Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной

Вид материала

Содержание

Существуют также и трансурановые элементы с атомными номерами больше 92. Они имеют малые времена жизни и в природе при естестве
Действительно, то, что считалось ранее непрерывным, по новым представлениям стало дискретным. Это противоречило всему обыденном
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний)
Второй постулат Бора (правило частот)

Подобный материал:

Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том,

достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.

Н. Бор

Составной частью научной картины мира являются представления о строении материи. В истории философии и естествознания самыми плодотворными оказались идеи атомизма, уходящие своими корнями в античную философию. Поэтому сначала несколько слов об античных атомистах и их предшественниках.

Самые древние мыслители заметили, что окружающий человека предметный мир природы, с одной стороны, подвижен и изменчив, а с другой - при всех своих изменениях остаётся одним и тем же. Отсюда логично был сделан вывод: значит, в глубине, в основании вещей лежит некая неизменная субстанция, из которой они образованы. По Фалесу (624 — 547 до н. э.), такой основой всех вещей является вода, из нее они возникли и в нее же превращаются в результате своей гибели. По Анаксимену (544-483 до н. э.), такой основой является воздух, по Гераклиту (544-483 до н. э.) - огонь, по Ксенофану (VI -V века до н. э.) – земля.

В V веке до н. э. древнегреческий мыслитель Левкипп (500-440 до н. э.) и глава школы атомистов Демокрит (460-370 до н. э.) заложили основы концепции атомизма. Позже она получила некоторое развитие в трудах Эпикура (341-370 до н.э.) и древнего римлянина Лукреция Кара (99-55 до н. э.). Эта концепция разработана и выстроена логически строго с опорой на тонкие наблюдения. В ней за основу всего существующего берутся не стихии (воды, воздуха или огня), а мельчайшие невидимые частицы, которые далее неделимы из-за непроницаемости (плотности). От античных атомистов и пришло к нам понятие атома. Слово это древнегреческого происхождения и в переводе на русский означает «неделимый». Античными учеными в качестве исходных посылок, кроме атомов, приняты еще два постулата - о существовании пустого пространства и о движении атомов как их изначальном свойстве.

Из этих трех посылок и выстраивается грандиозная концепция античного атомизма, объясняющая вещи и процессы на Земле и в космосе. Отметим следующее: атомы, по Демокриту, имеют разнообразную форму, они различаются также положением и порядком сочетаний. Эпикур наделил атомы еще свойством тяжести. Атомы движутся в пустоте беспорядочно, иногда они сталкиваются и отскакивают друг от друга, но иногда сцепляются в разных сочетаниях и положениях, что означает образование вещей с разным качеством. Атомы вечны, а вещи, образованные из них, гибнут (разъединяются), но сами атомы остаются, они далее могут сцепляться в новых сочетаниях с образованием других вещей и т. д. Так возникают из атомов не только обычные вещи, но и Земля, и звезды, и космические миры в бесконечном пространстве.

Концепция атомизма была влиятельной в античной культуре. И даже средневековая церковь по-своему признавала ее, борясь с атомизмом на протяжении восьми столетий. В эпоху Возрождения античный атомизм получает «второе дыхание». Однако подлинно триумфальным было шествие концепции атомизма в естествознании Нового и Новейшего времени (с начала XVII до конца XIX века). Правда, в классической механике оперировали понятием материальной точки, лишенной размера, в которой сосредоточена вся масса тела. Физики, однако, понимали, что это - абстракция идеализации, приспособленная к нуждам теоретической физики. Реальным же (то есть физическим) кирпичиком, из которого построено все мироздание, являются атомы.

«Мне представляется, - отмечал И. Ньютон, - что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для такой цели, для которой он их сотворил.

Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются, не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал нераздельным и Целым в первый день творения... они не изнашиваются».

В XIX веке концепция атомизма разрабатывается на почве естествознания и облекается в естественнонаучную форму. В начале XIX века для объяснения ранее открытых химических законов и законов идеального газа трудами английского ученого Дж. Дальтона, итальянского ученого А. Авогадро и шведского ученого Я. Берцелиуса закладывается представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов. В середине XIX века проведено различие между атомом и молекулой. В то же время идея атомизма в термодинамике воплощается в форму молекулярно-кинетической теории.

«Даже когда Солнечная система распадется, на ее развалинах возникнут новые миры; атомы, из которых она состоит, останутся целыми и не изношенными». Это высказывание Д. Максвелла, относящееся ко второй половине XIX века, созвучно со словами Ньютона. В своей речи, произнесенной на съезде Британской ассоциации в Бредфорде, Максвелл отмечал: «При мысленном делении вещества, следовательно, мы должны в воображении дойти до атома, который, как буквально значит это слово, не может быть разделен пополам, - таковa атомистическая картина Демокрита, Эпикура, Лукреция, я могу прибавить, и вашего лектора».

Когда мы говорим о веществе (чистом веществе), то тем самым указываем на то, что оно обладает однородными свойствами. При этом чистые вещества могут быть двух типов. Одни разлагаются после некоторых воздействий. Другие — нет. Например, сравним железо, кислород, водород и окись железа, воду, перекись водорода.

Первые вещества — элементы, вторые — соединения. Сегодня известно 92 стабильных элемента и многие сотни тысяч чистых веществ, построенных из них. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч неорганических и особенно органических соединений, неисчислимое количество сплавов.

Все разнообразие веществ возникает из сложного, но повторяющегося сочетания мельчайших составных частиц — атомов (как и все книги — суть набор нескольких десятков символов, собранных огромным разнообразием способов).

Попытки создания систематики химических элементов начались сразу после освоения наукой понятия об атомах. Однако только Д. И. Менделееву (1834-1907) удалось открыть периодический закон, позволивший не только систематизировать все известные на тот момент (1869) химические элементы, но и предсказать существование новых. В 1870 г. подобную систематику создал немецкий ученый Ю. Л. Майер (1814-1878).

Созданная систематика позволила предсказать свойства элементов с вероятными атомными весами 44, 68, 72. В 1875 г. был открыт галлий (атомный вес 69,7), в 1879-м — скандий (атомный вес 45,1), в 1886-м — германий (атомный вес 72,6). В 1893 г. был открыт аргон, которому не было места в периодической системе элементов. После обнаружения на Солнце (с помощью спектрального анализа), а затем и на Земле гелия, открытия криптона, неона, ксенона стало ясно, что «благородные» (инертные) газы образуют новую группу периодической системы. Это еще раз подтвердило строгость периодического закона Менделеева.

В то же время Менделеев писал: «...Мы не понимаем причины периодического закона...». Он просто раскладывал пасьянс, основанный на известных свойствах химических элементов и их соединений. И только после выяснения строения атомов был вскрыт физический смысл обнаруженных им закономерностей.

Атомы девяноста двух видов стабильны (до урана) и обладают различными свойствами. Одни из них образуют газы, другие — металлы. Одни способны легко образовывать химические соединения, другие (инертные газы) почти никогда не дают соединений.

В то же время все атомы имеют примерно одинаковый размер. Действительно, мы знаем, что в 1 см³ вещества содержится около 10²³ молекул (атомов для одноатомных веществ). Тогда на один атом приходится объем около 10 ^-23 см³ и размер атома (кубический корень из объема) близок 10^-8 см.

Но что мы знаем о внутреннем строении атома?

Из опыта известно, что любой предмет может обладать электрическим зарядом одного или другого вида. Мы называем эти два вида зарядов «положительными» или «отрицательными». В этих названиях не отражено ничего принципиального. Просто мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются — это следует из эксперимента.

Эксперимент же показывает, что незаряженное тело просто содержит в себе равные количества положительных и отрицательных зарядов. В этом состоит одно из величайших открытий физики.

Мы обнаруживаем, что заряды могут перемещаться в веществе. За проводимость металлов ответственны электроны. Еще в Древней Греции было замечено, что если потереть янтарь (греч. «electron») кусочком ткани, то он приобретает свойство притягивать шерстинки. Именно поэтому в 1891 г. для обозначения единицы минимального количества электричества был введен термин «электрон».

Заметим, что когда мы трем поверхность янтаря или иного непроводящего материала (диэлектрика) шерстью, тканью, мы вовсе не «сдираем» электроны с электронных оболочек атомов. Мы просто снимаем поверхностные заряды («грязь»), экранирующие неоднородный поверхностный заряд диэлектрика (его поляризацию).

В конце 90-х годов XIX века в результате исследований радиоактивного распада французскими учеными А. Беккерелем и супругами Марией и Пьером Кюри были получены данные, свидетельствующие о делимости атомов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл электрон, измерил величину его электрического заряда и массу. В настоящее время масса электрона определяется как 1/1840 часть от массы атома водорода.

В 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности урана; среди частиц, образующихся при распаде урана, также оказались электроны.

Эти факты привели к мысли о том, что атом можно представить как сложное образование, состоящее из электронов и области, несущей положительный заряд. Возник вопрос об относительном расположении электронов и положительно заряженной остальной части атома. Для решения этого вопроса были применены эксперименты по рассеянию электронов и α-частиц при прохождении их через металлическую фольгу. Опыты показали, что рассеивание электронов очень невелико. На этом основании В. Томсон и Д. Д. Томсон в 1904 г. предложили модель строения атома. Атом представляет положительно заряженный шар, в котором вкраплены отрицательно заряженные электроны. При прохождении пучка электронов через атом искривление их траектории происходит за счет сил отталкивания, действующих со стороны атомных электронов.

В 1904 г. японский физик X. Нагаока предложил иную модель строения атома: атом имеет строение, напоминающее строение планеты Сатурн с ее кольцами спутников. X. Нагаока предположил, что основная часть атома — положительно заряженный шар, вокруг которого по кольцевым орбитам вращаются электроны. X. Нагаока показал, что эта модель механически устойчива, но отметил, что согласно законам электродинамики электроны должны были бы излучать электромагнитные волны, теряя кинетическую энергию и уменьшая свою скорость, пока не упадут на ядро.

Итак, к концу XIX в. стало известно, что вещество содержит в себе положительные и отрицательные заряды. Минимальная «порция» вещества — атом. Следовательно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов, и, по существовавшим на тот момент представлениям, быть неделимым.

Решающий эксперимент по проверке модели Томсона был проделан в 1910 г. Э. Резерфордом (1871-1937), X. Гейгером (1882-1945) и Р. Марсденом: α -частицы (ядра гелия, имеющие положительный заряд), возникающие при радиоактивном распаде, направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель «желе», то α -частицы не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то α -частицы должны были бы по-разному отклоняться неоднородностями электрического заряда.

Было обнаружено совершенно неожиданное явление — некоторые α -частицы отклонялись от первоначального направления настолько сильно, что почти возвращались к источнику.

В табл. 1 приведены результаты одного из экспериментов. Заметим, что все эти эксперименты проведены с помощью глаза — экспериментатор в темной, комнате наблюдал вспышки на экране из вещества, светящегося при попадании на него α -частиц. (При адаптации к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны.) Представьте себе, насколько трудоемок эксперимент, и обратите внимание, что ключевыми для возникших на основании этих экспериментов современных представлений об атомах являются события (отклонения на очень большие углы), возникающие крайне редко.

Таблица 1

Результаты одного из экспериментов по наблюдению рассеивания α -частиц золотой фольгой

Угол отклонения частицы	15	38	45	60	75	105	120	135	150
Число наблюдений частицы	132000	7800	1435	477	211	70	52	43	33
% от общего числа наблюдений	92,87	5,5	1,0	0,3	0,1	0,03	0,025	0,02	0,015

Резерфорд следующим образом вспоминал свою первую реакцию на эти результаты: «...Я помню... ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: „Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния α -частиц назад ..."Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд».

Еще в 1887 г., за 10 лет до открытия электрона и почти за 30 лет до работ Резерфорда, выдающийся (в будущем) русский физик П. Н. Лебедев (1866-1912) в дневнике писал: «...Каждый атом всякого нашего первичного элемента (Н, О, Ва...) представляет собой ионную Солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Периоды движения весьма кратковременны...». Пример удивительной прозорливости ученого.

Стало ясно, что атом состоит не из смеси разбросанных по объему положительных и отрицательных частиц, но из массивного положительного заряда — ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, значительно более легкими, чем ядро. Размер ядра, оцененный из этих экспериментов, составляет около 10 ^-13 см.

Как мы помним, размер атома около 10 ^-8 см. То есть размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома.

Основываясь на этих исследованиях, в 1911 г. Резерфорд предложил новую, «планетарную» модель, уподоблявшую атом Солнечной системе. В центре находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома, а вокруг ядра — электроны, число которых равно положительному заряду ядра, выраженному в электронных зарядах.

Стала ясна структура атома, удалось определить число электронов в каждом атоме. Так, в водороде имеется один электрон и ядро с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. В гелии — два электрона и соответствующим образом заряженное ядро. И так вплоть до урана с 92 электронами и ядром, несущим 92 единицы положительного заряда. То есть удалось качественную разницу между атомами свести к количественной. Можно расположить атомы в определенном порядке в соответствии с их атомными номерами. Каждому номеру от 1 до 92 (кроме технеция — 43 и прометия — 61) соответствует элемент, обнаруженный в природе.

Существуют также и трансурановые элементы с атомными номерами больше 92. Они имеют малые времена жизни и в природе при естественных условиях не встречаются.

Сведение качественных различий между атомами к количественным представляет собой огромный шаг вперед. Стала понятна структура периодического закона Менделеева, принципы систематизации атомов.

Однако каждое открытие ставит новые, более сложные вопросы. Действительно, почему бром с 35 электронами — коричневая жидкость, легко образующая химические соединения; криптон с 36 электронами — благородный газ, практически не вступающий в химические соединения; рубидий с 37 электронами — металл, химически очень активный? Почему один лишний электрон приводит к столь резкому изменению свойств элемента? На эти вопросы удалось получить ответ только после того, как была понята квантовая природа материи.

Есть и другие вопросы. Так, если мы принимаем планетарную модель атома, то считая, что электроны вращаются вокруг ядра, и зная размер атома (радиус орбиты электронов), мы можем оценить время оборота одного электрона вокруг ядра. Оно составляет около 10 ^-16 с. Правильность этой оценки легко проверить экспериментально — частота света, испускаемого раскаленным водородом, составляет 10 ¹⁶ Гц. Однако если электрон испускает свет, то есть теряет свою энергию, радиус его орбиты должен уменьшаться и в конце концов электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит.

Более того, раскаленный и холодный водород должны были бы испускать свет одинаковым образом. Однако холодный водород свет не испускает.

Известно, что каждый атом испускает (или поглощает) свет вполне определенных частот, характерных только для данного атома. На этом основаны, в частности, методы спектрального анализа состава веществ.

Более того, атом газа сталкивается с другим атомом один раз за 10^-12 с, то есть через каждые 10 000 оборотов электрона вокруг ядра. И при этом сохраняются и частота излучения, и размер атома... Представим себе, что Солнечная система или Земля столкнутся с подобными себе объектами...

Отметим особо свойства атомных систем, которые не способна описать модель Резерфорда.

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с одинаковым числом электронов) обладают тождественными свойствами. Они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, свойства.

3) Воспроизводимость. Способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты изменили свой вид в результате внешнего воздействия (высокого давления, соседства других атомов и т. п.), то после устранения причины искажения атом и электронные орбиты вновь приобретут исходную форму.

Эти противоречия показывают, что планетарная модель, так же как и ее предшественники, — только некое приближение к действительному строению атома. Опыты показывают, что атом как планетарная система не может обладать всеми перечисленными свойствами, а это значит, что данная модель приближенная. Нужен новый взгляд на природу атома.

Дотошные критики быстро увидели в модели Резерфорда один существенный изъян. Дело в том, что рассмотрение движения электрона вокруг ядра на основе классической физики ведет к парадоксальному выводу о невозможности существования стабильных атомов. Согласно классической электродинамике электрон не может устойчиво вращаться по орбите, поскольку движущийся вокруг ядра электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10 ⁸ секунды электрон должен упасть на ядро атома. А поскольку опыт показывает, что атомы не только существуют, но и необычайно устойчивы, то это значит, что законы классической физики неприменимы к движению электронов в атомах .

Итак, вновь противоречия. С одной стороны, атом в эксперименте проявляет себя как миниатюрная «планетная» система из обращающихся по орбитам вокруг ядра электронов. С другой стороны, мы обнаруживаем его устойчивость и иные свойства, чуждые планетным системам. Каковы же характеристики мира атомов, микромира? Это, во-первых, квантовые состояния атома. Во-вторых — квантовая природа излучения (поля). В-третьих — волновые свойства материальных частиц. Эти характеристики служат фундаментом современных представлений о явлениях микромира.

В конце XIX в. одним из ключевых направлений естествознания было изучение строения вещества. В то же время естествоиспытателей волновал вопрос и о том, каким образом излучает энергию нагретое тело. Ведь только по измеряемому излучению мы знаем о Вселенной. Это была еще одна проблема, не связанная с исследованием вещества: ее решали совершенно иными методами другие исследователи. Области исследования — вещество и излучение (поле) — представлялись совершенно независимыми.

Для простоты рассуждений об испускании и поглощении излучения нагретым объектом была придумана модель «абсолютно черного тела» — объекта, полностью поглощающего весь падающий на него поток излучения. Такой объект может иметь только черный цвет (коэффициент поглощения излучения равен 100%). Казалось, что такое тело должно излучать энергию по достаточно простому закону, предсказанному существовавшей к концу XIX в. теорией. Однако эксперимент, проведенный на модельных объектах, близких к абсолютно черному телу (создать действительно абсолютно черное тело невозможно), показал, что это не так. Классическая теория предсказывала быстрый рост интенсивности излучения с уменьшением длины волны излучения, на эксперименте же наблюдался максимум излучения при некоторой длине волны (рис. 1.2). Заметим, что с таким излучением каждый из нас сталкивается в жизни — если бы была верна классическая теория, то при открывании дверцы духовки газовой плиты мы мгновенно попадали бы под поток чрезвычайно опасных для жизни коротких волн жесткого ультрафиолетового излучения, гамма-квантов и рентгеновского излучения.

Это была катастрофа (по определению физиков начала XX в.) классических представлений — ”ультрафиолетовая катастрофа”.

И вот в 1900 г. М. Планк (его настоящее имя Карл Эрнст Людвиг) выдвинул идею, что абсолютно черное тело излучает энергию не сплошным «потоком», а порциями. Этой мельчайшей порции Планк дал название квант (от лат. «quantum» — сколько, как много).

Рис. 1.2 «Ультрафиолетовая катастрофа». Зависимость спектральной, плотности энергии, от частоты, излучения абсолютно черного тела, нагретого до 2000 К, в случаях использования

классической и квантовой теорий излучения

Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор воспользовался понятием кванта (то есть мельчайшей порции) энергии, введенным в 1900 году немецким физиком М. Планком. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, то есть квантами. Позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне. Квант энергии (и действия) обозначают латинской буквой h и называют постоянной Планка. Величина кванта энергии зависит от частоты колебаний световых волн v и равна: ε = hv. Для кругового движения электрона величина h приводится путем ее деления на 2π : ћ =h/2π.

Квантовая теория совершила революцию в физике, создав совершенно новые представления о веществе и энергии. Действительно, то, что считалось ранее непрерывным, по новым представлениям стало дискретным. Это противоречило всему обыденному опыту.

Однако было совершенно непонятно, дискретность излучения есть результат взаимодействия с дискретным веществом или свойство, присущее самому излучению. По этому поводу А. Эйнштейн писал: «Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, то вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте».

Он первым понял, что дискретность поглощения и испускания излучения — неотъемлемое свойство самого излучения. Через пять лет после появления понятия кванта Эйнштейн применил идею дискретности излучения к объяснению явления фотоэффекта (появление электрического тока в вакууме вследствие выбивания электронов из металла под действием излучения). Именно за объяснение природы фотоэффекта в 1921 г. он был удостоен Нобелевской премии («...за успехи в теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта» ).

Н. Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых ньютоновой механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются не все, а только те орбиты (названные основными), величина энергии которых кратна постоянной Планка h. Бор постулировал, что, находясь на основных орбитах, электрон не испускает квантов света, то есть не теряет энергии, поэтому атом существует устойчиво. Излучение электроном квантов света происходит лишь при переходе его с одной устойчивой (основной) орбиты на другую, а именно, при переходе с одного энергетического уровня на другой, более низкий. Вскоре это предположение получило опытное подтверждение. Таким образом, Нильс Бор существенно дополнил планетарную модель атома Резерфорда, поэтому с тех пор она называется моделью Резерфорда-Бора.

В основе квантовой теории строения атома, развитой Бором лежит идея объединения:

а) закономерностей линейчатого спектра атома водорода, выраженных в формуле Бальмера - Ридберга;

б) ядерной модели атома Резерфорда;

в) квантового характера излучения и поглощения света.

Для осуществления этой идеи Бор, сохраняя классический подход к описанию поведения электрона в атоме, выдвинул два постулата, которые стали основой новой, квантовой теории строения атома и позволили объяснить модель атома Резерфорда.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия атома En. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитных волн.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Атом излучает (поглощает) один квант электромагнитной энергии, когда электрон переходит с орбиты с большим (меньшим) на орбиту с меньшим (большим) главным квантовым числом. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях: hvmn = Em - En. Если Em > En, то происходит излучение фотона, если Em < En - поглощение фотона. Частота Vmn, которая испускается (поглощается) атомом,

Em _ En

Vmn= h h .

Из правила частот Бора следует обращение спектральных линий: атомы поглощают только те спектральные линии (частоты), которые они сами могут испускать. В квантовой механике правило частот Бора вытекает из теории квантовых переходов атома из одного энергетического состояния в другое. Правило частот Бора явилось дальнейшим развитием идеи о квантовом характере излучения и поглощения света.

Так трудами М. Планка и Н. Бора делается первый (и потому еще несовершенный) набросок новой физической дисциплины - квантовой механики.

Первый успех квантовой механики был достигнут ценой нарушения логической цельности этой теории: с одной стороны, в ней использована ньютонова механика, а с другой - чуждые для классической физики искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Да и сама теория Н. Бора оказалась ограниченной, поскольку объясняла устойчи-

вость только атома водорода, но не объясняла движения электронов в более сложных атомах, начиная с гелия. Иначе говоря, теория Н. Бора оказалась полуклассической, она не объясняла многих вопросов, например того, как электрон переходит с одного энергетического уровня на другой.

Позже, в 1913 г., Дж. Франк и Г. Герц провели ряд экспериментов, в которых они пытались изменить орбиты электронов в атомах.

Как мы говорили ранее, эти орбиты очень устойчивы, и с помощью внешних воздействий (например, столкновений атомов) их изменить не удается. Для изменения орбиты надо использовать какие-то силы. Проведем аналогию с планетой: для изменения орбиты необходимо, чтобы мимо планеты прошло массивное тело (масштаба самой планеты). Тогда за счет сил тяготения планета (либо все планеты) изменят свои орбиты.

В опытах Франца и Герца через разреженный газ проходил пучок электронов, играющий роль такого тела. Взаимодействие, которое приводило к возникновению сил, изменяющих орбиты электронов в атомах металла, известно нам как электромагнитное. (С пучком электронов мы имеем дело каждый день: в телевизоре имеется устройство, называемое «электронная пушка».)

Мы можем измерить скорость электронов в пучке до взаимодействия с атомами и после него и по изменению этой скорости сделать заключение о тех процессах, которые произошли при взаимодействии пучка электронов с атомами. Это сделать достаточно просто, выявив зависимость тока, протекающего через трубку с газом (парами металла), от ускоряющей разности потенциалов.

Из обычных, классических, представлений следует, что электроны пучка должны изменять орбиты электронов атома, их энергия (скорость) должна уменьшаться, причем часть электронов должна просто всю свою энергию отдать атому. И этот эффект должен наблюдаться при любых энергиях пучка электронов. Поэтому зависимость тока от разности потенциалов должна быть монотонной.

Но эксперимент дал совершенно иной результат. На рис. 1.3 показана зависимость тока, протекающего через трубку с парами ртути, от разности потенциалов. Вместо монотонной кривой — кривая с максимумами! Причем расстояние между максимумами не зависело ни от плотности пара (т. е. число атомов, с которыми пучок электронов взаимодействовал, не имело значения), ни от внешних воздействий (электрического и магнитного поля), но имело непосредственное отношение к оптическому спектру металла, пары которого были в установке. Оказалось, что это расстояние точно равно напряжению, необходимому для освобождения одного электрона с внешней электронной оболочки атома ртути (потенциалу ионизации), известному из оптических исследований. Результат более чем странный, не вписывавшийся в обычные представления о свойствах вещества, известные к началу XX в. Оказалось, что энергию электрона в атоме нельзя изменить на произвольную величину. Она либо меняется порциями, либо не меняется совсем. Причем эта порция достаточно велика. За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию 1925 г. Следовательно, и энергия частицы (а не только поля!) меняется порциями — квантами.

рис. 1.3 Результаты эксперимента Франка-Герца. Зависимость тока, протекающего через трубку с парами ртути, от ускоряющей разности потенциалов. Видно, что максимумы расположены через расстояния, равные 4.9 В. Из исследований спектров излучения паров ртути следовало, что эти расстояния должны быть равны 4,84 В

Таким образом, мы видим, что в начале XX в. принципиальным образом претерпели изменения представления о материи: и о веществе, и о поле.

Но в одном они оставались неизменными: электромагнитное излучение по своим свойствам считалось резко отличающимся от электронов и других «частиц» материи. Некоторое сближение наметилось, когда у излучения были обнаружены свойства, характерные для частиц — корпускулярные свойства. Однако волновые свойства считались присущими только электромагнитному полю.

В дальнейшем (к 1927 году) трудами немецких ученых-физиков В. Гейзенберга, М. Борна, П. Иордана австрийского физика Луи де Бройля, английского физика и математика П. Дирака квантовая механика формируется как последовательная теория с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом.

Если в классической физике электрон представлялся как мельчайшая крупица вещества, имеющая четкую траекторию движения, то в квантовой и волновой механике электрон трактуется как частица и в то же время волна, точнее, как сгусток электромагнитного поля. Поэтому в атоме электроны предстают как размытое облачко. Луи де Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм с электрона на все элементарные частицы (1924). В волновой механике квант поля представляется как плоская волна, а множество плоских волн образуют поле.

Идеи де Бройля могли показаться безумными. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. В 1925 г. Эйнштейн писал другу о диссертации де Бройля: «Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно...».

В одной из поздних работ де Бройль так излагает существо своей идеи: «Теория света страдала редкой болезнью раздвоения между волновой теорией, с одной стороны, и теорией фотонов — с другой. Чтобы исправить положение, следовало воспользоваться принципом «чем хуже, тем лучше» и перенести эту болезнь на здоровую доселе теорию вещества...».

На первый взгляд, гипотеза де Бройля (импульс тела mV связан с длиной волны λ , характеристикой излучения, соответствующей состоянию этого тела, соотношением mVλ = ћ, здесь ћ — постоянная Планка, фундаментальная постоянная) опровергается повседневным опытом. В окружающих нас предметах и нас самих волновые свойства не проявляются (а волновые свойства определяются способностью волны огибать экран, эффектами дифракции и интерференции на объектах с размерами порядка длины волны).

Оценим длину волны де Бройля для электрона и пылинки массой 0,001 г. Электрон имеет массу около 10^-27 г. Длина волны электрона (ускоренного разностью потенциалов в несколько тысяч вольт, как в телевизоре), рассчитанная по соотношению де Бройля, равна примерно 10^-9 м (1 нм). Мы можем наблюдать дифракцию электронов на периодических структурах и объектах такого размера, как кристаллическая решетка, атомные структуры. То есть, имеем возможность экспериментально проверить корпускулярно-волновой дуализм электрона (рис. 1.4). Для пылинки, имеющей такую же скорость, длина волны будет в 10 ²³ раз меньше, чем для электрона (то есть она равна примерно 10 ^-32 м). Мы просто не имеем объектов, на которых может проявлять волновые свойства (дифракция, интерференция) такая волна.

Но может быть, волновые свойства электронов связаны с тем, что в описанных опытах они двигаются в пучке, а не отдельно друг от друга? В 1949 г. В. А. Фабрикант (род. 1907) провел эксперименты, в которых изучали дифракцию очень слабых электронных потоков. Время между «пролетами» двух электронов было почти в миллион раз больше времени прохождения электронов через регистрирующее устройство. При длительной экспозиции были зафиксированы такие же дифракционные картины, как и для плотных пучков (рис. 1.4). Значит, волновые свойства присущи именно частицам.

В классической физике частица обладает свойством двигаться по вполне определенной траектории, и в любой момент времени мы можем точно определить ее координаты и скорость.

Рис 1.4. Фотография, иллюстрирующая подобие картин рассеяния электромагнитного излучения (рентгеновские лучи) и электромагнитного пучка тонкой плёнкой алюминия.

Волна этим свойством не обладает. Нет смысла говорить о длине волны в данной точке пространства (например, волны на воде).

Тогда из корпускулярно-волнового дуализма вытекает совершенно неожиданное правило: если мы точно знаем координаты частицы, то мы совсем не знаем ее скорости, и наоборот, если частица имеет точно определенную скорость, мы ничего не можем сказать о ее координатах — принцип неопределенности , установленный В. Гейзенбергом в 1927 г.

Приведем простейшее рассуждение, приводящее к формулировке этого принципа (такие рассуждения называют мысленным экспериментом, провести его с помощью приборов невозможно).

Пусть мы хотим определить координату и скорость электрона. Для этого мы должны осветить его (свет в качестве измерительного устройства!) и зафиксировать координату X. Но длина волны света конечна и равна λ . Тогда, очевидно, мы можем измерить координату тела с точностью до длины волны света (точно так же с помощью линейки можно измерить длину с точностью до минимального деления — 1 мм). То есть точность определения координаты X~ λ .

При измерении часть энергии кванта света — фотона будет передана электрону. То есть неточность в определении энергии электрона (и его скорости V) будет определяться величиной энергии фотона. Как сказано выше, импульс частицы пропорционален ее длине волны. То есть V~ 1/ λ .

Тогда ΔХ • ΔV ~ 1 — это есть соотношение неопределенности. Здесь не важно, какая постоянная величина стоит справа. Важно одно: неопределенности определения координаты и импульса связаны друг с другом.

Одно из следствий принципа неопределенности состоит в изменении наших взглядов на принцип причинности.

Под принципом причинности мы понимаем наличие причинно-следственной связи между явлениями природы. Законы классической физики полностью определяют судьбу физической системы при условии, что вся необходимая информация нам известна в некоторый определенный момент времени. Пример тому — астрономические расчеты движения небесных тел. Принцип причинности главенствовал в естествознании до начала XX в.

Пьер Симон Лаплас (1749-1827) писал: «Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее прежних состояний и как причину для будущих. Разумное существо, которое могло бы знать в какой-либо момент времени все действующие в природе силы, а также соответствующие положения всех составных частей природы, смогло бы — при наличии достаточных аналитических способностей для оценки этих данных — охватить движение величайших небесных тел и мельчайших атомов с помощью одной формулы. Ничто не укрылось бы от этого существа; прошедшее и будущее, в равной степени открытые, легли бы перед ним...»

В квантовой физике, физике микромира, мы никогда не знаем состояние системы с точностью большей, чем это допускается принципом неопределенности. Мы вынуждены перейти на вероятностное описание явлений микромира. По яркому выражению Эйнштейна, «природа играет в кости...» Заметим, что в природе часто реализуются ситуации, формальная математическая вероятность которых ничтожно мала (пример тому приведен в табл. 1).

Один из основателей современной физики, датский ученый Н. Бор (1885-1962) сформулировал еще одно принципиальное положение, описывающее наши взгляды на природу вещества — принцип дополнительности.

Согласно этому принципу, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее скорость (кинетическая и потенциальная энергия; напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов). С физической точки зрения этот принцип (по Бору) объясняется влиянием измерительного прибора (макроскопический объект!) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из величин дополнительная к ней в результате взаимодействия с прибором претерпевает такое изменение, что ее последующее измерение теряет всякий смысл.

Именно здесь впервые появляется проблема взаимодействия измерительного прибора и исследуемого объекта. При измерении мы изменяем объект и получаем информацию не о независимом от нас объекте, а о результате взаимодействия объекта и прибора. Несколькими абзацами выше, проведя мысленный эксперимент, мы показали это на примере измерения скорости и координаты электрона.

Другая сторона принципа дополнительности состоит в возможности описания квантовых систем с разных точек зрения. Атом можно описывать и как «планетарную» систему, и как подобное волне состояние. Каждое из описаний одинаково правильно, но применимо в различных условиях. Способ описания выбирает исследователь!

Еще один из принципов квантовой физики — принцип тождественности, согласно которому невозможно экспериментально различить одинаковые частицы.

Действительно, в классической механике мы всегда можем различить два одинаковых шара, проследив их траектории до и после столкновения. В квантовой механике такая возможность отсутствует, так как мы можем определить только вероятность обнаружения частицы в той или иной точке пространства. Так, все электроны Вселенной тождественны, мы не имеем способа пометить один из них и следить только за ним.

Отметим, что сегодня мы знаем примеры проявления квантовых свойств частиц и в макроскопических масштабах. Например, известно так называемое явление сверхтекучести жидкого гелия при температурах ниже 2 К. Жидкость течет так, будто отсутствует ее вязкость. Это явление связано с проявлением квантово-механических свойств в макромасштабе. Известны квантовые кристаллы, в которых каждый атом равновероятно занимает любые позиции (что обычно для жидкости или газа) в кристалле. Упорядоченное, кристаллическое состояние при этом сохраняется.

К началу 30-х годов XX столетия было установлено существование трех фундаментальных частиц, из которых слагается вещество, - протонов, нейтронов и электронов. Наряду с фотонами (квантами электромагнитного поля) они были названы элементарными частицами.

В 1932 году в составе космических лучей был открыт позитрон (е ) с такой же массой, как у электрона (e ),но с противоположным значением электрического заряда. В этом смысле позитрон является античастицей электрона.

В 1936 году при исследовании космических лучей были обнаружены частицы, названные мюонами, с положительным и отрицательным знаком заряда (то есть частица и античастица). Мюоны по своим свойствам похожи на электроны и позитроны, но в двести раз тяжелее их. К строению вещества мюоны прямого отношения не имеют и поэтому казались «лишними».

В дальнейшем выяснилось, что «лишних» (не имеющих прямого отношения к веществу, подобно мюонам) частиц существует много. В 1947 году также в космических лучах были обнаружены положительно и отрицательно заряженные пи-мезоны ( π ^+-), а в 1950 году - нейтральные пи-мезоны ( π °). Эти частицы в 280 раз тяжелее электрона. В период с 1949 по 1952 год открываются заряженные и нейтральные К-мезоны с массой, в тысячу раз большей массы электрона, а также некоторые виды гиперонов - частицы разных знаков заряда, несколько тяжелее протонов. К-мезоны и гипероны в совокупности получили название «странных» частиц.

С начала 50-х годов ускорители стали главным инструментом исследования элементарных частиц. В 1955 году был открыт антипротон, а в 1956 - античастица нейтрона (антинейтрон), в 1960 году – антисигма-гиперон, а в 1964 - самый тяжелый гиперон Ω. В 1960-х годах на ускорителях было получено большое число крайне неустойчивых частиц, названных резонансами, с временем жизни 10^-²² - 10^-24 секунды. К концу 90-х годов число открытых частиц и античастиц (по нашему предположению) приблизилось к 400.

Как соотнести все это большое число микрочастиц с протонами, нейтронами и электронами (из которых непосредственно образовано вещество)? Следует ли все их рассматривать как элементарные образования? Специалисты называют все многообразие микрочастиц «субъядерными частицами» в том смысле, что все они существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной (когда материя была еще плотной и горячей, когда еще не происходило образование ядер атомов), существовали и после образования вещества, существуют и в настоящее время.

Открытие большого числа микрочастиц вызвало потребность их классификации. В качестве существенного признака деления был принят вид, или тип, взаимодействия - сильный и слабый. Сильное взаимодействие обусловливает очень сильное сцепление нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, а порождаемые им процессы протекают с большой интенсивностью, то есть «сильно». Частицы, обладающие сильным взаимодействием, назвали адронами (от древнегреческого «адрос» - большой, сильный). Подавляющее большинство субъядерных частиц относят к адронам. Вне этой группы оказываются лишь электроны, мюоны, тау-частицы и все нейтрино. Эти частицы в совокупности назвали лептонами (от древнегреческого «лептос» - мелкий, тонкий).

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6 *10 ²⁴ г (для частиц с ненулевой массой заметно меньше лишь масса электрона - 0,9 • 10 ²⁷ г). Размеры протона, нейтрона, пи-мезона и других адронов порядка 10 ^-13 см, а для электрона и мюона размеры не определены, но они меньше 10 ^-16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц сравнимы с длинами волн де Бройля и даже меньше их, поэтому поведение элементарных частиц подчиняется законам квантовой и волновой механики.

Не случайно поэтому само понятие элементарной частицы связывают с волновыми характеристиками микрочастиц - с их энергией и импульсом. Энергия элементарных частиц определяется как произведение постоянной Планка на длину волны микрочастицы.

Элементарная частица - это квант поля, то есть плоская (возможно, сферическая или другой формы) единичная волна. Представить элементарную частицу как бесструктурное дискретное образование, как некую песчинку трудно и даже невозможно., Но и абсолютизировать одну только волновую характеристику элементарных частиц не правомерно, поскольку идея «состоит из...», выражающая дискретные свойства материи, продолжает служить науке. Подтверждением этого является установление кварков как прачастиц материи.

Идею кварков выдвинули в 1964 году (Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман, США) из теоретических соображений. Кварки трактовались как гипотетические прачастицы, из которых образовались адроны. Позже обнаружилось, что многие следствия из гипотезы кварков хорошо подтверждаются экспериментально. В конце 60-х годов проводился и прямой эксперимент, аналогичный тому, который проводил Э. Резерфорд для обнаружения ядра атома. На этот раз потоками электронов высоких энергий бомбардировали протоны. Эксперимент показал, что взаимодействие электронов с протоном не соответствовало априорному образу протона как целостного протяженного объекта размером 10 ^-13 см. Рассеяние происходило так, как если бы электроны взаимодействовали с некими точечными объектами внутри протона, которые к тому же были почти независимы друг от друга.

Так постепенно гипотеза обрела статус теории кварков, теперь общепризнанной в научном мире.

Согласно этой теории адроны образованы из кварков подобно тому, как ядра атомов образованы из протонов и нейтронов. Предполагается, что мезоны образованы как связанное состояние кварка и антикварка, а барионы - как связанное состояние трех кварков. Поскольку кваркам приписываются дробные значения электрического заряда и спина, то образование адронов подчиняется простому правилу алгебраического сложения квантовых характеристик кварков.

Современные ученые-физики, как и античные атомисты, постоянно находятся в поиске чего-то простого, лежащего в основе сложных объектов. Античные атомисты считали: чтобы познать окружающие предметы, нужно познать атомы, из которых образованы вещи. Этот метод конструктивного теоретического моделирования был воспринят всей классической физикой. В релятивистской физике и квантовой механике этот метод продолжает работать, хотя и на качественно новом уровне: чтобы познать атомы, нужно установить, из чего они образованы - из элементарных частиц. Но когда было установлено большое количество элементарных частиц и античастиц, положение дел опять стало выглядеть сложным и запутанным. Эта обстановка упростилась, когда установили, что все адроны образованы соединением прачастиц вещества - кварков. Таким образом, с открытием кварков атомистическая исследовательская программа опять сработала, но уже на современном научном уровне.

К настоящему времени открыто 6 кварков, их обозначили буквами u, d, с, s, t, b, а соответствующие им антикварки обозначают теми же буквами, но с черточкой над каждой из них: u, d, с, s, t, b. Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, то есть 12 фундаментальных частиц призваны объяснить почти все многообразие микрочастиц, кроме лептонов. Это ли не триумф идей атомизма в современной научной форме? Но тогда следует признать, что и лептоны относятся к числу фундаментальных микрочастиц, поскольку они не выводимы из кварков. В таком случае из кварков и антикварков, лептонов и антилептонов должно быть выведено и объяснено все многообразие элементарных частиц.

Однако последующие исследования показали, что природа кварков оказалась несколько сложнее, чем вначале предполагалось. Выяснилось, что каждый кварк может выступать в одной из трех разновидностей, в зависимости от «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия именуют «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, - синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Соответственно каждый антикварк может иметь антикрасный, или антисиний, или антизеленый «заряд» сильного взаимодействия. Это - «заряды» основных цветов, но могут быть и неосновные цветовые «заряды».

При объединении кварков их цвета («заряды» сильного ядерного взаимодействия) соединяются так же, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Поэтому тяжелые частицы (нас интересуют протоны и нейтроны) образуются соединением трех кварков основных цветов, чтобы в сумме получался белый цвет. Такому простому правилу подчиняются соединения кварков в адронах. Белый цвет получается и от сложения двух цветов - одного из основных и дополнительного к нему, например, зеленого и пурпурного. Поэтому более легкие адроны, например мезоны, образуются соединением двух кварков. Из цветовых особенностей зарядов кварков вытекает особенность названия теории кварков, ее именуют хромодинамикой.

Таким образом, 6 кварков, каждый из которых может находиться в одном из трех состояний, в итоге дают 18 типов кварков. Существует столько же типов антикварков. Лептоны - тоже бесструктурные образования (как и кварки) и также обладают свойством симметрии: с каждым лептоном сопоставляется антилептон, кроме того, кварки одного поколения сопоставляются с лептонами того же поколения. Тогда общее количество фундаментальных прачастиц определяется суммой всех кварков и антикварков и суммой всех лептонов и антилептонов. Здесь уместно отметить, что стремление к ограничению числа прачастиц специфично для современной науки, у античных атомистов разнообразие атомов по форме не ограничивается, оно велико.

Указанное нарастание бесструктурных прачастиц в количественном отношении пугает отдельных ученых: искали простоты в основе сложного и казалось, что нашли ее, но она снова ускользнула от них. Поэтому некоторые физики выдвинули предположение, что даже кварки состоят из более мелких частиц - прекварков. Возможно, что и лептоны построены из прекварков. Может быть, эта последовательность все более мелких строительных блоков материи неисчерпаема, поэтому истинно элементарных частиц не существует?

Так рисует положение дел английский астрофизик Пол Девис в книге «Случайная Вселенная». Но если, как считает автор, отвлечься от априорных предположений и держаться данных современной науки, то мы должны признать, что кварки и лептоны являются бесструктурными фундаментальными строительными блоками всего вещества.

Далее П. Девис приводит интересное наблюдение. Оказывается шесть указанных выше исходных кварков не равноценны, они отчетливо подразделяются на три пары, которые Девис квалифицирует как три поколения кварков. К первому поколению относятся кварки и и d, ко второму - с и s, к третьему - t и b. Оказывается также, что квантовые параметры всех трех пар (всех поколений) аналогичны. То есть природа почему-то дважды дублирует эти строительные блоки (второе и третье поколения дублируют первое). Дублирование имеет место и между соответствующими парами (поколениями) лептонов. Поэтому для объяснения всего вещества Вселенной достаточно только первой пары кварков (u и d) и первой пары лептонов (электрона е и электронного нейтрино Ve). Удивительно то, что на самом деле это так и происходит.

Дело в том, что кварки второго и третьего поколений последовательно тяжелее предыдущих, то есть кварки первого поколения самые легкие, энергетически выгодные для природы. Время существования микрочастиц, образованных из кварков второго и третьего поколений, очень мало, и они быстро превращаются в частицы, образованные из кварков первого поколения. Только микрочастицы, образованные из кварков первого поколения (u и d) и лептонов первого поколения (е и Ve), оказываются стабильными. Еще нужно учесть античастицы этих двух кварков и двух лептонов. Таким образом, из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить все вещество Вселенной.

Это значит, что квантовая и волновая механика необычайно развила идеи античного атомизма и естественнонаучного атомизма Нового и Новейшего времени и включает в себя их положительное содержание. Поэтому в современной форме атомизма сфокусирована в сжатом виде богатая научная информация. Образно и даже эмоционально эту мысль выразил известный американский физик-теоретик Р. Фейнман (1918-1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов, маленьких частиц, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

До сих пор мы акцентировали внимание на преемственности в развитии идей атомизма от древности до наших дней. Отметим имеющиеся различия.

• Между античной и естественнонаучной (XVII-XIX века) формами атомизма различия в основном терминологические. Но зато между современной и двумя предыдущими формами разница необычайно существенна. Если прежде материя представлялась косной, поскольку она сводилась к неизменной массе, то в квантовой и волновой механике от этого не осталось и следа. По современным представлениям материальные объекты подвижны, изменчивы и превращаются из одних форм в другие. Так, электрон и позитрон, обладающие вещественной массой, при взаимодействии аннигилируют, превращаясь в излучение, в фотоны, которые как бы не имеют вещественной массы. Однако взаимодействие фотонов снова рождает пару электрон-позитрон, которые опять-таки обладают определенной массой. Еще пример: каждая элементарная частица, как это показал академик М. А. Марков, окружена квантами соответствующего поля и существенно зависит от их влияния. В этом смысле можно сказать, что «все» (каждая частица) зависит от «всего» (от всех других частиц).

• Современная физика показывает, что природа глубоко диалектична. В настоящее время свести материю к прерывному или непрерывному, к вещественной или невещественной массе, к изменчивости или устойчивости - значит, вступить в противоречие не только с современной физикой, но и с диалектикой, потому что материя и прерывна и непрерывна, и вещественна и невещественна, и количественна и качественна.

• Современная наука подняла идеи атомизма на небывалую высоту. Оказывается, что, исходя всего лишь из восьми фундаментальных прачастиц, можно объяснить обычное вещество всей Вселенной! О такой сильной форме атомизма прежние мыслители и естествоиспытатели не могли и мечтать. Вместе с тем трактовка материи в современной форме атомизма придает современной естественнонаучной картине мира относительную завершенность.

Список литературы:

1.Общая химия. Под ред. Е.М. Соколовской, Г.Д. Вовченко, Л.С. Гузея. М., Изд-во Моск. ун-та,1980.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Физика: Для школьников ст. кл. и поступающих в вузы: Учеб.пособие. - М. : Дрофа, 1998.

3. Тренин А.Е., Никеров В.А. Готовимся к экзамену по физике. – М.: Рольф,1999.

4. Болсун А.И., Галякевич Б.К. Физика в экзаменационных вопросах и ответах. – М. : Рольф, 2000.

5. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. Лекции по курсу. – СПб.: Издательство «Лань», 2000.

6. Мотылёва Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/Под ред. д-ра филос. наук, проф. В.А. Скоробогатова. – СПб.: Издательство Союз, 2000.

Blog

Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безум­на, чтобы оказаться верной

Содержание

Ваша идея, конечна, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной