11073 (История, панорама современного естествознания и тенденции его развития), страница 8

В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращается к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных превращениях нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия".

Очень интересна последняя часть работы, где ставится вопрос о Ч> X распространении принципа относительности на системы, движущиеся с ускорением. Именно здесь впервые появился принцип эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна его гравитационной массе или, что то же самое, силы гравитации физически эквивалентны силам инерции. На основе этого принципа Эйнштейн исследует влияние гравитации на ход часов и распространение света. Он делает вывод, что любой физический процесс протекает тем быстрее, чем больше гравитационный потенциал в области, где разыгрывается этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном поле. Итак, в 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности (ОТО), над разработкой которой он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой прин­цип относительности был сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО).

В 1916 г. была опубликована общая теория относительности. Она распространила СТО на ускоренные системы. Эйнштейн ограничил применимость принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности на все движущиеся системы. Из ОТО был получен ряд важных выводов.

Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

Луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как указывал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. "Было бы крайне интересно, - пишет он, - чтобы астрономы заинтересовались поставленным здесь вопросом".

3. Частота света в результате действия поля тяготения должна
изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под
действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону
красного света, по сравнению со спектрами соответствующих земных
источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть
обнаружен экспериментально. Все это было принципиально ново, и для
утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка.

Возникновение и развитие теории квантов

14 декабря 1900 г., выступая в Берлинском физическом обществе, М. Планк для решения проблемы излучения предложил свою, как он ее скромно именовал, "рабочую гипотезу". Суть ее сводилась к тому, что энергия излучается не непрерывно, как полагали раньше, а отдельными порциями, т. е. дискретно. Это стало днем рождения квантовой физики - детища XX в. Экспериментальные же корни ее уходят глубоко в XIX в. Открытие и изучение рентгеновских и катодных лучей, радиоактивности, теплового излучения, атомных спектров, фотоэффекта и ряда других явлений с полным правом можно назвать истоками квантовой физики.

Началом фундаментальных теоретических работ по тепловому излучению является открытие Кирхгофом (1824-1887) в 1859-1861 гг. закона, согласно которому отношение испускательной способности e_v нагретого тела к его поглощательной способности a_v не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Если ввести понятие черного тела, т. е. такого, которое поглощает все падающие на него лучи, то эта универсальная функция и будет равна его испускательной способности ( e* = f(v, Т). Заметим, что в природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к ним. Например, поглощательная способность сажи, платиновой черни, черного бархата близка к 1.

Проблема излучения не давала Планку покоя, и он постоянно думал над ней. Рассказывают, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на самую высокую и труднодоступную в своей альпинистской практике горную вершину. Воодушевленный победой, Планк погрузился в работу. Сначала он полуэмпирическим путем нашел формулу, которая хорошо совпадала с результатами эксперимента во всем спектре. Но формуле надо было дать реальное физическое звучание и обосновать установленный закон. "После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы темнота рассеялась, и наметились новые, не подозреваемые ранее дали", -вспоминал позднее Планк. А суть дела заключалась в том, что Планк вынужден был отказаться от одного из основных положений классической физики - о непрерывном (сколь угодно малыми величинами) излучении энергии и принять новую гипотезу: излучение энергии может происходить только вполне определенными (дискретными) порциями - квантами. Величина кванта энергии: е₀ = hv, где h - универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка; v - частота излучения. Так, в физике появился квант энергии и совершенно новая величина h - квант действия, которая наряду с уже известными атомизмом вещества и электричества указывала на атомизм действия и энергии, что было совершенно чуждо классическим представлениям.

Но как быть с представлениями классической физики? И Планк дрогнул. В физике сложилась, пожалуй, беспримерная ситуация: выдвинув великую идею, творец испугался масштаба ее последствий. А квантовая гипотеза тем временем пробивала себе дорогу. И первым, кто принял кванты Планка всерьез, был молодой А. Эйнштейн. Он не только принял гипотезу Планка, а пошел дальше, заявив, что свет не только излучается, но и поглощается, и распространяется квантами. Световой квант был назван позднее фотоном. Развитием этой идеи явилась фотонная теория света, возродившая на новом уровне корпускулярные представления о нем и вскоре доказанная экспериментально.

Используя гипотезу световых квантов, А. Эйнштейн получил обобщенный закон фотоэффекта, разработал квантовую теорию теплоемкости. Для этого выдающегося ученого с самого начала было ясно, что квантовая гипотеза в любой своей форме несовместима с классическими представлениями, что все попытки введения ее в электродинамику Максвелла обречены на неудачу.

Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Эту оценку мы подытожим словами А. Эйнштейна: "Открытие Планка стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики". Такой основой стала квантовая механика. Но это будет значительно позже.

Атомная физика

В январе 1896 г. над Европой и Америкой прокатился тайфун газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей, как выяснилось позже, Берте Рентген - жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей.

20 января 1896 г. американские врачи с помощью лучей Рентгена уже впервые увидели перелом руки человека. С тех пор открытие немецкого физика навсегда вошло в арсенал медицины. Росла и слава Рентгена, хотя ученый относился к ней с полнейшим равнодушием. Он не стал брать патент на свое открытие, отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания.

Хотя самим Рентгеном и другими учеными много было сделано по изучению свойств открытых лучей, однако природа их долгое время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 г. в Мюнхенском университете, где с 1900 г. работал К. Рентген, М. Лауэ (1879-1960), В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей. Это доказывало их волновую природу.

Дифракция рентгеновских лучей вскоре стала не просто достоянием физиков, а положила начало новому, очень сильному методу исследования структуры вещества - рентгеноструктурному анализу. В 1914 г. М. Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей, а в 1915 г. отец и сын Брэгги за изучение структуры кристаллов с помощью этих лучей стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В настоящее время мы знаем, что рентгеновские лучи - это коротковолновое электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности.

Явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем (1862–1908) и изучено Пьером Кюри (1859–1906) и его женой Марией Кюри-Склодовской (1867–1934). 13 ноября 1903 г. супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма, о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.

Возникновение и развитие теории атома

Создатель первоначальной квантовой теории атома - крупнейший физик современности Нильс Бор (1885-1962).

Суть теории Бора была выражена в трех постулатах.

Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.

Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона (L = mm) кратен h/2π = И, т.е. L = mvr = nħ, где n = 1, 2, 3, ... -целые числа.

3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое
испускается или поглощается один квант энергии hv_nm=W_n-W_m где W_n, W_m -
энергия атома в двух стационарных состояниях, h - постоянная Планка, v_nm
- частота излучения. При W_n > W_m происходит излучение кванта, при W_n <
W_m - его поглощение.

*♦ . Это был переворот, пусть пока не

« S*^WU окончательный, во взглядах физиков на атом. "* Его дальнейшим углублением явилась квантовая механика.

Эти постулаты Бор использовал для расчета *** простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектра водорода было большим успехом Рис. 7. Модель атома Бора теории Бора.

Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому пришлось воспользоваться следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного множества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он привел к большим успехам - позволил объяснить сложные закономерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить природу химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной

теоретической физике - принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую.

Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи, однако здесь исследователи столкнулись с большими трудностями. Введение четырех квантовых чисел, характеризующих состояния электрона в атоме, установление принципа Паули (согласно которому две тождественный частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии) и объяснение периодической системы Менделеева - большие успехи теории атома Бора.

Глава 10. Кризис современной науки. На пути к постнеклассической