осознаны и применены к решению практических задач. Можно сказать, что история статики начинается с Архимеда, а историю динамики открывает Галилей.

Он первый выдвинул идею об относительности движения (принцип относительности Галилея), решил ряд основных механических проблем. Сюда относятся, прежде всего, изучение законов свободного падения тел и падения их по наклонной плоскости; законы движения тела, брошенного под углом к горизонту; установление сохранения механической энергии при колебании маятника. Галилей нанёс удар аристотелевским догматическим представлениям об "абсолютно лёгких телах" (огонь, воздух); в ряде остроумных опытов он показал, что воздух имеет вес, и даже определил его плотность по отношению к воде.

Основа мировоззрения Галилея - признание объективного существования мира, т.е. его существования вне и независимо от человеческого сознания. Мир бесконечен, считал он, материя вечна. Во всех процессах, происходящих в природе, ничто не уничтожается и не порождается - происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, её движение - единственное, универсальное механическое перемещение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются единым законам механики. Всё в природе подчинено строгой механической причинности. Подлинную цель науки Галилей видел в отыскании причин явлений. Он считал, что познание внутренней необходимости явлений есть высшая ступень знания. Исходным пунктом познания природы Галилей считал наблюдение, основой науки - опыт. Отвергая попытки схоластов добыть истину из сопоставления текстов признанных авторитетов и путём отвлечённых умствований, Галилей утверждал, что задача учёного - "... это изучать великую книгу природы, которая и является настоящим предметом философии". Тех, кто слепо придерживается мнения авторитетов, не желая самостоятельно изучать явления природы, он называл "раболепными умами", считал их недостойными звания философа и клеймил как "докторов зубрёжки".

В соответствии с воззрениями своего времени, Галилей разделял теорию "двойственной истины" и допускал божественный первотолчок. Одарённость Галилея не ограничивалась областью науки: он был музыкантом, художником, любителем искусств и блестящим литератором. Его научные трактаты, большая часть которых написана на народном итальянском языке, хотя он в совершенстве владел латынью, могут быть отнесены также к художественным произведениям по простоте и ясности изложения и блеску литературного стиля. Галилей переводил с греческого языка на латынь, изучал античных классиков и поэтов Возрождения (работы "Заметки к Ариосто", "Критика Тассо"), выступал во Флорентийской академии по вопросам изучения Данте, написал бурлескную поэму "Сатира на носящих тогу". Он соавтор канцоны А. Сальвадори "О звёздах Медичей" - спутниках Юпитера, открытых в 1610 году...

56

Исаак НЬЮТОН (Newton)

(1643 - 1727)

Исаак Ньютон, будущий великий физик и математик, родился в семье фермера в Вулсторпе, близ Грантема в Англии. Его отец умер незадолго до рождения сына. С 12 лет мальчик начал учиться в Грантемской школе, а в 1661 г. поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета в качестве субсайзера (так называли малообеспеченных студентов, выполнявших для заработка обязанности слуг в колледже). Окончив колледж в 1665 г., Ньютон получил учёную степень бакалавра.

В 1665-67 гг., во время эпидемии чумы, он жил в своей родной деревне Вулсторп. Эти годы вынужденного затворничества оказались наиболее продуктивными в его научном творчестве. В это время у Ньютона сложились идеи, которые привели его к созданию дифференциального и интегрального исчислений, изобретению зеркального телескопа (собственноручно изготовленного им в 1668 г.), открытию закона всемирного тяготения. Здесь он провёл опыты по разложению (дисперсии) света.

В 1668 г. Ньютону была присвоена степень магистра, а в 1669 г. его учитель знаменитый английский математик И. Барроу передал ему почётную физико-математическую кафедру в университете, которую Ньютон занимал до 1701 г.

В 1671 г. Ньютон построил свой второй зеркальный телескоп - большего размера и лучшего качества, чем первый. Демонстрация телескопа произвела сильное впечатление на современников, и вскоре после этого (в январе 1672 г.) Ньютон был избран членом Лондонского королевского общества - английской академии наук. Позднее, в 1703 г., он стал президентом Лондонского королевского общества.

В 1687 г. он опубликовал свой грандиозный труд "Математические начала натуральной философии" ("Начала").

В 1695 г. ученый был назначен на должность смотрителя Монетного двора. Этому, очевидно, способствовало то, что он изучал свойства металлов. Ньютону было поручено руководить перечеканкой всей английской монеты. Ему удалось привести в порядок расстроенное монетное дело Англии, и за это он получил в 1699 г. пожизненное высокооплачиваемое звание директора Монетного двора. Труды Ньютона получили высокую оценку и за границами Англии - он был избран иностранным членом Парижской академии наук. В 1705 г. за научные труды он возведён в дворянское достоинство.

57

Создатель классической физики

Ньютоном были изучены все основные вопросы физики и математики, актуальные для его времени. Могучий аппарат ньютоновской механики, его универсальность и способность объяснить и описать широчайший круг явлений природы, особенно астрономических, оказали огромное влияние на многие области физики и химии. Ньютон писал, что было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, и при объяснении некоторых оптических и химических явлений сам использовал механической модели.

Влияние взглядов Ньютона на дальнейшее развитие физики огромно. Российский физик С.И. Вавилов писал: "Ньютон заставил физику мыслить по-своему, "классически", как мы выражаемся теперь... Можно утверждать, что на всей физике лежал индивидуальный отпечаток его мысли; без Ньютона наука развивалась бы иначе".

Углубленные занятия естественными науками и математикой совмещались у Ньютона с религиозностью. К концу жизни он даже написал сочинение о пророке Данииле и толкование Апокалипсиса.

После смерти Ньютона возникло научно-философское направление, получившее название ньютонианства, наиболее характерной чертой, которого была абсолютизация и развитие высказывания Ньютона: "гипотез не измышляю" ("hypotheses non fingo") и призыв к феноменологическому изучению явлений при игнорировании фундаментальных научных гипотез.

Оптика: в споре рождается истина

Ньютон начал интересоваться оптикой ещё в студенческие годы, его исследования в этой области были связаны со стремлением устранить недостатки оптических приборов. В своей первой работе "Новая теория света и цветов", доложенной им в Лондонском королевском обществе в 1672 г., Ньютон высказал свои взгляды о "телесности света" (корпускулярную гипотезу света). Эта работа вызвала бурную полемику: в то время господствовали волновые представления. Особенно яростным противником корпускулярных взглядов на природу света выступил английский естествоиспытатель, физик и архитектор Роберт Гук (1635-1703). Отвечая Гуку, Ньютон высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления о свете. Эту гипотезу он потом развил в сочинении "Теория света и цветов", в котором он описал также свои опыты с "кольцами Ньютона" и установил периодичность световых волн. Однако при чтении этого сочинения на заседании Лондонского королевского общества Гук выступил с притязанием на приоритет, и раздражённый Ньютон принял решение не публиковать оптических работ. Многолетние оптические исследования Ньютона были опубликованы им лишь в 1704 г. - через год после смерти Гука - в фундаментальном сочинении "Оптика".

58

Принципиальный противник необоснованных и произвольных гипотез, Ньютон начинает "Оптику" словами: "Мое намерение в этой книге - не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами". Он описал скрупулезно проведённые им эксперименты по обнаружению дисперсии света - разложения белого света с помощью призмы на отдельные компоненты, разного цвета и различной преломляемости. Ньютон показал, что дисперсия вызывает искажение в линзовых оптических системах - хроматическую аберрацию. Считая, что устранить искажение, вызываемое ею, невозможно, ученый сконструировал зеркальный телескоп.

Кроме того, Ньютон описал интерференцию света в тонких пластинках и изменение интерференционных цветов в зависимости от толщины пластинки в "кольцах Ньютона". По существу, он первым измерил длину световой волны. Он описал и свои опыты по дифракции света.

"Оптика" завершается специальным приложением "Вопросы", где Ньютон высказывает свои физические взгляды - в частности, воззрения на строение вещества, где присутствует (правда, в неявном виде) понятие атома и молекулы. Ньютон приходит к идее иерархического строения вещества: он допускает, что "частички тел" (атомы) разделены промежутками - пустым пространством, а сами состоят из более мелких частичек, также разделённых пустым пространством и состоящих из ещё более мелких частичек, вплоть до окончательно неделимых твёрдых частичек. Ньютон высказывает гипотезу о том, что свет может представлять собой сочетание движения материальных частиц с распространением волн эфира.

"Начала" Ньютона

Вершиной научного творчества Ньютона являются "Начала" ("Математические начала натуральной философии"), в которых он обобщил результаты, полученные его предшественниками - Г. Галилеем, И. Кеплером, Р. Декартом, Х. Гюйгенсом, Дж. Борелли, Р. Гуком, Э. Галлеем, и свои собственные исследования.

Он впервые создал единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь были даны определения исходных понятий - количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы.

Формулируя понятие количества материи, Ньютон исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность он понимал как степень заполнения единицы объёма тела первичной материей.

Пространство, время, силы

Ньютон впервые рассмотрел основной метод описания любого физического воздействия через посредство силы. Определяя понятия про-

59

странства и времени, он отделял "абсолютное неподвижное пространство" от ограниченного подвижного пространства, называя "относительным", а равномерно текущее, абсолютное, истинное время, называя "длительностью", - от относительного, кажущегося времени, служащего в качестве меры "продолжительности". Эти понятия времени и пространства легли в основу классической механики.

Затем ученый сформулировал свои знаменитые "аксиомы, или законы движения": закон инерции (открытый Галилеем, первый закон Ньютона), закон пропорциональности количества движения силе (второй закон Ньютона) и закон равенства действия и противодействия (третий закон Ньютона). Из 2-го и 3-го законов он выводит закон сохранения количества движения для замкнутой системы.

Ньютон также рассмотрел движение тел под действием центральных сил и доказал, что траекториями таких движений являются конические сечения (эллипс, гипербола, парабола). Он изложил своё учение о всемирном тяготении, сделал заключение, что все планеты и кометы притягиваются к Солнцу, а спутники - к планетам с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния, и разработал теорию движения небесных тел.

Ньютон показал, что из закона всемирного тяготения вытекают и законы Кеплера, и важнейшие отступления от них. Так, он объяснил особенности движения Луны (вариацию, попятное движение узлов и т.д.), явление прецессии и сжатие Юпитера, рассмотрел задачи притяжения сплошных масс, теории приливов и отливов, предложил теорию фигуры Земли.

В "Началах" Ньютон исследовал движение тел в сплошной среде (газе, жидкости) в зависимости от скорости их перемещения и привёл результаты своих экспериментов по изучению качания маятников в воздухе и жидкостях. Здесь же он рассмотрел скорость распространения звука в упругих средах. Посредством математического расчёта Ньютон доказал несостоятельность гипотезы Декарта, объяснявшего движение небесных тел с помощью представления о разнообразных вихрях в эфире, заполняющем Вселенную. Ньютон нашёл закон охлаждения нагретого тела. В этом же сочинении он уделил значительное внимание закону механического подобия.

Математика - орудие физика

Итак, в "Началах" впервые дана общая схема строгого математического подхода к решению любой конкретной задачи земной или небесной механики. Дальнейшее применение этих методов потребовало, однако, детальной разработки аналитической механики (Л. Эйлер, Ж. Д'Аламбер, Ж. Лагранж, У. Гамильтон) и гидромеханики (Л. Эйлер и Д. Бернулли).

Последующее развитие физики выявило пределы применимости механики Ньютона (теория относительности, разработанная А. Эйнштейном, квантовая механика).

60

Задачи естествознания, поставленные Ньютоном, потребовали разработки принципиально новых математических методов. Математика для него была главным орудием в физических изысканиях; он подчёркивал, что понятия математики заимствуются извне и возникают как абстракция явлений и процессов физического мира, что по существу математика является частью естествознания.

Разработка дифференциального исчисления и интегрального исчисления явилась важной вехой в развитии математики. Большое значение имели также работы Ньютона по алгебре, интерполированию и геометрии.

Основные идеи метода флюксий сложились у Ньютона под влиянием трудов П. Ферма, Дж. Валлиса и его учителя И. Барроу в 1665-66 гг. К этому времени относится его открытие взаимно обратного характера операций дифференцирования и интегрирования и фундаментальные открытия в области бесконечных рядов, в частности индуктивное обобщение "теоремы о биноме Ньютона" на случай любого действительного показателя.

Вскоре были написаны и основные сочинения Ньютона по анализу, изданные, однако, значительно позднее. Некоторые математические открытия ученого получили известность уже в 70-е гг. благодаря его рукописям и переписке.

"Флюент" и "флюксия" - интеграл и производная

В понятиях и терминологии метода флюксий с полной отчётливостью отразилась глубокая связь математических и механических исследований Ньютона. Понятие непрерывной математической величины он вводит как абстракцию от различных видов непрерывного механического движения. Линии производятся движением точек, поверхности - движением линий, тела - поверхностей, углы - вращением сторон и т.д.

Переменные величины Ньютон назвал флюентами (текущими величинами, от лат. fluo - теку). Общим аргументом текущих величин - флюент - является у Ньютона "абсолютное время", к которому отнесены прочие, зависимые переменные. Скорости изменения флюент Ньютон назвал флюксиями, а необходимые для вычисления флюксий бесконечно малые изменения флюент - "моментами" (у Лейбница они назывались дифференциалами). Таким образом, Ньютон положил в основу понятия флюксий (производной) и флюенты (первообразной, или неопределённого интеграла).

В сочинении "Анализ при помощи уравнений с бесконечным числом членов" (1669 г., опубликовано 1711 г.) Ньютон вычислил производную и интеграл любой степенной функции. Различные рациональные, дробно-рациональные, иррациональные и некоторые трансцендентные функции (логарифмическую, показательную, синус, косинус, арксинус) Ньютон выражал с помощью бесконечных степенных рядов. В этом же труде Ньютон изложил метод численного решения алгебраических урав-

61

нений, а также метод для нахождения разложения неявных функций в ряд по дробным степеням аргумента. Метод вычисления и изучения функций их приближением бесконечными рядами приобрёл огромное значение для всего анализа и его приложений.

Наиболее полное изложение дифференциального и интегрального исчислений содержится в "Методе флюксий..." (1670-1671 гг., опубл. 1736 г.). Здесь Ньютон формулирует две основные взаимно-обратные задачи анализа: 1) определение скорости движения в данный момент времени по известному пути, или определение соотношения между флюксиями по данному соотношению между флюентами (задача дифференцирования); 2) определение пройденного за данное время пути по известной скорости движения, или определение соотношения между флюентами по данному соотношению между флюксиями (задача интегрирования дифференциального уравнения и, в частности, отыскания первообразных).

Метод флюксий применяется здесь к большому числу геометрических вопросов (задачи на касательные, кривизну, экстремумы, квадратуры, спрямления и др.); здесь же выражается в элементарных функциях ряд интегралов от функций, содержащих квадратный корень из квадратичного трёхчлена. Большое внимание уделено в "Методе флюксий" интегрированию обыкновенных дифференциальных уравнений, причём основную роль играет представление решения в виде бесконечного степенного ряда. Ньютону принадлежит также решение некоторых задач вариационного исчисления.

Во введении к "Рассуждению о квадратуре кривых" (основной текст 1665-66 гг., введение и окончательный вариант 1670 г., опубликован 1704 г.) и в "Началах" он намечает программу построения метода флюксий на основе учения о пределе, о "последних отношениях исчезающих величин" или "первых отношениях зарождающихся величин", не давая, впрочем, формального определения предела и рассматривая его как первоначальное.

Учение Ньютона о пределе через ряд посредствующих звеньев (Ж.Л. Д'Аламбер, Л. Эйлер) получило глубокое развитие в математике XIX в. (О.Л. Коши и др.).

Аналитическая геометрия по Ньютону

В "Методе разностей" (опубликован 1711 г.) Ньютон дал решение задачи о проведении через n + 1 данные точки с равноотстоящими или неравноотстоящими абсциссами параболической кривой n-го порядка и предложил интерполяционную формулу, а в "Началах" дал теорию конических сечений. В "Перечислении кривых третьего порядка" (опубликована в 1704 г.) Ньютона приводится классификация этих кривых, сообщаются понятия диаметра и центра, указываются способы построения кривых 2-го и 3-го порядка по различным условиям. Этот труд сыграл большую роль в развитии аналитической и отчасти проективной геометрии.

62

Во "Всеобщей арифметике" (опубликована в 1707 г. по лекциям, прочитанным в 70-е гг. XVII в.) содержатся важные теоремы о симметрических функциях корней алгебраических уравнений, об отделении корней, о приводимости уравнений и др.

Алгебра окончательно освобождается у Ньютона от геометрической формы, и его определение числа не как собрания единиц, а как отношения длины любого отрезка к отрезку, принятому за единицу, явилось важным этапом в развитии учения о действительном числе.

Всемирное тяготение

Созданная Ньютоном теория движения небесных тел, основанная на законе всемирного тяготения, была признана крупнейшими английскими учёными того времени и резко отрицательно встречена на европейском континенте. Противниками взглядов Ньютона (в частности, в вопросе о тяготении) были картезианцы, воззрения которых господствовали в Европе, особенно во Франции, в первой половине XVIII в.

Убедительным доводом в пользу теории Ньютона явилось обнаружение рассчитанной им приплюснутости земного шара у полюсов - и это вместо выпуклостей, ожидавшихся по учению Декарта!

Исключительную роль в укреплении авторитета теории Ньютона сыграла работа А.К. Клеро по учёту возмущающего действия Юпитера и Сатурна на движение кометы Галлея. Успехи теории Ньютона в решении задач небесной механики увенчались открытием планеты Нептун (1846 г.), основанном на расчётах возмущений орбиты Юпитера (У. Леверье и Дж. Адамс).

Вопрос о природе тяготения во времена Ньютона сводился, в сущности, к проблеме взаимодействия, т.е. наличия или отсутствия материального посредника в явлении взаимного притяжения масс. Не признавая картезианских воззрений на природу тяготения, Ньютон, однако, уклонился от каких-либо объяснений, считая, что для них нет достаточных научно-теоретических и опытных оснований.

Ньютон умер в 1727 г. в Кенсингтоне и был похоронен в английском национальном пантеоне - Вестминстерском аббатстве.

Анри БЕККЕРЕЛЬ (Becquerel)

(1852 - 1908)

Французский физик Антуан - Анри Беккерель родился в Париже. Его отец, Александр Эдмон, и его дед, Антуан Сезар, были известными учеными, профессорами физики в Музее естественной истории в Париже и членами Французской академии наук. Беккерель получил среднее образование в лицее Людовика Великого, а в 1872 г. поступил в Политехническую школу в Париже. Через два года он перевелся в

63

Высшую школу мостов и дорог, где изучал инженерное дело, преподавал, а также проводил самостоятельные исследования. В 1875 г. он приступил к изучению воздействия магнетизма на линейно поляризованный свет, а в следующем году начал свою педагогическую карьеру в качестве лектора в Политехнической школе. Он получил ученую степень по техническим наукам в Высшей школе мостов и дорог в 1877 г. и стал работать в Национальном управлении мостов и дорог. Через год Беккерель стал ассистентом своего отца в Музее естественной истории, продолжая одновременно работать в Политехнической школе и в Управлении мостов и дорог. Беккерель сотрудничал со своим отцом на протяжении четырех лет, написав цикл статей о температуре Земли. Закончив свои собственные исследования линейно поляризованного света в 1882 г., Беккерель продолжил исследования своего отца в области люминесценции, нетеплового излучения света. В середине 1880-х гг. Беккерель также разработал новый метод анализа спектров, совокупностей волн различной длины, испускаемых источником света. В 1888 г. он получил докторскую степень, присужденную ему на факультете естественных наук Парижского университета за диссертацию о поглощении света в кристаллах. В 1892 г., через год после смерти отца, Беккерель стал его преемником в качестве заведующего кафедрой физики в Консерватории искусств и ремесел, а также аналогичной кафедрой в Музее естественной истории в Париже. Спустя два года Беккерель стал главным инженером в Управлении мостов и дорог, а в 1895 г. получил кафедру физики в Политехнической школе. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл излучение, обладающее большой энергией и проникающей способностью, известное сегодня как рентгеновские лучи, которые возникают, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом (катодом) электронно-вакуумной лампы, ударяют в другую часть лампы во время высоковольтного разряда. Поскольку падающие катодные лучи вызывают также люминесценцию, когда они ударяют в лампу, то ошибочно предполагалось, что и люминесценция, и рентгеновские лучи образуются посредством одного и того же механизма и что люминесценция может сопровождаться рентгеновскими лучами. Заинтересовавшись этим, Беккерель решил выяснить, может ли люминесцентный материал, активированный светом, а не катодными лучами, также испускать рентгеновские лучи. Он поместил на фотографические пластинки, завернутые в плотную черную бумагу, люминесцентный материал, имевшийся у него под рукой - сульфат уранил-калия (одна из солей урана), - и в течение нескольких часов подвергал этот пакет воздействию солнечного света. После этого он обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккереля, оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда

64

такой пакет помещали в темное место, без облучения солнечным светом. Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника. На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией. В мае 1896 г. Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно как лучи Беккереля.

В течение нескольких последующих лет благодаря исследованиям Беккереля и других ученых было, помимо прочего, обнаружено, что мощность излучения, по-видимому, не уменьшается со временем. В 1900 г. Беккерель пришел к выводу, что эти лучи частично состоят из электронов, открытых в 1897 г. Дж. Томсоном в качестве компонентов катодных лучей. Ученица Беккереля, Мари Кюри, открыла, что торий также испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность. Она и ее муж, Пьер Кюри, после тщательных исследований открыли два новых радиоактивных элемента - полоний (названный так в честь родины Мари Кюри - Польши) и радий. Беккерель и супруги Кюри получили в 1903 г. Нобелевскую премию по физике.

Сам Беккерель был особо упомянут "в знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности". В приветственной речи, которую произнес от имени Шведской королевской академии наук X.Р. Тернеблад, трем лауреатам ставилось в заслугу то, что они доказали: "те особые виды излучения, которые до сих пор были известны лишь по электрическим разрядам в разреженном газе, являются естественными и широко распространенными явлениями". Тернеблад добавил, что в результате были получены "новые методы, позволяющие при определенных условиях изучать существование материи в природе. Наконец, найден новый источник энергии, полное истолкование которого еще впереди".

Беккерель женился в 1874 г. на Люси-Зоэ-Мари Жамен, дочери профессора физики. Через четыре года его жена умерла во время родов, произведя на свет сына Жана, их единственного ребенка, который впоследствии стал физиком. В 1890 г. Беккерель женился на Луизе-Дезире Лорье. После получения Нобелевской премии он продолжал вести преподавательскую и научную работу. Беккерель скончался в 1908 г. в Ле-Круазик (Бретань) во время поездки с женой в ее родовое поместье.

65

Помимо Нобелевской премии Беккерель был удостоен многочисленных почестей, в том числе медали Румфорда, присуждаемой Лондонским королевским обществом (1900 г.), медали Гельмгольца Берлинской королевской академии наук (1901 г.) и медали Барнарда американской Национальной академии наук (1905 г.). Он был избран членом Французской академии наук в 1899 г., а в 1908 г. стал одним из ее непременных секретарей. Беккерель являлся также членом Французского физического общества, Итальянской национальной академии наук, Берлинской королевской академии наук, американской Национальной академии наук, а также Лондонского королевского общества.

Луи де БРОЙЛЬ (Broglie)

(1892 - 1987)

Французский физик Луи-Виктор-Пьер-Раймон де Бройль родился в Дьеппе. Он был младшим из трех детей Виктора де Бройля и урожденной Полин де ля Форест д'Армайль. Как старший мужчина этой аристократической семьи, его отец носил титул герцога. На протяжении столетий де Бройли служили нации на военном и дипломатическом поприще, но Луи и его брат Морис нарушили эту традицию, став учеными. Выросший в утонченной и привилегированной среде французской аристократии, юноша еще до поступления в лицей Жансон-де-Сайи в Париже был увлечен различными науками. Особый интерес в нем вызывала история, изучением которой он занялся на факультете искусств и литературы Парижского университета, где он в 1910 г. получил степень бакалавра. Не без влияния старшего брата Мориса молодой де Бройль все больше увлекался физикой и, по его собственным словам, "философией, обобщениями и книгами Анри Пуанкаре", знаменитого французского математика. После периода интенсивных занятий он в 1913 г. получил ученую степень по физике на факультете естественных наук Парижского университета. В тот же год Луи де Бройль был призван на военную службу и зачислен во французский инженерный корпус. После начала в 1914 г. первой мировой войны он служил в радиотелеграфном дивизионе и провел большую часть военных лет на станции беспроволочного телеграфа при Эйфелевой башне. Через год после окончания войны он возобновил свои занятия физикой в частной научно-исследовательской лаборатории своего брата. Он изучал поведение электронов, атомов и рентгеновских лучей. Это было увлекательное время для физиков, когда загадки возникали буквально на каждом шагу. В XIX в. классическая физика достигла столь больших успехов, что некоторые ученые начали сомневаться, остались ли нерешенными

66

хотя бы какие-то принципиальные научные проблемы. И лишь в самые последние годы столетия были сделаны такие поразительные открытия, как рентгеновское излучение, радиоактивность и электрон.

В 1900 г. Макс Планк предложил свою революционную квантовую теорию для объяснения соотношения между температурой тела и испускаемым им излучением. Вопреки освященному веками представлению о том, что свет распространяется непрерывными волнами, Планк высказал предположение о том, что электромагнитное излучение (всего лишь за несколько десятилетий до этого было доказано, что свет представляет собой электромагнитное излучение) состоит из неделимых порций, энергия которых пропорциональна частоте излучения. Новая теория позволила Планку разрешить проблему, над которой он работал, но она оказалась слишком непривычной, чтобы стать общепринятой.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн показал, что теория Планка - не математический трюк. Используя квантовую теорию, он предложил замечательное объяснение фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла под действием падающего на нее излучения). Было известно, что с увеличением интенсивности излучения число испущенных с поверхности электронов возрастает, но их скорость никогда не превосходит некоторого максимума. Согласно предложенному Эйнштейном объяснению, каждый квант передает свою энергию одному электрону, вырывая его с поверхности металла: чем интенсивнее излучение, тем больше фотонов, которые высвобождают больше электронов; энергия же каждого фотона определяется его частотой и задает предел скорости вылета электрона. Заслуга Эйнштейна не только в том, что он расширил область применения квантовой теории, но и в подтверждении им ее справедливости. Свет, несомненно, обладающий волновыми свойствами, в ряде явлений проявляет себя как поток частиц.

Новое подтверждение квантовой теории последовало в 1913 г., когда Нильс Бор предложил модель атома, которая соединила концепцию Эрнста Резерфорда о плотном центральном ядре, вокруг которого обращаются электроны, с определенными ограничениями на электронные орбиты. Эти ограничения позволили Бору объяснить линейчатые спектры атомов, которые можно наблюдать, если свет, испущенный веществом, находящимся в возбужденном состоянии при горении или электрическом разряде, пропустить через узкую щель, а затем через спектроскоп - оптический прибор, пространственно разделяющий компоненты сигнала, соответствующие различным частотам или длинам волн (различным цветам). В результате возникает серия линий (изображений щели), или спектр. Положение каждой спектральной линии зависит от частоты определенной компоненты. Спектр целиком определяется излучением атомов или молекул светящегося вещества. Бор объяснял возникновение спектральных линий "перескоком" электронов в атомах с одной "разрешенной" орбиты на дру-

67

гую, с более низкой энергией. Разность энергий между орбитами, теряемая электроном при переходе, испускается в виде кванта, или фотона - излучения с частотой, пропорциональной разности энергий. Спектр представляет собой своего рода кодированную запись энергетических состояний электронов.

Модель Бора, таким образом, подкрепила и концепцию дуальной природы света как волны и потока частиц. Несмотря на большое число экспериментальных подтверждений, мысль о двойственном характере электромагнитного излучения у многих физиков продолжала вызывать сомнения. К тому же в новой теории обнаружились уязвимые места. Например, модель Бора "разрешенные" электронные орбиты ставила в соответствии наблюдаемым спектральным линиям. Орбиты не следовали из теории, а подгонялись, исходя из экспериментальных данных.

Де Бройль первым понял, что если волны могут вести себя как частицы, то и частицы могут вести себя как волны. Он применил теорию Эйнштейна - Бора о дуализме волна - частица к материальным объектам. Волна и материя считались совершенно различными. Материя обладает массой покоя. Она может покоиться или двигаться с какой-либо скоростью. Свет же не имеет массы покоя: он либо движется с определенной скоростью (которая может изменяться в зависимости от среды), либо не существует. По аналогии с соотношением между длиной волны света и энергией фотона де Бройль высказал гипотезу о существовании соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы, умноженной на скорость частицы). Импульс непосредственно связан с кинетической энергией. Таким образом, быстрый электрон соответствует волне с более высокой частотой (более короткой длиной волны), чем медленный электрон. В каком обличье (волны или частицы) проявляет себя материальный объект, зависит от условий наблюдения. С необычайной смелостью де Бройль применил свою идею к модели атома Бора. Отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру. Для того чтобы обращаться вокруг ядра на определенном расстоянии, электрон должен двигаться с определенной скоростью. Если скорость электрона изменяется, то изменяется и положение орбиты. В таком случае центробежная сила уравновешивается центростремительной. Скорость электрона на определенной орбите, находящейся на определенном расстоянии от ядра, соответствует определенному импульсу (скорости, умноженной на массу электрона) и, следовательно, по гипотезе де Бройля, определенной длине волны электрона. По утверждению де Бройля, "разрешенные" орбиты отличаются тем, что на них укладывается целое число длин волн электрона. Только на таких орбитах волны электронов находятся в фазе (в определенной точке частотного цикла) с самими собой и не разрушаются собственной интерференцией.

В 1924 г. де Бройль представил свою работу "Исследования по квантовой теории" ("Researches on the Quantum Theory") в качестве докторской

68

диссертации факультету естественных наук Парижского университета. Его оппоненты и члены ученого совета были поражены, но настроены весьма скептически. Они рассматривали идеи де Бройля как теоретические измышления, лишенные экспериментальной основы. Однако по настоянию Эйнштейна докторская степень ему все же была присуждена. В следующем году де Бройля опубликовал свою работу в виде обширной статьи, которая была встречена с почтительным вниманием. С 1926 г. он стал лектором по физике Парижского университета, а через два года был назначен профессором теоретической физики Института Анри Пуанкаре при том же университете. На Эйнштейна работа де Бройля произвела большое впечатление, и он советовал многим физикам тщательно изучить ее. Эрвин Шредингер последовал совету Эйнштейна и положил идеи де Бройля в основу волновой механики, обобщившей квантовую теорию. В 1927 г. волновое поведение материи получило экспериментальное подтверждение в исследованиях Клинтона Дж. Дэвиссона и Лестера Х. Джермера, работавших с низкоэнергетическими электронами в Соединенных Штатах, и Джорджа П. Томсона, использовавшего электроны большой энергии в Англии. Открытие связанных с электронами волн, которые можно отклонять в нужную сторону и фокусировать, привело в 1933 г. к созданию Эрнстом Руской электронного микроскопа. Волны, связанные с материальными частицами, теперь принято называть волнами де Бройля.

В 1929 г. "за открытие волновой природы электронов" де Бройля был удостоен Нобелевской премии по физике. Представляя лауреата на церемонии награждения, член Шведской королевской академии наук К.В. Озеен заметил: "Исходя из предположения о том, что свет есть одновременно и волновое движение, и поток корпускул [частиц], де Бройль открыл совершенно новый аспект природы материи, о котором ранее никто не подозревал... Блестящая догадка де Бройля разрешила давний спор, установив, что не существует двух миров, один - света и волн, другой - материи и корпускул. Есть только один общий мир".

Де Бройль продолжил свои исследования природы электронов и фотонов. Вместе с Эйнштейном и Шредингером он в течение многих лет пытался найти такую формулировку квантовой механики, которая подчинялась бы обычным причинно-следственным законам. Однако усилия этих выдающихся ученых не увенчались успехом, а экспериментально было доказано, что такие теории неверны. В квантовой механике возобладала статистическая интерпретация, основанная на работах Нильса Бора, Макса Борна и Вернера Гейзенберга. Эту концепцию часто называют копенгагенской интерпретацией в честь Бора, который разрабатывал ее в Копенгагене. В 1933 г. де Бройль был избран членом Французской академии наук, а в 1942 г. стал ее постоянным секретарем. В следующем году он основал Центр исследований по прикладной математике при Институте Анри Пуанкаре для укрепления связей между физикой и прикладной математикой.

69

В 1945 г., после окончания второй мировой войны, Луи де Бройль и его брат Морис были назначены советниками при французской Высшей комиссии по атомной энергии. Де Бройль никогда не состоял в браке. Он любил совершать пешие прогулки, читать, предаваться размышлениям и играть в шахматы. После смерти своего брата в 1960 г. он унаследовал герцогский титул. Л. де Бройль скончался в парижской больнице 19 марта 1987 г. в возрасте 94 лет.

Помимо Нобелевской премии, де Бройль был награжден первой медалью Анри Пуанкаре Французской академии наук (1929), Гран-при Альберта I Монакского (1932), первой премией Калинги ЮНЕСКО (1952) и Гран-при Общества инженеров Франции (1953). Он был обладателем почетных степеней многих университетов и членом многих научных организаций, в том числе Лондонского королевского общества, американской Национальной академии наук и Американской академии наук и искусств. В 1945 г. он был выдвинут в состав Французской академии братом Морисом в знак признания его литературных достижений.

Джеймс-Клерк МАКСВЕЛЛ (Maxwell)

(1831 - 1879)

Джеймс-Клерк Максвелл - английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, родился в Эдинбурге в 1831 году. Максвелл - сын шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. Член Лондонского королевского общества (1860). Профессор Маришал-колледжа в Абердине (1856-60), затем Лондонского университета (1860-65). С 1871 года Максвелл - профессор Кембриджского университета. Там он основал первую в Великобритании специально оборудованную физическую лабораторию - Кавендишскую лабораторию, директором которой он был с 1871 года.

Научная деятельность Максвелла охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости и многое другое. Свою первую работу "О черчении овалов и об овалах со многими фокусами" Максвелл выполнил, когда ему ещё не было 15 лет (1846 г., опубликована в 1851 г.). Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В 1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной

70

теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска Максвелл. В 1857-59 гг. Максвелл провёл теоретическое исследование устойчивости колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми лишь в том случае, если они состоят из не связанных между собой твёрдых частиц.

В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи "О фарадеевых силовых линиях", 1855-56 гг.; "О физических силовых линиях", 1861-62 гг.; "Динамическая теория электромагнитного поля", 1864 г.; двухтомный фундаментальный "Трактат об электричестве и магнетизме", 1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир, однако эти попытки не были успешны.

Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла). Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные волны производят давление. Давление света было экспериментально установлено в 1899 г.

П.Н. Лебедевым. Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко охарактеризовал А. Эйнштейн: "... тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей... Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона".

71

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи "Пояснения к динамической теории газов", 1860 г., и "Динамическая теория газов", 1866 г.) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла). Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги такие, как "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), переведённые на русский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.

Макс ПЛАНК (Planck)

(1858 - 1947)

Немецкий физик Макс-Карл-Эрнст-Людвиг Планк родился в г. Киле (принадлежавшем тогда Пруссии) в семье Иоганна-Юлиуса-Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепьяно и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там Макс поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.

В течение трех лет Макс Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год - в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому Планку избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распрост-

72

раненная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.

В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планк надолго сосредоточивались на термодинамике - области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. Ученую степень доктора Планк получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. На следующий год Планк написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенскогоуниверситета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г.

С 1896 г. Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура. В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютно черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь, стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же температуре).

73

Одно из доказательств чернотельных характеристик такой оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно черного тела при температуре полости и оболочки.

Подготавливая собственные исследования, Планк прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела. Как показали эксперименты с черным телом, график зависимости энергии (яркости) от частоты или длины волны является характеристической кривой. При низких частотах (больших длинах волн) она прижимается к оси частот, затем на некоторой промежуточной частоте достигает максимума (пик с округлой вершиной), а затем при более высоких частотах (коротких длинах волн) спадает. При повышении температуры кривая сохраняет свою форму, но сдвигается в сторону более высоких частот.

Были установлены эмпирические соотношения между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина, названный так в честь Вильгельма Вина) и между температурой и всей излученной энергией (закон Стефана - Больцмана, названный так в честь австрийских физиков Йозефа Стефана и Людвига Больцмана), но никому не удавалось вывести кривую излучения черного тела из основных принципов, известных в то время. Вину удалось получить полуэмпирическую формулу, которую можно подогнать так, что она хорошо описывает кривую при высоких частотах, но неверно передает ее ход при низких частотах. Джордж Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип равного распределения энергии по частотам колебаний осцилляторов, заключенных в пространстве черного тела, и пришли к другой формуле (формуле Рэлея - Джинса). Она хорошо воспроизводила кривую излучения черного тела при низких частотах, но расходилась с ней на высоких частотах. Под влиянием теории электромагнитной природы света Джеймса-Клерка Максвелла (опубликованной в 1873 г. и подтвержденной экспериментально Генрихом Герцем в 1887 г.) Планк подошел к проблеме черного тела с точки зрения распределения энергии между элементарными электрическими осцилляторами, физическая форма которых никак не конкретизируется. Хотя на первый взгляд может показаться, что выбранный им метод напоминает вывод Рэлея - Джинса, он отверг некоторые из принятых этими учеными допущений. В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удов-

74

летворительно объясняла бы экспериментальные данные, ему удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью.

Законы Вина и Стефана - Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает "физика до Планка". Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия "квант". Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.

Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, он сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона - кванта электромагнитного излучения - для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел - количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.

75

Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планк новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

В 1919 г. Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. "в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии". На церемонии вручения премии прозвучали слова одного из шведских ученых: "Теория излучения Планка - самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением". В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., Планк подвел итог своей работы и признал, что "введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории".

В 1920-е годы - годы развития квантовой механики, оснащенной сложным математическим аппаратом, Планку пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация теории квантов; подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Однако вероятностный подход устоял. Вклад Планка в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная Планком новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками.

К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера - Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов (Адриан Фоккер - нидерландский физик, усовершенствовавший метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения - хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости). В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.

Личная жизнь Планк была драматична. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 г. и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 г. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у

76

него также родился сын. Старший сын Планк погиб в первую мировую войну, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 г. за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера.

Скончался Планк в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка. Подобно Бору и Эйнштейну, Планк глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, Планк был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности. Через всю свою жизнь Планк пронес любовь к музыке, вспыхнувшую в нем еще в раннем детстве. Великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. Он был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах. Кроме Нобелевской премии, Планк был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гёте города Франкфурт-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам Планк был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. Планк состоял членом многих академий наук и научных обществ разных стран.

Джозеф-Джон-ТОМСОН

(Thomson, Joseph John)

(1856 - 1940)

Джозеф-Джон ТОМСОН - английский физик, удостоенный в 1906 г. Нобелевской премии по физике за работы, которые привели к открытию электрона.

Родился 18 декабря 1856 г. в пригороде Манчестера - Читем-Хилле. Окончил Оуэнс-колледж в Манчестере (1876 г.) и Тринити-колледж Кембриджского университета (1880 г.). С 1918 г. и до конца жизни Томсон - ректор Тринити-колледжа. В 1884-1919 гг. Томсон - профессор Кембриджского университета и одновременно руководитель Кавендишской лаборатории; в 1905-1918 гг. - профессор Королевской ассоциации в Лондоне.

77

Ранние работы Томсона посвящены вычислению электромагнитного поля движущегося заряженного шара, теории вихрей, прецизионному измерению отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным. Занимаясь изучением газового разряда, совместно с сотрудниками выполнил серию классических работ, приведших его к открытию электрона - впервые измерил отношение заряда электрона к массе в 1897 г. Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения, установил природу положительных ионов, предложил первую модель строения атома. В 1911 г. он разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к её массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

Кавендишская лаборатория за время, когда ее возглавлял Томсон, превратилась в ведущий научно-исследовательский центр. Здесь под руководством Томсона работали Ф. Астон, Ч. Вильсон, Э. Резерфорд, У. Ричардсон и др.

За научные заслуги Томсон был награжден медалями Б. Франклина (1923 г.), М. Фарадея (1938 г.), Копли (1914 г.) и др. Умер Томсон в Кембридже 30 августа 1940 г.

Уильям ТОМСОН, лорд Кельвин

(1824 - 1907)

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, родился в Белфасте (Ирландия) в семье профессора инженерии. Когда мальчику было 7 лет, его отец получил кафедру математики в университете Глазго (Шотландия), и перебрался туда вместе с семьей. Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал студентом. Закончив обучение в Глазго, 17-летний юноша поступает в Кембриджский университет. В это время публикуется его первая научная статья, посвященная тригонометрическим рядам. В 1845 г., после окончания университета, Томсон по совету отца едет в Париж - стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Здесь Томсон разработал способ решения электростатических задач ("метод электрических изображений"). Через год 22-летний ученый вернулся в Глазго, став профессором и заведующим кафедрой физики в университете.

В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать

78

конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как -273 °С".

Начиная с 1851 г. Томсон публикует цикл научных статей под общим названием "О динамической теории теплоты", в которых он рассматривает первый и второй законы термодинамики. При этом он еще раз возвращается к проблеме абсолютной температуры, отмечая, что "температуры двух тел пропорциональны количеству теплоты, соответственно взятой и отданной материальной системой в двух местах, имеющих эти температуры, когда система совершает полный цикл идеальных обратимых процессов и защищена от потери или прибавления теплоты при какой-либо другой температуре".

Этот вывод позволил Томсону выразить коэффициент полезного действия тепловой машины (цикла Карно), используя температуры нагревателя и холодильника.

В этом же году, в возрасте 27 лет, Томсон стал членом Лондонского королевского общества - английской Академии наук. А через два года вместе с английским физиком Джеймсом Джоулем (1818-1889) он установил, что при адиабатическом (без притока энергии извне) прохождении газа через пористую перегородку его температура понижается. Это явление получило название "эффект Джоуля-Томсона". Примерно в то же время Томсон разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений.

Помимо термодинамики, Томсон занимался изучением электромагнитных явлений. Так, в 1853 г. он опубликовал статью "О преходящих электрических токах". Рассматривая изменение по времени электрического заряда сферического тела при соединении его тонким проводником (проволокой) с Землей, Томсон установил, что при этом возникают затухающие колебания с определенными характеристиками, зависящими от электроемкости тела, сопротивления проводника и электродинамической емкости. Впоследствии формулу, отражающую зависимость периода свободных колебаний в контуре без сопротивления от указанных величин назвали "формулой Томсона" (хотя сам он эту формулу не выводил). Томсон оказался первым ученым, исследовавшим электрические колебания, и не случайно именно его пригласили стать главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей, предназначенных для создания устойчивой телеграфной связи между двумя континентами. За большой вклад в эту работу он в 1865 г. был возведен в дворянское достоинство, а в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги ему был присвоен титул лорда Кельвина (по названию реки, протекающей вблизи университета, где он трудился долгие годы). С 1890 по 1895 гг. Томсон занимал почетную должность президента Лондонского королевского общества. Сэр Уильям Томсон умер в возрасте 83 лет в Ларгсе, недалеко от Глазго. После него осталось 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений.

79

БОР Нильс-Хенрик-Давид

(1885 - 1962)

Датский физик, член Датского королевского общества наук (с 1917 г.), его президент в 1939 г. Родился в Копенгагене. Окончил Копенгагенский университет (1908 г.). В 1911-1912 гг. работал под руководством английского физика Дж. Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, в 1912 - 1913 гг. - в лаборатории Э. Резерфорда в Манчестерском университете. С 1916 г. - профессор Копенгагенского университета и одновременно с 1920 г. - директор созданного им Института теоретической физики.

Научные работы Бора, относящиеся к теоретической физике, вместе с тем заложили основы новых направлений в развитии химии. Создал (1913 г.) первую квантовую теорию атома водорода, в которой:

· показал, что электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным квантовым орбитам;

· дал математическое описание устойчивости орбит, или стационарного состояния атома;

· показал, что всякое излучение либо поглощение энергии атомом связано с переходом между двумя стационарными состояниями и происходит дискретно с выделением или поглощением планковских квантов;

· ввел понятие главного квантового числа для характеристики электрона;

· рассчитал спектр атома водорода, показав полное совпадение расчетных данных с эмпирическими.

Построил (1913-1921 гг.) модели атомов других элементов Периодической системы, охарактеризовав движение электронов в них посредством главного n и побочного l квантовых чисел. Заложил (1921 г.) основы первой физической теории Периодической системы элементов, в которой связал периодичность свойств элементов с формированием электронных конфигураций атомов по мере увеличения заряда ядра. Обосновал подразделение групп периодической системы на главные и побочные. Впервые объяснил подобие свойств редкоземельных элементов.

Сформулировал (1918 г.) важный для атомной теории принцип соответствия. Многое сделал для становления и интерпретации квантовой механики, в частности предложил (1927 г.) имеющий большое значение для ее понимания принцип дополнительности. Внес значительный вклад в ядерную физику. Развил (1936 г.) теорию составного ядра, является одним из создателей капельной модели ядер (1936 г.) и теории деления ядер (1939 г.), предсказал явление спонтанного деления ядер урана.

Создал большую школу физиков-теоретиков. Член многих академий наук и научных обществ. Иностранный член АН СССР (с 1929 г.). Нобелевская премия по физике (1922 г.).

80

Эрвин ШРЁДИНГЕР (Schrodinger)

(1887 - 1961)

Австрийский физик Эрвин Шрёдингер родился в Вене. Его отец, Рудольф Шредингер, был владельцем фабрики по производству клеенки, увлекался живописью и питал большой интерес к ботанике. Эрвин был единственным ребенком в семье и получил начальное образование дома. Его первым учителем был отец, о котором впоследствии Шрёдингер отзывался как о "друге, учителе и не ведающем усталости собеседнике". В 1898 г. Шрёдингер поступил в Академическую гимназию и стал там первым учеником по греческому языку, латыни, классической литературе, математике и физике. В гимназические годы Эрвин Шрёдингер полюбил театр. В 1906 г. он поступил в Венский университет и на следующий год начал посещать лекции по физике Фридриха Газенерля, чьи блестящие идеи произвели на Эрвина глубокое впечатление. Защитив в 1910 г. докторскую диссертацию, Шрёдингер становится ассистентом физика-экспериментатора Франца Экснера во 2-м физическом институте при Венском университете. В этой должности он пребывал вплоть до начала первой мировой войны. В 1913 г. Шрёдингер и Кольрауш занимались экспериментальными исследованиями радия и получили за это премию Хайтингера Императорской академии наук.

Во время первой мировой войны Шрёдингер служил офицером-артиллеристом в захолустном гарнизоне, расположенном в горах, вдали от линии фронта. Продуктивно используя свободное время, он изучал общую теорию относительности Альберта Эйнштейна. По окончании войны он возвращается во 2-й физический институт в Вене, где продолжает свои исследования по общей теории относительности, статистической механике (эта отрасль физики изучает системы, состоящие из очень большого числа взаимодействующих частиц, например молекул газа) и дифракции рентгеновского излучения. Тогда же Шрёдингер проводит обширные экспериментальные и теоретические исследования по теории цвета и восприятию цвета.

В 1920 г. Шрёдингер отправился в Германию, где стал ассистентом Макса Вина в Иенском университете, но через четыре месяца становится адъюнкт-профессором Штутгартского технического университета. Через один семестр он покидает Штутгарт и на короткое время занимает пост профессора в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша). Затем Шрёдингер переезжает в Швейцарию и становится преемником Эйнштейна и Макса фон Лауэ и профессором кафедры физики Цюрихского университета. В Цюрихе, где Шрёдингер остается с 1921 по 1927 г., он занимается в основном термодинамикой и статистической механикой и их применением для

81

объяснения природы газов и твердых тел. Его интересует широкий круг физических проблем, он следит и за успехами квантовой теории, но не сосредоточивает свое внимание на этой области вплоть до 1925 г., когда появился благоприятный отзыв Эйнштейна по поводу волновой теории материи Луи де Бройля.

Квантовая теория родилась в 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением - вывод, который долгое время ускользал от других ученых, Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными, так как противоречили классической физике.

В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта - испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении двух столетий было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при определенных обстоятельствах может вести себя и как поток частиц.

Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом заряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален. Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что "перескок" электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии еще не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач.

Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом харак-

82

тере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с ее энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и ее скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером в Соединенных Штатах и Джоном-Паджетом Томсоном в Англии.

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая Шрёдингер в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории II Шрёдингер были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях. Одной из причин постигшей Шрёдингер неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка), о котором в то время было мало известно.

Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представле-

83

ний или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку ее математический аппарат был им более знаком, а ее понятия казались более "физическими"; операции же над матрицами - более громоздкими.

Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, - двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

В 1933 г. Шрёдингер и Дирак были удостоены Нобелевской премии по физике "за открытие новых продуктивных форм атомной теории". В том же году Гейзенбергу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1932 г. На церемонии презентации Ганс Плейель, член Шведской королевской академии наук воздал должное Шрёдингер за "создание новой системы механики, которая справедлива для движения внутри атомов и молекул". По словам Плейеля, волновая механика дает не только "решение ряда проблем в атомной физике, но и простой и удобный метод исследования свойств атомов и молекул и стала мощным стимулом развития физики".

Физический смысл волнового уравнения Шрёдингера не является непосредственно очевидным. Прежде всего, волновая функция принимает комплексные значения, содержащие квадратный корень из -1. Шрёдингер первоначально описывал волновую функцию как волнообразное распространение отрицательного электрического заряда электрона. Во избежание комплексных решений он ввел квадрат функции (функцию, умноженную на себя). Позднее Борн идентифицировал квадрат абсолютной величины волновой функции в данной точке как величину, пропорциональную вероятности найти частицу в указанной точке с помощью экспериментального наблюдения. Шрёдингеру не нравилась интерпретация Борна, так как она исключала определенные утверждения о положении и скорости частицы.

Наряду с Эйнштейном и де Бройлем Шрёдингер был среди противников "копенгагенской" интерпретации квантовой механики (названной так в знак признания заслуг Нильса Бора, много сделавшего для становления квантовой механики; Бор жил и работал в Копенгагене), поскольку его

84

отталкивало отсутствие в ней детерминизма. В основу копенгагенской интерпретации положено соотношение неопределенности Гейзенберга, согласно которому положение и скорость частицы не могут быть точно известны одновременно. Чем точнее измерено положение частицы, тем неопределеннее скорость, и наоборот. Субатомные события могут быть предсказаны лишь как вероятности различных исходов экспериментальных измерений. Шрёдингер отрицал копенгагенский взгляд на волновую и корпускулярную модели как на "дополнительные", сосуществующие с картиной реальности и продолжал поиски описания поведения материи в терминах одних лишь волн. Однако на этом пути он потерпел неудачу, и копенгагенская интерпретация стала доминирующей.

В 1927 г. Шрёдингер по приглашению Планка стал его преемником на кафедре теоретической физики Берлинского университета. Он оставил кафедру в 1933 г., после прихода к власти нацистов, в знак протеста против преследования инакомыслящих и, в частности, против нападения на улице на одного из его ассистентов, еврея по национальности. Из Германии Шрёдингер отправился в Оксфорд, куда вскоре после его прибытия пришла весть о присуждении ему Нобелевской премии. В 1936 г., несмотря на дурные предчувствия, относительно будущего, Шрёдингер принял предложение и стал профессором Грацкого университета в Австрии, но в 1938 г., после аннексии Австрии Германией, вынужден был оставить этот пост и бежать в Италию. Затем он перебрался в Ирландию, где стал профессором теоретической физики Дублинского института фундаментальных исследований и оставался на этом посту семнадцать лет, занимаясь исследованиями по волновой механике, статистике, статистической термодинамике, теории поля и особенно по общей теории относительности. После войны австрийское правительство пыталось склонить Шрёдингер вернуться в Австрию, но он отказывался, пока страна была оккупирована советскими войсками. В 1956 г. он принял кафедру теоретической физики Венского университета. Это был последний пост, который он занимал в своей жизни.

В 1920 г. Шрёдингер вступил в брак с Аннемарией Бертель; детей у супругов не было. Всю жизнь он был любителем природы и страстным туристом. Среди своих коллег Шрёдингер был известен как человек замкнутый, чудаковатый, имевший мало единомышленников, Дирак так описывает прибытие Шрёдингер на престижный Сольвеевский конгресс в Брюсселе: "Весь его скарб умещался в рюкзаке. Он выглядел как бродяга, и понадобилось довольно долго убеждать портье, прежде чем тот отвел Шрёдингеру номер в гостинице".

Шрёдингера интересовали не только научные, но и философские аспекты физики; он написал несколько философских исследований. Размышляя над проблемами приложения физики к биологии, он выдвинул идею молекулярного подхода к изучению генов, изложив ее в книге "Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки" ("What is Life? The Physical

85

Aspects of a Living Cell", 1944), оказавшей влияние на некоторых биологов. Шрёдингер опубликовал также томик стихов. Он вышел в отставку в 1958 г., когда ему исполнился семьдесят один год, и умер через три года в Вене. Кроме Нобелевской премии по физике, присужденной ему в 1933 г. (совместно с Дираком), Шрёдингер был удостоен многих наград и почестей, в том числе золотой медали Маттеуччи Итальянской национальной академии наук, медали Макса Планка Германского физического общества, и награжден правительством ФРГ орденом "За заслуги". II Шрёдингер был почетным доктором университетов Гента, Дублина и Эдинбурга, состоял членом Папской академии наук, Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук, Академии наук СССР, Дублинской академии наук и Мадридской академии наук.

Альберт ЭЙНШТЕЙН (Einstein)

(1879 - 1955)

Будущий великий физик Альберт Эйнштейн родился в Ульме, средневековом городе королевства Вюртемберг (ныне земля Баден-Вюртенберг в Германии), в семье Германа Эйнштейна и Паулины Эйнштейн, урожденной Кох. Вырос он в Мюнхене, где у его отца и дяди был небольшой электрохимический завод. Эйнштейн был тихим, рассеянным мальчиком, который питал склонность к математике, но терпеть не мог школу с ее механической зубрежкой и казарменной дисциплиной. В унылые годы, проведенные в мюнхенской гимназии, юноша самостоятельно читал книги по философии, математике, научно-популярную литературу. Большое впечатление произвела на него идея о космическом порядке. После того как дела отца в 1895 г. пришли в упадок, семья переселилась в Милан. Альберт остался в Мюнхене, но вскоре оставил гимназию, так и не получив аттестата, и присоединился к своим родным. Шестнадцатилетнего юношу поразила та атмосфера свободы и культуры, которую он нашел в Италии.

Несмотря на глубокие познания в математике и физике, приобретенные главным образом путем самообразования, и не по возрасту самостоятельное мышление, молодой Эйнштейн не выбрал себе профессию. Отец настаивал на том, чтобы сын избрал инженерное поприще и в будущем смог поправить шаткое финансовое положение семьи. Эйнштейн попытался сдать вступительные экзамены в Федеральный технологический институт в Цюрихе, для поступления в который не требовалось свидетельства об окончании средней школы. Не обладая достаточной подготовкой, он провалился на экзаменах, но директор училища, оценив математические способности Эйнштейна, направил его в Аарау, в двадцати милях к западу

86

от Цюриха, чтобы тот закончил там гимназию. Через год - летом 1896 года - Эйнштейн успешно выдержал вступительные экзамены в Федеральный технологический институт. В Аарау Эйнштейн расцвел, наслаждаясь тесным контактом с учителями и либеральным духом, царившим в гимназии. Все прежнее вызывало у него настолько глубокое неприятие, что он подал официальное прошение о выходе из германского подданства, на что его отец согласился весьма неохотно. В Цюрихе Эйнштейн изучал физику, больше полагаясь на самостоятельное чтение, чем на обязательные курсы. Сначала он намеревался преподавать физику, но после окончания Федерального института в 1901 г. и получения швейцарского гражданства не смог найти постоянной работы. В 1902 г. Эйнштейн стал экспертом Швейцарского патентного бюро в Берне, в котором прослужил семь лет. Для него это были счастливые и продуктивные годы. Он опубликовал одну работу о капиллярности (о том, что может произойти с поверхностью жидкости, если ее заключить в узкую трубку). Хотя жалованья едва хватало, работа в патентном бюро не была особенно обременительной и оставляла Эйнштейну достаточно сил и времени для теоретических исследований. Его первые работы были посвящены силам взаимодействия между молекулами и приложениям статистической термодинамики. Одна из них - "Новое определение размеров молекул" ("A new Determination of Molecular Dimensions") - была принята в качестве докторской диссертации Цюрихским университетом, и в 1905 г. Эйнштейн стал доктором наук.

В том же году он опубликовал небольшую серию работ, которые не только показали его силу как физика-теоретика, но и изменили лицо всей физики. Одна из этих работ была посвящена объяснению броуновского движения - хаотического зигзагообразного движения частиц, взвешенных в жидкости. Эйнштейн связал движение частиц, наблюдаемое в микроскоп, со столкновениями этих частиц с невидимыми молекулами; кроме того, он предсказал, что наблюдение броуновского движения позволяет вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме. Через несколько лет это было подтверждено Жаном Перреном. Эта работа Эйнштейна имела особое значение потому, что существование молекул, считавшихся не более чем удобной абстракцией, в то время еще ставилось под сомнение.

В другой работе предлагалось объяснение фотоэлектрического эффекта - испускания электронов металлической поверхностью под действием электромагнитного излучения в ультрафиолетовом или каком-либо другом диапазоне. Филипп де Ленард высказал предположение, что свет выбивает электроны с поверхности металла. Предположил он и то, что при освещении поверхности более ярким светом электроны должны вылетать с большей скоростью. Но эксперименты показали, что прогноз Ленарда неверен.

Между тем, в 1900 г. Максу Планку удалось описать излучение, испускаемое горячими телами. Он принял радикальную гипотезу о том, что

87

энергия испускается не непрерывно, а дискретными порциями, которые получили название квантов. Физический смысл квантов оставался неясным. Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитной энергии) и энергией выбитого с поверхности металла электрона. Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия, связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона за вычетом той ее части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон из металла. Чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхности металла электронов, но не их скорость. Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии.

Эйнштейн выдвинул еще одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет может вести себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причем не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.

В 1924 г. Луи де Бройль сделал еще один шаг в преобразовании физики, предположив, что волновыми свойствами обладает не только свет, но и материальные объекты, например электроны. Идея де Бройля также нашла экспериментальное подтверждение и заложила основы квантовой механики. Работы Эйнштейна позволили объяснить флуоресценцию, фотоионизацию и загадочные изменения значений удельной теплоемкости твердых тел при различных температурах.

Третья, поистине замечательная работа Эйнштейна, опубликованная все в том же 1905 г. - специальная теория относительности, революционизировавшая все области физики. В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире - загадочном веществе, которое, как принято, было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось. Поставленный в 1887 г. Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперек направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из нее, подобно тому, как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на веслах по течению или против течения.

Нет оснований утверждать, что специальная теория относительности Эйнштейна была создана непосредственно под влиянием эксперимен-

88

та Майкельсона-Морли, но в основу ее были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей, независимо от того, как они движутся относительно друг друга, свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.

Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени: ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Даже понятие стационарности подлежит тщательному пересмотру. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.

Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии. Масса m представляет собой своего рода "замороженную" энергию E, с которой связана соотношением E = mc2, где c - скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.

Релятивистские эффекты, как правило, пренебрежимо малые при обычных скоростях, становятся значительными только при больших, характерных для атомных и субатомных частиц. Потеря массы, связанная с испусканием света, чрезвычайно мала и обычно не поддается измерению даже с помощью самых чувствительных химических весов. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Почти через сорок лет после создания теории относительности физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при ее взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.

После публикации статей в 1905 г. к Эйнштейну пришло академическое признание. В 1909 г. он стал адъюнкт-профессором Цюрихского университета, в следующем году профессором Немецкого университета в Праге, а в 1912 г. - цюрихского Федерального технологического института. В 1914 г. он был приглашен в Германию на должность профессора Берлин-

89

ского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). Германское подданство Эйнштейну было восстановлено, и он был избран членом Прусской академии наук. Придерживаясь пацифистских убеждений, он не разделял взглядов тех, кто был на стороне Германии в бурной дискуссии о ее роли в первой мировой войне. После напряженных усилий Эйнштейну удалось в 1915 г. создать общую теорию относительности, выходившую далеко за рамки специальной теории, в которой движения должны быть равномерными, а относительные скорости постоянными.

Общая теория относительности охватывала все возможные движения, в том числе и ускоренные (т.е. происходящие с переменной скоростью). Господствовавшая ранее механика, берущая начало из работ Исаака Ньютона (XVII в.), становилась частным случаем, удобным для описания движения при относительно малых скоростях. Эйнштейну пришлось заменить многие из введенных Ньютоном понятий. Такие аспекты ньютоновской механики, как, например, отождествление гравитационной и инертной масс, вызывали у него беспокойство. По Ньютону, тела притягивают друг друга, даже если их разделяют огромные расстояния, причем сила притяжения, или гравитация, распространяется мгновенно. Гравитационная масса служит мерой силы притяжения. Что же касается движения тела под действием этой силы, то оно определяется инерциальной массой тела, которая характеризует способность тела ускоряться под действием данной силы.

Эйнштейна заинтересовало, почему эти две массы совпадают. Он произвел так называемый "мысленный эксперимент". Если бы человек в свободно падающей коробке, например в лифте, уронил ключи, то они не упали бы на пол: лифт, человек и ключи падали бы с одной и той же скоростью и сохранили бы свои положения относительно друг друга. Так происходило бы в некой воображаемой точке пространства вдали от всех источников гравитации. Один из друзей Эйнштейна заметил по поводу такой ситуации, что человек в лифте не мог бы отличить, находится ли он в гравитационном поле или движется с постоянным ускорением. Эйнштейновский принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инерциальные эффекты неотличимы, объяснил совпадение гравитационной и инертной массы в механике Ньютона. Затем он расширил картину, распространив ее на свет. Если луч света пересекает кабину лифта "горизонтально", в то время как лифт падает, то выходное отверстие находится на большем расстоянии от пола, чем входное, так как за то время, которое требуется лучу, чтобы пройти от стенки к стенке, кабина лифта успевает продвинуться на какое-то расстояние. Наблюдатель в лифте увидел бы, что световой луч искривился. Для Эйнштейна это означало, что в реальном мире лучи света искривляются, когда проходят на достаточно малом расстоянии от массивного тела.

90

Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел. Как однажды заметил коллега Эйнштейна, американский физик Дж. Уиллер, "пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться". Но в тот период Эйнштейн работал не только над теорией относительности. Например, в 1916 г. он ввел в квантовую теорию понятие индуцированного излучения. В 1913 г. Нильс Бор разработал модель атома, в которой электроны вращаются вокруг центрального ядра (открытого несколькими годами ранее Эрнестом Резерфордом) по орбитам, удовлетворяющим определенным квантовым условиям. Согласно модели Бора, атом испускает излучение, когда электроны, перешедшие в результате возбуждения на более высокий уровень, возвращаются на более низкий. Разность энергии между уровнями равна энергии, поглощаемой или испускаемой фотонами. Возвращение возбужденных электронов на более низкие энергетические уровни представляет собой случайный процесс. Эйнштейн предположил, что при определенных условиях электроны в результате возбуждения могут перейти на определенный энергетический уровень, затем, подобно лавине, возвратиться на более низкий, т.е. это тот процесс, который лежит в основе действия современных лазеров.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которую не удавалось полностью понять в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 г. астрономам удалось наблюдать звезду, скрытую за кромкой Солнца. Это свидетельствовало о том, что лучи света, искривляются под действием гравитационного поля Солнца.

Всемирная слава пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 г. облетели весь мир. Относительность стала привычным словом. В 1920 г. Эйнштейн стал приглашенным профессором Лейденского университета. Однако в самой Германии он подвергался нападкам из-за своих антимилитаристских взглядов и революционных физических теорий, которые пришлись не ко двору определенной части его коллег, среди которых было несколько антисемитов. Работы Эйнштейна они называли "еврейской физикой", утверждая, что полученные им результаты не соответствуют высоким стандартам "арийской науки". И в 20-е годы Эйнштейн оставался убежденным пацифистом и активно поддерживал миротворческие усилия Лиги Наций. Эйнштейну был сторонником

91

сионизма и приложил немало усилий к созданию Еврейского университета в Иерусалиме в 1925 г.

В 1922 г. Эйнштейну была вручена Нобелевская премия по физике 1921 г. "за заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта". "Закон Эйнштейна стал основой фотохимии так же, как закон Фарадея - основой электрохимии", - заявил на представлении нового лауреата Сванте Аррениус из Шведской королевской академии.

В то время как большинство физиков начало склоняться к принятию квантовой теории, Эйнштейна все более не удовлетворяли следствия, к которым она приводила. В 1927 г. он выразил свое несогласие со статистической интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором и Максом Борном. Согласно этой интерпретации, принцип причинно-следственной связи не применим к субатомным явлениям. Эйнштейн был глубоко убежден, что статистика является не более чем средством и что фундаментальная физическая теория не может быть статистической по своему характеру. По словам Эйнштейна, "Бог не играет в кости" с Вселенной. В то время как сторонники статистической интерпретации квантовой механики отвергали физические модели ненаблюдаемых явлений, Эйнштейн считал теорию неполной, если она не может дать нам "реальное состояние физической системы, нечто объективно существующее и допускающее (по крайней мере, в принципе) описание в физических терминах". До конца жизни он стремился построить единую теорию поля, которая могла бы выводить квантовые явления из релятивистского описания природы. Осуществить эти замыслы Эйнштейну так и не удалось. Он неоднократно вступал в дискуссии с Бором по поводу квантовой механики, но они лишь укрепляли позицию Бора.

После второй мировой войны, потрясенный ужасающими последствиями использования атомной бомбы против Японии и все ускоряющейся гонкой вооружений, Эйнштейн стал горячим сторонником мира, считая, что в современных условиях война представляла бы угрозу самому существованию человечества. Незадолго до смерти он поставил свою подпись под воззванием Бертрана Рассела, обращенным к правительствам всех стран, предупреждающим их об опасности применения водородной бомбы и призывающим к запрету ядерного оружия. Эйнштейн выступал за свободный обмен идеями и ответственное использование науки на благо человечества.

Первой женой Эйнштейна была Милева Марич, его соученица по Федеральному технологическому институту в Цюрихе. Они поженились в 1903 г., несмотря на жестокое противодействие его родителей. От этого брака у Эйнштейна было два сына. После пятилетнего разрыва супруги в 1919 г. развелись. В том же году Эйнштейн вступил в брак со своей двоюродной сестрой Эльзой, вдовой с двумя детьми. Эльза Эйнштейн скончалась в 1936 г. Эйнштейн скончался в Принстоне от аневризмы аорты.

92

Самый знаменитый из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. С детских лет он воспринимал мир как гармоническое познаваемое целое, "стоящее перед нами наподобие великой и вечной загадки". По его собственному признанию, он верил в "Бога Спинозы, являющего себя в гармонии всего сущего". Именно это "космическое религиозное чувство" побуждало Эйнштейна к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой. Среди многочисленных почестей, оказанных Эйнштейну, было предложение стать президентом Израиля (1952 г.), от которого он отказался. Помимо Нобелевской премии (1921 год), он был удостоен многих других наград, в том числе медали Копли Лондонского королевского общества (1925) и медали Франклина Франклиновского института (1935). Альберт Эйнштейн был почетным доктором многих университетов и членом ведущих академий наук мира.

Эрнест РЕЗЕРФОРД

(1871 - 1927)

Родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был четвертым ребенком в семье выходцев из Шотландии Джеймса Резерфорда и Марты Томсон, и из двенадцати детей он оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще закончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. В колледже в Нельсоне, где Эрнеста Резерфорда приняли в пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял недюжинные способности к языкам и литературе. Судьбе угодно было распорядиться, чтобы Эрнест увлёкся естественными науками - физикой и химией. После окончания колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет, и уже на втором курсе он выступил с докладом "Эволюция элементов", в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста не был должным образом оценён в университете, однако, его экспериментальные работы, например, создание приёмника электромагнитных волн, удивили даже крупных учёных. Спустя всего несколько месяцев ему была присуждена "стипендия 1851 года", которой отмечались самые талантливые выпускники провинциальных английских университетов.

93

После этого Резерфорд в течение трёх лет работал в Кембридже, в Кавендишской лаборатории, под руководством известного физика Джозефа-Джона Томсона. В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном - сделало его имя известным в научном мире; благодаря нему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении.

В том же году 26-летнего Резерфорда пригласили в Монреаль в качестве профессора Мак-Гиллского университета - лучшего в Канаде. Этот университет получил название по имени своего основателя - переселенца из Шотландии, которому под конец жизни удалось разбогатеть. Перед отъездом Резерфорда в Канаду Дж. Томсон вручил ему рекомендательное письмо, где было написано: "В моей лаборатории ещё никогда не было молодого учёного с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…". Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд проработал в Канаде 10 лет и действительно создал там научную школу. В 1903 г. 32-летний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества - британской Академии наук.

В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Сразу же после приезда Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома - ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений.

В течение 18 лет - с 1919 года и до конца своей жизни - Резерфорд возглавлял основанную в 1874 году Кавендишскую лабораторию. До него ею руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон. Резерфорд не дожил всего нескольких лет до того, как немецкие физики Отто Ган (1879-1968) и Лизе Майтнер (Мейтнер) (1878-1968) открыли деление урана.

По словам Патрика Блэкетта, одного из ближайших сотрудников Резерфорда, это открытие "в известном смысле явилось последним из великих открытий в ядерной физике, отличающейся от физики элементар-

94

ных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития

направления, которое фактически было областью его научной деятель-ности".

Пьер КЮРИ (1859 - 1906),

Мария Склодовская-КЮРИ (1867 - 1934)

Когда французскому физику Пьеру Кюри исполнилось 35 лет, он уже был широко известным ученым. Ему принадлежали интересные открытия в области физики кристаллического состояния вещества и пьезоэлектрического эффекта, магнитных свойств веществ при высоких температурах. Закономерное изменение свойств парамагнитных веществ от температуры носит его имя (закон Кюри).

Однако на рубеже XIX и XX вв. сфера его научных интересов изменилась: вместе со своей женой - выпускницей Парижского университета Марией Склодовской-Кюри - он занялся выяснением природы уранового излучения и изучением радиоактивности. Супруги Кюри посвятили лучшие годы жизни беззаветному труду во имя науки - при отсутствии необходимых средств, в плохо оборудованной лаборатории они открыли и выделили два новых химических элемента. Пьер Кюри установил, что соли радия самопроизвольно выделяют теплоту.

19 апреля 1906 г. в результате нелепого несчастного случая трагически погиб Пьер Кюри (он был сбит экипажем при переходе одной из парижских улиц). Горе не сломило Марию: она продолжила дело жизни своего мужа - научные исследования в области радиоактивности, возглавила в Парижском университете кафедру, которой руководил ранее Пьер. А в 1914 г. она стала первым руководителем физико-химического отдела Парижского Института радия, созданного при ее деятельном участии. Во время первой мировой войны Мария Склодовская-Кюри впервые в широком масштабе организовала медицинское применение излучений (она обучила работе на рентгеновских установках более 1500 человек).

Мария Склодовская-Кюри умерла в 1934 г. от лучевой болезни. Ее лабораторные тетради до сих пор сохраняют высокий уровень радиоактивности. В честь супругов Кюри был назван искусственно полученный химический элемент с порядковым номером 96 - кюрий Cm.

95

Вернер ГЕЙЗЕНБЕРГ (Heisenberg)

(1901 - 1976)

Немецкий физик Вернер-Карл Гейзенберг родился в Дуйсбурге в семье Августа Гейзенберга, профессора древнегреческого языка Мюнхенского университета, и урожденной Анни Веклейн. Детские годы Гейзенберга прошли в Дуйсбурге, где он учился в гимназии Максимилиана. В 1920 г. он поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику под руководством знаменитого Арнольда Зоммерфельда. Гейзенберг был выдающимся студентом и уже в 1923 г. защитил докторскую диссертацию. Она была посвящена некоторым аспектам квантовой теории. Следующий год он провел в Геттингенском университете ассистентом у Макса Борна, а затем, получив стипендию Рокфеллеровского фонда, отправился к Нильсу Бору в Копенгаген, где пробыл до 1927 г., если не считать продолжительных визитов в Геттинген. Наибольший интерес у Гейзенберга вызывали нерешенные проблемы строения атома и все возраставшее несоответствие модели, предложенной Бором, экспериментальным и теоретическим данным. В 1925 г. во время кратковременного отдыха после приступа сенной лихорадки Гейзенберг в порыве вдохновения увидел совершенно новый подход, позволяющий применить квантовую теорию к разрешению всех трудностей в модели Бора. Через несколько недель он изложил свои идеи в статье. Макс Планк положил начало квантовой теории в 1900 г. Он объяснил соотношение между температурой тела и испускаемым им излучением, выдвинув гипотезу, согласно которой энергия испускается малыми дискретными порциями. Энергия каждой такой порции, или кванта, как предложил называть ее Альберт Эйнштейн, пропорциональна частоте излучения. Понятие кванта энергии было радикально новым, поскольку еще в прошлом столетии было доказано, что излучение, например свет, распространяется в виде непрерывных волн. В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантами для объяснения фотоэлектрического эффекта - испускания электронов металлической поверхностью, освещаемой ультрафиолетовым светом. Более интенсивное излучение приводит к увеличению числа испущенных поверхностью электронов, но не их энергии. Эйнштейн высказал предположение, согласно которому каждый квант (света или любой другой лучистой энергии), получивший впоследствии название фотона, передает энергию одному электрону. Некоторая доля энергии затрачивается на высвобождение электрона, а остальная переходит в кинетическую энергию, т.е. проявляется в виде скорости электрона. Поток падающего на поверхность металла более интенсивного излучения содержит большее число фотонов, которые высвобождают и большее число элект-

96

ронов, но энергия каждого фотона остается фиксированной, чем и устанавливается предел скорости электронов.

Около 1913 г. Бор предложил свою модель атома: вокруг плотного центрального ядра по орбитам различного радиуса обращаются электроны. Используя квантовую теорию, он показал, что атом, возбужденный при горении вещества или электрическим разрядом, излучает энергию на некоторых характерных частотах. По Бору, разрешались только вполне определенные электронные орбиты. Когда электрон "перепрыгивает" с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, излишек ее преобразуется в квант испускаемого излучения с частотой, определяемой, по теории Планка, разностью энергий между уровнями. Модель Бора сначала пользовалась большим успехом, но вскоре в нее понадобилось вводить поправки для устранения расхождений между теорией и экспериментальными данными. Многие ученые указывали на то, что, несмотря на кажущуюся простоту, она не может служить основой для последовательного подхода к решению многих задач квантовой физики. Блестящая идея, пришедшая в голову Гейзенберга, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины обращающихся по орбитам электронов. Вместо наглядных образов Гейзенберг предложил абстрактное, чисто математическое представление, основанное на использовании "принципиально наблюдаемых" величин таких, как частоты спектральных линий. В выведенные Гейзенбергом уравнения входили таблицы наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Он указал правила, позволяющие производить над этими таблицами различные математические операции. Борн распознал в таблицах Гейзенберга давно известные математикам матрицы и показал, что операции над ними можно производить по правилам матричной алгебры - хорошо разработанной области математики, но малоизвестной в то время физикам. Борн, его студент Паскуаль Джордан и Гейзенберг развили эту концепцию в матричную механику и создали метод, позволяющий применять квантовую теорию в исследованиях структуры атома. Через несколько месяцев Эрвин Шредингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.

Подход Шредингера берет начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны, или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами. Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре квантовая механика была расширена Полем Дираком, включившим в волновое уравнение эле-

97

менты теории относительности Эйнштейна. В 1927 г. Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности. Свой принцип Гейзенберг вывел как следствие умножения матриц. При умножении обычных чисел порядок сомножителей несуществен, а при умножении матриц он очень важен. При вычислении операции умножения над некоторыми парами величин, например импульсом частицы и ее пространственной координатой, ответ в матричной механике будет зависеть от того, какая из величин (импульс или пространственная координата) стоит на первом месте. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким. Оно означало, что точное определение одной величины влияет на значение другой, поэтому значения двух величин одновременно невозможно знать с абсолютной точностью. Физические величины обычно становятся известны в результате измерений. Каждое измерение содержит некоторую погрешность, но экспериментатор всегда надеется уменьшить ее с помощью лучшего оборудования или более совершенной методики.

Принцип неопределенности устанавливает предел для точности измерений. Он утверждает, что произведение погрешностей измерений двух величин не может быть меньше некоторого фиксированного числа - постоянной Планка. Это число буквально пронизывает всю квантовую теорию, поскольку энергия кванта излучения равна произведению постоянной Планка и частоты. Когда погрешности измерения обеих величин относительно велики, как в повседневной жизни, принцип неопределенности малоэффективен, но на атомном уровне он очень важен. Например, чем точнее может быть зафиксировано положение электрона в пространстве, тем более неопределенной становится его скорость. Даже теоретически электрону нельзя приписать одновременно абсолютно точно известную пространственную координату и абсолютно точно известную скорость. Гейзенберг предложил следующий поясняющий пример: чтобы "увидеть" электрон в гипотетический сверхмикроскоп, на него следует направить "свет" с длиной волны, сравнимой с размерами электрона. Из квантовой теории следует, что квант такого света должен обладать столь большой энергией, что при столкновении с электроном он отбросит его в сторону. Наблюдение вносит возмущения и изменения в то, что наблюдается.

Согласно "копенгагенской" интерпретации (названа так в честь Нильса Бора, интенсивно занимавшегося этой проблемой в Копенгагене), получившей наибольшее признание в современной физике, принцип неопределенности ограничивает квантово-механическое описание утверждениями об относительных вероятностях исходов экспериментов и не предсказывает точные численные значения измеряемых физических величин.

Еще одним успехом новой квантовой механики стало предсказание существования двух форм молекулы водорода. В обычном водороде каж-

98

дая молекула состоит из двух связанных атомов (ядро каждого атома состоит из одного протона). Предполагается, что ядро вращается вокруг собственной оси, как волчок (квантовая механика отвергает столь простую картину, но сохраняет такое понятие, как спин, или угловой момент, характеризующий вращение ядра вокруг собственной оси). Поскольку протон несет положительный электрический заряд, его спин имеет характер электрического тока и порождает магнитное поле, взаимодействующее с другими заряженными частицами и магнитными полями. В одной форме молекулы водорода спины двух ядер направлены одинаково (по часовой стрелке или против нее). В другой же спины ядер направлены в противоположные стороны. Вскоре это было доказано благодаря наблюдениям линейчатых спектров. Так как относительная ориентация спинов влияет на положение энергетических уровней, переходы между слегка различными уровнями сопровождаются излучением с различными частотами. Это экспериментальное подтверждение предположения Гейзенберга подкрепило его теоретические исследования.

В 1933 г. Гейзенбергу была вручена Нобелевская премия по физике 1932 г. "за создание квантовой механики, применение которой привело помимо прочего к открытию аллотропических форм водорода". В Лейпцигском университете Гейзенберга оставался до 1941 г. За время своего пребывания в Лейпциге он выполнил важные работы по ферромагнетизму (виду магнетизма, свойственному таким сильно магнитным материалам, как железо) и квантовой электродинамике (последние - в соавторстве с Вольфгангом Паули). Сразу же после открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 г. Гейзенберг высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра должны состоять из протонов и нейтронов, удерживаемых силами ядерного обменного взаимодействия.

В 1941 г. Гейзенберг был назначен профессором физики Берлинского университета и директором Физического института кайзера Вильгельма. Хотя он не был сторонником нацистского режима, он, тем не менее, возглавил германский проект по атомным исследованиям. Американские физики, знавшие способности Гейзенберга, опасались, что он может создать для Германии бомбу, над которой они работали в США. Гейзенберг надеялся получить ядерную энергию, но некомпетентность правительства, его недальновидность, изгнание ученых-евреев и отчужденность со стороны многих других создали настолько серьезные препятствия на пути исследований, что участники германского атомного проекта не смогли построить даже ядерный реактор. После окончания войны Гейзенберг в числе других немецких физиков был взят в плен и интернирован в Великобританию. В Германию он вернулся в 1946 г. и занял пост профессора физики Геттингенского университета и директора Института Макса Планка (бывшего Физического института кайзера Вильгельма). Исполняя эти высокие обязанности, Гейзенберг участвовал в программе получения ядерной энер-

99

гии. Он выступал с публичной критикой канцлера ФРГ Конрада Аденауэра за неадекватное финансирование ядерной технологии правительством. Гейзенберг был среди тех ученых, которые предупреждали мир об опасности ядерной войны. Он принадлежал к числу противников вооружения бундесвера ядерным оружием. Гейзенберг выполнил также ряд исследований по теории гидродинамической турбулентности, сверхпроводимости и теории элементарных частиц.

В 1937 г. Гейзенберг вступил в брак с Элизабет Шумахер. У них родилось четыре дочери и трое сыновей. Гейзенберг был большим любителем музыки и тонким пианистом. Он часто играл в камерных ансамблях с членами своей семьи. Гейзенберг скончался 1 февраля 1976 г. в Мюнхене. Гейзенберг был награжден золотой медалью Барнарда "За выдающиеся научные заслуги" Колумбийского университета (1929), золотой медалью Маттеуччи Национальной академии наук Италии (1929), медалью Макса Планка Германского физического общества (1933), бронзовой медалью Национальной академии наук США (1964), международной золотой медалью Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков (1970). Он был удостоен почетных степеней университетов Брюсселя, Будапешта, Копенгагена, Загреба и Технического университета в Карлсруэ, состоял членом академий наук Норвегии, Геттингена, Испании, Германии и Румынии, а также Лондонского королевского общества, Американского философского общества, Нью-Йоркской академии наук. Королевской ирландской академии и Японской академии.

Энрико ФЕРМИ

(1901 - 1954)

Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) родился в Риме, в семье служащего и рано проявил склонность к точным наукам. В 1922 г. он окончил университет в г. Пиза, а затем отправился на стажировку в Германию и Нидерланды. После возвращения на родину в 1925 г. Ферми, работая во Флорентийском университете, занялся исследованиями в области квантовой физики, а в 1926 г. занял должность профессора кафедры теоретической физики университета в Риме. Здесь он занялся исследованием искусственной радиоактивности. Энрико Ферми решил повторить опыты супругов Ирен и Фредерика Жолио-Кюри по бомбардировке образцов разных веществ, заменив альфа-частицы, выступающие в роли "снарядов", нейтронами. В то время физики не считали нейтроны пригодными для расщепления атомов. Признавая, что работа с нейтронами трудна из-за

100

низкой активности источников, излучающих эти частицы, Ферми догадывался, что этот недостаток компенсируется эффективным действием нейтронов на атомы, способные к ядерным превращениям.

Эксперимент, проведенный Ферми вместе с учениками в 1934 г., был несложен. Источник нейтронов - стеклянная трубка с порошком бериллия и газообразным радоном - помещали внутрь цилиндрических образцов из исследуемых веществ. После облучения образцы быстро переносили к счетчику Гейгера и регистрировали излучение. Таким образом, Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро, йод и др. - всего 63 элемента, и для 37 из них обнаружил явление искусственной радиоактивности.

Продолжая теоретические и экспериментальные работы, Ферми сделал еще один важный вывод. В том же 1934 г. он обнаружил, что если облучаемый элемент окружен парафином, водой или другим водородсодержащим веществом, сквозь которые должны пролететь бомбардирующие образец нейтроны, то эффект искусственной радиоактивности усиливается. Причина этого состоит в том, что водород замедляет нейтроны значительно сильнее, чем атомы любых других веществ. Это открытие имело исключительно важное значение для будущего ядерной энергетики.

В 1934 г. Энрико Ферми также сформулировал теорию бета-распада, которая до сих пор активно используется физиками для объяснения явлений микромира. В 1938 г. Ферми был удостоен Нобелевской премии по физике - "за открытие искусственной радиоактивности, вызванной медленными нейтронами". В том же году Ферми эмигрировал в США и стал профессором Колумбийского университета и руководителем исследований в области исследования ядерной энергии, участвовал в создании проекта атомной бомбы.

Под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г. в США был запущен первый в мире ядерный реактор. А в 1946 г. Ферми стал профессором Чикагского университета и в последние годы жизни занимался физикой высоких энергий. Однако трудно отыскать такую области физики, которой бы не занимался Ферми в течение своей жизни. Недаром один из его учеников - российский физик Бруно Понтекорво (1913-1993) - писал: "Великий итальянский физик Энрико Ферми занимает особое место среди современных ученых: в наше время, когда узкая специализация в научных исследованиях стала типичной, трудно указать столь же универсального физика, каким был Ферми".

101

предыдущая главасодержаниеследующая глава




ПОИСК:




© FILOSOF.HISTORIC.RU 2001–2021
Все права на тексты книг принадлежат их авторам!

При копировании страниц проекта обязательно ставить ссылку:
'Электронная библиотека по философии - http://filosof.historic.ru'
Сайт создан при помощи Богданова В.В. (ТТИ ЮФУ в г.Таганроге)


Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь