Текст книги "Падение Константинополя в 1453 году"

Глава 2. Тайны катодных лучей

Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил.

А. Томсон.

Прохождение электричества через газы

В 1897 году в кембриджской лаборатории Кавендиша была решена загадка катодных лучей. Молодой директор лаборатории Джозеф Джон Томсон наглядно показал корпускулярную природу катодного излучения. Неожиданное развитие получили в Кембридже и исследования с Х-лучами, в которых Томсон успешно использовал ионизирующее действие рентгеновского излучения для анализа закономерностей прохождения электричества через газы. В результате этой коллективной работы, где кроме самого Томсона участвовали некоторые из его наиболее талантливых сотрудников, в 1903 году появилась классическая монография «Прохождение электричества через газы». Именно данное направление исследований в конечном итоге привело к открытию первой субатомной элементарной частицы – электрона.

В 1874 году ирландский физик и астроном Джордж Стони (1826–1911) выступил в Белфасте с докладом, в котором на основе законов электролиза Фарадея предложил «атомарную» теорию электричества. Стоней пробовал отстаивать приоритет концепции «атомов электричества», но в истории науки сохранилось утверждение, что именно Гельмгольц высказал на примере электролиза гипотезу о связи атомной валентности с минимальным электрическим зарядом. Тем не менее в ходе полемики со сторонниками Гельмгольца Стоней все же стал «крестным отцом» «атомов электричества», в 1891 году назвав носитель элементарного заряда «электроном».

Вернемся теперь к катодным лучам и вспомним, что еще в конце семидесятых годов позапрошлого века в Кавендишской лаборатории были проведены обширные серии экспериментов, показавшие, что проводимость газов скорее всего обусловлена движением потоков ионов, а сами катодные лучи возникают в результате бомбардировки катода ионами газа, ускоренными в мощном электрическом поле. Там же в 1884 году было предложено измерять удельный заряд, равный отношению заряда к массе катодно-лучевых частиц по их отклонению в магнитном поле, как потока молекул или атомов.

Тогда же исследования катодных лучей проводились в Германии, однако там опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были признаны достаточно убедительными. В этой обстановке зреющего открытия к экспериментам с катодными лучами в 1894 году приступила «кембриджская команда Томсона», а уже через год во Франции Жан Батист Перрен (1870-1942) предложил удачный метод для определения знака заряда катодного излучения, убедительно продемонстрировав, что лучи действительно переносят отрицательный заряд. Классические эксперименты Томсона и Перрена стали тем последним и решающим аргументом в пользу признания корпускулярной природы катодного излучения как потока, состоящего из мельчайших отрицательно заряженныхчастиц.

Томсон со своими ассистентами и учениками, шотландским физиком Чарльзом Томсоном Рисом Вильсоном (1869–1959) и Джоном Сили Эдвардом Таунсендом (1868–1957) разработали уникальную методику получения громадного количества ионов в разряженном воздухе и других газах с помощью воздействия на вакуумированные колбы рентгеновских лучей и радиевого излучения. Детально изучив диффузию и подвижность ионов, они убедительно доказали, что в пределах погрешностей экспериментов произведение концентрации газовых ионов на заряд электрона близко совпадает с аналогичной величиной для одновалентных ионов, растворенных в электролите. При этом средний заряд ионов практически не зависел от вида газовой среды самого источника ионизации. Таким образом, элементарный электрический заряд в электролите, переносимый ионами, оказался в точности равным ионному элементарному заряду в газовой среде.

Используя электронно-лучевую трубку собственной конструкции с электродами в виде пластин конденсатора и магнитными катушками, Томсон подвергал катодный пучок попеременному действию электрического и магнитного полей. При этом ученый получил возможность надежно и достаточно точно определять отношение заряда к массе катодных лучей. Подобное отношение оказалось независимым от вида разреженной газовой среды в вакуумированной колбе и в тысячу раз большим, чем такое же отношение для водородных ионов в электролитах, полученное на основе законов электролиза. Этот результат имел ошеломляющие следствия, ведь если допустить, что заряд «катодной корпускулы» равен заряду водорода, то ее масса будет в тысячу раз меньше, чем у легчайшего атома водорода. В 1906 году Томсон сделал окончательный вывод о том, что катодные лучи состоят из заряженных частиц, а их элементарный заряд соответствует аналогичной величине одновалентных ионов и равен 1,03 × 10^–19 Кулона, при средней массе в 1 / 1700 атома водорода.

Джозеф Джон Томсон (1856–1940)

Томсон был гениальным ученым, отличался творческим воображением и оригинальностью, его работы имели новаторский характер – они явились исходной точкой для всех дальнейших исследований.

Р. Собесяк.

Шеренга великих физиков

Между тем Томсон упорно продолжал свои исследования, перейдя к анализу отношений для зарядов к их массам уже для частиц, генерируемых ультрафиолетовым излучением и просто испускаемых накаленным катодом. Во всех случаях порядок отношения заряд / масса оказался очень близким к катодному излучению. Эти мельчайшие частицы вещества Томсон назвал «катодными корпускулами», однако это несколько громоздкое название не удержалось.

Между тем общее признание факта существования электрона пришло лишь в 1911 году после ряда блестящих измерений элементарного заряда, выполненных американским физиком-экспериментатором Робертом Эндрюсом Милликеном (1868-1953), удостоенным Нобелевской премии 1923 года «За исследования в области элементарных зарядов и фото электрического эффекта». Сам по себе термин «электрон» вошел в широкое повсеместное употребление только после того, как в 1925 году немецкие физики Джеймс Франк (1882-1964) и Густав Людвиг Герц (1887-1975) стали нобелевскими лауреатами «За открытие законов столкновений электронов с атомами».

Электронно-лучевая трубка Томсона

Сегодня считается, что именно Томсон разработал экспериментальную технику управления «электронными лучами», дополнив это физическими методами изучения положительно заряженных частиц. Именно в кембриджской лаборатории Томсона начались первые измерения элементарного электрозаряда путем наблюдения движения потоков заряженных частиц в электромагнитных полях. Так появились методы, составившие основу электронной оптике, конструированию электронных ламп, «электронных пушек» и ускорителей элементарных частиц. Под руководством Томсона были созданы модели первых массспектрометров и разработаны методики анализа и разделения изотопов. Все эти экспериментальные разработки были суммированы и тщательно классифицированы в монографии ученого «Лучи положительного электричества», вышедшей в 1913 году, положившей начало масс-спектроскопии.

Таким образом, роль Томсона и его учеников в становлении и развитии атомной и ядерной физики, а также физики элементарных частиц очень велика. Но сам Джи-Джи, как называли своего учителя и коллегу сотрудники Кавендишской лаборатории, до самого конца своего жизненного пути оставался горячим сторонником «мирового светоносного эфира», разрабатывая всяческие модели движения в этой призрачной среде и пытаясь (увы – безуспешно) найти хоть какие-либо наблюдаемые явления, свидетельствующие о реальности эфирных представлений. Так, одно время Томсон упорно пытался ошибочно интерпретировать отклонение катодного пучка в магнитном поле своей трубки как некую «эфирную прецессию» гироскопической природы, наделяя совокупность электрического и магнитного полей «эфирным вращательным моментом».

Глава 3. Парадокс АЧТ

Этот закон Кирхгофа утверждает, что если в откачанном пустом пространстве, ограниченном полностью отражающими стенками, находятся совершенно произвольные излучающие и поглощающие тела, то с течением времени устанавливается такое состояние, при котором все тела имеют одну и ту же температуру, а излучение по всем своим свойствам, в том числе по спектральному распределению энергии, зависит только от температуры, но не от свойств тел. Это равновесное излучение и есть излучение абсолютно черного тела, закон распределения которого по длинам волн спектра представляет универсальную функцию длин волн и температуры. Это так называемое нормальное распределение энергии представляет собой нечто абсолютное.

М. Планк.

Научная автобиография

Макс Планк родился 23 апреля 1858 года в городе Киле в семье профессора гражданского права. В 1867 году семья будущего ученого переехала в Мюнхен. Там Макс Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, прекрасные преподаватели которой сумели пробудить в юноше глубокий интерес как к гуманитарным, так и к естественным и точным наукам. С 1874 по 1878 год Планк изучал физику и математику вначале в Мюнхенском, а затем Берлинском университете.

В 1879 году Планк успешно защитил докторскую диссертацию, посвященную проблемам обоснования второго начала термодинамики, и продолжал вести теоретические исследования в области термодинамики и ее приложений к физической химии и электрохимии.

В 1896 году Планк заинтересовался проблемой теплового излучения так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), т. е. тела, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего при этом не отражает. Однако АЧТ обязательно должно что-то излучать само, в противном случае его температура росла бы до бесконечности. Из общих соображений ясно, что АЧТ должно излучать тем больше энергии, чем выше его температура. Значит, при некоторых условиях будет достигаться термодинамическое равновесие, когда поглощается столько же, сколько излучает. Отсюда возникла интересная теоретическая задача: найти эту температуру, а главное – спектр излучаемого света. Вот тут-то классическая физика зашла в тупик: даваемый ею теоретический результат оказался практически абсурдным: энергия излучения при любой температуре получалась бесконечной, при этом ее излучалось тем больше, чем короче длина волны. Обыкновенная печка должна была бы «светить» сильнее любой рентгеновской трубки.

Макс Планк (1858-1947)

…Планк стал революционером против собственной воли. Ошеломленный неожиданными с точки зрения классической физики последствиями своего открытия, он долгое время сопротивлялся признанию вытекающих из него следствий.

Ф. Гернек.

Пионеры атомного века

История создания теории теплового излучения началась в 1859 году, когда один из основателей математической физики Густав Роберт Кирхгоф (1824-1887) открыл основные закономерности теплового излучения, обосновав их с помощью принципов термодинамики, и сформулировал понятие абсолютно черного тела. Вскоре пришло понимание, что испускательные способности АЧТ имеют универсальное значение. Грубо говоря, АЧТ все поглощает во всех мыслимых энергетических диапазонах и совершенно ничего не излучает, этим и оправдывая свое название.

Через два десятилетия словенский физик, математик и поэт Жозеф Стефан (1835-1893) на основе измерений, сделанных французскими учеными, обосновал вывод, что в модели АЧТ полная энергия всех длин волн может быть пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающей поверхности. При этом коэффициент подобной пропорциональности является универсальной константой.

Стефан сформулировал свой закон в 1879 году, а через пять лет его вывел теоретически Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906), ученик Стефана. Для этого он применил к излучению хорошо известные законы термодинамики, исходя при этом из понятия светового давления, равного, согласно исследованиям Максвелла, для однородного (изотропного) потока энергии одной трети ее объемной плотности. Так возник закон излучения АЧТ Стефана – Больцмана, а входящая в него универсальная константа названа постоянной Стефана – Больцмана.

Русский физик Владимир Александрович Михельсон (1860-1927) в 1887 году применил принципы термодинамики, электромагнитную теорию света и кинетическую теорию материи для теоретического объяснения распределения энергии в спектре АЧТ. В том же году в «Журнале Русского физико-химического общества» была опубликована его статья «Опыт теоретического объяснения распределения энергии в спектре твердого тела». В своей работе русский ученый широко использовал экспериментальные данные, полученные американским астрофизиком Самуэлем Ланглеем (1834-1906) в ходе исследования инфракрасных лучей с помощью изобретенного им болометра – прибора для измерения энергии электромагнитного излучения, основанного на зависимости электрического сопротивления от температуры. Опираясь на результаты Ланглея и давние работы английского астронома немецкого происхождения Фридриха Вильгельма Гершеля (1738–1822), построившего энергетический спектр солнечного излучения, Михельсон блестяще провел теоретический анализ распределения энергии в непрерывном спектре. При этом он неоднократно подчеркивал, что полученные им теоретические графики «обладают всеми без исключения общими свойствами, какие указывает Ланглей, описывая свои экспериментальные кривые», такими, как наличие максимумов, которые смещаются по мере повышения температуры в сторону коротких волн.

К сожалению, русскому физику не удалось дать точную формулировку закона смещения, это сделал в 1893 году Вильгельм Вин (1864–1928).

В том же году русский теплофизик Борис Борисович Голицын представил в ученый совет санкт-петербургского университета диссертацию «Исследования по математической физике», содержавшую новые взгляды на теорию теплового излучения. В своей работе ученый впервые доопределил понятие «температура излучения», которая долгое время представлялась весьма спорной, поскольку довольно парадоксальным образом отождествлялась с некоей «равновесной температурой эфирной среды».

Дальнейшее развитие теоретической физики полностью доказало правоту Голицына, а сам эфир был раз и навсегда исключен из научной картины мира как совершенно ложное понятие. Таким образом, Голицыну принадлежит неоспоримая историческая заслуга привнесения в науку важнейшего понятия температуры излучения. Впрочем, в его диссертации содержались и другие серьезные результаты, во многом предвосхитившие более поздние исследования Вина и Рэлея – Джинса. Среди прочего русский ученый, основываясь на выводах Михельсона, дал оригинальную трактовку так называемой «ультрафиолетовой катастрофе», непреложно следовавшей из классической теории излучения. Выяснилось, что чем выше частота и короче длина излучения, тем больше его доля внутри АЧТ. Однако чем выше частота волнового процесса, тем большая энергия им переносится, и, соответственно, мы сразу же приходим к «катастрофическому» выводу о том, что энергия излучения внутри АЧТ должна стремиться к бесконечности. А поскольку высокочастотная часть излучения лежит в ультрафиолетовой области спектра, данный физический парадокс и получил название «ультрафиолетовая катастрофа».

Спектр электромагнитного излучения в современном представлении

Совокупность всех длин электромагнитных волн образует непрерывный спектр излучения от сверхнизких до сверхвысоких частот. В центральной части спектра расположен участок видимого света от инфракрасного до ультрафиолетового излучения.

Чтобы понять этот физический парадокс с таким устрашающим названием (на деле, конечно же, никакой катастрофы не происходит), представим себе модель АЧТ в виде массивной емкости, покрытой сверху черным бархатом, с зеркальной внутренней поверхностью. Луч света может проникнуть в такой объем только через узкую горловину, при достаточно малом входном отверстии он навсегда остается внутри, бесконечное количество раз отражаясь от стенок. С микроскопической точки зрения поглощенный АЧТ свет должен взаимодействовать с атомами внутренней зеркальной поверхности, последовательно захватываясь ими и испускаясь до момента достижения состояния полного равновесного насыщения. В процессе нагрева АЧТ до равновесного состояния баланс интенсивности испускания и поглощения внутреннего излучения и переизлучения постепенно уравнивается, поскольку при поглощении определенного количества энергии определенной частоты одним атомом всегда статистически найдется другой атом, в тот же момент испускающий точно такое же количество энергии той же частоты.

Глава 4. Гипотеза Планка

Представьте себе горняка, который с напряжением всех своих сил ведет разведку благородной руды и которому однажды попадается жила самородного золота, причем при ближайшем рассмотрении она оказывается бесконечно богаче, чем можно было предполагать заранее. Если бы он сам не натолкнулся на этот клад, то, безусловно, вскоре посчастливилось бы его товарищу…

М. Планк.

Речь на торжественном юбилейном заседании Немецкого физического общества

Для решения парадокса «ультрафиолетовой катастрофы» Планк придумал красивый вычислительный прием: не прибегая к «тяжелой артиллерии» в виде интегрального исчисления, как делали все другие занимавшиеся этой проблемой физики, просто просуммировать отдельные порции энергии, полагая их конечными. Он надеялся получить ответ, который не будет зависеть от величины отдельной порции. А вместо этого получил точное значение каждой их них – ħν, где ν – частота излучения, а ħ – постоянная Планка, имеющая размерность действия, т. е. произведения энергии на время. Сам Планк называл эту постоянную «квантом действия». Согласно современным данным ħ = 6,626 × 10^–34 Дж × с. Днем рождения квантовой теории принято считать 14 декабря 1900 года, когда на заседании Прусской королевской академии наук Планк сделал доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра».

Буквально тут же, следующей ночью, его коллеги, физики-экспериментаторы Рубенс и Курлбаум, проверили формулу Планка и наутро восторженно поздравили ученого с тем, что на всех участках спектра излучения опытные данные вполне удовлетворительно соответствовали его формуле. Впрочем, как впоследствии не раз скромно указывал Планк, метод подбора его формулы содержал «только формальный смысл удачно угаданного закона».

Как физик-теоретик, Планк не мог считать свою работу законченной без объяснения смысла своей формулы. После двух месяцев тяжелых раздумий он пришел к парадоксальному выводу, что элементы внутренней поверхность АЧТ излучают и поглощают энергию парциально! Ну, а сами энергетические порции описываются простейшей формулой: ∆E = ħω, где ħ – новый коэффициент пропорциональности, а ω – частота тепловых колебаний. По законам классической физики интенсивность может падать с увеличением их частоты по экспоненте. При этом высокочастотные колебания будут вносить незначительный вклад в общее количество излучаемой тепловой энергии. Так разрешился парадокс несостоявшейся «ультрафиолетовой катастрофы». Закон излучения Планка изумительно точно описывал процессы излучения, что позволило быстро определить значение коэффициента ħ, получившего название «постоянная Планка».

Реальная зависимость излучения АЧТ от длины волны для разных температур и ее вид по классической формуле Рэлея – Джинса

Итак, 14 декабря 1900 года Планк сделал доклад Берлинскому физическому обществу о новой формуле, описывающей излучение АЧТ во всех диапазонах. Из закона излучения Планка, справедливого для всех участков спектра, легко вытекали закон Стефана – Больцмана и закон смещения Вина. В области высоких частот формула Планка переходила в формулу Вина, а при малых частотах – в формулу Рэлея, выведенную им в июле 1900 года в небольшой заметке «Замечания о законе черного излучения». Надо заметить, что Рэлей получил свою формулу путем применения закона равномерного распределения энергии по степеням свободы. В 1905 году Джинс независимо от Рэлея показал, что классическая статистика приводит именно к формуле Рэлея, а не к формуле Планка, после чего данное спектрально-энергетическое соотношения стало называться законом Рэлея – Джинса.

Изложению истории посвящено необозримое количество книг и статей, написанных физиками, философами, историками, социологами и даже политологами. В 1970-е годы широкий резонанс получила работа американского философа Пола Формана «Веймарская культура, причинность и квантовая теория» о том, как социально-политическая атмосфера неустойчивости, разочарования в прежних идеалах в Веймарской Германии содействовала распространению идей индетерминизма, что, в свою очередь, сыграло важную роль в становлении квантовой механики.

Что же касается Макса Планка, то он, как и большинство других физиков, с нескрываемым сожалением воспринял крушение классической физики. Тем не менее продолжал научно-исследовательскую, педагогическую и организационную деятельность. С 1912 по 1943 год Планк оставался непременным секретарем своей академии, получившей теперь название Берлинской академии наук, а в 1930 году он стал президентом Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма – теперь оно носит имя самого Планка и играет роль национальной Академии наук в Германии.