Помоги проекту - поделись книгой:
Но это вовсе не значит, что все сделанное предшествующими учеными перечеркивалось. Почти в каждой теории есть рациональное зерно, и она решает какую-то часть проблемы. Это решение и входит в основу более совершенной теории. Да, классическая физика не могла справиться с нагретым телом. Планк, введя в классическую термодинамику понятие дискретности, построил более полную теорию излучения, и призрак ультрафиолетовой смерти рассеялся сам собой. Да, классическая физика не могла объяснить явление фотоэффекта. Эйнштейн, разгадав прерывистую сущность света, объяснил его.
Конечно, квантовая теория не всесильна. Объяснив процесс излучения нагретого тела и фотоэффект, она тем не менее до сих пор не может справиться со многими загадками микромира. Но Эйнштейн считал это не трагичным, а вполне естественным, отражающим двойственный характер природы материи. Вот почему волновая теория света Гюйгенса, хоть она и опиралась на ложное подобие световых волн со звуковыми, не была полностью ошибочной. Заблуждения Гюйгенса заставили Френеля искать выход из положения, и он нашел его в эфире, поперечными колебаниями которого считал свет. А так как свет — это действительно (в одной из своих сущностей) волна, то формулы Гюйгенса и Френеля верны и сегодня.
Противоречия, которые возникали в ряде случаев из их теорий, конечно, беспокоили ученых. И настал момент, когда один из них, Максвелл, понял, что свет — это не продольные гюйгенсовские волны и не френелевские поперечные волны эфира, а существующие сами по себе электромагнитные волны — волны совершенно самостоятельного электромагнитного поля. И только благодаря тому, что традиции и научное мышление обладают большой инерционностью, ученые еще долго не могли отказаться от механистического взгляда на мир. И Лорентц поневоле сделал шаг назад, привязав абстрактные максвелловские электромагнитные волны к электронам — атомам электричества. Но это был и шаг вперед, так как впервые идея атомизма была введена в электрические явления. Это имело и другие положительные последствия. Так как электромагнитное поле — это действительно и волна и частицы, то электронная теория Лорентца, ее математический аппарат помог вычислить те величины (например, показатели преломления прозрачных тел), которые чисто волновой теории Максвелла приходилось брать из опыта. Так происходит эволюция человеческих знаний: опыт поколений плюс свежий взгляд на вещи.
Спор вокруг дерзкой идеи Максвелла, желание во что бы то ни стало сохранить вездесущий эфир подготовили почву для возникновения теории относительности. И теория поперечных колебаний эфира Френеля и теория Максвелла оставляли возможность определения скорости движения тел в эфире. Это экспериментально опроверг Майкельсон. После целой серии опытов он убедился, что это невозможно. Чтобы увязать этот факт с существующими взглядами, Фицджеральд и Лорентц придумали искусственную гипотезу. Эйнштейн же не стал топтаться на месте, а сделал решительный шаг. Он допустил кощунственную мысль о том, что скорость света в пустоте всегда постоянна.
Так, исходя из этого предположения и старой теории относительности Галилея, который утверждал, что в плавно движущихся телах невозможно измерить их абсолютную скорость, если не сравнивать ее со скоростью какого-нибудь другого тела, Эйнштейн пришел к выводу о том, что при скоростях, сравнимых со скоростью света, понятия о времени, массе и размерах становятся понятиями относительными и законы физики, действующие при малых скоростях, неприемлемы при околосветовых.
Как видите, законы классической физики не отменялись, но там, где они оказывались беспомощными, рождались новые идеи, которые составили фундамент сегодняшней физики. Наиболее обновлен фундамент физики микромира. Здесь классическая физика потерпела наибольшее количество поражений. Если с макромиром она кое-как ладит, то в делах микромира она почти что не имеет права голоса. Она совершенно не в состоянии объяснить законы существования таких микротел, как элементарные частицы. На этой почве возник целый ряд теорий и методов (часто формальных), с помощью которых ученые пытаются понять строение ядра атома и микрочастиц. Окончательной теории элементарных частиц до сих пор нет. Это та область новой физики, где работы ведутся в три смены, днем и ночью.
…Ученые продолжают непрестанный скромный и титанический труд.
А пока расскажем о некоторых «безумных» идеях, о нескольких замечательных открытиях, потрясших человечество после 1927 года. Они покоятся на трех китах — квантовой теории, теории относительности и все более точном эксперименте.
С неба на землю
Радость видеть и понимать есть самый прекрасный дар природы.
Почему небо голубое?..
Нет такого человека, который не задумался над этим хоть раз в жизни.
Объяснить происхождение цвета неба старались уже средневековые мыслители. Некоторые из них предполагали, что синий цвет — это истинный цвет воздуха или какого-нибудь из составляющих его газов. Другие думали, что настоящий цвет неба черный — такой, каким оно выглядит ночью. Днем же черный цвет неба складывается с белым — солнечных лучей, и получается… голубой.
Сейчас, пожалуй, не встретишь человека, который, желая получить голубую краску, стал бы смешивать черную и белую. А было время, когда законы смешения цветов были еще неясны. Их установил всего триста лет назад Ньютон.
Ньютон заинтересовался и тайной небесной лазури. Он начал с того, что отверг все предшествующие теории.
Во-первых, утверждал он, смесь белого и черного никогда не образует голубого. Во-вторых, голубой цвет — это совсем не истинный цвет воздуха. Если бы это было так, то Солнце и Луна на закате казались бы не красными, как это есть в действительности, а голубыми. Такими выглядели бы и вершины отдаленных снежных гор.
Представьте, что воздух окрашен. Пусть даже очень слабо. Тогда толстый слой его действовал бы как окрашенное стекло. А если смотреть сквозь окрашенное стекло, то все предметы покажутся такого же цвета, как это стекло. Почему же отдаленные снежные вершины представляются нам розовыми, а вовсе не голубыми?
В споре с предшественниками правда была на стороне Ньютона. Он доказал, что воздух не окрашен.
Но все же загадку небесной лазури он не разрешил. Его смутила радуга, одно из самых красивых, поэтичных явлений природы. Почему она неожиданно возникает и столь же неожиданно исчезает? Ньютон не мог удовлетвориться бытовавшим суеверием: радуга — это знамение свыше, она предвещает хорошую погоду. Он стремился отыскать материальную причину каждого явления. Нашел он и причину радуги.
Радуга — это результат преломления света в дождевых каплях. Поняв это, Ньютон сумел вычислить форму радужной дуги и объяснить последовательность цветов радуги. Его теория не могла объяснить лишь возникновение двойной радуги, но это удалось сделать лишь три века спустя при помощи очень сложной теории.
Успех теории радуги загипнотизировал Ньютона. Он ошибочно решил, что голубая окраска неба и радуга вызываются одной и той же причиной. Радуга действительно вспыхивает, когда лучи Солнца пробиваются сквозь рой дождевых капель. Но ведь голубизна неба видна не только в дождь! Напротив, именно в ясную погоду, когда нет даже намека на дождь, небо особенно сине. Как же не заметил этого великий ученый? Ньютон думал, что мельчайшие водяные пузырьки, образующие по его теории только голубую часть радуги, плавают в воздухе при любой погоде. Но это было заблуждением.
Прошло почти 200 лет, и этим вопросом занялся другой английский ученый — Рэлей, не убоявшийся того, что задача оказалась не по силам даже великому Ньютону.
Рэлей занимался оптикой. А люди, посвятившие свою жизнь исследованию света, много времени проводят в темноте. Посторонний свет мешает тончайшим опытам, поэтому окна оптической лаборатории почти всегда затянуты черными, непроницаемыми шторами.
Рэлей часами оставался в своей мрачной лаборатории один на один с пучками света, вырывающимися из приборов. На пути лучей кружились как живые пылинки. Они были ярко освещены и поэтому выделялись на темном фоне. Ученый, возможно, подолгу в задумчивости следил за их плавными движениями, подобно тому как следит человек за игрой искр в камине.
Не эти ли пылинки, танцующие в лучах света, подсказали Рэлею новую мысль о происхождении цвета неба?
Еще в глубокой древности стало известно, что свет распространяется прямолинейно. Это важное открытие мог сделать уже первобытный человек, наблюдая, как, пробиваясь сквозь щели шалаша, солнечные лучи падают на стены и пол.
Но вряд ли его беспокоила мысль, почему же он видит световые лучи, глядя на них сбоку. А тут есть над чем задуматься. Ведь солнечный свет идет лучом от щели к полу. Глаз же наблюдателя расположен в стороне и тем не менее видит этот свет.
Мы видим и свет от прожектора, направленного в небо. Это значит, часть света каким-то образом отклоняется от прямого пути и направляется в наш глаз.
Что же заставляет его свернуть с пути? Оказывается, те самые пылинки, которыми полон воздух. В наш глаз попадают лучи, рассеиваемые пылинками; лучи, которые, встречая препятствия, сворачивают с дороги и распространяются по прямой от рассеивающей пылинки к нашему глазу.
«Не эти ли пылинки окрашивают небо в голубой цвет?» — подумал однажды Рэлей. Он провел математический расчет, и догадка превратилась в уверенность. Он нашел объяснение синего цвета неба, красных зорь и голубой дымки! Ну конечно же, мельчайшие пылинки, размеры которых меньше длины волны света, рассеивают солнечный свет и тем сильнее, чем короче длина его волны, — объявил Рэлей в 1871 году. А так как фиолетовые и синие лучи в видимом солнечном спектре имеют самую маленькую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно, придавая небу голубую окраску.
Этому расчету Рэлея подчинились Солнце и снежные вершины. Они даже подтвердили теорию ученого. На восходе и закате, когда солнечный свет проходит через наибольшую толщу воздуха, фиолетовые и синие лучи, говорит теория Рэлея, рассеиваются наиболее сильно. При этом они отклоняются от прямого пути и не попадают в глаза наблюдателю. Наблюдатель видит главным образом красные лучи, которые рассеиваются гораздо слабее. Поэтому на восходе и закате солнце кажется нам красным. По той же причине кажутся розовыми и вершины отдаленных снежных гор.
Глядя же на чистое небо, мы видим сине-голубые лучи, отклоняющиеся вследствие рассеяния от прямолинейного пути и попадающие в наши глаза. Да и дымка, которую мы иногда видим у горизонта, тоже кажется нам поэтому голубой.
Не правда ли, красивое объяснение? Им так увлекся сам Рэлей, ученые так поразились стройности теории и победе Рэлея над Ньютоном, что никто из них не заметил одной простой вещи. А этот пустяк тем не менее должен был совершенно изменить их оценку.
Кто же будет отрицать, что вдали от города, где в воздухе гораздо меньше пыли, голубой цвет неба особенно чист и ярок? Трудно было отрицать это и самому Рэлею. Следовательно… не пылинки рассеивают свет? Тогда что же?
Он снова пересмотрел все свои расчеты и убедился, что его уравнения верны, но это значит, что рассеивающими частицами действительно являются не пылинки. Кроме того, пылинки, которые присутствуют в воздухе, гораздо больше длины волны света, и расчеты убедили Рэлея, что большое скопление их не усиливает голубизну неба, а, наоборот, ослабляет. Рассеяние света на крупных частицах слабо зависит от длины волны и поэтому не вызывает изменения его окраски.
При рассеянии света на крупных частицах и рассеянный и прошедший свет остается белым, поэтому появление в воздухе крупных частиц сообщает небу белесый цвет, а скопление большого количества крупных капелек обусловливает белый цвет облаков и тумана. Это легко проверить на обычной папиросе. Дым, выходящий из нее со стороны мундштука, всегда кажется белесым, а дым, поднимающийся с ее горящего конца, имеет голубоватый цвет.
Мельчайшие частицы дыма, поднимающегося над горящим концом папиросы, имеют размеры меньшие, чем длина световой волны, и в соответствии с теорией Рэлея рассеивают преимущественно фиолетовый и синий цвет. Но при прохождении через узкие каналы в толще табака частицы дыма слипаются между собой (коагулируют), объединяясь в более крупные комочки. Размеры многих из них становятся больше, чем длины волн света, и они рассеивают все волны света примерно одинаково. Именно поэтому дым, идущий со стороны мундштука, кажется белесым.
Да, спорить и защищать теорию, основанную на пылинках, было бесполезно.
Итак, загадка голубого цвета неба снова возникла перед учеными. Но Рэлей не сдавался. Если голубой цвет неба тем более чист и ярок, чем чище атмосфера, рассуждал он, значит окраска неба не может быть обусловлена не чем иным, как молекулами самого воздуха. Молекулы воздуха, писал он в своих новых статьях, — вот те мельчайшие частицы, которые рассеивают свет солнца!
На этот раз Рэлей был очень осторожен. Прежде чем сообщить о своей новой идее, он решил проверить ее, каким-нибудь образом сверить теорию с опытом.
Случай представился в 1906 году. Рэлею помог американский астрофизик Аббот, изучавший голубое свечение неба в обсерватории на горе Маунт-Вильсон. Обрабатывая результаты измерения яркости свечения неба на основе теории рассеяния Рэлея, Аббот подсчитал число молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре воздуха. Получилось грандиозное число! Достаточно сказать, что если раздать эти молекулы всем людям, населяющим земной шар, то каждому достанется по 10 с лишним миллиардов этих молекул. Короче говоря, Аббот обнаружил, что в каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальной температуре и давлении атмосферы содержится 27 миллиардов раз по миллиарду молекул.
Количество молекул в кубическом сантиметре газа можно определить разными способами на основе совершенно различных и независимых между собой явлений. Все они приводят к близко совпадающим результатам и дают число, называемое числом Лошмидта.
Это число хорошо знакомо ученым, и не раз оно служило мерилом и контролем при объяснении явлений, происходящих в газах.
И вот число, полученное Абботом при измерении свечения неба, с большой точностью совпало с числом Лошмидта. А ведь он при расчетах пользовался теорией рассеяния Рэлея. Таким образом, это наглядно доказывало, что теория верна, молекулярное рассеяние света действительно существует.
Казалось, теория Рэлея была надежно подтверждена опытом; все ученые считали ее безупречной. Она стала общепризнанной и вошла во все учебники оптики. Можно было вздохнуть спокойно: наконец-то найдено объяснение явления — такого привычного и вместе с тем загадочного.
Тем более удивительно, что в 1907 году на страницах известного научного журнала вновь был поставлен вопрос: почему же небо голубое?!.
Кто же дерзнул подвергнуть сомнению общепризнанную рэлеевскую теорию?
Как ни странно, это был один из самых горячих поклонников и почитателей Рэлея. Пожалуй, никто так не ценил и не понимал Рэлея, не знал так хорошо его работ, не интересовался его научным творчеством так, как молодой русский физик Леонид Мандельштам.
— В характере ума Леонида Исааковича, — вспоминал впоследствии другой советский ученый, академик Н. Д. Папалекси, — было много общего с Рэлеем. И не случайно, что пути их научного творчества часто шли параллельно и неоднократно перекрещивались.
Перекрестились они и на сей раз, в вопросе о происхождении цвета неба. До этого Мандельштам в основном увлекался радиотехникой. Для начала нашего века это была совершенно новая область науки, и в ней мало кто разбирался. После открытия А. С. Попова (в 1895 году) прошло всего несколько лет, и здесь был непочатый край работы. За короткий период Мандельштам выполнил много серьезных исследований в области электромагнитных колебаний применительно к радиотехническим устройствам. В 1902 году он защитил диссертацию и в двадцать три года получил степень доктора натуральной философии Страсбургского университета.
Занимаясь вопросами возбуждения радиоволн, Мандельштам, естественно, изучал труды Рэлея, который был признанным авторитетом в исследовании колебательных процессов. И молодой доктор поневоле познакомился с проблемой окраски неба.
Но, познакомившись с вопросом окраски неба, Мандельштам не только показал ошибочность, или, как он сам говорил, «недостаточность» общепризнанной теории молекулярного рассеяния света Рэлея, не только раскрыл тайну голубого цвета неба, но и положил начало исследованиям, которые привели к одному из важнейших открытий физики XX века.
А началось все с заочного спора с одним из крупнейших физиков, отцом квантовой теории, М. Планком. Когда Мандельштам познакомился с теорией Рэлея, она захватила его своей недоговоренностью и внутренними парадоксами, которых, к удивлению молодого физика, не замечал старый, многоопытный Рэлей. Особенно отчетливо выявилась недостаточность теории Рэлея при анализе другой теории, построенной на ее основе Планком для объяснения ослабления света при его прохождении через оптически однородную прозрачную среду.
В этой теории было принято за основу, что сами молекулы вещества, через которое проходит свет, являются источниками вторичных волн. На создание этих вторичных волн, утверждал Планк, тратится часть энергии проходящей волны, которая при этом ослабляется. Мы видим, что эта теория основывается на рэлеевской теории молекулярного рассеяния и опирается на ее авторитет.
Проще всего уяснить себе суть дела, рассматривая волны на поверхности воды. Если волна встречается с неподвижными или плавающими предметами (сваи, бревна, лодки и т. п.), то во все стороны от этих предметов разбегаются мелкие волны. Это есть не что иное, как рассеяние. Часть энергии падающей волны расходуется на возбуждение вторичных волн, которые вполне аналогичны рассеянному свету в оптике. При этом первоначальная волна ослабляется — она затухает.
Плавающие предметы могут быть намного меньше, чем длина волны, бегущей по воде. Даже мелкие зерна будут вызывать вторичные волны. Конечно, по мере уменьшения размеров частиц образуемые ими вторичные волны ослабевают, но они все же будут забирать энергию основной волны.
Примерно так представлял себе процесс ослабления световой волны при прохождении ее через газ Планк, но роль зерен в его теории играли молекулы газа.
Этой работой Планка заинтересовался Мандельштам.
Ход мыслей Мандельштама также можно пояснить с помощью примера волн на поверхности воды. Нужно лишь рассмотреть его более внимательно. Итак, даже мелкие зерна, плавающие на поверхности воды, являются источниками вторичных волн. Но что будет, если насыпать эти зерна так густо, что они покроют всю поверхность воды? Тогда окажется, что отдельные вторичные волны, вызванные многочисленными зернами, будут складываться так, что они полностью погасят те части волн, которые бегут в стороны и назад, и рассеяние прекратится. Останется лишь волна, бегущая вперед. Она побежит вперед, совершенно не ослабляясь. Единственным результатом присутствия всей массы зерен окажется некоторое уменьшение скорости распространения первичной волны. Особенно важно, что все это не зависит от того, неподвижны ли зерна или они движутся по поверхности воды. Совокупность зерен будет действовать просто как нагрузка на поверхность воды, изменяя плотность ее верхнего слоя.
Мандельштам произвел математический расчет для случая, когда число молекул в воздухе так велико, что даже на таком маленьком участке, как длина световой волны, содержится очень большое число молекул. Оказалось, что при этом вторичные световые волны, возбуждаемые отдельными хаотически движущимися молекулами, складываются так же, как волны на примере с зернами. Значит, в этом случае световая волна распространяется без рассеяния и ослабления, но с несколько меньшей скоростью. Это опровергало теорию Рэлея, считавшего, что движение рассеивающих частиц во всех случаях обеспечивает рассеяние волн, а значит, опровергало и основанную на ней теорию Планка.
Так под фундаментом теории рассеяния был обнаружен песок. Все величественное здание заколебалось и грозило рухнуть.
Но как обстоит дело с определением числа Лошмидта из измерений голубого свечения неба? Ведь опыт подтверждал рэлеевскую теорию рассеяния!
«Это совпадение должно рассматриваться как случайное», — писал Мандельштам в 1907 году в своей работе «Об оптически однородных и мутных средах».
Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделать газ однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха. В той же работе Мандельштам писал:
«Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться и в стороны».
Но так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотического движения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественно волны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, в частности, к голубой окраске неба.
Так была окончательно решена загадка небесной лазури. Теоретическая часть была разработана Рэлеем. Физическая природа рассеивателей была установлена Мандельштамом.
Большая заслуга Мандельштама заключается в том, что он доказал, что предположение о совершенной однородности газа несовместимо с фактом рассеяния в нем света. Он понял, что голубой цвет неба доказывает, что однородность газов только кажущаяся. Точнее, газы представляются однородными только при исследовании грубыми приборами, такими как барометр, весы или другие приборы, на которые воздействуют сразу многие миллиарды молекул. Но световой луч ощущает несравнимо меньшие количества молекул, измеряемые лишь десятками тысяч. И этого достаточно, чтобы бесспорно установить, что плотность газа непрерывно подвергается небольшим местным изменениям. Поэтому однородная с нашей «грубой» точки зрения среда в действительности неоднородна. С «точки зрения света» она кажется мутной и поэтому рассеивает свет.
Случайные местные изменения свойств вещества, образующиеся в результате теплового движения молекул, теперь носят название флуктуаций. Выяснив флуктуационное происхождение молекулярного рассеяния света, Мандельштам проложил дорогу новому методу исследования вещества — флуктуационному, или статистическому, методу, впоследствии развитому Смолуховским, Лорентцем, Эйнштейном и им самим в новый крупный отдел физики — статистическую физику.
Итак, тайна голубого цвета неба была раскрыта.
Но изучение рассеяния света на этом не прекратилось. Обратив внимание на почти неуловимые изменения плотности воздуха и объяснив окраску неба флуктуационным рассеянием света, Мандельштам своим обостренным чутьем ученого обнаружил новую, еще более тонкую особенность этого процесса.
Ведь неоднородности воздуха вызваны случайными колебаниями его плотности. Величина этих случайных неоднородностей, плотность сгустков меняется со временем. Поэтому, рассуждал ученый, должна меняться со временем и интенсивность — сила рассеянного света! Ведь чем плотнее сгустки молекул, тем интенсивнее рассеянный на них свет. А так как эти сгустки возникают и исчезают хаотически, то небо, попросту говоря, должно мерцать! Сила его свечения и его цвет должны все время (но очень слабо) изменяться! Но разве кто-нибудь, когда-нибудь замечал такое мерцание? Конечно, нет.
Это эффект настолько тонкий, что простым глазом его не заметишь.
Ни один из ученых тоже не наблюдал подобного изменения свечения неба. Не имел возможности проверить выводы своей теории и сам Мандельштам. Организации сложнейших экспериментов препятствовали сначала скудные условия царской России, а потом трудности первых лет революции, иностранной интервенции и гражданской войны.
В 1925 году Мандельштам стал заведующим кафедрой в Московском университете. Здесь он встретился с выдающимся ученым и искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом. И вот, связанные глубокой дружбой и общими научными интересами, они вместе продолжили штурм тайн, скрытых в слабых лучах рассеянного света.
Оптические лаборатории университета в те годы были еще очень бедны приборами. В университете не оказалось ни одного прибора, способного обнаружить мерцание неба или те маленькие различия в частотах падающего и рассеянного света, которые, как предсказывала теория, являются результатом этого мерцания.
Однако это не остановило исследователей. Они отказались от мысли имитировать небо в лабораторных условиях. Это только усложнило бы и без того тончайший опыт. Они решили изучать не рассеяние белого — сложного света, а рассеяние лучей одной, строго определенной частоты. Если они будут точно знать частоту падающего света, будет много легче искать те близкие к ней частоты, которые должны возникнуть при рассеянии.
Кроме того, теория подсказывала, что наблюдения легче проводить в твердых телах, так как в них молекулы расположены гораздо теснее, чем в газах, а рассеяние тем больше, чем плотнее вещество.
Начались кропотливые поиски наиболее подходящих материалов. Наконец выбор пал на кристаллы кварца. Просто потому, что крупные прозрачные кристаллы кварца доступнее, чем любые другие.
Два года длились подготовительные опыты, отбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, по которым можно было бесспорно отличить рассеяние на молекулах кварца от рассеяния на случайных включениях, неоднородностях кристалла и загрязнениях.
Поделиться книгой: