Четвертая научная революция

Еще в конце XIX в. большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном по­строена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетияXX века физические воззрения изменились коренным образом.

В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель(1852–1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Исследуя это явление, он наблюдал разряд наэлектризованных тел под действием указанного излуче­ния и установил, что активность препаратов урана остава­лась неизменной более года. Однако природа нового явле­ния еще не была понята. В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри(1867–1934). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогичным урану? В 1898 г. были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», по­лоний и радий. Это свойство супруги Кюри назвали радио­активностью. Их напряженный труд принес щедрые пло­ды: с 1898 г. одна за другой стали появляться статьи о получении новых радиоактивных веществ.

А годом раньше, в 1897 г., в лаборатории Кавендиша в Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) английский физик Джозеф Джон Томсон(1856–1940) открыл первую элементарную частицу – элек­трон. В последующих опытах по измерению заряда элект­рона и получению отношения этого заряда к массе было об­наружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Уяснив, что электроны являют­ся составными частями атомов всех веществ, Дж.Томсон предложил в 1903 г. первую (электромагнитную) мо­дель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряжен­ные электроны располагаются определенным образом (как бы «плавают») внутри положительно заряженной сферы.

Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно рас­пределенным ее зарядом и отрицательными зарядами элек­тронов. Но модель «атома Томсона» просуществовала срав­нительно недолго.

В 1911 г. знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) предложил свою модель атома, кото­рая получила название планетарной. Появлению этой но­вой модели атома предшествовали эксперименты, проводимые Э.Резерфордом и его учениками. В результате этих экспериментов, показавших неприемлемость модели атома Дж.Томсона, было обнаружено, что в атомах суще­ствуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами ато­мов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Исходя из этих новых представлений, Резерфорд и выдвинул свое понимание строения атома, которое он об­народовал 7 марта 1911 г. на заседании Манчестерского философского общества. По его мнению, атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, кото­рые обращаются вокруг него.

Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьез­ный недостаток: она оказалась несовместимой с электроди­намикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и дви­жущееся с ускорением, обязательно должно излучать элект­ромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения оставалась непонятной необы­чайная устойчивость атомов. Кроме того, в соответствии с законами электродинамики, частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть равна частоте соб­ственных колебаний электрона в атоме, или (что то же) чис­лу оборотов электрона вокруг ядра в секунду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывал другое: атомы дают электромагнитное излучение только определенных частот (именно поэтому атом­ные спектры называют линейчатыми, т. е. состоящими из вполне определенных линий). Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность очень трудно совмещается с универсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома.

Разрешение этих противоречий выпало на долю извест­ного датского физика Нильса Бора (1885–1962), предло­жившего свое представление об атоме. Последнее основы­валось на квантовой теории, начало которой было положе­но на рубеже XX века немецким физиком Максом Планком(1858–1947). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порция­ми-квантами.

И.Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в каче­стве исходной, разработал в 1913 г. квантовую теорию стро­ения атома. В ее основе лежали следующее постулаты: в лю­бом атоме существует несколько стационарных орбит (стаци­онарных состояний) электронов, двигаясь по одной из кото­рых, электрон может существовать, не излучая электромаг­нитной энергии; при переходе электрона из одного стацио­нарного состояния в другое атом излучает или поглощает пор­цию энергии. Причем при переходе электрона на более далекую от ядра орбиту происходит увеличение энергии атома, и, наоборот, при переходе электрона на орбиту, более близ­кую к ядру, имеет место уменьшение энергии атома.

Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излу­чения и квантовой теории, фактически явилась дополнени­ем и исправленным вариантом планетарной модели Резер­форда. Поэтому в истории атомной физики говорят о кван­товой модели атома Резерфорда-Бора.

Следует отметить, что научные заслуги Резерфорда не ограничиваются исследованиями, приведшими к упомяну­той планетарной модели атома. Совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877–1956) он провел серьез­ное изучение радиоактивности. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превраще­ния химических элементов из одних в другие.

Как тут не вспомнить крушение стремлений и надежд многих поколений алхимиков получать одни химические элементы (чаще всего золото) из других в связи с откры­тием во второй половине XVIII века Лавуазье закона неиз­менности химических элементов. И вдруг, в начале XX в., оказалось, что в результате радиоактивного распада некото­рые элементы самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенсацией.

Впрочем, наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким при­мером этого может служить теория относительности, создан­ная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879–1955).

В 1905 г. им была создана так называемая специальная теория относительности. В целом теория А. Эйнштейна основывалась на том, что – в отличие от механики И. Нью­тона – пространство и время неабсолютны. Они органи­чески связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнш­тейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Рань­ше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся мате­рия, то пространство и время сохранились бы, теория от­носительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Более подробно о теории относительности сказано в раз­деле, посвященном пространственно-временным представ­лениям. Мы здесь лишь отметим, что эта теория получила признание далеко не сразу. Специальная теория относитель­ности была быстро принята лишь узким кругом известных физиков-теоретиков. Но в 20-х годах, после появления общей теории относительности, этот круг существенно рас­ширился. Эйнштейн получил полную поддержку многих выдающихся ученых, работавших в других областях физи­ки, но обладавших широкой культурой физического мыш­ления.

Хотя имя А. Эйнштейна по сей день в массовом созна­нии связывается с теорией относительности, эта теория была далеко не единственным его научным достижением. Опи­раясь на представление Планка о квантах, Эйнштейн еще в 1905 г. сумел обосновать природу фотоэффекта. Каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энер­гии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Казалось, что корпускулярная теория материи торже­ствует. Фотон, например, явно имеет корпускулярные свойства (русский физик П. Н. Лебедев даже доказал в 1899 г. существование светового давления). Но вскоре вы­яснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только пред­ставляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон – это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучает­ся и поглощается – как частица.

В 1924 г. произошло крупное событие в истории фи­зики: французский ученый Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. «Почему, если волновой ма­терии присущи свойства корпускулярности, – писал он, – мы не вправе ожидать и обратного: что корпускулярной ма­терии присущи волновые свойства? Почему быне мог су­ществовать закон, единый для всякого вообще материаль­ного образования, не важно, волнового или корпускулярного?»

Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате от­крытия (наблюдения) дифракции электронов в эксперимен­те, поставленном в 1927 г. американскими физиками Клин­тоном Дэвиссоном (1881–1958) и Лестером Джермером(1896–1971). Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, про­ходящему мимо малых отверстий или узких щелей. Други­ми словами, распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным на­правлениям, было таким же, как если бы на пластинку па­дал пучок цвета с длиной волны, равной длине волны элек­трона, вычисленной по формуле де Бройля.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории – квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обна­ружились такие свойства, которые совершенно не имеют ана­логий в привычном нам мире. Прежде всего, это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементар­ных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точ­нее - диалектическое единство свойств тех и других). Движе­ние микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождеств­лять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть определено с помощью сис­темы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиняетсязаконам кванто­вой механики.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует, например, установ­ленное видным немецким физиком Вернером Гейзенбергом(1901–1976) соотношение неопределенностей: если извест­но место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одноиз фундаментальных положений квантовой механики. С точки зрения классической механики и просто «здра­вого смысла», принцип неопределенности представляется абсурдным. Нам трудно представить себе, как все это мо­жет быть «на самом деле».

Все вышеизложенные революционные открытия в фи­зике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в реальности законов классичес­кой механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т. д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы,что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистичес­кую картину мира.

Вместе с этим закончился прежний, классический этап в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени. Наступил новый этап неклассического естество­знания XX века, характеризующийся, в частности, новы­ми, квантово-релятивистскими представлениями о физи­ческой реальности.

Вопросы для повторения и самоконтроля

1. Назовите великих ученых античности, внесших свой вклад в развитие естествознания.

2. Каковы основные положения атомистического учения Демокрита?

3. В чем суть геоцентрической космологии Аристотеля?

4. Что явилось причиной упадка науки в Средневековой Европе (вплоть до XII-XIII веков)?

5. В чем суть гелиоцентрического учения Коперника?

6. Какие важные открытия сделал Г.Галилей?

7. Охарактеризуйте роль И.Ньютона в развитии естествознания.

8. Дайте определения диалектического и метафизического подходов к изучению мира.

9. Какие открытия, сделанные на рубеже XIX-XX в.в., подтверждают единство и взаимосвязь объектов материального мира?