Объясняя мир. Истоки современной науки

Вайнберг Стивен

Также он обращает внимание на силы, действующие в этих частицах:

«Ибо мы должны изучить по явлениям природы, какие тела притягиваются и каковы законы и свойства притяжения, прежде чем исследовать причину, благодаря которой притяжение происходит. Притяжения тяготения, магнетизма и электричества простираются на весьма заметные расстояния и таким образом наблюдались просто глазами, но могут существовать и другие притяжения, простирающиеся на столь малые расстояния, которые до сих пор ускользают от наблюдения…» {285}

285

Там же. С. 285.

По этому замечанию видно, что Ньютон вполне осознавал, что в природе помимо тяготения существуют другие силы. О статическом электричестве знали уже давно. Платон

упоминает в «Тимее», что если потереть кусок янтаря (по др. – гр. – электрон), то он приобретает способность притягивать легкие предметы. Магнетизм был известен благодаря особенностям магнитного железняка естественного происхождения, который китайцы использовали для геомантии [24] . Их детально изучил придворный врач королевы Елизаветы Уильям Гилберт. Ньютон в своей книге оставляет подсказки, говорящие о существовании сил, о которых еще не было известно из-за их ничтожной величины. Это было предвосхищение слабых и сильных атомных взаимодействий, открытых в XX в.

24

Гадание по земле и минералам. – Прим. пер.

В начале XIX в. изобретение Алессандро Вольтой электрической батареи позволило провести детальные количественные эксперименты с электричеством и магнетизмом, и вскоре стало известно, что между этими явлениями существует связь. Сначала в 1820 г. в Копенгагене Ханс Христиан Эрстед выяснил, что магнит и провод, по которому идет электрический ток, воздействуют друг на друга. Услышав об этом, Андре Мари Ампер в Париже открыл, что провода, через которые пропускают электрический ток, также воздействуют друг на друга. Ампер догадался, что два этих разных явления схожи между собой: силы, действующие внутри и снаружи кусочков намагниченного железа, зависят от электрических токов, циркулирующих в них.

Как это уже случилось с гравитацией, понятие действующих сил магнетизма и электричества было заменено идеей поля, в данном случае магнитного поля. Каждый магнит и каждый находящийся под током провод вносит вклад в полное магнитное поле в любой точке в своих окрестностях, и магнитное поле действует своей силой на любой магнит или источник электричества в этой точке. Майкл Фарадей связал магнитные силы, производимые электрическим током, с линиями магнитного поля, окружающего провод. Также он описал электрические силы, появляющиеся, если потереть кусочек янтаря, как связанные с электрическим полем, которое можно изобразить как линии, радиально распространяющиеся от заряженного электричеством янтаря. Что еще важнее, в 1830-х гг. Фарадей показал связь между электрическим и магнитным полями: переменное магнитное поле, например, производимое вращающейся катушкой из провода, по которой проходит ток, генерирует электрическое поле, которое может вызывать электрический ток в другом проводе. Именно это явление используется для получения электричества на современных электростанциях.

Окончательно объединил электричество и магнетизм несколько десятилетий спустя Джеймс Клерк Максвелл. Он считал электрическое и магнитное поля напряжением, распространенным в среде, эфире, и выразил все, что было известно об электричестве и магнетизме, в уравнениях, связывающих поля и интенсивность их взаимодействий. Новой идеей Максвелла была мысль о том, что как при изменении магнитного поля возникает электрическое поле, так и при изменении электрического поля возникает магнитное. Как часто случается в физике, термины понятийной основы уравнений Максвелла, такие как эфир, до наших дней не дошли, но уравнения остались. Их можно увидеть даже на футболках, которые носят студенты-физики {286} .

286

Сам Максвелл не писал уравнения, устанавливающие зависимость между электрическим и магнитным полями в форме, в которой мы сегодня знаем «уравнения Максвелла». В его уравнениях поля были обозначены как потенциальные функции, скоростью изменения которых во времени и пространстве были электрические и магнитные поля. Более знакомую нам современную форму уравнениям Максвелла придал Оливер Хевисайд примерно в 1881 г.

Теория Максвелла дала впечатляющие результаты. Поскольку колеблющееся электрическое поле производит колеблющееся магнитное поле, а колеблющееся магнитное поле – колеблющееся электрическое, в эфире, или, как бы мы сказали сегодня, в пустоте возможно существование самоподдерживающихся колебаний и электрического, и магнитного полей. Примерно в 1862 г. Максвелл выяснил, что это электромагнитное колебание распространяется, согласно его уравнениям, со скоростью, имеющей примерно то же самое численное значение, что и измеренная скорость света. Для Максвелла было

вполне естественно прийти к заключению о том, что свет – это не что иное, как взаимное самоподдерживающееся колебание магнитного и электрического полей. Видимый свет имеет частоту очень далекую от той, которую имеет ток в обычной электрической розетке, но в 1880-х гг. Генрих Герц сумел создать волны, соответствующие уравнениям Максвелла, – радиоволны, которые отличаются от видимого света гораздо более низкой частотой. Таким образом, электричество и магнетизм объединились не только друг с другом, но и с оптикой.

Как и в электричестве и магнетизме, прогресс в изучении природы вещества начался с количественных измерений, в данном случае – с измерения веса веществ, участвующих в химических реакциях. Ключевой фигурой в этой химической революции был богатый француз Антуан Лавуазье. В конце XVIII в. он выделил кислород и водород как отдельные элементы, доказал, что вода является их соединением, что воздух состоит из смеси элементов и что огонь возникает при соединении других элементов с кислородом. Также на основе этих измерений немного позже Джон Дальтон обнаружил, что вес, при котором элементы вступают в химические реакции, можно определить, приняв гипотезу о том, что чистые химические компоненты, такие как вода и соль, состоят из огромного числа частиц (позже названных молекулами), которые, в свою очередь, состоят из определенного числа атомов чистых элементов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В следующие два десятилетия химики выделили множество элементов, некоторые из которых были хорошо знакомы, – углерод, сера, недрагоценные металлы; о других (хлор, кальций, натрий) узнали только тогда. Земля, огонь, воздух и вода не вошли в этот список. В первой половине XIX в. были разработаны правильные формулы для молекул таких веществ, как соль и вода, что позволило вычислить соотношение масс атомов различных элементов из измерений веса веществ, участвующих в химической реакции.

Атомистическая теория вещества приобрела большой успех, когда Максвелл и Людвиг Больцман доказали, что тепло можно понимать как энергию, распределенную среди огромного количества атомов и молекул. Этот шаг к обобщению встретил сопротивление среди физиков, в том числе и Пьера Дюэма, который сомневался в существовании атомов и считал, что термодинамика является не менее фундаментальным разделом науки, чем механика Ньютона и электродинамика Максвелла. Но вскоре после начала XX в. несколько экспериментов убедили практически всех в том, что атомы действительно существуют. Одна серия экспериментов, проведенных Дж. Томсоном, Робертом Милликеном и другими, показала, что электрический заряд приобретается и теряется как величина, кратная элементарному заряду, то есть заряду электрона, частицы, которая была открыта Томсоном в 1897 г. В 1905 г. Альберт Эйнштейн интерпретировал хаотичное броуновское движение мелких частиц в жидкости как столкновения этих частиц с отдельными молекулами жидкости. Эту интерпретацию подтвердили эксперименты Жана Перрена. В ответ на эксперименты Томсона и Перрена химик Вильгельм Оствальд, который ранее был скептически настроен относительно атомов, в 1908 г. выразил свое изменившееся мнение в заявлении, своими корнями уходящем еще в учения Демокрита и Левкиппа: «Теперь я убежден, что недавно мы стали свидетелями экспериментального доказательства того, что природа вещества имеет дискретный или зернистый характер, чего атомистическая гипотеза пыталась добиться впустую сотни и даже тысячи лет» {287} .

287

Цит. по Оствальду из: Outlines of General Chemistry, и цит. по: G. Holton // Historical Studies in the Physical Sciences 9, 161 (1979), и I. B. Cohen в: Critical Problems в the History of Science, ed. M. Clagett (University of Wisconsin Press, Madison, 1959).

Но что такое атомы? Великим шагом к ответу на этот вопрос стали эксперименты Эрнеста Резерфорда в лаборатории Манчестерского университета, которые в 1911 г. доказали, что вся масса атома золота сконцентрирована в маленьком тяжелом положительно заряженном ядре атома, вокруг которого обращаются более легкие отрицательно заряженные электроны. Электроны ответственны за процессы, происходящие в рамках обычной химии, в то время как изменения в ядре вызывают выделение большого количества энергии, связанной с явлением радиоактивности.

Это вызвало новый вопрос: что удерживает обращающиеся по орбитам внутри атома электроны от потери энергии через излучение и мешает им упасть по спиралям на свои ядра? По идее, не только не должно было существовать стабильных атомов; частоты излучения этих маленьких атомных катастроф сформировали бы непрерывный спектр, что противоречит наблюдениям, в соответствии с которыми атомы могут выделять и поглощать излучение только на определенных дискретных частотах, которые можно увидеть как яркие или темные линии в спектрах газов. Что определяет эти особые частоты?