ЗИМНЯЯ СЕССИЯ / ксе / Концепции современного естествознания

сказание: чем больше будут раздвигаться границы эмпирии, тем больше ОТО будет ей противоречить; проверку в сильных полях и в мировых пространствах она едва ли выдержит. В итоге ей на смену будут приходить все новые и новые теории…

Приложение. Альберт Эйнштейн родился в германском городе Ульм. Когда ему исполнилось 14 лет, его семья переехала в Швейцарию. Там он учился в политехническом институте Цюриха и, окончив его в 1900 году, начал преподавать в школах городов Шафхаузен и Винтертур. В 1902– 1909 годах работал в Берне в государственном учреждении, выдававшем свидетельства на изобретения. Этот период оказался весьма плодотворным для него: Эйнштейн создал специальную теорию относительности, квантовую гипотезу све˝та, дал математическое описание беспорядочного движения ма˝- лых частиц вещества («броуновское движение»). Признание пришло в 1909 году. Эйнштейна избирают профессором университета в Цюрихе (1909), профессором Немецкого университета в Праге (1912), членом Прусской и Баварской академии наук (1913), директором Физического института и профессором университета в Берлине (до 1933 года). В 1921 году за физические исследования он получает Нобелевскую премию (в первую очередь за открытие испускания электронов телами под действием электромагнитного излучения, но отнюдь не за теорию относительности, которая тогда еще не имела большого признания). Осуждение войн и еврейское происхождение Эйнштейна привели к тому, что при Адольфе Гитлере его положение в Германии пошатнулось. Эйнштейн покинул родину в 1933 году и вскоре отказался от членства в Германской Академии наук. Оставшуюся часть жизни он провел в Принстоне (США), где работал в институте фундаментальных исследований.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Древние эллины, которые и ввели понятие стихия (по латыни «элемент», по-русски «начало»), знали не более пяти таких видов: земля, вода, воздух, огонь и эфир. Это представление продержалось очень долго – до XVI века включительно. Но для естествознания оно, пожалуй, было слишком общим. В средневековой алхимии вторичными стихиями считались меркурий (ртуть), сера и соль. Было известно несколько˝

31

металлов, причем совсем мало по нынешним меркам, – золото, серебро, железо, медь, олово и свинец. К началу XIX века число выделенных металлов возросло уже до тридцати, к середине – до сорока. Из неметаллических веществ были вы-˝ делены углерод, фосфор, кислород, водород, азот. Все это требовало какой-то классификации.

Âначале XIX века Джон Дальтон (Британия, 1766–1844) ввел понятие «атомный вес», а в качестве единицы его взял вес атома водорода. Примерно в то же время Амедео Авогадро (Италия, 1776–1856) и Андре Ампер (Франция, 1775–1836) предложили понятие «молекула», и между химиками были потом долгие споры о том, что считать предметом изучения химии – молекулу или атом. В конце XIX века путем голосования вопрос был решен в пользу молекулы.

Â1811 году Й¸нс Яков Берцелиус (Швеция, 1779–1848) предложил деление вещества на металлы и неметаллы (металлоиды), которое в целом сохраняется и сейчас. Металлы суть те, которые в твердом и жидком состоянии непрозрачны, имеют особый блеск, обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, соединяются с кислородом, образуя окислы, и с водой, образуя гидраты. Металлоиды таких свойств лишены. Зато они легко взаимодействуют с водородом, вследствие чего обычно возникают разряженные, летучи˝е соединения. У Берцелиуса система, в которой использовалис˝ь атомные веса, охватывала 46 элементов.

Âсередине XIX века Эдвард Франкленд (Британия, 1825– 1899) ввел представление о способности атома вещества вступать в соединение с атомами других веществ. Это стало называться валентностью.

Дмитрий Менделеев (Россия, 1834–1907) в 1869 году выявил зависимость, которая получила название периодическ˝ого закона элементов: свойства веществ (или элементов, как их теперь часто называли) изменяются не непрерывно с ростом˝ атомного веса, а периодически. Составляя наглядное изобра˝- жение данного закона, Менделеев расположил элементы в строки в порядке увеличения атомного веса, причем элемент˝ы

ñблизкими свойствами оказывались в одном столбце. У него˝ получилось тогда 12 периодов, разбитых на 8 столбцов. Общее количество открытых простых веществ в те времена составляло 63 (на 1871 год). На основе периодического закона можно было предсказывать качества новых веществ, т. е. тех˝, которые еще только должны быть открыты. В целом предсказания подтверждались, хотя в ряде случаев система давала

32

определенные сбои: насколько можно судить, элементы, условно именуемые лантаноидами и актиноидами, не самым лучшим образом вписываются в закон. С тех пор число химических элементов возросло примерно до 115. Последние открытые элементы оказались чрезвычайно неустойчивыми.˝

После исследований Эрнеста Резерфорда и Нильса Бора физики все-таки стали считать, что определяющим для свойств чистого вещества является не атомный вес, а заряд ядра атома и распределение электронов по внешним оболоч- кам атома.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Âсвое время Исаак Ньютон не без сомнений считал, что тела – как большие, так и очень маленькие – могут взаимодействовать друг с другом (например, притягиваться) через совершенную пустоту. Причем сила передается мгновенно. Это потом получило название учения о дальнодействии.

Â1820 году Ганс Христиан Эрстед (Дания, 1777–1830) впервые случайно заметил, что магнитная стрелка изменяет˝ свое положение вблизи провода, по которому течет электри-˝ ческий ток.

Майкл Фарадей (Британия, 1791–1867) обнаружил, что ток возникает в замкнутом проводе, когда либо он движется рядом с магнитом, либо магнит движется рядом с ним. Подобно большинству физиков своего времени, Фарадей полагал, что все пронизано эфиром, и склонился к мысли, что эфир и выступает переносчиком действия, которое передается, может быть, и очень быстро, но никак не с бесконечно большой скоростью. С высокой точностью опытным путем Фарадей впервые показал сохранение электрического заряда: при эл˝ектризации предметы приобретают противоположные заряды, сумма которых, однако, всегда равна нулю.

Âсущественных чертах теорию электромагнитных явлений сформулировал Джеймс Максвелл (Британия, 1831–1879). Ее основные положения следующие:

•электрическое действие создают заряды, в которых имеют˝ на- чало и конец так называемые силовые линии;

•силовые линии магнитного действия всегда замкнуты, а ли˝нии электрических зарядов разомкнуты;

•электрический ток и изменяющееся электрическое дейст˝вие создают магнитное действие; обратное тоже справедливо: из˝ме-

33

нение магнитного действия обязательно порождает электр˝ическое действие;

•оба действия передаются через эфир со скоростью света; ˝сам свет – явление одновременно электрической и магнитной пр˝и- роды; и он может оказывать чисто телесное давление на пред˝- меты.

Это давление потом обнаружил и измерил в 1899 году П¸тр Лебедев (Россия, 1866–1912).

Фарадей и Максвелл в своих трудах впервые применили термины «магнитное поле» и «электрическое поле». Однако под этим они подразумевали всего лишь «область пространства, в которой обнаруживается магнитное или электрическ˝ое действие». Впоследствии же произошла понятийная замена: там, где Фарадей и Максвелл говорили «действие», стали говорить «поле». Это создало ложную видимость открытия некой новой физической сущности, чего в действительности˝, конечно, не было: многие начали думать, будто материя существует в двух видах – вещество и поле.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ

Квантовая теория объясняет и описывает движение и взаимодействие сверхмалых частиц вещества. Таким образом, в каком-то смысле она подводит основу под химию и электромагнетизм.

В 1900 году Макс Планк (Германия, 1858–1947) выдвинул совершенно необычное для своего времени предположение, которое и ознаменовало рождение квантовой теории. Соглас˝- но Планку, излучение (энергия) не непрерывно; оно делится на некие мельчайшие неделимые части и только такими ча- стями передается. Эти части Планк назвал квантами; отсюда˝ и название соответствующего направления физики. Энергия˝ кванта пропорциональна частоте колебания:

e = hn

где e – энергия n – частота

h – некоторая постоянная величина (коэффициент пропорциональности); носит имя Планка.

Альберт Эйнштейн в 1905 году истолковал квант электромагнитного поля как некую особую частицу и назвал ее

34

«фотон» («свет»). По ряду соображений фотону пришлось приписать нулевую массу покоя. Согласились с толкованием˝ Эйнштейна не сразу; ему возражал в частности сам Макс Планк, который тогда начал было отказываться от своей предыдущей слишком смелой точки зрения. Теперь он склонялся к мнению, что излучение все-таки непрерывно, а квантование имеет место лишь при испускании и поглощении излучения.

Однако вскоре пришло подтверждение эмпирического свойства: Артур Комптон (США, 1892–1962) провел опыты по облучению электронов и обнаружил изменение длины волны рассеянного света. Объяснить это с помощью волновой˝ гипотезы не удавалось. Тогда Комптон сделал вывод, что свет – это частицы, которые, сталкиваясь с электронами, пе˝- редают им часть своей энергии. Он предложил соответствующие уравнения, и расчеты по ним хорошо сошлись с данными опытов. Вопрос был решен.

На основе гипотезы Планка, опытов Комптона и других исследователей сложился так называемый «корпускулярно-˝ волновой дуализм»: вещество – это и частицы и волны одновременно. В 1924 году Луи де Бройль (Франция, 1892–1987) предположил, что волновые свойства есть даже у обычных больших тел, и длина волны тела определяется как частное постоянной Планка и количества движения. В 1927 году Клинтон Дэвисон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896– 1971) наблюдали дифракцию пучка электронов на атомах никеля. Потом были еще опыты по дифракции самих атомов и молекул, тоже, как считается, успешные. Гипотеза о волновой˝ природе вещей стала восприниматься как доказанная. Однак˝о следует отметить: из уравнения де Бройля вытекает, что диф˝- ракцию больших тел обнаружить не удастся. Получается, что˝ полного подтверждения здесь быть не может.

В 1927 году Вернер Гейзенберг (Германия, 1901–1976) ввел так называемое «соотношение неопределенностей»: невозм˝ожно одновременно и точно определить положение электрона и˝ его количество движения (произведение массы и скорости) ˝– либо одна величина, либо другая обязательно окажется как бы размытой. Причем произведение погрешностей не может быть меньше «постоянной Планка». И это верно не только для электрона, но и для любой другой малой частицы.

Достаточно правдоподобное объяснение этого звучит так: неопределенность есть естественное следствие того, что с˝верхмалые частицы вещества мы исследуем с помощью чрезвы-

35

чайно огромных по сравнению с ними приборов, которые, очевидно, и создают известные искажения.

Главным уравнением квантовой механики ныне считается уравнение, которое в 1926 году предложил Эрвин Шр¸дингер (Австрия, 1887–1961) и которое вероятностным образом описывает состояние сверхмалых частиц. Оно не выведено из какого-либо другого уравнения, а значит, существует на пра˝- вах аксиомы.

В целом квантовая теория очень сильно противоречит повседневным представлениям о мире, поскольку допускает прямо-таки невероятные для естественного здравого смысл˝а вещи: например, что одно и то же тело может находиться в нескольких местах одновременно или что телу, для того, что˝- бы попасть из одной точки в другую, не нужно последовательно проходить все точки пространства между исходным и˝ конечным пунктом – тело просто исчезает в одном месте и появляется в другом.

Известный физик Ричард Фейнман по этому поводу сказал как-то, что квантовую теорию никто не понимает – в том числе сами физики. Изречение звучит как шутка, однако в нем есть доля правды. Некоторые историки науки даже счи- тают, что после введения квантовой теории уровень критич-˝ ности в естествознании очень сильно упал: теперь там допу˝с- каются почти любые чудеса и невообразимые сущности. В случае же недостатка наглядных изображений каких бы то ни˝ было теорий физики нередко почти слово в слово воспроизводят следующую мысль: «Величайшим достижением челове- ческого духа является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах представить» (высказывание Льва˝ Ландау). К сожалению, если начать руководствоваться этим правилом, то можно зайти очень далеко. Ведь понимание новых истин, особенно необычных, происходит через привыкание к ним. Человек же способен привыкнуть ко многому. Тем более в данном случае речь идет о вещах весьма умозрительных и безразличных в нравственном отношении. «Не пытайтесь это вообразить! – говорят физики. – Отключите воображение! Действуйте только мыслью». Но как это сделать? Очевидно, с подобными физическими выкладками можно лишь свыкнуться. Однако разве привычка к нелепости и бессмыслице может служить их оправданием?..

Пьер Абеляр, живший за восемь веков до квантовой теории, рассказывает, что люди, которые приходили к нему учиться, выражали, в частности, такое пожелание (звучавшее˝

36

одновременно как жалоба на других учителей): мы хотим изучать то, что можно не только сказать (ибо слова можно сочетать как угодно), но и понять. Некоторые же предложения в современной физике таковы, что буквальное понимание˝ их кажется недопустимым, потому что это требует нарушения˝ естественных правил мышления. И если их нарушить, то все становится возможным, после чего всякое дальнейшее познание утрачивает смысл.

ТЕОРИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Демокрит еще в V веке до н. э. предположил, что есть некий предел делимости вещей. Иными словами, существуют неделимые частицы (по-гречески t¦ –toma mXrh или просто t¦

–toma). Отсюда в европейских языках появилось понятие «атом», которое в более или менее неизменном виде продержалось до начала ХХ века, а потом подверглось искажению.

В 1897 году Джозеф Джон Томсон (Британия, 1856–1940) обнаружил, что под действием обыкновенного света кусок железа теряет какие-то предположительно заряженные част˝и- цы. Железные листочки, соединенные с облучаемым куском железа, начинали расходиться в стороны, т. е. они отталкива˝- лись. Это было истолковано как признак того, что они приобрели одноименный заряд. Испускаемые при облучении ча- стицы назвали «электронами», а их заряд условно стали счи˝- тать отрицательным. В 1903 году Томсон предложил первую гипотезу внутреннего строения «атома», а именно: атом пре˝д- ставляет собой положительно заряженный шар, по всему составу которого более или менее равномерно распределены отрицательно заряженные электроны. Известная условност˝ь этой точки зрения заключается в том, что «атом», как уже говорилось, в переводе с греческого означает «неделимая ча- стица», поэтому у него не может быть никаких внутренних составляющих. Атом (неделимый) не может быть делим согласно самому понятию. Следовательно, если мы способны разделить какую-то частицу, то атомом она может называтьс˝я чисто условно.

Эрнест Резерфорд (Британия, 1871–1937) обстреливал чрезвычайно тонкие полоски вещества частицами, имеющими номинально положительный заряд. Движение таких частиц до˝ некоторой степени можно наблюдать, поскольку они, проходя˝, например, через насыщенный водяной пар, оставляют след из˝

37

маленьких капелек воды. Резерфорд использовал и другие приспособления. Он заметил, что большинство частиц лишь слегка отклоняется от первоначальной линии движения, но некоторые изменяют направление на величину даже больше прямого угла. Эти данные указывали на то, что положительный заряд в атоме не распределен по всему его телу, а сосре-˝ доточен в весьма незначительном объеме. С таким заявлением Резерфорд и выступил в 1911 году. Он утверждал, что, что атом состоит из тяжелого, но маленького положительно заря˝- женного ядра, вокруг которого летают легкие отрицательны˝е заряды (электроны).

Модель Резерфорда породила затруднение. Электроны должны обязательно кружить около ядра, чтобы атом сохранял устойчивость. Но коль скоро электроны заряжены, они должны излучать, следовательно, растрачивать силу и очень˝ быстро (за считанные доли секунды) падать на ядро. Кроме того, опыты показывали, что атомы излучают только на строго определенных частотах, в то время как ожидалось, что их спектр будет непрерывным. В 1913 году Нильс Бор (Дания, 1885–1962) дал решение. Звучало оно так:

•в каждом атоме есть несколько устойчивых состояний, пре˝бывая в которых электроны не излучают;

•при переходе из одного устойчивого состояния в другое а˝том излучает или поглощает величину, равную произведению так˝ называемой постоянной Планка на частоту излучения или поглощения (позднее установили, что энергия атома растет˝, если электрон отдаляется от ядра, и уменьшается, если тот приближается).

Это называют дополненной планетарной моделью, которая, как принято считать, не совместима с классической физикой˝. Можно заметить также, что Бор просто узаконил в своей гипотезе то, что показывали наблюдения и измерения, – он почти ничего не объяснил.

Бор рассчитал частоты спектральных линий водорода, и опыты потом хорошо подтвердили его расчеты, но для атомов˝ других элементов совпадения были слабые.

Вольфганг Паули (Швейцария, 1900–1958) сделал добавление к теории Бора: в атоме или в молекуле нет двух электронов в одинаковом состоянии.

Гипотеза Резерфорда тоже подверглась видоизменению: электрон, как сейчас полагают, не вращается, а колеблется около ядра атома, появляясь то с одной, то с другой его стороны, и не приближается к нему, поскольку, как уже со-

38

общалось, от этого возрастает энергия всей атомной системы, а всякая система стремится к состоянию с наименьшей энер-˝ гией – оно более устойчиво.

К концу ХХ – началу XXI века общее количество выявленных элементарных (т. е. «начальных», «исходных») частиц – в дополнение к тем, что составляют атом, – достигло примерно 350 видов. Но некоторые физики по-прежнему говорят, что наука об элементарных частицах находится еще в˝ начале развития.

Различают частицы, составляющие вещество, и частицы, передающие взаимодействия между частицами вещества. Пер˝- вые называются фермионы, вторые – бозоны.

У всех фермионов так называемые полуцелые числа вращения, или спин (в единицах постоянной Планка). Есть фермионы Дирака, у которых частица и античастица не совпадают (как, например, электрон и позитрон), и, возможно, есть фермионы Майораны, у которых частица выступает античастицей для себя самой (например, гипотетическое прав˝о- стороннее нейтрино).

Фермионы в свою очередь это либо лептоны, либо кварки. Тех и других по шесть. Лептоны («легкие») – это электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино (электронное, мюонное и тау). Нейтрино особенно любопытны тем, что во время движения они превращаются из одного вида в другой. Как уже говорилось, предполагается существование правостор˝оннего нейтрино, очень массивного, в отличие от своих более или менее известных левосторонних собратьев, и не подвер-˝ женного из-за своей правой поляризации действию поля Хиггса, определяющего массу векторных бозонов, лептонов и˝ кварков. Введение правостороннего нейтрино, по мнению ряд˝а физиков, объясняет крошечную массу левосторонних, которы˝е легче электрона более чем в миллион раз. Это называется «механизм качелей». Последний, однако, требует, чтобы все нейтрино были фермионами Майораны.

Гипотеза, известная под именем «Суперсимметрия» и выступающая неким противовесом «Стандартной модели», о которой речь пойдет ниже, постулирует также, что у каждой частицы Стандартной модели есть массивная античастица. В˝ случае с нейтрино это будет так называемое нейтралино, которое очень хорошо подошло бы в качестве носителя темной материи.

По сравнению с лептонами кваркам дали более запоминающиеся имена: «верхний», «нижний», «странный», «очарован-

39

ный», «красивый» и «правдивый». Они имеют дробный заряд (в единицах заряда электрона) и в свободном виде, как принято считать, не встречаются. Этому существует следующее объяснение: взаимодействие между кварками с увеличением˝ расстояния сначала не уменьшается, а, наоборот, возрастае˝т; чем сильнее кварки пытаются удалиться друг от друга, тем сильнее природа стягивает их вместе. Затем силы взаимного˝ притяжения снова ослабевают (иначе все кварки должны были бы сбиться в одну плотную, нерасчленимую кучу).

Гипотезу о кварках выдвинули сравнительно недавно – в середине 60-х годов ХХ века. В начале XXI века она стала считаться подтвержденной.

Из кварков построены так называемые адроны, которые делятся на барионы («тяжелые») и мезоны («средние»). Первые состоят из трех кварков, вторые – из кварка и антиквар˝- ка. Добавим к этому, что у фермионов каждой частице соответствует античастица. Барионы – это, например, протон и нейтрон (т. е. главные составные части атомных ядер), а также гипероны и многие резонансы; мезоны – это, например, p-мезон. Все мезоны неустойчивы, а участвуют в сильном, слабом и при наличии заряда в электромагнитном взаимодей˝- ствии.

В рамках широко применяемой гипотезы, известной под названием «Стандартная модель», кварки и лептоны рассмат˝- риваются как частицы, не имеющие ни протяженности, ни внутреннего строения. С физической точки зрения такого, конечно, быть не может, поскольку, например, если размеры кварков равны нулю, то и величина состоящих из них протонов и нейтронов (а значит, и ядер атомов) тоже нулевая. Не может также быть и того, чтобы даже при наличии размеров у них не было внутреннего строения. Ведь кварк и лептон это не одна частица, а целые семейства (по двенадцат˝ь частиц в каждом). Коль скоро какие-то частицы мы обозна- чаем, например, как лептоны, мы должны понимать, что они хотя и различны, но вместе с тем имеют что-то общее, в противном случае не имело бы смысла говорить, что все они лептоны. Или: если у них нет ничего общего, то «лептон» – это всего лишь наименование, которому в действительности˝ ничего и не соответствует. Таким образом, если «лептон» – это нечто реальное, то лептоны имеют частично сходное, а частично различное внутреннее строение; если они не имеют˝ внутреннего строения, то по необходимости это одна части-˝ ца – у нее уже не может быть подвидов.

40