Моисеев Владимир Анатольевич. Краткая история астрономии. Том 6. Физика для астрономии

Краткая история астрономии

Том 6

Физика для астрономии

Аннотация

В шестом томе Краткой истории астрономии рассказывается о достижениях и открытиях физики, без которых развитие современной астрономии было бы невозможно. Речь пойдет о природе света, уравнениях Максвелла, термодинамике, электромагнетизме, моделях атомов, кризисе физики, специальной и общей теориях относительности Эйнштейна, квантовой механике.

Содержание

Часть 6-1. Эфир и свет

том - часть - глава

6-1-1. Эфир в представлении древних греков

6-1-2. Теория света Роберта Гроссетета

6-1-3. Волновая теория света Гюйгенса

6-1-4. Оптика и теория света Ньютона

6-1-5. Конечность скорости света

6-1-6. Победа волновой теории

6-1-7. Волновая теория света Томаса Юнга

6-1-8. Томас Юнг

6-1-9. Открытие поляризованных световых волн

6-1-10. Этьенн Луи Малюс

6-1-11. Жан-Батист Био

6-1-12. Доминик Франсуа Жан Араго

6-1-13. Огюстен Жан Френель

6-1-14. Гипотезы о свойствах эфира

Часть 6-2. Термодинамика

Глава 6-2-1. Возникновение термодинамики

Глава 6-2-2. Юлиус Роберт фон Майер

Глава 6-2-3. Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус

Глава 6-2-4. Закон сохранения энергии

Глава 6-2-5. Понятие энергии

Глава 6-2-6. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц

Глава 6-2-7. Первое начало термодинамики

Глава 6-2-8. Второе начало термодинамики

Глава 6-2-9. Энтропия

Глава 6-2-10. Тепловая смерть Вселенной

Глава 6-2-11.

Критика гипотезы о Тепловой смерти Вселенной

Глава 6-2-12. Третье начало термодинамики

Глава 6-2-13. Нулевое начало термодинимики

Глава 6-2-14. Томсон, Уильям (лорд Кельвин)

Глава 6-2-15. Татьяна Алексеевна Афанасьева-Эренфест

Часть 6-3. Эфир и электромагнетизм

6-3-1. Электромагнитное поле

6-3-2. Майкл Фарадей

6-3-3. Дальнодействие и короткодействие

6-3-4. Точка Дрейпера

6-3-5. Законы излучения

6-3-6. Джеймс Клерк Максвелл

6-3-7. История создания уравнений Максвелла

6-3-8. Трактат об электричестве и магнетизме

6-3-9. Генрих Рудольф Герц

6-3-10. Экспериментальный аппарат Герца 1887 года

6-3-11. Химизм в попытках понимания эфира

(Д. И. Менделеев)

6-4. Строение атомов

6-4-1. История развития атомарной теории

6-4-2. Иоганн Вольфганг Дёберейнер

6-4-3. Джон Александр Рейна Ньюлендс

6-4-4. Юлиус Лотар Мейер

6-4-5. Периодическая система химических элементов

6-4-6. Дмитрий Иванович Менделеев

6-4-7. Награды и признание заслуг Д. И. Менделеева

6-4-8. Джордж Джонстон Стони

6-4-9. Жан Батист Перрен

6-4-10. Джозеф Джон Томсон

6-4-11. Модели атома Томсона

6-4-12. Хантаро Нагаока

6-4-13. Планетарная модель атома

6-4-14. Эрнест Резерфорд

6-4-15. Из воспоминаний П. Л. Капицы о Резерфорде

Часть 6-5. Кризис классической физики

6-5-1. Кризис классической физики на рубеже XIX-XX веков

6-5-2. Закон Рэлея - Джинса

6-5-3. Стретт, Джон Уильям (лорд Рэлей)

6-5-4. Фотоэффект

6-5-5. Александр Григорьевич Столетов

Часть 6-6. На пути к теории относительности

6-6-1. Первые формулировки принципа относительности

6-6-2. Опыт Физо

6-6-3. Опыт Альберта Майкельсона

6-6-4. Майкельсон, Альберт Абрахам

6-6-5. Хендрик Антон Лоренц

6-6-6. Электронная теория Хендрика Лоренца

6-6-7. Анри Пуанкаре

6-6-8. Научные достижения Анри Пуанкаре

6-6-9. Работы Пуанкаре в области релятивистской динамики

6-6-10. Пуанкаре и Эйнштейн: сходство и различия

6-6-11. Молчание Пуанкаре

6-6-12. Личность и убеждения Анри Пуанкаре

6-6-13. Философия Анри Пуанкаре

Часть 6-7. Теории относительности Альберта Эйнштейна

6-7-1. Альберт Эйнштейн

6-7-2. Общественные интересы Альберта Эйнштейна

6-7-3. Философия Альберта Эйнштейна

6-7-4. Религиозные взгляды Алберта Эйнштейна

6-7-5. Специальная теория относительности

6-7-6. Развитие Специальной теории относительности

6-7-7. Герман Минковский

6-7-8. Пространство Минковского

6-7-9. Смещение перигелия Меркурия

6-7-10. Вулкан и вулканоиды

6-7-11. Другие попытки объяснения

6-7-12. Предложения по модификации классической теории тяготения

6-7-13. Баллистическая теория Вальтера Ритца

6-7-14. Вальтер Ритц

6-7-15. Необходимость уточнения теории тяготения Ньютона

6-7-16. Общая теория относительности

6-7-17. Эквивалентность сил гравитации и инерции

6-7-18. Решение в рамках общей теории относительности

Часть 6-8. Квантовая физика

6-8-1. На пути создания квантовой физики

6-8-2. Гамильтон, Уильям Роуэн

6-8-3. Квантовая механика

6-8-4. Макс Планк

6-8-5. Система постулатов квантовой механики

6-8-6. Модель атома Бора

6-8-7. Нильс Хенрик Давид Бор

6-8-8. Корпускулярно-волновой дуализм

6-8-9. Дуализм света

6-8-10. Луи де Бройль

6-8-11. Волновая механика фотона

6-8-12. Принцип неопределенности Гейзенберга

6-8-13. Вернер Карл Гейзенберг

6-8-14. Философские взгляды Вернера Гейзенберга

6-8-15. Эрвин Шрёдингер

6-8-16. Попытки понять, что такое жизнь

6-8-17. Философские взгляды Эрвина Шрёдингера

6-8-18. Кошка Шредингера

6-8-19. Интерпретация Эверетта и совместные истории

6-8-20. Многомировая интерпретация

6-8-21. Хью Эверетт

6-8-22. Брайс Селигман Девитт

6-8-23. Квантовая запутанность

6-8-24. Что надо знать о квантовой механике

Часть 6-5. Источники излучения звезд

6-5-1. Источники излучаемой Солнцем энергии

6-5-2. Первые модели звезд

6-5-3. Джонатан Гомер Лейн

6-5-4. Поиски источников звездной энергии

6-5-5. Антуан Анри Беккерель

6-5-6. Джинс, Джеймс Хопвуд

6-5-7. Ядерные реакции в звездах

6-5-8. Артур Стэнли Эддингтон

6-5-9. Ханс Альбрехт Бете

6-5-10. Научные достижения Ханс Альбрехт Бете

6-5-11. Карл Фридрих фон Вайцзеккер

6-5-12. Мартин Шварцшильд

6-5-13. Сэр Фред Хойл

6-1. Эфир и свет

6-1-1 (том-часть-глава).

Эфир в представлении древних греков

6-1-2. Теория света Роберта Гроссетета

6-1-3. Волновая теория света Гюйгенса

6-1-4. Оптика и теория света Ньютона

6-1-5. Конечность скорости света

6-1-6. Победа волновой теории

6-1-7. Волновая теория света Томаса Юнга

6-1-8. Томас Юнг

6-1-9. Открытие поляризованных световых волн

6-1-10. Этьенн Луи Малюс

6-1-11. Жан-Батист Био

6-1-12. Доминик Франсуа Жан Араго

6-1-13. Огюстен Жан Френель

6-1-14. Гипотезы о свойствах эфира

Глава 6-1-1

Эфир в представлении древних греков

Из немногочисленных дошедших до нас трудов древнегреческих учёных можно понять, что эфир тогда понимался как особое небесное вещество, заполнитель пустоты в Космосе. Платон в диалоге Тимей сообщает, что Бог создал мир из эфира. Лукреций Кар в поэме О природе вещей упоминает, что эфир питает созвездия, то есть светила состоят из сгущённого эфира. Иначе представлял эфир Анаксагор - по его мнению, эфир похож на земной воздух, только более горячий, сухой и разрежённый.

Рис. Древнегреческий лицей

Демокрит и атомисты термин эфир не использовали, их система мира включала лишь атомы и пустоту.

Несколько более подробная картина изложена в трудах Аристотеля. Он также считал, что планеты и другие небесные тела состоят из эфира (или квинтэссенции), который есть пятый элемент природы, причём, в отличие от остальных (огня, воды, воздуха и земли), вечный и неизменный. Аристотель писал: Солнце не состоит из огня; оно есть огромное скопление эфира; теплота Солнца причиняется действием его на эфир во время обращения вокруг Земли. Эфир также заполняет весь внеземной Космос, начиная со сферы Луны; из приведенной цитаты можно сделать вывод, что эфир Аристотеля передаёт свет от Солнца и звёзд, а также тепло от Солнца. Аристотелевское понимание термина переняли средневековые схоласты; оно продержалось в науке до XVII века.

Глава 6-1-2

Теория света Роберта Гроссетета

В Средневековой Европе основополагающими идеями о свете считались теории Аристотеля. По его мнению, свет - не тело (эфир, огонь и т.д.) и не телесное истечение, а определенное состояние прозрачной среды, при котором она позволяет видеть сквозь себя другое. А разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях.

Первое оригинальное представление о месте света в Мироздании у европейских философов принадлежит Роберту Гроссетету (сочинение О свете или о начале форм), создавшему космолого-космогоническую модель мира, и его последователю Роджеру Бэкону. Возрождая атомизм Демокрита, они представили возникновение Вселенной как процесс, аналогичный мгновенному распространению света из точечного источника. А поскольку свет представлялся потоком корпускул, то в каждый момент этого процесса Вселенная рисовалась ограниченной сферой из концов световых лучей и по мере их распространения расширялась.

Но ввиду дискретности света и конечного числа таких лучей поверхностная плотность их концов на сфере уменьшалась обратно пропорционально площади сферы, иначе квадрату ее радиуса (т.е. расстояния от центра Вселенной), так что Вселенная не бесконечна.

0x01 graphic

Рис. Роберт Гроссетест

Концепция метафизики света исходит из понятия о свете как тончайшей телесной самораспространяющейся субстанции и одновременно как первичной форме и энергии. Для возникновения мира достаточно предположить создание богом одной единственной точки, формой которой является свет и самораспространение которой производит видимую нами Вселенную. Граница Вселенной - крайний предел возможного распространения этой точки; эта граница, твердь, отражает свет, и отражённый свет в обратном движении организует всю Вселенную, образуя небесные сферы и сферы элементов, причём действия всех высших сфер концентрируются в Земле.

Свет предстаёт у Роберта Гроссетета как универсальный носитель всякого действия во Вселенной. Законы распространения света (т. е. законы геометрич. оптики) выступают как законы движения и распространения сил и взаимодействий; отсюда настаивание на первостепенном значении математики (прежде всего геометрии) для изучения природы.

Первый свет - это также и первопричина сущего. В метафизике света воспроизводится восходящее к неоплатонизму учение о том, что бог есть свет. Свет оказывается посредником между чистой духовной и материальной субстанциями: через свет высшая часть души (intelligentia), не связанная с телом, оказывает воздействие на него.

Первоисточники

Роберт Гроссетест. Сочинения. / Параллельный текст на русском и латинском языках. Под редакцией А. М. Шишкова и К. П. Виноградова. - М.: URSS, 2003.

Роберт Гроссетест. О свете, или О начале форм. // Вопросы философии. 1995. ! 6.

Глава 6-1-3

Волновая теория света Гюйгенса

Учение Декарта о свете было существенно развито Христианом Гюйгенсом. В 1678 году он выпустил Трактат о свете - набросок волновой теории света. Гюйгенс рассматривал свет как волны в эфире и разработал математические основы волновой оптики. Он сформулировал принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта: каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн. Огибающая фронтов волн всех вторичных источников становится фронтом волны в следующий момент времени. Принцип Гюйгенса в таком виде объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не может объяснить явление дифракции. Френель в 1815 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции элементарных волн, что позволило рассматривать на основе принципа Гюйгенса - Френеля и дифракционные явления.

В конце XVII века были открыты несколько необычных оптических явлений, которые следовало согласовать с моделью светоносного эфира: дифракция (1665 год, Гримальди), интерференция (1665 год, Гук), двойное лучепреломление (1670 год, Эразм Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675 год, Рёмер). Наметились два варианта физической модели света:

- Корпускулярная теория: свет есть поток частиц, излучаемых источником. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако в эту теорию плохо укладывались дифракция и интерференция;

- Волновая: свет есть всплеск в эфире. Надо помнить, что под волной тогда понимали не бесконечное периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; так что объяснения световых явлений с волновых позиций были мало правдоподобны.

Интересно, что вскоре концепция светоносного эфира Декарта - Гюйгенса стала общепринятой, ее признавали и сторонники корпускулярной, и волновой теории. Даже Исаак Ньютон, склонявшийся скорее к корпускулярной теории, допускал, что в указанных эффектах принимает участие и эфир.

Рис. Христиан Гюйгенс

В трудах Ньютона эфир упоминается очень редко (в основном в ранних работах), хотя в личных письмах он иногда позволял себе измышлять гипотезы о возможной роли эфира в оптических, электрических и гравитационных явлениях. В последнем абзаце своего основного труда Математические начала натуральной философии Ньютон пишет:

Теперь следовало бы кое-что добавить о некоем тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся.

Он перечисляет примеры физической роли эфира:

Частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам.

Ньютон, однако, никак не комментирует все эти гипотезы, ограничившись замечанием: Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны.

Глава 6-1-4

Оптика и теория света Ньютона

Исааку Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также детально исследовал дисперсию света, показал, что при прохождении белого света через прозрачную призму он разлагается в непрерывный ряд лучей различного цвета вследствие различного преломления лучей разных цветов, тем самым Ньютон заложил основы правильной теории цветов. Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название кольца Ньютона.

Но его главное достижение - создание основ физической оптики и разработка её математической базы. Оптические опыты Ньютона на десятилетия стали образцом глубокого физического исследования.

Рис. Исаак Ньютон

В этот период существовало множество теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля (разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях) и Декарта (разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью). Роберт Гук (1665 г.) предлагал вариант аристотелевских взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета.

Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер). Обобщающей теории света не существовало.

В своём выступлении перед Королевским обществом Ньютон опроверг как Аристотеля, так и Декарта, и убедительно доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонент с разной степенью преломляемости. Эти-то составляющие и первичны - никакими ухищрениями Ньютон не смог изменить их цвет. Тем самым субъективное ощущение цвета получало прочную объективную базу, о которой можно было судить по степени преломления.

0x01 graphic

Рис. Кольца Ньютона

В 1689 году Ньютон прекратил публикации в области оптики (хотя продолжал исследования) - по распространённой легенде, поклялся ничего не печатать в этой области при жизни Гука. Во всяком случае, в 1704 году, на следующий год после смерти Гука, выходит в свет монография Оптика. В предисловии к ней содержится намёк на конфликт с Гуком: Не желая быть втянутым в диспуты по разным вопросам, я оттягивал это издание и задержал бы его и далее, если бы не настойчивость моих друзей. При жизни автора Оптика выдержала три издания (1704, 1717, 1721 гг.) и множество переводов, в том числе три на латинском языке.

Книга первая: принципы геометрической оптики, учение о дисперсии света и составе белого цвета с различными приложениями, включая теорию радуги.

Книга вторая: интерференция света в тонких пластинках.

Книга третья: дифракция и поляризация света.

Это было время научных споров и выбора между волновой (Гюйгенс) и корпускулярной теорией, которую сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон.

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум-среда из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме.

Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, гипотез не измышлял и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. Например, Ньютон пытался объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов, намек на длину волны. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала элементы волновых представлений.

В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении. Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.

Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце Оптики список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:

отклонение света в поле тяготения;

явление поляризации света;

взаимопревращение света и вещества.

Комментарий

Кольца Ньютона впервые были описаны в 1675 году И. Ньютоном. Интерференционная картина в виде колец возникает при отражении света от двух поверхностей, одна из которых плоская, а другая имеет относительно большой радиус кривизны и соприкасается с первой (например, стеклянная пластинка и плосковыпуклая линза). Если на такую систему в направлении, перпендикулярном плоской поверхности, падает пучок монохроматического света, то световые волны, отражённые от каждой из упомянутых поверхностей, интерферируют между собой. Интерференционная картина состоит из тёмного кружка и окружающих его чередующихся между собой светлых и тёмных концентрических колец.

Глава 6-1-5

Конечность скорости света

Еще в 1666-1668 годах Джованни Кассини наблюдал спутники Юпитера и обнаружил несоответствие в измерениях, которые он приписал конечности скорости света. В августе 1675 года он опубликовал об этом короткие статьи. Но позже отказался от этой гипотезы.

В 1672 году Пикар убедил Оле Кристенсена Рёмера отправиться с ним в Париж и продолжить наблюдения спутников Юпитера в качестве помощника Кассини. Рёмеру удалось заметить, что время между затмениями Ио становилось короче, когда Земля и Юпитер сближались, и длиннее, когда Земля удалялась от Юпитера.

Рис. Схема наблюдений Ромера

Рёмер считал, что время, необходимое свету на преодоление диаметра орбиты Земли около 22 минут (Это несколько больше, чем определено в настоящее время: около 16 минут и 40 секунд). Его открытие было представлено во Французскую академию наук.

Зная (приближенно) относительные расстояния в Солнечной системе и используя найденный по наблюдениям Марса параллакс Солнца, Рёмер получил (1675 г.) значение скорости света, равное 230000 км/сек.

0x01 graphic

Рис. Оле Кристенсен Рёмер

Гипотезу о конечности скорости света окончательно приняли только в 1727 году после сделанных Джеймсом Брэдли измерений так называемой аберрации света. Полученное Брэдли значение составило 308 000 км/сек.

В 1809 году, используя наблюдения Ио, но на этот раз более точные, астроном Деламбр вычислил время, необходимое свету на преодоление расстояния от Солнца до Земли, равное 8 мин и 12 сек. В зависимости от значения, взятого за астрономическую единицу, это дает скорость света чуть более 300 000 км/сек.

Впервые измерения скорости света, основанные на определении времени прохождения светом точно измеренного расстояния в земных условиях, выполнил в 1849 году А. И. Л. Физо. В своих экспериментах он использовал разработанный им метод прерываний, при этом расстояние, преодолеваемое светом в опытах Физо, составляло 8,63 км. Полученное в результате выполненных измерений значение оказалось равным 313 300 км/сек.

В дальнейшем метод прерываний значительно усовершенствовали и его использовали для измерений М. А. Корню (1876 г.), А. Ж. Перротен (1902 г.) и Э. Бергштранд. Измерения, выполненные Э. Бергштрандом в 1950 году, дали для скорости света значение 299 793,1 км/сек, при этом точность измерений была доведена до 0,25 км/сек.

Другой лабораторный метод (метод вращающегося зеркала), идея которого была высказана в 1838 году Ф. Араго, в 1862 году осуществил Леон Фуко. Измеряя малые промежутки времени с помощью вращающегося с большой скоростью (512 об/сек) зеркала, он получил для скорости света значение 298 000 км/сек с погрешностью 500 км/сек.

Длина базы в экспериментах Фуко была сравнительно небольшой - двадцать метров. В последующем за счёт совершенствования техники эксперимента, увеличения используемой базы и более точного определения её длины точность измерений с помощью метода вращающегося зеркала была существенно повышена. Так, С. Ньюком в 1891 году получил значение 299 810 км/сек с погрешностью 50 км/сек, а А. А. Майкельсону в 1926 году удалось понизить погрешность до 4 км/сек и получить для скорости величину 299 796 км/сек. В своих экспериментах Майкельсон использовал базу, равную 35 373,21 метров.

Глава 6-1-6

Победа волновой теории

Благодаря авторитету Ньютона, эмиссионная теория света в XVIII веке стала общепринятой. Эфир рассматривался не как носитель, но как переносчик световых частиц, а преломление и дифракцию света объясняли изменением плотности эфира - вблизи тел (дифракция) или при переходе света из одной среды в другую (преломление). В целом эфир как часть системы мира отошёл в XVIII веке на задний план, однако теория эфирных вихрей сохранилась, и были безуспешные попытки применить её для объяснения магнетизма и гравитации.

Нередко теории Гюйгенса считают создателем волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной он понимал не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию).

Однако, в начале XIX века волновая теория света, рассматривавшая свет как волны в эфире, одержала решительную победу над эмиссионной теорией. Первый удар по эмиссионной теории нанёс английский учёный-универсал Томас Юнг, в 1800 году разработавший волновую теорию интерференции (и ввёл сам этот термин) на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах.

Вначале теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время было глубоко изучено явление двойного лучепреломления и поляризации света, воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой модели (ничего не зная о Юнге) выступил Огюстен Жан Френель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций и математическую модель всех известных тогда свойств света (кроме поляризации), победил на конкурсе Парижской Академии наук (1818). Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовало, что при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На одном из следующих заседаний Френель и Араго продемонстрировали членам комиссии этот эффект, получивший название пятно Пуассона.

Юнг и Френель изначально рассматривали свет как упругие (продольные) колебания разрежённого, но чрезвычайно упругого эфира, подобные звуку в воздухе. Любой источник света запускает упругие колебания эфира, которые происходят с гигантской, нигде больше не отмеченной в природе частотой, благодаря чему достигается распространение их с колоссальной скоростью. Любое вещественное тело притягивает эфир, который проникает внутрь тела и сгущается там. От плотности эфира в прозрачном теле зависел коэффициент преломления света.

Комментарий

Интерференция света - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света. Конкретный вид такого распределения интенсивности света в пространстве или на экране, куда падает свет, называется интерференционной картиной.

Глава 6-1-7

Волновая теория света Томаса Юнга

В 1801-1803 годах Томас Юнг опубликовал две статьи, в которых изложил свои взгляды на проблемы оптической физики: Теория света и цветов и Опыты и исчисления, относящиеся к физической оптике. В указанных работах Юнг ввёл понятия физической оптики и световой волны, которые сам же и предложил.

Приняв волновую теорию света, Юнг согласился и с гипотезой эфира. Главной проблемой этой теории была невозможность обосновать реальность эфира, в результате Юнгу приходилось искать аргументы для этого. Доказательством он считал электрические явления:

Быстрое распространение электрического заряда показывает, что электрическая среда обладает упругостью такой величины, которую необходимо предположить для распространения света. Вопрос о том, должен ли электрический эфир рассматриваться как тот же световой эфир, если только такая жидкость существует, может быть, будет разрешён экспериментально; но до сих пор я, однако, не был в состоянии наблюдать, что преломляющая сила жидкости претерпевает какие-либо изменения под действием электричества.

Развивая взгляды Гюйгенса, Юнг выдвинул гипотезу, что свет есть волна в эфире. Характерно, что Юнг не ссылался ни на Гюйгенса, ни на Эйлера, имена которых были практически неизвестны для британских учёных. Занимаясь акустикой, он обратил внимание на усиление и ослабление звука при сложении звуковых волн и, обратившись к принципу суперпозиции, открыл интерференцию волн (1801 год). Юнг отказался от представления, что волны, налагаясь, способны только усиливаться. Он доказал возможность их ослабления и даже взаимоуничтожения при определённых условиях. Так появляются, например, кольца Ньютона.

Связав интерференцию с дифракцией, Юнг впервые произвёл измерения длины световой волны - основной величины оптической физики. Для красного света он получил 1/36 000 дюйма (0,7 ), для крайнего фиолетового - 1/60 000 (0,42 ). Это были первые в истории физики измерения длины световых волн, произведённые с приемлемой точностью.

Франсуа Араго так охарактеризовал достижения Юнга:

Самая странная из гипотез! Неожиданностью было видеть ночь среди ясного дня, в точках, которых свободно достигали солнечные лучи, но кто бы мог подумать, что свет, слагаясь со светом, может вызвать мрак!

Но в 1808 году Этьен Малюс описал явление поляризации света, которое в то время не могло быть объяснено волновой теорией. Томас Юнг писал Дэвиду Брюстеру:

Что касается моих основных гипотез о природе света, то я с каждым днём всё менее и менее расположен занимать ими свои мысли по мере того, как всё большее число фактов, вроде тех, которые открыл Малюс, доходит до моего сознания....

Забавная история

В 1816 году Араго и Гей-Люссак во время поездки в Англию навестили Юнга в Уортинге. Впоследствии Араго так описал эту встречу:

В 1816 г. я путешествовал по Англии в обществе своего учёного друга, господина Гей-Люссака. В это время Френель только начал свою научную карьеру, написав работу о дифракции. Работа эта, заключавшая, по нашему мнению, солидные данные, несовместимые с ньютоновской теорией света, естественно превратилась в основной предмет наших бесед с доктором Юнгом. Мы удивлялись многочисленным оговоркам, которые он вносил в наши похвальные отзывы, пока он не заявил нам, что опыт, захвативший наше внимание, ещё в 1807 г. приводился в его Натуральной философии. Это утверждение показалось нам безосновательным. Оно сделало спор наш долгим и детальным. ...Сознание собственной бестактности поразило нас лишь в тот момент, когда госпожа Юнг внезапно вышла. Мы уже начали рассыпаться в извинениях перед её супругом, когда она вернулась снова с огромным томом in quarto в руках. Это был первый том Натуральной философии. Она положила его на стол, открыла, ни слова не говоря, на странице 787 и указала пальцем рисунок, на котором теоретически доказывался криволинейный путь дифракционных полос, служивший предметом спора.

Френель немедленно вступил с Юнгом в переписку. После прочтения работ Френеля Юнг пришёл к выводу, что поляризация может быть исчерпывающе объяснена, если допустить, что световые колебания происходят перпендикулярно к распространению волны, а не вдоль, как считалось после Гюйгенса (в 1672 году эту теорию выдвинул Роберт Гук, но идея осталась незамеченной). О своём выводе Юнг сообщил Араго в частном письме 1817 года, и тогда же аналогичный вывод сделал и Френель. Свой мемуар он представил Французской Академии в 1821 году, что привело к спору о приоритете, длившемуся около десятилетия.

Глава 6-1-6

Томас Юнг

Томас Юнг (13 июня 1773 - 10 мая 1829 гг.) - английский учёный широкого профиля: физик (один из создателей волновой теории света (см. главу ххх), ввёл понятие механической энергии и представление о модуле упругости), механик, врач, астроном, филолог и востоковед. Учёный секретарь Королевского общества по переписке с заграницей (1804 - 1829 гг.).

0x01 graphic

Рис. Томас Юнг

С 1818 года Томас Юнг - секретарь Бюро долгот и редактор Морского альманаха. В англоязычном мире именно Юнг, а не Шампольон, считается дешифровщиком египетского письма. За широту интересов и фундаментальность вклада в науку биограф Эндрю Робинсон охарактеризовал Юнга как последнего человека, который знал всё.

У Томаса Юнга не было родственников с выдающимися способностями. Его отец - Томас-старший - был торговцем тканями из деревни Милвертон близ Тонтона в графстве Сомерсет; мать - Сара - также была дочерью местного торговца. Её дядя - доктор Ричард Броклсби - держал врачебную практику в Лондоне. Семья принадлежала к секте квакеров, известных суровым аскетизмом в быту и строгостью воспитания и поведения; вероятно, этим объяснялась холодность Юнга к своим родственникам. Однако квакеры стремились поднять своё социальное положение через интеллектуальный труд и всячески поощряли любые способности своих детей. Юнгу было присуще чувство собственного достоинства, иногда доходящее до самодовольства и определённый фанатизм в поступках.

Через несколько месяцев после рождения Юнга отдали деду по материнской линии купцу Роберту Дэвису. Дед, имевший классическое образование, первым распознал его экстраординарные способности. В два года Томас выучился читать - по Библии - и к четырёхлетию прочитал её дважды; кроме того, он увлёкся серьёзной поэзией Поупа и Голдсмита, множество стихов которых знал наизусть. К шестилетнему возрасту он прочитал Робинзона Крузо и Гулливера.

С точки зрения Э. Робинсона, Юнгу повезло, что его ранние годы прошли в квакерской среде, в которой культивировалась скромность; его гениальные способности не стали предметом эксплуатации или публичной демонстрации. До шести лет его образованием руководил сосед-священник, который не обладал особыми педагогическими талантами, но начал обучать Томаса латыни. Далее его отдали в пансион под Бристолем, в котором он провёл полтора года.

В 1782 году Томаса Юнга, которому не исполнилось и девяти лет, отдали в частный пансион в Комптоне (Дорсетшир), директор которого - Томпсон - разрешал ученикам самим планировать своё время и выбирать предметы для изучения. Здесь он освоил классическую филологию и с удовольствием читал на языке оригинала Вергилия, Горация, Ксенофонта и Гомера.

О способностях Юнга ходили многочисленные истории. Одна из наиболее известных связана с его поездкой в Лондон. Зайдя в книжную лавку, одетый в строгий чёрный костюм мальчик увлечённо листал некое редкое издание античных классиков. Книготорговец покровительственно предложил подарить ему книгу, если он сможет перевести хотя бы страницу. Юный Томас сходу перевёл текст с листа на литературный английский язык, после чего действительно получил книгу в дар.

Помимо успехов в гуманитарных дисциплинах, Юнг в равной степени развивался в естественнонаучной области. Его наставником стал младший учитель Джосайя Джефри, он предложил Томасу Лекции по естественной философии Бенджамина Мартина; Юнга особенно заинтересовал раздел об оптике.

Теория приливов

Джордж Пикок в биографии Юнга настаивал на его приоритете в разработке теории приливов, описанной в соответствующей статье. Она вышла в 1823 году и была подписана, но прошла незамеченной, поэтому королевский астроном сэр Джордж Эйри, писавший о приливах уже после кончины Юнга, был вынужден признать его приоритет постфактум. Юнг отказался от ньютоновского восприятия Земли как идеального шара, покрытого водой, на которую действуют только силы тяготения между Солнцем и Луной. Он различал вынужденные колебания воды, вызванные гравитационным воздействием небесных тел, и естественные, возникающие в океанической толще.

Морской альманах

Парадокс: врач, отмеченный достижениями в разных областях физики, получил государственное признание как астроном. В 1818 году совет Британского Адмиралтейства назначил Юнга секретарём Бюро долгот и суперинтендантом Морского альманаха (Nautical Almanac). В автобиографии Юнг отмечал, что его долгое время держали в неведении, а о своём назначении - через парламентский акт - он узнал из газет. Должность не была обременительной и приносила солидный доход: Юнгу положили жалованье в 400 фунтов в год (26 340 фунтов в ценах 2015 года), а он совместно с другими членами должен был рассматривать целесообразность мер для развития военно-морского флота. В 1820 году Юнг стал одним из главных лоббистов устройства постоянной обсерватории на Мысе Доброй Надежды, причём она должна была работать над теми же темами, что и Гринвичская обсерватория. Юнг сам написал инструкцию для вновь открываемого заведения.

В связи с назначением Юнг опубликовал несколько работ по астрономии. Тематика их была самой разнообразной: Наблюдение светящегося метеора (1818 г.), Исследование поправок в положении звёзд на аберрацию и нутацию (1820 г.), серия статей о рефракции, статьи об астрономических представлениях древних народов (1822), теории приливов и т. д. В 1821 году вышла в свет его монография Элементарная иллюстрация небесной механики Лапласа - одна из первых научно-популярных книг на английском языке.

Основные хлопоты пали на Юнга в связи с изданием Морского альманаха. С одной стороны, это было фундаментальное практическое издание, известное далеко за границами Англии, с другой, астрономы-профессионалы требовали превращения альманаха в астрономический справочник. Юнг не решился на коренную реформу, поскольку полагал, что издание Адмиралтейства должно быть пособием для практической навигации, моряки военного и торгового флотов астрономией интересовались мало и новые данные были для них бесполезны (если погода не позволяла видеть звёзд, не были нужны и планетные данные). Он, однако, добавил в издание таблицы расстояний до Луны и четырёх планет. За нежелание реформировать издание он подвергся критике со стороны астронома-наблюдателя Ф. Бэйли, а позднее и Астрономического общества в целом.

Глава 6-1-7

Открытие поляризованных световых волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 году датский учёный Расмус Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO₃), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через двадцать лет после опытов Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).

В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой упорядоченный свет он назвал поляризованным.

В 1810 году Малюс открыл закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора. В том же году он создал количественную корпускулярную теорию поляризации света, объяснившую все известные к тому времени поляризационные явления: двойное лучепреломление света в кристаллах, закон Малюса, поляризацию при отражении и преломлении. Несколькими годами позже Био открыл вращение плоскости поляризации, которое сам же и объяснил на основе теории Малюса.

Первым астрофизическим прибором стал полярископ, изобретенный выдающимся французским физиком и астрономом Д.Ф.Ж. Араго (1786-1853 гг.). Принцип его работы был основан на наблюдении хроматической поляризации света, открытую им же. С помощью своего полярископа Араго доказал, что солнечная фотосфера испускает неполяризованный свет и, таким образом, это не что иное, как нагретый самосветящийся газ. Впервые дав правильный и достаточно убедительный ответ на важный вопрос: что собой представляет ослепительная поверхность Солнца.

0x01 graphic

Рис. Поляризация свете

Явление поляризации считалось доказательством корпускулярной теории света и опровержением волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию можно объяснить, предположив, что эфир совершает поперечные колебания. В 1817 году ту же гипотезу выдвинул Юнг. В 1821 году Френель создал волновую теорию поляризации света.

Исследование поляризации солнечного света проводилось всю первую половину XIX века. Однако поляризация оказалась явлением, сложно и неоднозначно связанным с состоянием излучающего вещества, и сама потребовала изучения. Это приглушило в дальнейшем почти на столетие использование феномена поляризации в приборах, анализирующих излучение небесных тел.

Глава 6-1-8

Этьенн Луи Малюс

Этьенн Луи Малюс (23 июля 1775 - 23 февраля 1812 гг.) - французский инженер, физик и математик.

В 1793 году Малюс поступил в Инженерное училище в Мезьере, которое, однако, принужден был вскоре оставить; перейдя в Политехническое училище, он под руководством Гаспара Монжа деятельно занялся изучением математических наук. По окончании училища, в 1796 году, Малюс поступил в действующую армию и принимал участие в экспедиции Наполеона в Египет. В 1802 - 1803 году работал на фортах в Лилле, затем в других крепостях. С 1806 по 1809 гг. был помощником начальника крепости Страсбург.

Затем был призван в Париж, где занял должность экзаменатора при Политехническом училище. Работы его относятся почти исключительно к оптике; первые исследования (1800-1807 гг.) по аналитической оптике не представляют интереса, так как изложены с точки зрения ньютоновой теории света.

0x01 graphic

Рис. Этьенн Луи Малюс

Малюс до конца своей жизни был ярым приверженцем теории эмиссии (ньютоновой теории света). Явление поляризации он объяснял тем, что частицы света имеют полюсы, как магниты. В обычном свете полюсы разных частиц направлены беспорядочно. При поляризации отсортировываются лишь частицы света с определёнными направлениями полюсов. От слова полюс Малюс придумал название явления: Поляризация света.

Глава 6-1-9

Жан-Батист Био

Жан-Батист Био (21 апреля 1774 - 3 февраля 1862 гг.) - французский учёный, физик, геодезист и астроном.

Член Парижской академии наук (1803 год), Французской академии (1856 год), иностранный член Лондонского королевского общества (1815 год), почётный член Петербургской академии наук (1819 год).

0x01 graphic

Рис. Жан-Батист Био

Родился в семье сына министра финансов Франции. Отец синолога Эдуарда-Констана Био. После блестящего окончания курса в Лицее Людовика Великого 19-летний Био поступил на военную службу и участвовал в действиях Северной армии. В сентябре 1794 года Конвентом был утверждён закон об организации школы, получившей впоследствии название Политехнической школы. Вернувшись из армии, Био поступил в числе первых слушателей в эту школу. Политические страсти того неспокойного времени проникли и в Политехническую школу и мешали правильному ходу занятий. Ученики школы принимали участие 13 вандемиера IV года в бунте против правительства и были арестованы. Био угрожало по меньшей мере исключение, благодаря заступничеству главы Политехнической школы Монжа эта опасность была устранена.

После успешного окончания курса наук Батист был назначен профессором в Центральную школу в Бове, а в 1800 году занял кафедру математической физики в Коллеж де Франс и выбран в члены-корреспонденты математического отделения Института. Основаниями к его выбору послужили тринадцать работ и сочинение Анализ небесной механики Лапласа (Париж, 1808 год).

Когда Институт был приглашён участвовать в провозглашении Наполеона Бонапарта императором, Био смело протестовал против вмешательства учёного общества в чисто политические дела.

В августе 1804 года Био и Гей-Люссак поднимались на воздушном шаре, достигнув высоты 3400 метров. В следующем году он сопровождал Декандоля и Бонплана в горы Юра и Альпы, а в 1806 году вступил в число членов Бюро долгот. Био отправился в Испанию в сопровождении молодого тогда учёного Араго для окончания геодезических измерений дуги меридиана, проходящего через Францию и Балеарские острова. Эта работа, закончившаяся измерением большого треугольника, соединяющего острова Ивису и Форментеру с берегом Испании, сопровождалось большими неприятности из-за политической ситуации в Европе.

В 1808 и 1809 годах Био определил длину секундного маятника в Бордо и Дюнкирхене. В 1809 году он был назначен профессором астрономии.

В 1817 году Био совершил поездку в Шотландию, в том числе на Шетландские острова, с геодезической опять же целью; в следующем году для продолжения той же работы он опять ездил в Дюнкирхен, а в 1824 и 1825 годах - в Италию, Сицилию, Форментеру и Барселону. Важные заключения, к которым привело его изучение всех данных, полученных им во время его вышеперечисленных поездок, заключались в том, что действие земного притяжения не одинаково на одной и той же параллели и что оно изменяется неравномерно вдоль одного и того же меридиана. Эти результаты были изложены им в Записке о фигуре Земли.

Био был замечательным физиком. Особого внимания заслуживают его исследования некоторых случаев поляризации света.

Важнейшие открытия Био в оптике:

- свойство турмалина раздваивать лучи света, поляризовать их и поглощать один из них;

- законы вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света кварцем и различными жидкостями.

Его гипотезы для объяснения явлений поляризации света, дополняющие ньютоновскую теорию света, необыкновенно остроумно придуманы. Сам Био хотя и признавал успехи своих противников, но не сдался на их доводы и не признал волнообразных колебаний эфира даже и в третьем издании своей Физики.

Было бы трудно перечислить все двести пятьдесят или триста научных, литературных и биографических трудов, статей и заметок, написанных Био.

Из отдельно изданных трудов надо отметить: Mmoire sur la vraie constitution de l'atmosphre terrestre (Париж, 1841); Tables baromtriques portatives (1811); Discours sur Montaigne (1812); Lettres sur l'approvisionnement de Paris et sur le commerce de grains (Париж, 1835).

Последний по времени его труд (1861 год) - исторические исследования астрономии древней Индии и Китая.

Разнообразие сочинений Био показывает, как много вопросов и предметов занимали его, и он был вправе сказать в старости: Я любил многое в течение моей жизни.

В 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Био кратеру на видимой стороне Луны.

В честь Био названа редко используемая единица силы тока био в системе единиц СГСБ (сантиметр-грамм-секунда-био).

В честь учёного был назван также минерал биотит.

Глава 6-1-10

Доминик Франсуа Жан Араго

Доминик Франсуа Жан Араго (26 февраля 1786 года - 2 октября 1853 года) - французский физик, астроном и политический деятель; брат Жака Араго и Этьена Араго. Член Французской академии наук с 1809 года.

Доминик Франсуа Жан Араго родился в Эстажеле, близ Перпиньяна. В возрасте восемнадцати лет поступил в Политехническую школу, а в 1806 году получил место секретаря в Бюро долгот.

Вместе с Жаном-Батистом Био и испанскими комиссарами Шэ и Родригесом продолжал измерение меридиана на пространстве от Барселоны до острова Форментеры, начатое Деламбром и Мешеном, и был на Майорке как раз в то время, когда в Испании началось восстание против Наполеона. Там Араго был арестован и провёл несколько месяцев в заключении в Бельверской цитадели вблизи Пальмы. Освободившись, он пытался переправиться в Алжир, чтобы оттуда переплыть в Марсель на алжирском корабле, но корабль захватил испанский крейсер, и Араго доставили в форт Росас. По ходатайству алжирского дея он был освобождён и снова пытался возвратиться в Марсель, но вблизи самой гавани поднялась буря, и корабль Араго прибило волнами к сардинскому берегу, откуда, однако, ему удалось добраться до Алжира. Но прежний дей уже был убит, а новый правитель внёс Араго в список рабов и использовал его как переводчика на судах корсаров. Только в 1809 году, по неоднократному ходатайству французского консула, Араго получил свободу и, наконец, достиг Марселя, едва спасшись от преследования английского фрегата. Несмотря на все приключения, Араго сумел сберечь результаты своих наблюдений, которые он представил в труде Recueil d'observations godsiques, astronomiques et physiques.

Вскоре после этого, в возрасте всего лишь 23 лет, он был избран в Академию наук на освободившееся место Лаланда и назначен Наполеоном I профессором Политехнической школы, где преподавал до 1831 года математический анализ в геодезии. Позднее он занимался главным образом астрономией, физикой (в особенности поляризацией света, гальванизмом и магнетизмом), метеорологией и физической географией.

Заслуги Араго в различных областях науки огромны. Самым плодотворным периодом его деятельности было время с 1811 по 1824 годы. В течение этих тринадцати лет Араго:

- Открыл поляризацию рассеянного света неба.

- Произвёл точные наблюдения над перемещением цветных полос, происходящих от встречи двух лучей, из которых один проходит через тонкую прозрачную пластинку.

- Экспериментально подтвердил существование светлого пятна в центре геометрической тени непрозрачного объекта (пятно Пуассона-Араго), что стало одним из решающих доказательств правильности теории дифракции, разработанной Френелем.

- Установил связь между полярными сияниями и магнитными бурями.

- Находясь в Гринвиче, заметил так называемый магнетизм вращения - действие вращающейся металлической пластинки на магнитную стрелку.

До конца жизни Араго не переставал делать крайне важные и полезные открытия. Так, открыв цветную поляризацию, он изобрёл полярископ, фотометр, цианометр и множество других полезных приборов для изучения оптических явлений.

0x01 graphic

Рис. Доминик Франсуа Жан Араго

Свои наблюдения над цветной поляризацией он с успехом применил к изучению света, атмосферы и солнца и открыл так называемую среднюю точку поляризации (точку, в которой поляризация незаметна). Араго применил интерференцию света к объяснению сверкания звёзд; эта теория приведена Гумбольдтом в 4-м томе его Путешествия в равноденственные страны.

Когда в 1835 году Уитстон, исследуя скорость электричества и света, построил остроумный прибор из вращающихся зеркал, Араго быстро сообразил, что подобным устройством можно определить скорость света, и представил в 1838 году план новых опытов. Механик Бреге занялся изготовлением этих приборов, но тут встретилось множество затруднений, и только в 1850 году ему удалось добиться удовлетворительных результатов, но к этому времени у Араго сильно ослабло зрение, так что он не мог приняться за опыты.

На заседании Института 29 апреля 1850 года он откровенно заявил: я принуждён ограничиться только изложением задачи и указанием на верные способы её решения. Два талантливых физика - Физо и Фуко - не замедлили воспользоваться его ценными указаниями, определили скорость света в атмосфере и в своих докладах Академии наук, в 1850 и 1851 годах, дали твёрдые основы теории света, опровергнув существовавшую гипотезу истечения.

Многочисленные открытия и работы Араго изложены в его сочинениях, которые разделены Гумбольдтом на 5 частей: астрономические (особенно известна среди них Общепонятная астрономия, или изложение публичных астрономических лекций Араго, которые он проводил с 1812 до 1845 годов, переведённая на русский язык), а также труды по оптике, электромагнетизму, метеорологии и физической географии.

В 1806 году Араго точно измерил парижский меридиан, определённый в 1718 году Жаком Кассини. Этот меридиан являлся до 1884 года общепринятым нулевым меридианом. Он проходит через Парижскую обсерваторию и обозначен по всему Парижу с помощью столбиков, а также специальных отметок (бронзовых Араго-медальонов, названных так в честь знаменитого физика) на мостовых, тротуарах и зданиях, в том числе и на Лувре.

Араго первым объявил о создании фотографии, прочитав доклад о работах Дагера и Ньепса 7 января 1839 года на заседании Французской академии наук.

Причастен к открытию Нептуна - участвовал в научной переписке с ведущими учёными о проблеме возмущений орбиты планеты Уран; летом 1845 года как директор Парижской обсерватории и глава французской астрономии того времени обратился к У. Ж. Ж. Леверье, предложив заняться проблемой Урана и произвести математический анализ движения этой планеты. Фраза Араго о Нептуне планета, открытая на кончике пера стала крылатой.

Значительный интерес представляет его автобиография, в которой Араго проявляет себя идеально честным, беспристрастным, твёрдым человеком и гражданином, каким он и был в самом деле, по свидетельству его биографов-современников.

После государственного переворота 2 декабря 1851 года Араго занял место директора обсерватории, несмотря на то, что отказался принести новому правительству Наполеона III должностную присягу, от которой и был освобождён.

В честь Араго назван астероид (1005) Араго, открытый в 1923 году, и кратер Араго на Луне.

Глава 6-1-11

Огюстен Жан Френель

Огюстен Жан Френель (фр. Augustin-Jean Fresnel; 10 мая 1788 г. - 14 июля 1827 г.) - французский физик, один из создателей волновой теории света.

0x01 graphic

Рис. Огюстен Жан Френель

Френель родился в Брогли (департамент Эр) в старой Нормандии. Его отец был архитектором, а мать, урожденная Мериме, была двоюродной сестрой писателя Проспера Мериме. Он получил строгое католическое воспитание. Однако сам Френель не имел никаких гуманитарных наклонностей. Сначала он вообще не проявлял интереса к учению. Читать научился только к восьми годам. Но ему удалось получить хорошее математическое образование - в 1806 году Френель окончил Политехническую школу. А в 1809 году еще и Школу мостов и дорог в Париже. В период 100 дней (временное возвращение Наполеона из ссылки) работал инженером, после чего лишился работы как участник военных действий. Впоследствии перешёл на службу в Политехническую школу.

Почти всю жизнь он провел в трудных материальных и бытовых условиях, работал в одиночестве. Лишь изредка ему помогал брат. Не имея лаборатории и достаточных средств на покупку оборудования, он ухитрялся мастерить приборы из простейших доступных приспособлений и делал с их помощью высокоточные измерения.

Скончался Огюстен Жан Френель в Виль-д'Аврэ (департамент О-де-Сен) в возрасте 39 лет от туберкулёза.

Основные работы Френеля были посвящены физической оптике, которую стал изучал самостоятельно после ознакомления с работами Э. Малюса. Также самостоятельно начал проводить эксперименты по оптике. Френель начал свои оптические исследования в 1814 году, не имея представления о ранее проделанных работах Юнга. В 1815 году переоткрыл принцип интерференции, проделав по сравнению с Томасом Юнгом несколько новых опытов (в частности опыт с бизеркалами Френеля). В 1816 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентной интерференции элементарных волн, излучаемых вторичными источниками (принцип Гюйгенса - Френеля).

Вплоть до 1818 года все его исследования опираются на представления о продольных световых колебаниях. В 1817 году Френель узнаёт об идее Юнга, связанной с необходимостью рассмотрения поперечных колебаний. начиная с 1818 - 1819 годов, исследования Френеля опираются уже исключительно на представления о поперечных волнах.

Исходя из принципа Гюйгенса-Френеля, в 1818 году Френель разработал теорию дифракции света, на основе которой предложил метод расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (так называемые зоны Френеля). С помощью этого метода рассмотрел задачу о дифракции света на краю полуэкрана и круглого отверстия. В 1821 году независимо от Томаса Юнга доказал поперечность световых волн. В 1823 году установил законы изменения поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрёл несколько новых интерференционных приборов (зеркала Френеля, линза Френеля).

В 1823 году Френель был избран членом Парижской академии наук, в 1825 году - иностранным членом Лондонского королевского общества. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

К 1819 году закончен первый, удостоенный премии Академии Наук, мемуар Френеля по дифракции и интерференции, где, в частности, Френель строго доказывает, что последовательное применение волновой картины ведет к прямолинейности световых лучей. Рассматривая по Гюйгенсу все точки сферического светового фронта как источники новых сферических волн, он показывает, что вторичные волны гасятся во всех направлениях, кроме того единственного, который отвечает направлению светового луча. Таким образом, пало главное возражение против волновой оптики. В этом же мемуаре Френель разрабатывает математический аппарат для описания интерференции и дифракции.

В 1822 году Френелем представлен в Академию мемуар о двойном преломлении световых лучей в кристаллах. В 1821 - 1825 годах разработан, а в 1826 году опубликован второй мемуар о двойном лучепреломлении, являющийся изложением новой науки - кристаллооптики.

Комментарий

Дифракция Френеля. Свет от источника проходит через непрозрачный экран с круглым отверстием. Изображение фиксируется на другом экране. Вследствие дифракции свет, проходящий через отверстие, расходится, поэтому область, которая была затемнена по законам геометрической оптики, будет частично освещённой. В области, которая при прямолинейном распространении света была бы освещённой, наблюдаются колебания интенсивности освещения в виде концентрических колец.

Глава 6-1-12

Гипотезы о свойствах эфира

Непонятен оставался механизм действия поляризации. Наступило время, когда от наблюдений стали переходить к исследованиям. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Юнг в это время тоже пришёл к такой идее. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. В 1822 - 1826 годах Френель представил мемуары с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни.

Интерес и доверие к концепции эфира в XIX веке резко возросли. Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же представляет собой эфир?

Когда выяснилось, что световые колебания строго поперечны, встал вопрос о том, какими свойствами должен обладать эфир, чтобы допускать поперечные колебания и исключить продольные. Для моделирования поведения эфира как вязкой жидкости были составлены системы дифференциальных уравнений в частных производных. Они были названы по имени французского физика Анри Навье и британского математика Джорджа Стокса. Впервые уравнение Навье - Стокса было получено Навье (1822 год, для несжимаемой жидкости) и Пуассоном (1829 год, для сжимаемой жидкости), которые исходили из современных им представлений о молекулярных силах. Позже общий вывод уравнения был дан Сен-Венаном и Стоксом.

Уравнения Навье - Стокса до сих пор являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании природных явлений и технических задач.

Анри Навье в 1821 году получил общие уравнения распространения возмущений в упругой среде. Теория Навье была развита О. Л. Коши (1828), который показал, что, вообще говоря, продольные волны также должны существовать.

Решения этих уравнений давали общее представление о возможных и необходимых свойствах эфира. На основании их Френель выдвинул гипотезу, согласно которой эфир несжимаем, но допускает поперечные сдвиги. Такое предположение трудно было согласовать с необходимой для теории полной проницаемостью эфира по отношению к веществу. Д. Г. Стокс предположил, что эфир подобен смоле: при быстрых деформациях (таких как излучение света) он ведёт себя как твёрдое тело, а при медленных (например, при движении планет) пластичен. В 1839 году Коши усовершенствовал свою модель, создав теорию сжимающегося (лабильного) эфира, позднее доработанную У. Томсоном.

Для того, чтобы все эти математические модели не рассматривались как чисто теоретические, необходимо было попытаться вывести из них основные эффекты волновой оптики. Однако подобные попытки оказались безуспешными. Френель предположил, что эфир состоит из частиц, величина которых сравнима с длиной световой волны. При этом дополнительном предположении Коши удалось обосновать явление дисперсии света. Однако попытки связать френелевскую теорию преломления света с какой-либо моделью эфира закончились неудачно.

Часть 6-2

Термодинамика

Содержание

Глава 6-2-1. Возникновение термодинамики

Глава 6-2-2. Юлиус Роберт фон Майер

Глава 6-2-3. Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус

Глава 6-2-4. Закон сохранения энергии

Глава 6-2-5. Понятие энергии

Глава 6-2-6. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц

Глава 6-2-7. Первое начало термодинамики

Глава 6-2-8. Второе начало термодинамики

Глава 6-2-9. Энтропия

Глава 6-2-10. Тепловая смерть Вселенной

Глава 6-2-11.

Критика гипотезы о Тепловой смерти Вселенной

Глава 6-2-12. Третье начало термодинамики

Глава 6-2-13. Нулевое начало термодинимики

Глава 6-2-14. Томсон, Уильям (лорд Кельвин)

Глава 6-2-15. Татьяна Алексеевна Афанасьева-Эренфест

Глава 6-2-1

Возникновение термодинамики

К середине XIX века естественные науки стали быстро развиваться. Внимание общества к ним усиливалось в связи с выдающимися успехами науки в познании природы, которые удавалось использовать в практической деятельности. Это относилось, прежде всего, к физике и биологии. Эволюционные идеи, внесенные в биологию Ж. Б. Ламарком, и теория эволюции, созданная Чарльзом Дарвином, оказали значительное влияние на развитие и других наук - даже гуманитарных, например, истории. Метафизические взгляды на природу стали заменяться эволюционными представлениями. Созданная в XVIII веке механистическая система мира оказалась недостаточной для описания мира. В том числе, для понимания процессов, происходящих на небесных телах.

Для астрономии важнейшим разделом физики в XIX веке оказалась термодинамика - новая эмпирическая наука, изучающая наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам. Процессы описываются с помощью макроскопических величин: температуры, давления, концентрации компонентов.

В этот период был установлен принцип наименьшего действия и получили обоснование использовавшиеся механикой математические методы. В физику вошло понятие о теплоте как фундаментальное понятие, расширявшее представления о законах природы. Количеством теплоты или просто теплотой называется энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена.

Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру - термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

Во второй половине XVIII века появились первые паровые машины, приведшие, ставшие символом промышленной революции. Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу показал, что поток тепла между телами неодинаковой температуры может обеспечить механическое движение, то есть производить работу и установил максимальный коэффициент полезного действия любых тепловых машин.

Принято считать, что термодинамика как наука ведёт своё начало именно с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам. Но еще в 1822 году вышла классическая работа Жана-Батиста Фурье Аналитическая теория тепла, посвящённая вопросам теплопроводности.

Было установлено, что внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой.

В 40-х годах 19 века Роберт Майер и Джеймс Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. Герман Гельмгольц ввел понятие потенциальной и кинетической энергии. В 50-е годы Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон (лорд Кельвин) систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.

В 1906 году Вальтер Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.

Глава 6-2-2

Юлиус Роберт фон Майер

Юлиус Роберт фон Майер (25 ноября 1814 - 20 марта 1878 гг.) - немецкий медик и естествоиспытатель.

0x01 graphic

Рис. Юлиус Роберт фон Майер

Родился в Хайльбронне, в семье немца-аптекаря. Изучал медицину в Тюбингене, Мюнхене и Париже.

В 1840 году в качестве судового врача Майер совершил путешествие на остров Ява. Во время лечения матросов кровопусканием он обратил внимание на то, что венозная кровь у них светлее, чем у людей в северных широтах, и приближалась по яркости к артериальной. Кровь, выпускаемая из ручной вены, - заметил он, - отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию. Тогда Майер предположил, что температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной... Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме. Говоря простым языком, по разнице в цвете крови можно понять, сколько кислорода потребил (т. е. сжёг) организм.

В 1842 году Майер опубликовал в журнале Анналы химии и фармации свою работу Замечания о силах неживой природы. В ней он указал на эквивалентность затрачиваемой работы и производимого тепла и тем самым обосновал первый закон термодинамики; там же он впервые рассчитал, исходя из теоретических оснований, механический эквивалент тепла.

Работа эта долго оставалась незамеченной, и лишь в 1862 году Р. Клаузиус и Дж. Тиндаль обратили внимание на это исследование Майера и на последующие его труды, полные местами не вполне точных, но весьма остроумных примеров и идей, касающихся закона сохранения энергии в неодушевлённой и одушевлённой природе.

Осенью 1851 года Майер заболел воспалением мозга, в результате чего его поместили сначала в частный сумасшедший дом, а затем в казённую психиатрическую больницу с ужасным режимом. При этом сам учёный не считал себя душевнобольным. Имеются свидетельства того, что родственники насильно отправили его в сумасшедший дом, из которого он был выпущен в 1853 году.

Работы Майера были изданы в 1867 году (Mechanic der Wrme) и 1871 году (Naturwissenschaftliche Vortrge). Оценка заслуг учёного в создании механической теории тепла в своё время вызвала ожесточенную полемику между Р. Клаузиусом, Дж. Тиндалем, Дж. Джоулем и Е. Дюрингом, что отражено в весьма пристрастном сочинении Дюринга Robert M. der Galilei des XIX Jahrhunderts (Хемниц, 1879), а также работах Клаузиуса Wrmetheorie и Тиндаля Теплота, рассматриваемая как род движения.

Глава 6-2-3

Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус

Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (2 января 1822 - 24 августа 1888 гг.) - немецкий физик, механик и математик.

0x01 graphic

Рис. Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус

Университетское образование Клаузиус получил в Берлине.

Первая работа Клаузиуса по механической теории тепла была опубликована в 1850 году. В этом же году в сентябре он получил приглашение на должность профессора в Берлинскую Королевскую артиллерийскую инженерную школу. С 1855 года - занимал кафедру математической физики в Швейцарской Политехнической школе, тогда же получил назначение в университет Цюриха. В 1867 году он принял приглашение на должность профессора в Вюрцбургском университете, а с 1869 года был профессором в Бонне.

19 мая 1865 года за научные исследования был избран членом-корреспондентом Французской академии наук (секция механики).

Славу Клаузиусу создали его работы по теоретической термодинамике, благодаря трудам Клаузиуса, одновременно с работами Джоуля, Гельмгольца и Ренкина, термодинамика получила статус науки.

В работе О движущей силе теплоты и о законах, которые можно отсюда получить для теории теплоты, опубликованной в 1850 г., Клаузиус исправил теорию тепловых двигателей Карно, сформулированную автором в терминах теплорода, в соответствии с работами Джоуля о механическом эквиваленте теплоты, и сформулировал утверждение, которое позднее назвал тепловой аксиомой: Теплота сама собой не может переходить от тела холодного к телу горячему. Тепловая аксиома Клаузиуса стала первой формулировкой второго начала термодинамики, ныне известной сейчас как формулировка Клаузиуса. В ряде последующих работ по механической теории тепла Клаузиус уточнил свою формулировку второго начала и доказал несколько новых теорем, носящих теперь его имя.

В 1854 году Клаузиус сформулировал свое неравенство: Количество теплоты, полученное системой при любом круговом процессе, делённое на абсолютную температуру, при которой оно было получено (приведённое количество теплоты), неположительно.

В 1865 году появилась работа О различных удобных для применения формах второго начала математической теории теплоты, в которой Клаузиус ввёл важнейшее для термодинамики понятие энтропии.

Благодаря ясности изложения Клаузиуса механическая теория тепла в самом начале своего развития стала применяться и к объяснению явлений из совершенно другой области научного знания.

Кроме указанных исследований, Клаузиус известен также работами по упругости тел, по оптике и динамическому электричеству.

Труды Клаузиуса по механической теории тепла появлялись в форме статей в Poggendorffs Annalen (1848 - 1862 гг.) и собраны в классическом Abhandlung ber die mechanische Wrmetheorie (Braunschweig, 1864-67, 2 т.; последнее издание в 1887 г.).

Статьи, касающиеся других областей физики и математики, Клаузиус печатал во многих журналах.

В 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Рудольфа Клаузиуса кратеру на видимой стороне Луны.

Глава 6-2-4

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда закономерность, его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

С фундаментальной точки зрения закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимости законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле этот закон является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря, различающимся для разных систем.

В различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Возможен переход энергии из одного вида в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Однако, из-за условности деления энергии на различные виды, такое деление не всегда может быть произведено однозначно.

Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый в 1807 году. Пытаясь доказать, что теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту и обнаружил, что при этом его температура не изменяется. Однако объяснить этот факт ему не удалось.

В начале XIX века рядом экспериментов было показано, что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся в том, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии.

Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменялось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путём перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменяется, то, следовательно, работа и тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме:

Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам.

Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должна сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце:

Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе.

Свои мысли Роберт Майер изложил в работе 1841 года О количественном и качественном определении сил, которая была опубликована в Annalen der Chemie und Pharmacie, где оставалась незамеченной до 1862 года, когда её обнаружил Рудольф Клаузиус.

Глава 6-2-5

Понятие энергии

Рассуждения Роберт Майера и опыты Джеймса Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершённой работе и наоборот, однако, формулировку в точных терминах закону сохранения энергии первым дал Герман Гельмгольц, который связал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей. В своих рассуждениях он шёл от механистической концепции устройства материи, представляя её как совокупность большого количество материальных точек, взаимодействующих между собой посредством центральных сил. Исходя из такой модели, Гельмгольц свёл все виды сил (позднее получивших название видов энергии) к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде:

Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна.

В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения - потенциальную. Мерой произведённой работы Гельмгольц предложил считать половину величины mq« (где m - масса точки, q - её скорость).

Таким образом, главным нововведением Гельмгольца стало введение понятия потенциальных сил и потенциальной энергии, что позволило в дальнейшем обобщить закон сохранения энергии на все разделы физики. В частности, опираясь на закон сохранения энергии, он вывел закон электромагнитной индукции Фарадея.

Переход от понятия живой силы к понятию энергии произошёл в начале второй половине XIX века и был связан с тем, что понятие силы уже было занято в ньютоновской механике. Само понятие энергии в этом смысле было введено ещё в 1807 году Томасом Юнгом в его Курсе лекций по естественной философии и механическому искусству (англ. A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts). Первое строгое определение энергии дал Уильям Томсон в 1852 году в работе Динамическая теория тепла:

Под энергией материальной системы в определённом состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние.

Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию XIX века.

С именем Роберта Майера связано возникновение так называемого естественнонаучного энергетизма - мировоззрения, сводящего всё существующее и происходящее к энергии, её движению и взаимопревращению. В частности, материя и дух в этом представлении являются формами проявления энергии. Главным представителем этого направления энергетизма является немецкий химик Вильгельм Оствальд, высшим императивом философии которого стал лозунг Не растрачивай понапрасну никакую энергию, используй её!

Глава 6-2-6

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (31 августа 1821 - 8 сентября 1894 гг.) - немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик.

Член Прусской академии наук (1871 год; член-корреспондент с 1857 года), иностранный член Лондонского королевского общества (1860 год), иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1868 год).

0x01 graphic

Рис. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц

Родился 31 августа 1821 года в Потсдаме, близ Берлина, где его отец Фердинанд Гельмгольц служил учителем гимназии; мать его Каролина, урождённая Пенн, происходила из английской семьи, переселившейся в Германию. Герман фон Гельмгольц получил первоначальное образование в Потсдамской гимназии, а затем в 17 лет поступил студентом в королевский медико-хирургический институт, который окончил в 1842 году, защитив докторскую диссертацию De fabrica systematis nervosi evertebratorum.

Обязательной для выпускников королевского медико-хирургического института была восьмилетняя военная служба, которую Гельмгольц проходил с 1843 года в Потсдаме, в качестве военного врача. В 1847 году Гельмгольц пишет свою знаменитую книгу ber die Erhaltung der Kraft и по рекомендации Александра Гумбольдта в 1848 году ему разрешено преждевременно оставить военную службу и возвратиться в Берлин, чтобы занять место в Академии художеств в качестве преподавателя анатомии; одновременно Гельмгольц становится ассистентом при анатомическом музее.

В 1849 году по рекомендации своего учителя, знаменитого физиолога Иоганна Мюллера, он был приглашён на должность профессора физиологии и общей анатомии в Кёнигсберг. В 1855 году Гельмгольц переехал в Бонн, где руководил кафедрой анатомии и физиологии, с 1858 года - кафедрой физиологии в Гейдельберге.

В Гейдельберге Гельмгольц оставался до 1871 года, когда по приглашению Берлинского университета возглавил вакантную, после смерти известного профессора физики Густава Магнуса, кафедру физики. После Магнуса Гельмгольц получил в наследие маленькую и неудобную лабораторию; она была первой в Европе по времени основания, а он - вторым по времени её руководителем. В маленькой лаборатории ему было тесно и неуютно, и тогда при содействии правительства он выстроил в 1877 году дворец науки, именуемый ныне Физическим институтом Берлинского университета, которым управлял до 1888 года, когда германский Рейхстаг основал в Шарлоттенбурге большое учреждение - физико-техническое имперское ведомство (Physicalish-Technische Reichsanstalt) и назначил Гельмгольца его президентом.

Таким образом, деятельность Гельмгольца как профессора разделяется на деятельность профессора физиолога до 1871 года и профессора физики с 1871 до 1894 года.

В 1888 году император Германии Фридрих III возвёл его в дворянское достоинство, а в 1891 году уже император Вильгельм II пожаловал его чином действительного тайного советника, титулом Excellenz и орденом Чёрного Орла. В том же 1891 году удостоился высшей награды Франции - звезды ордена Почётного легиона. Город Берлин избрал его своим почётным гражданином.

В своих первых научных работах при изучении процессов брожения и теплообразования в живых организмах Гельмгольц приходит к формулировке закона сохранения энергии. В его книге О сохранении силы (1847) он формулирует закон сохранения энергии строже и детальнее, чем Роберт Майер в 1842 году, и тем самым вносит существенный вклад в признание этого оспариваемого тогда закона. Позже Гельмгольц формулирует законы сохранения энергии в химических процессах и вводит в 1881 году понятие свободной энергии - энергии, которую необходимо сообщить телу для приведения его в термодинамическое равновесие с окружающей средой. Показав универсальность законов сохранения, не оставил места для концепций некой особой жизненной силы, якобы управляющей организмами.

Много работ посвятил Гельмгольц обоснованию всеобщности принципа наименьшего действия (например, по отношению к тепловым, электромагнитным и оптическим явлениям), вскрыв также связь этого принципа со вторым началом термодинамики.

Автор ряда трудов в области физиологии - о нервной и мышечной системе. Гельмгольц обнаружил теплообразование в мышце (1845 - 1847 гг.), изучил процесс мышечного сокращения (1850 - 1854 гг.), измерил скорость распространения возбуждения в нервах (1850 г.)

В 1856 году определил возраст Земли в 22 миллиона лет.

В 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Гельмгольца кратеру на видимой стороне Луны.

Глава 6-2-7

Первое начало термодинамики

Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свое, отличающееся от универсального, определение. Например, в классической механике известен закон сохранения механической энергии, в термодинамике - первое начало термодинамики, а в электродинамике - теорема Пойнтинга.

Первое начало термодинамики был сформулирован в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Роберта Майера, распространившего закон сохранения механической энергии сначала на термические (1842 г.), а затем (1845 г.) и на все немеханические явления, английского физика Джеймса Джоуля (1843 г.), экспериментально обосновавшего новый закон, и немецкого физика Германа Гельмгольца (1847 г.), который - не зная о работах Майера - применял закон сохранения энергии ко всем возможным её видам и сыграл решающую роль в том, что этот закон стал общепризнанным.

Каждое состояние термодинамической системы характеризуется определённым значением внутренней энергии, независимо от того, каким путём система приведена в данное состояние, и представляющая собой часть полной энергии системы, изменение которой в любом процессе в закрытой системе равно сумме работы и теплоты.

Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя (перпетуум мобиле) первого рода - устройства, позволяющего получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии. Связь этого утверждения с законом сохранения энергии самоочевидна.

Глава 6-2-8

Второе начало термодинамики

Рассмотрение цикла Карно, описывающего действие механизма, переводящего теплоту в механическое движение, показало, что при его работе температура не может оставаться постоянной. То есть нельзя производить работу, не затрачивая при этом энергии. Такой вывод предварял второе начало термодинамики, которое было сформулировано в 1850 - 1851 годах независимо друг от друга Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Имеется несколько различных, но эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.

Постулат Кельвина: Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара.

Постулат Клаузиуса: Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому. Теплота может переходить самопроизвольно только в одном направлении, от более нагретого тела к менее нагретому, и такой процесс является необратимым.

Кроме того, второе начало термодинамики задаёт ограничения на направление процессов, которые могут происходить в термодинамических системах, и исключает возможность создания вечного двигателя второго рода - устройства, позволяющего получать тепло от одного резервуара и полностью превращать его в работу. Из него вытекало, что в природе существует тенденция к уменьшению механической энергии из-за ее перехода в теплоту.

Глава 6-2-9

Энтропия

Одним из следствий второго начала термодинамики стало введение для термодинамических систем ещё одной функции термодинамического состояния системы, которую назвали энтропией.

Понятие энтропии в термодинамике впервые было введено Рудольфом Клаузиусом в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Поскольку не всю энергию системы можно использовать для превращения в какую-нибудь полезную работу.

Энтропия является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах в замкнутых системах. При необратимых процессах в замкнутых системах - значение ее увеличивается. В открытой системе может происходить уменьшение энтропии рассматриваемой системы за счет потери энергии, например в виде излучения, при этом полная энтропия окружающей среды увеличивается.

Таким образом, был сформулирован еще один, после закона всемирного тяготения, универсальный закон природы. Рассматривая мир (Вселенную) как замкнутую систему, Рудольф Клаузиус сформулировал следующие постулаты:

1. Энергия мира постоянна.

2. Энтропия мира стремится к максимуму.

Энтропия отрицательная величина, поэтому ее возможное максимальное значение равно нулю.

Энтропия указывает на степень хаотичности системы: чем меньше элементы системы подчинены какому-либо порядку, тем выше энтропия.

Глава 6-2-10

Тепловая смерть Вселенной

Возрастание энтропии противоречит законам механики, в которой все процессы считаются обратимыми во времени. Поскольку мера тепловой энергии, содержавшейся к макроскопической системе - температура - определяется механическим движением огромного числа составляющих систему частиц, то есть микроскопическими процессами, то был разработан аппарат статистической физики, который дал возможность связывать описания микроскопических и макроскопических состояний. При создании этого аппарата JI. Больцман основывался на статистическом понятии вероятности, применимом к системам, состоящим из очень большого числа частиц.

В результате оказалось, что согласно второму началу термодинамики любая замкнутая система должна эволюционировать от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному.

В 1852 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) сформулировал принцип рассеяния энергии, из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека. Это была первая формулировка идей о тепловой смерти, пока только Земли.

А в 1865 году Рудольф Клаузиус выдвинул гипотезу о тепловой смерти Вселенной. Действительно, согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной.

Глава 6-2-11

Критика гипотезы о Тепловой смерти Вселенной

Устранить парадокс тепловой смерти с позиций указанных моделей материи и Вселенной в то время можно было, только предположив ограниченную справедливость II Начала. На такую возможность намекал при обсуждении границ II Начала и парадокса тепловой смерти сам Кельвин, говоря о справедливости II Начала с точностью лишь до скрытых ресурсов природы. До сих пор эту возможность нельзя считать исключенной, поскольку II Начало остается постулатом, и ниоткуда не следует, что постулат этот неограниченно справедлив.

К тому же, сам факт существования во Вселенной сложных упорядоченных структур (планет, звезд, звездных систем) противоречит гипотезе тепловой смерти.

Один из аргументов против гипотезы тепловой смерти Вселенной основан на представлении о том, что она бесконечна. Выражалось сомнение в том, что законы термодинамики, базирующиеся на изучении объектов конечных размеров, в принципе не применимы к Вселенной.

Макс Планк по этому поводу заметил: Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению.

Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 год).

Людвиг Больцман (1844-1906) был первым, кто рассмотрел статистическую модель Вселенной. В отличие от модели Кельвина - Клаузиуса Больцман рассмотрел дискретную (атомную) модель материи и обнаружил неожиданный способ преодоления парадокса тепловой смерти - посредством учета эффекта флуктуаций. Больцман посчитал, что термодинамическое равновесие, которое считают тепловой смертью, является обычным состоянием любой области Вселенной.

Возражения против гипотезы тепловой смерти Вселенной со стороны статистической физики сводятся к тому, что абсолютно запрещаемые вторым началом процессы со статистической точки зрения на самом деле просто маловероятны.

Законы термодинамики применимы для обычных макросистем. Однако для систем с малым числом частиц или для бесконечно большой системы, или для бесконечно большого времени наблюдения самопроизвольные процессы (флюктуации), нарушающие второе начало термодинамики, становятся допустимыми. Поэтому во Вселенной, извечно пребывающей в равновесном изотермическом состоянии, случайным образом, то в одном, то в другом месте иногда происходят отклонения от этого состояния. И происходят они тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.

Кроме того, в закрытых и изолированных системах (содержащих подсистемы), объединенных общим правилом неубывания энтропии, все же возможны устойчивые неравновесные стационарные состояния. Такая система будет иметь максимальную энтропию, а производство энтропии будет равно нулю, что не противоречит второму началу. В теории такие состояния могут длиться бесконечно.

В течение XIX и первой половины XX веков это противоречие разрешить не удавалось. Однако это не означает, что кинетическая теория газов неприменима в астрономии. На ее основе было решено множество проблем, касающихся физической природы небесных тел и их эволюции.

В адрес флуктуационной гипотезы Больцмана делались критические замечания в связи с редкостью гигантских флуктуаций и с парадоксальными картинами обратного хода времени в половине флуктуаций.

Глава 6-2-12

Третье начало термодинамики

Третье начало термодинамики было сформулировано в 1906 году немецким физиком и химиком Вольтером Фридрихом Германом Нернстом (1864 - 1941 гг.) в результате обобщения экспериментальных данных и получило название теоремы Нернста.

При стремлении температуры любой равновесной термодинамической системы к абсолютному нулю ее энтропия стремится к некоторой универсальной постоянной величине, значение которой не зависит от каких-либо термодинамических параметров системы и может быть принято равной нулю.

Фактически содержание теоремы Нернста включает в себя два положения. Первое из них постулирует существование предела энтропии при стремлении к абсолютному нулю. Численное значение этого предела принято полагать равным нулю, поэтому в литературе иногда говорят о том, что энтропия системы стремится к нулю при стремлении температуры к 0 К.

Второе положение теоремы Нернста утверждает, что все процессы вблизи абсолютного нуля, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии.

Нулевые значения температуры и энтропии при абсолютном нуле приняты как удобные соглашения для устранения неоднозначности в построении шкалы для термодинамических величин. Энтропия, обращающаяся в нуль при абсолютном нуле температуры, называется абсолютной энтропией.

Из третьего начала термодинамики следует недостижимость температуры равной абсолютному нулю, к нему можно лишь асимптотически приближаться.

Глава 6-2-13

Нулевое начало термодинимики

Нулевое начало термодинамики названо так потому, что оно было сформулировано уже после того, как первое и второе начало вошли в число устоявшихся научных понятий. Оно состоит из двух частей, которые были сформулированы разными авторами.

В 1925 году Т. А. Афанасьева-Эренфест показала, что система законов термодинамики должна быть дополнена аксиомой о существовании термодинамического равновесия (постулат Афанасьевой иногда называют минус первым началом термодинамики):

Всякое начальное состояние системы, представляющее нарушенное равновесие, приводит в конце концов к равновесному состоянию, которое характеризуется тем, что:

прекращаются всякие макроскопические изменения в системе;

каждый параметр, характеризующий свойство системы, имеет постоянное во времени значение;

система, перешедшая в состояние термодинамического равновесия, сколь угодно долго остаётся в этом состоянии;

для нарушения равновесия необходимы внешние воздействия.

А в 1931 году Ральф Фаулер (1889 - 1944 гг.) в ходе дискуссии с индийским астрофизиком Мегнадом Саха (1893 - 1956 гг.) и его сотрудником Зривартава (В. Srivartava) сформулировал ещё одну аксиому - о существовании температуры (постулат Фаулера), которая является единственной функцией состояния термодинамической системы, характеризующей направление самопроизвольного теплообмена между телами.

Иначе говоря, если две замкнутые системы A и B приведены в тепловой контакт друг с другом, то после достижения термодинамического равновесия полной системой A+B системы A и B будут находиться в состоянии теплового равновесия друг с другом. При этом, если системы B и C находятся в тепловом равновесии, то системы A и C также находятся в тепловом равновесии между собой.

Это свойство позволяет создавать приборы для измерения температуры. Равенство эмпирических температур, измеренных с помощью такого прибора - термометра, есть следствие теплового равновесия систем.

В литературе постулат Афанасьевой (о существовании термодинамического равновесия) и постулат Фаулера (о существовании температуры) часто считают равноправными составными частями нулевого закона термодинамики. Но иногда их рассматривают как самостоятельные аксиомы, подразумевая под нулевым началом закон существования термодинамического равновесия а существование эмпирической температуры его следствием.

В отечественной литературе постулат о существовании термодинамического равновесия иногда называют первым исходным положением термодинамики, а закон транзитивности термического равновесия - вторым исходным положением термодинамики.

Глава 6-2-14

Томсон, Уильям (лорд Кельвин)

Уильям Томсон, лорд Кельвин (26 июня 1824 - 17 декабря 1907 гг.) - британский физик, механик и инженер. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики.

Член (1851 г.) и президент (1890 - 1895 гг.) Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук (1877 г.), иностранный член-корреспондент (1877 г.) и почётный член (1896 г.) Петербургской академии наук.

0x01 graphic

Рис. Уильям Томсон, лорд Кельвин

Родился 26 июня 1824 года в Белфасте. Предки Томсона были ирландскими фермерами; его отец Джеймс Томсон, известный математик, с 1814 года был учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 года профессором математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Мать, Маргарет Томсон умерла в 1830 году, когда Уильяму было шесть лет. У Томсона были проблемы с сердцем, и он чуть не умер, когда ему было 9 лет.

Уильям Томсон и его старший брат Джеймс учились в колледже в Глазго, а затем в колледже св. Петра в Кембридже, который Уильям закончил в 1845 году. В 1839/1840 учебном году Томсон получил премию по астрономии за свое эссе о форме Земли, которое показало его возможности математического анализа и творчества.

В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго.

В 1856 году учёный был награждён Королевской медалью Лондонского королевского общества.

С 1880 по 1882 президент Лондонского общества физиков.

Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками. В 1866 году он был посвящён в рыцарское достоинство. За противодействие движению ирландского самоуправления в 1892 году королева Виктория пожаловала Томсону наследственное пэрство с титулом барон Кельвин по названию реки Кельвин, протекающей мимо университета Глазго и впадающей в реку Клайд, в результате чего он стал известен как лорд Кельвин. Кельвин стал первым британским учёным, получившим право заседать в палате лордов.

В 1849 году Томсон начал работы по термодинамике, которые были опубликованы в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указал, как следует изменить принцип Карно, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта работа содержит одну из первых формулировок второго закона термодинамики. В 1852 году Томсон дал другую его формулировку, именно учение о рассеянии энергии. В том же году Томсон совместно с Джоулем провёл исследование охлаждения газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории идеальных газов к теории реальных газов.

В 1884 году Томсон провёл двадцать занятий по молекулярной динамике и волновой теории света в форме мастер-класса в Университете Джонса Хопкинса. Лекции оказали влияние на развитие физики на рубеже XIX и XX веков. Описывая звук как волну, Томсон ссылался на уравнение акустической волны. Полагая, что светоносный эфир подвергается вибрациям, он также попытался описать его через уравнение электромагнитной волны. Присутствовавшие на занятиях Майкельсон и Морли позднее поставили эксперименты, опровергшие теорию эфира.

В списке статей, принадлежащих Томсону, около 250 статей (кроме книг). Он занимался термодинамикой (ввел абсолютную шкалу температур), гидродинамикой, теорией волн, работами по термоэлектричеству, приведших к открытию так называемого эффекта Томсона - переноса тепла электрическим током; исследованиями по теории упругости; работами по динамической геологии.

В практической физике и технике Томсону принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление.

Из книг, изданных Томсоном, наибольшей известностью пользуется Treatise on natural philosophy (т. 1, вместе с Тэтом, 1883 г.), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.

Уильям Томсон известен как критик теории эволюции в биологии. На основе расчёта возраста Солнца, в котором, по его мнению, протекают химические процессы горения, являющиеся источником энергии, Томсон указал на недостаточность исторического времени для того, чтобы эволюция животного мира привела к современному состоянию. Открытие в 1903 году закона, связывающего высвобождение тепловой энергии с радиоактивным распадом, не побудили его изменить собственные оценки возраста Солнца. Возраст Земли оценивался им в 20-40 миллионов лет.

Глава 6-2-15

Татьяна Алексеевна Афанасьева-Эренфест

Татьяна Алексеевна Афанасьева-Эренфест 19 ноября 1876 -14 апреля 1964 гг.) - русская и нидерландская учёная, математик, физик.

0x01 graphic

Рис. Татьяна Алексеевна Афанасьева-Эренфест

После смерти отца воспитывалась своим дядей в Санкт-Петербурге.

В 1900 году окончила математическое отделение физико-математического факультета Высших женских курсов и в 1901 - 1902 годах вела практические занятия по математике. В 1902 году была направлена на стажировку в Гёттингенский университет, где слушала лекции Д. Гильберта и Ф. Клейна. Там же она познакомилась со своим будущим мужем Паулем Эренфестом, за которого 21 декабря 1904 года вышла замуж. У них было две дочери и два сына; одна из дочерей, Татьяна Павловна Эренфест-Ардене (1905-1984), также стала математиком.

В 1907 году Т. А. Афанасьева вместе с семьёй приехала в Петербург, а в 1912 году они уехали в Голландию, где П. Эренфест получил место профессора в Лейденском университете.

Т. А. Афанасьевой принадлежат важные исследования в области физики, теории подобия и анализа размерностей. В своих работах по аксиоматике термодинамики она показала логическую независимость двух утверждений, входящих во второе начало термодинамики - о существовании энтропии и о её возрастании в реальных адиабатических процессах - и дополнила классическую термодинамику следующими положениями:

- аксиомой о существовании термодинамического равновесия;

- аксиомой, запрещающей обратимость какого либо нестатического (неравновесного) процесса;

- аксиомой, определяющей направление такого процесса;

- аксиомой о постоянстве знака абсолютной температуры (при выборе абсолютного нуля в качестве одной из реперных точек температуры).

6-3. Эфир и электромагнетизм

Содержание

том - часть - глава

6-3-1. Электромагнитное поле

6-3-2. Майкл Фарадей

6-3-3. Дальнодействие и короткодействие

6-3-4. Точка Дрейпера

6-3-5. Законы излучения

6-3-6. Джеймс Клерк Максвелл

6-3-7. История создания уравнений Максвелла

6-3-8. Трактат об электричестве и магнетизме

6-3-9. Генрих Рудольф Герц

6-3-10. Экспериментальный аппарат Герца 1887 года

6-3-11. Химизм в попытках понимания эфира

(Д. И. Менделеев)

Глава 6-3-1

Электромагнитное поле

Многие ученые (например, Д. Г. Стокс, У. Томсон) пытались раскрыть природу и свойства эфира как среды, в которой распространяются свет, электрические и магнитные взаимодействия, оценивали давление в нём, плотность его массы и энергии, связывали эфир с атомной теорией.

Но Майкл Фарадей, один из выдающихся ученых своего времени, скептически относился к теории эфира и сомневался в его существовании.

В то время электрические силы понимались как взаимодействие зарядов на расстоянии, то есть, нет зарядов, нет и сил. Подобно действию гравитационных сил в теории гравитации Ньютона (так называемый принцип дальнодействия).

Фарадей предложил новый подход: заряд создаёт протяжённое электрическое поле, и уже с ним потом взаимодействует другой заряд (принцип близкодействия).

С магнитным полем положение оказалось более сложным, поскольку не связано с определенным центром. Именно для определения направления магнитных сил в каждой точке Фарадей ввёл понятие силовых линий. Веским основанием для отказа от действия на расстоянии были опыты Фарадея с диэлектриками и диамагнетиками - они ясно показали, что среда между зарядами активно участвует в электромагнитных процессах. Он убедительно показал, что в ряде ситуаций электрические силовые линии искривляются, подобно магнитным.

Из полученных результатов Фарадей сделал вывод, что обычная индукция во всех случаях является действием смежных частиц и что электрическое действие на расстоянии (само индуктивное действие) происходит только благодаря влиянию промежуточной материи.

Мир электромагнитных явлений, каким его представлял и описывал Фарадей, решительно отличался от всего, что было в физике прежде. В записи своего дневника от 7 ноября 1845 года Фарадей впервые употребил термин электромагнитное поле, этот термин позднее перенял и ввёл в широкое употребление Максвелл. Поле - это область пространства, сплошь пронизанная силовыми линиями.

Силы взаимодействия токов, введённые Ампером, считались дальнодействующими. Фарадей теоретически осмыслил и обобщил огромный накопленный опытный материал и сформулировал свою оригинальную теорию (без математического обоснования).

Он не признавал существования в природе пустоты, даже заполненной эфиром. По его мнению, мир полностью заполнен проницаемой материей, и влияние каждой материальной частицы близкодейственно, то есть распространяется на всё пространство с конечной скоростью. Наблюдатель воспринимает это влияние как разного рода силы, но, как писал Фарадей, нельзя сказать, что одна из сил первична и является причиной других, все они находятся во взаимной между собой зависимости и имеют общую природу. В целом динамика мира Фарадея достаточно близка к представлениям об электромагнитном поле, какими они были до появления квантовой теории.

В 1832 году Фарадей отвёз запечатанный конверт в Королевское общество. В 1938 году конверт вскрыли и обнаружили там формулировку гипотезы: индуктивные явления распространяются в пространстве с некоторой конечной скоростью, причём в виде волн. Эти волны являются наиболее вероятным объяснением световых явлений. Окончательно этот вывод обосновал Максвелл в 1860-е годы.

Теория Фарадея не нашла широкого отклика в научной среде, учёные относились к близкодействию с недоверием. Фарадей не владел высшей математикой и отстаивал физическую реальность введённых им силовых линий, используя исключительно свою интуицию.

Комментарий

Электрическое поле (иногда E-field) - это физическое поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает силовое воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их. Электрические поля возникают из-за электрических зарядов или из изменяющихся во времени магнитных полей. Электрические и магнитные поля рассматриваются как проявления более общего электромагнитного поля, которое является проявлением одного из четырёх фундаментальных взаимодействий (электромагнитное).

Комментарий

Фундаментальные взаимодействия

Ньютон в своём втором законе (1687 г.) постулировал, что причиной изменения движения тел является сила. Физикам было известно множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д.

Исследования XVIII-XIX веков привели к открытию атомарной структуры вещества, и стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия - электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил - лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.

Таким образом, к началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали иногда называть пятым фундаментальным взаимодействием.

Глава 6-3-2

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей (22 сентября 1791 - 25 августа 1867 гг.) - английский физик-экспериментатор и химик.

Член Лондонского королевского общества (1824 г.) и других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830 г.).

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и другие.

Основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.

Первым предсказал существование электромагнитных волн.

0x01 graphic

Рис. Майкл Фарадей

Родился в Ньюингтон-Баттс близ Лондона (ныне Большой Лондон), в семье кузнеца. В 13 лет Майкл, оставив школу, начал работать рассыльным в лондонском книжном магазине. После испытательного срока он стал (там же) учеником переплётчика.

Фарадей так и не сумел получить систематическое образование, но рано проявил любознательность и страсть к чтению. В магазине было немало научных книг; в позднейших воспоминаниях Фарадей особо выделял книги по электричеству и химии, причём сразу после прочтения он начал проводить простые самостоятельные опыты.

Важным этапом в жизни Фарадея стали посещения Городского философского общества (1810-1811 годы), где 19-летний Майкл по вечерам слушал научно-популярные лекции по физике и астрономии, участвовал в диспутах. В 1812 году один из посетителей подарил ему билет на цикл публичных лекций знаменитого химика и физика, первооткрывателя многих химических элементов Гемфри Дэви. Майкл не только с интересом выслушал, но и подробно записал и переплёл четыре лекции Дэви, которые послал ему вместе с письмом с просьбой взять его на работу в Королевский институт. Этот, как выразился сам Фарадей, смелый и наивный шаг оказал на его судьбу решающее влияние. Профессор Дэви, сам прошедший путь от ученика аптекаря, был восхищён обширными знаниями юноши и через несколько месяцев просьба Майкла была удовлетворена.

В обязанности Фарадея входили в основном помощь профессорам и другим лекторам Института при подготовке лекций, учёт материальных ценностей и уход за ними. Но он старался использовать любую возможность для пополнения своего образования, и в первую очередь - внимательно слушал все подготовленные им лекции, проводил собственные химические эксперименты. Свои служебные обязанности Фарадей исполнял настолько тщательно, что стал незаменимым помощником Дэви.

В мае 1815 года в Королевский институт Фарадей получил должность ассистента. Это позволило ему продолжить самостоятельные научные исследования. Его считали королем экспериментаторов, отмечая его трудолюбие, методичность, тщательность исполнения экспериментов и стремление проникнуть в сущность исследуемой проблемы.

Всю жизнь Фарадей вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Всего Фарадей провёл около 30000 экспериментов.

В 1816 году появилась его первая печатная работа, в следующие три года число публикаций превысило сорок. Одновременно Фарадей начал читать курс лекций в Философском обществе.

В 1820 году Фарадея увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году статью О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма, где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу, эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне работоспособный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую.

В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года - и в Королевском институте (по химии).

В 1831 году Фарадей обнаружил электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831-1840 гг.), давший научному миру его знаменитую серию статей Экспериментальные исследования по электричеству.

Сообщение об опытах Фарадея вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Фарадея избрали своим почётным членом 97 организаций.

В 1835 году переутомление Фарадея привело к первому приступу болезни, он не мог работать до 1837 года.

Несмотря на всемирную славу, Фарадей оставался скромным человеком. Он отклонил предложение возвести его, как ранее Ньютона и Дэви, в рыцарское достоинство, дважды отказался стать президентом Королевского общества. Во время Крымской войны правительство Великобритании предложило ему участвовать в разработке химического оружия, но Фарадей с возмущением отверг это предложение как аморальное.

В 1840 году Фарадей вновь тяжело заболел (резкий упадок сил, ухудшение и частичная потеря памяти) и смог вернуться к активной работе только на короткий срок через 4 года. Существует версия, что болезнь - результат отравления парами ртути, часто использовавшейся в его опытах. Друзья стали хлопотать о назначении Фарадею государственной пенсии. После 1845 года пенсия (300 фунтов в год) стала его единственным источником дохода. Тиндаль с горечью добавляет: Он умер бедняком, но имел честь поддерживать на почётном месте научную славу Англии в продолжение сорока лет.

В 1845 году Фарадей ненадолго вернулся к активной работе и сделал несколько выдающихся открытий, в том числе: поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм.

Это были последние его открытия. В конце года болезнь возобновилась. Но Фарадей сумел вызвать ещё одну общественную сенсацию. В 1853 году он, со всей обычной тщательностью, исследовал модное в те годы столоверчение и уверенно заявил, что стол движется не вызванными духами умерших, а бессознательными движениями пальцев участников. Этот результат вызвал лавину возмущённых писем оккультистов, но Фарадей ответил, что примет претензии только от самих духов.

Время от времени состояние здоровья позволяло Фарадею ненадолго возвращаться к активной деятельности. В 1862 году он выдвинул гипотезу, что магнитное поле может смещать спектральные линии. Однако оборудование тех лет было недостаточно чувствительно, чтобы обнаружить этот эффект. Только в 1897 году Питер Зееман подтвердил гипотезу Фарадея (сославшись на него как на автора) и получил в 1902 году за это открытие Нобелевскую премию.

Личные качества и оценки

В личном общении знакомые Фарадея всегда, до конца его жизни отмечали его скромность, доброжелательность и покоряющее человеческое обаяние.

Жан Батист Дюма, известный химик и политик:

Всякий из знавших его - я твердо убеждён - желал бы только приблизиться к тому нравственному совершенству, которое, по-видимому, было дано Фарадею от рождения. Это была какая-то, на него одного сошедшая, благодать, в которой он почерпал силы для своей кипучей деятельности, будучи одновременно горячим проповедником истины, неутомимым художником, человеком, исполненным радушия и веселости, в высшей степени гуманным и мягким в частной жизни... Я не знал человека, который был бы более достоин любви и уважения, чем он, и утрата которого стоила бы более искреннего сожаления.

Джеймс Клерк Максвелл:

Способ, которым Фарадей использовал свою идею силовых линий, чтобы координировать явления электромагнитной индукции, доказывает, что он был математиком высокого порядка - одним из тех, у кого математики будущего могут черпать ценные и плодотворные методы.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц:

До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея.

Уильям Томсон (лорд Кельвин):

Необычайная быстрота и живость отличали его. Отблеск его гения окружал его какой-то особенной, сияющей аурой. Определённо каждый чувствовал это обаяние - будь то глубокий философ или простой ребёнок.

А. Г. Столетов:

Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы.

Комментарий

Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года

Награда

в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли.

В честь Майкла Фарадея названы:

Единица измерения электрической ёмкости - фарад

Единица измерения электрического заряда в электрохимии - фарадей

Лунный кратер Фарадей

Астероид Фарадей

Научные понятия, названные в честь Фарадея:

Диск Фарадея

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Законы электролиза Фарадея

Клетка Фарадея

Постоянная Фарадея

Цилиндр Фарадея

Эффект Фарадея

В честь Фарадея названы несколько наград:

Премия Майкла Фарадея (Лондонское королевское общество)

Медаль Фарадея (Institution of Engineering and Technology)

Фарадеевская лекция (Королевское химическое общество)

Медаль Фарадея по электрохимии (Королевское химическое общество)

Медаль Фарадея по экспериментальной физике

Глава 6-3-3

Дальнодействие и короткодействие

Дальнодействие и близкодействие (или короткодействие) - две противоборствовавшие концепции классической физики.

Дальнодействие - концепция, согласно которой тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона, силу кулоновского взаимодействия двух электрических зарядов до создания теории Максвелла и магнитные силы в конкурировавших с максвелловской теорией теориях электромагнетизма Вебера и других.

Близкодействие (или короткодействие) - концепция, согласно которой взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Например, в случае электромагнитных взаимодействий посредником является электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света.

Принципиальное отличие теории близкодействия, принятой на сегодняшний день, можно рассмотреть на примере взаимодействия двух точечных частиц. Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу - С, при этом её скорость и импульс меняются согласно законам сохранения. Частица С поглощается частицей В, что, в свою очередь, приводит к изменению импульса и скорости последней. В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц A и B друг на друга.

В современной физике проводится четкое разделение материи на частицы-участники (или источники) взаимодействий (называемые веществом) и частицы-переносчики взаимодействий (называемые квантами поля). Из четырех видов фундаментальных взаимодействий надежную экспериментальную проверку существования частиц-переносчиков получили три - сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Обнаружение переносчиков гравитационного взаимодействия - так называемых гравитонов - как отдельных частиц на современном уровне техники проблематично.

Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц), совпадающей со скоростью света.

Глава 6-3-4

Точка Дрейпера

Точка Дрейпера - примерная температура, выше которой практически все твёрдые материалы испускают электромагнитное излучение абсолютно чёрного тела в видимом диапазоне. Значение точки - 977 ®F (525 ®C, 798 K), было открыто Джоном Дрейпером в 1847 году.

Тела, имеющие температуру ниже точки Дрейпера, выделяют преимущественно инфракрасное излучение и ничтожное количество видимого света.

При подстановке точки Дрейпера в уравнение закона смещения Вина, то получается частота 83 ТГц, или длина волны 3,6 мкм, находящаяся в инфракрасном диапазоне и не видима человеческому глазу. Тем не менее, незначительная часть излучения вблизи пиковой интенсивности (приблизительно 0,7-1 мкм) видна человеческим глазом как тускло-красное свечение.

Согласно закону Стефана - Больцмана, чёрное тело в точке Дрейпера излучает почти исключительно инфракрасное излучение мощностью 23 кВт/м«.

Глава 6-3-5

Законы излучения

Большое значение в астрофизике приобрели установленные в физике законы излучения, определенные путем введения понятия идеального поглотителя электромагнитных волн - абсолютно черного тела.

Термин абсолютно чёрное тело был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

Абсолютно чёрное тело - физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Это позволило свести изучение равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела методами классической термодинамики.

К концу XIX века изучение излучения абсолютно чёрного тела привело к важным для астрофизики результатам.

В 1879 году Людвигом Больцманом (1844 - 1906 гг.) была теоретически выведена зависимость полной излучательной способности абсолютно черного тела от его температуры. Вскоре его расчеты были подтверждены экспериментами чешского физика Йозефа Стефана (1835 - 1893 гг.), и поэтому эта зависимость носит название закона Стефана-Больцмана.

Применение закона Стефана-Больцмана к излучению звезд дало возможность оценить температуры их поверхностей. Приблизительно, конечно. Хотя бы потому, что для его применения необходимо считать, что излучение звезды приблизительно соответствует чернотельному. Но так как звезды состоят из газа, то их способность поглощать падающее на их поверхность излучение велика и предположение оправдывается.

При дальнейшем изучении свойств абсолютно черного тела физиком Вильгельмом Вином (1864 - 1928 гг.) была найдена длина волны, при которой спектральная плотность мощности излучения абсолютно чёрного тела максимальна, она определяется законом смещения Вина.

Закон Вина дает возможность по цвету звезды грубо оценить ее температуру.

Глава 6-3-6

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл (13 июня 1831 - 5 ноября 1879 гг.) - британский (шотландский) физик, математик и механик. Член Лондонского королевского общества (1861 г.).

Джеймс Клерк Максвелл принадлежал к старинному шотландскому роду Клерков из Пениквика. Его отец, Джон Клерк Максвелл, был владельцем фамильного имения Миддлби в Южной Шотландии (вторая фамилия Максвелл отражает именно этот факт).

Специально нанятый домашний учитель у него появился лишь в десятилетнем возрасте, однако такое обучение оказалось неэффективным, и в ноябре 1841 года Максвелл переехал к своей тёте Изабелле, сестре отца, в Эдинбург. Здесь он поступил в новую школу - так называемую Эдинбургскую академию (Edinburgh Academy), делавшую упор на классическое образование - изучение латинского, греческого и английского языков, римской литературы и Священного Писания.

Рис. Джеймс Клерк Максвелл

В 1847 году срок обучения в академии закончился, и в ноябре Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где слушал лекции физика Форбса, математика Филипа Келланда, философа Уильяма Гамильтона; изучал многочисленные труды по математике, физике, философии, ставил опыты по оптике, химии, магнетизму.

За время учёбы Максвелл подготовил статью о кривых качения, однако основное внимание он уделял изучению механических свойств материалов при помощи поляризованного света. Идея этого исследования восходит к его знакомству весной 1847 года с известным шотландским физиком Уильямом Николем, который подарил ему два поляризационных прибора своей конструкции (призмы Николя).

После окончания Эдинбургского университета он стал членом адвокатской коллегии, но не питал любви к юриспруденции, увлекаясь в свободное время наукой и техникой (он даже опубликовал несколько статей прикладного характера) и регулярно посещая в качестве зрителя заседания Эдинбургского королевского общества.

В 1850 году, несмотря на желание отца оставить сына поближе к себе, было решено, что Максвелл отправится в Кембриджский университет, где поступил в самый дешёвый колледж Питерхаус, но уже в 1852 году Максвелл стал стипендиатом Тринити-колледжа.

Он принимал активное участие в интеллектуальной жизни университета. Он был избран в клуб апостолов, объединявший двенадцать человек с самыми оригинальными и глубокими идеями; там он выступал с докладами на самые различные темы. Надо отметить, что он хорошо знал греческий, латинский, итальянский, французский и немецкий языки.

После сдачи экзамена Максвелл решил остаться в Кембридже для подготовки к профессорскому званию. К годам работы в Кембридже относится и первый серьёзный интерес Максвелла к проблеме электричества. Он был сторонником теории силовых линий Майкла Фарадея.

Перед Максвеллом встал вопрос построения математической теории, которая включала бы как фарадеевские представления, так и правильные результаты, полученные приверженцами дальнодействия. Максвелл решил воспользоваться методом аналогий, успешно применённым Уильямом Томсоном, который ещё в 1842 году подметил аналогию между электрическим взаимодействием и процессами теплопередачи в твёрдом теле. Это позволило ему применить к электричеству результаты, полученные для теплоты, и дать первое математическое обоснование процессам передачи электрического действия посредством некоторой среды.

В апреле 1955 года Максвелл получил назначение на пост профессора в Абердине, а в 1860 году стал профессором натуральной философии лондонского Кингс-колледжа.

В 1865 году Максвелл покинул Лондон и вернулся в родное имение. Причиной этого стало желание больше времени уделять научной работе, а также педагогические неудачи: ему никак не удавалось поддерживать дисциплину на своих чрезвычайно сложных лекциях.

В 1868 году Максвелл отказался занять пост ректора университета Сент-Эндрюс, не желая расстаться с уединённой жизнью в имении. Однако спустя три года он после долгих колебаний всё же принял предложение возглавить только что организованную физическую лабораторию Кембриджского университета и занять должность профессора экспериментальной физики (до этого от приглашения отказались Уильям Томсон и Герман Гельмгольц). Лаборатория была названа в честь учёного-отшельника Генри Кавендиша, чей внучатый племянник герцог Девонширский был канцлером университета и выделил финансы на её строительство.

В Кембридже Максвелл выполнял различные административные обязанности, являлся членом совета сената университета, был членом комиссии по реформе математического экзамена, избирался президентом Кембриджского философского общества (1876 - 1877 гг.).

Научные интересы Максвелла были обширны.

Он заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие).

Максвелл один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики (широко известен его демон Максвелла).

Он получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость - газ и другие).

Максвелл пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии.

Среди других работ Максвелла - исследования по механике (теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике.

Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.

Именем Джеймса Клерка Максвелла были названы многие астрономические объекты: кратер на обратной стороне Луны; самый большой горный массив на планете Венера; щель Максвелла в кольцах Сатурна; телескоп для работы в субмиллиметровом диапазоне - телескоп Джеймса Клерка Максвелла, находящийся на Гавайях.

Награды

Премия Смита (англ. Smith's Prize) (1854)

Премия Адамса (англ. Adams Prize) (1857)

Медаль Румфорда (1860)

Бейкеровская лекция (1866)

Премия Вольта (англ. Volta Prize) (1878)

Глава 6-3-7

История создания уравнений Максвелла

Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом, возникли на основе ряда важных экспериментальных открытий, которые были сделаны в начале XIX века. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед (1777 - 1841 гг.) обнаружил, что пропускаемый через провод гальванический ток заставляет отклоняться магнитную стрелку компаса. Это открытие привлекло широкое внимание учёных того времени. В том же 1820 году Жан-Батист Био (1774 - 1862 гг.) и Феликс Савар (1791 - 1842 гг.) экспериментально нашли выражение для порождаемой током магнитной индукции (закон Био - Савара), а Андре Мари Ампер (1775 - 1836 гг.) обнаружил также, что взаимодействие на расстоянии возникает между двумя проводниками, по которым пропускается ток. Ампер ввёл термин электродинамический и выдвинул гипотезу, что природный магнетизм связан с существованием в магните круговых токов.

Влияние тока на магнит, обнаруженное Эрстедом, привело Майкла Фарадея к идее о том, что должно существовать обратное влияние магнита на токи. После длительных экспериментов, в 1831 году, Фарадей открыл, что перемещающийся возле проводника магнит порождает в проводнике электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Он же ввёл понятие поля сил - некоторой среды, находящейся между зарядами и токами. Его рассуждения носили качественный характер, однако они оказали огромное влияние на исследования Максвелла.

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны. Вскоре появилась теория Вебера, основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодействием (оптика, термодинамика, механика сплошных сред и др.). Гаусс, Риман и ряд других учёных высказывали догадки, что свет имеет электромагнитную природу, так что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной. Этот принцип стал существенной особенностью теории Максвелла.

Заменяя фарадеевский термин поле сил на понятие напряжённость поля, Максвелл сделал его ключевым объектом своей теории.

Подобная электродинамическая среда явилась новым понятием для ньютоновской физики. Последняя изучала взаимодействие между собой материальных тел. Максвелл же записал уравнения, которым должна подчиняться среда, определяющая взаимодействие зарядов и токов и существующая даже, когда их нет.

Анализируя известные эксперименты, Максвелл получил систему уравнений для электрического и магнитного полей. В 1855 году в статье О фарадеевых силовых линиях он впервые в дифференциальной форме записал систему уравнений электродинамики, не вводя ещё понятие тока смещения. Такая система уравнений описывала все известные экспериментальные данные, но не позволяла связать между собой заряды и токи и предсказать электромагнитные волны.

Впервые ток смещения был введён Максвеллом в работе О физических силовых линиях, состоящей из четырёх частей и опубликованной в 1861-1862 годах. Обобщая закон Ампера, Максвелл вводит ток смещения, вероятно, чтобы связать токи и заряды уравнением непрерывности, которое уже было известно для других физических величин. Следовательно, в этой статье фактически была завершена формулировка полной системы уравнений электродинамики.

В статье Динамическая теория электромагнитного поля (1864 г.) рассмотрена сформулированная ранее система уравнений из 20 скалярных уравнений для 20 неизвестных. Максвелл впервые сформулировал понятие электромагнитного поля как физической реальности, имеющей собственную энергию и конечное время распространения, определяющее запаздывающий характер электромагнитного взаимодействия.

Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле (ток смещения) порождает магнитное поле. В свою очередь, в силу закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следовало, что её скорость равна скорости света, поэтому Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света.

Часть физиков выступила против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения). Гельмгольц предложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику Генриху Герцу провести её экспериментальную проверку. Однако опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла.

Максвелл не использовал векторных обозначений и записывал свои уравнения в достаточно громоздком компонентном виде. Современная форма уравнений Максвелла появилась около 1884 года после работ Хевисайда, Герца и Гиббса. Они не только переписали систему Максвелла в векторном виде, но и симметризовали её, переформулировав в терминах поля, избавившись от электрического и магнитного потенциалов, игравших в теории Максвелла существенную роль, поскольку полагали, что эти функции являются всего лишь ненужными вспомогательными математическими абстракциями. Интересно, что современная физика поддерживает в этом вопросе Максвелла. Электромагнитный потенциал играет важную роль в квантовой физике и проявляется как физически измеряемая величина в некоторых экспериментах.

Глава 6-3-8

Трактат об электричестве и магнетизме

В 1873 году вышел капитальный двухтомный труд Максвелла Трактат об электричестве и магнетизме (A Treatise on Electricity and Magnetism), содержавший сведения о существовавших ранее теориях электричества, методах измерения и особенностях экспериментальной аппаратуры, но основное внимание было уделено трактовке электромагнетизма с единых, фарадеевских позиций. При этом изложение материала было построено даже в ущерб собственным идеям Максвелла. Как отметил Эдмунд Уиттекер:

Доктрины, принадлежавшие исключительно Максвеллу, - существование токов смещения и электромагнитных колебаний, идентичных свету, - не были представлены ни в первом томе, ни в первой половине второго тома; а их описание было вряд ли более полным, и вероятно, менее привлекательным, чем то, которое он давал в первых научных трудах.

В Трактате содержались основные уравнения электромагнитного поля, известные ныне как уравнения Максвелла. Впрочем, они были представлены в не слишком удобной форме (через скалярный и векторный потенциалы, к тому же в кватернионной записи), и их было довольно много - двенадцать. Впоследствии Генрих Герц и Оливер Хевисайд переписали их через векторы электрического и магнитного поля, получив в итоге четыре уравнения в современной форме. Хевисайд также впервые отметил симметрию уравнений Максвелла. Непосредственным следствием этих уравнений стало предсказание существования электромагнитных волн, экспериментально открытых Герцем в 1887 - 1888 годах. Другими важнейшими результатами, изложенными в Трактате, стали доказательство электромагнитной природы света и предсказание эффекта давления света (как результата действия электромагнитных волн), обнаруженного много позже в знаменитых опытах Петра Лебедева. На основе своей теории Максвелл также дал объяснение влиянию магнитного поля на распространение света (эффект Фарадея). Ещё одно доказательство справедливости теории Максвелла - квадратичная связь между оптическими (показатель преломления) и электрическими (диэлектрическая проницаемость) характеристиками среды - было опубликовано Людвигом Больцманом вскоре после выхода Трактата.

Фундаментальная работа Максвелла была прохладно принята большинством ведущих ученых - Стоксом, Эйри, Томсоном (он назвал теорию своего друга любопытной и оригинальной, но не слишком логичной гипотезой, и лишь после опытов Лебедева эта его убеждённость была поколеблена), Гельмгольцем, который безуспешно пытался примирить новые взгляды со старыми теориями на основе дальнодействия. Тэт посчитал основным достижением Трактата лишь окончательное развенчание дальнодействия.

Особенно трудной для понимания была концепция тока смещения, который должен существовать даже в отсутствие материи, то есть в эфире. Даже Герц, ученик Гельмгольца, избегал ссылок на Максвелла, работы которого были крайне непопулярны в Германии, и писал, что его опыты по созданию электромагнитных волн убедительны вне зависимости от какой бы то ни было теории. Не способствовали пониманию новых идей и особенности стиля - недостатки обозначений и зачастую сумбурность изложения, что отмечали французские учёные Анри Пуанкаре и Пьер Дюэм. Последний писал:

Мы полагали, что вступаем в мирное и упорядоченное жилище дедуктивного разума, а вместо этого оказались на каком-то заводе.

. Историк физики Марио Льоцци следующим образом резюмировал впечатление, которое оставлял труд Максвелла:

Максвелл шаг за шагом строит свою теории с помощью ловкости пальцев, как удачно выразился Пуанкаре, имея в виду те логические натяжки, которые иногда позволяют себе учёные при формулировке новых теорий. Когда в ходе аналитического построения Максвелл наталкивается на очевидное противоречие, он, не колеблясь, преодолевает его с помощью обескураживающих вольностей. Например, ему ничего не стоит исключить какой-нибудь член, заменить неподходящий знак выражения обратным, подменить значение какой-нибудь буквы. На тех, кто восхищался непогрешимым логическим построением электродинамики Ампера, теория Максвелла должна была производить неприятное впечатление.

Лишь некоторые учёные, в основном молодые, всерьёз заинтересовались теорией Максвелла: Артур Шустер, впервые прочитавший в Манчестере курс лекций на базе Трактата; Оливер Лодж, задавшийся целью обнаружить электромагнитные волны; Джордж Фицджеральд, безуспешно пытавшийся убедить Томсона (в то время уже лорда Кельвина) в справедливости максвелловских представлений; Людвиг Больцман; русские учёные Николай Умов и Александр Столетов. Знаменитый голландский физик Хендрик Антон Лоренц, в своей работе одним из первых применивший теорию Максвелла, много лет спустя писал:

Трактат об электричестве и магнетизме произвёл на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни: толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло всё, что я до сих пор знал. Но книга Максвелла была не из лёгких!

Глава 6-3-9

Генрих Рудольф Герц

Генрих Рудольф Герц (22 февраля 1857 - 1 января 1894 гг.) - немецкий физик. Окончил Берлинский университет, где его учителями были Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. С 1885 по 1889 год был профессором физики Университета в Карлсруэ. С 1889 года - профессор физики университета в Бонне.

Рис. Генрих Рудольф Герц

Основное достижение Герца - экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Он доказал существование электромагнитных волн и подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио.

В 1886-1887 годах Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд.

Генрих Рудольф Герц родился в Гамбурге. Его отец, адвокат и в 1887 - 1904 годах сенатор Густав Фердинанд Герц (1827-1914), родился под именем Давид Густав Герц в весьма состоятельной еврейской семье, он был процветающим коммерсантом и членом городского совета Гамбурга в 1860 - 1862 годах. И дед и отец Генриха Герца приняли лютеранство.

Во время учёбы в гимназии при университете Гамбурга Генрих Герц проявил способности к наукам, а также к языкам, изучив арабский и санскрит. Он изучал науку и технику в Дрездене, Мюнхене и Берлине, где был студентом Кирхгофа и Гельмгольца. В 1880 году Герц получил степень доктора философии в Берлинском университете, и остался на последокторское обучение под руководством Гельмгольца. В 1883 году он занимает должность лектора теоретической физики в Кильском университете, а в 1885 году Герц стал полным профессором в Университете Карлсруэ, где он и сделал своё научное открытие о существовании электромагнитных волн. Работы Герца сыграли огромную роль в развитии науки и техники, способствуя появлению беспроволочного телеграфа, радиосвязи, радиолокации, телевидения.

С 1885 по 1889 годы Герц работал профессором физики технического университета в Карлсруэ. Именно в эти годы он провёл свои знаменитые опыты по распространению электрической силы, доказавшие реальность электромагнитных волн. Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем замечательнее полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в приёмниках - расположенных в нескольких метрах контурах, настроенных в резонанс. Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе, и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с тем только (весьма существенным!) отличием, что длины волн были почти в миллион раз больше (порядка 3 метров).

Глава 6-3-10

Экспериментальный аппарат Герца 1887 года

Радиопередатчик Герца на основе катушки Румкорфа (с ударным возбуждением колебательного контура ключевым прерывателем). Постоянный ток от источника, проходя через катушку, намагничивает её железный сердечник, он притягивает подвижной контакт и цепь разрывается, когда магнитное поле исчезает контакт замыкается снова[15]. Для проведения опытов Герц придумал и сконструировал свой знаменитый излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии вибратором Герца. Вибратор представлял собой два медных прутка с насаженными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор - искровой промежуток. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа - преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и ёмкость цепи, определяющие длину волны.

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор - проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у передатчика латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком. В результате проведённых опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удалённом от генератора даже на 3 метра, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет? Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Всё это было изложено в работе О лучах электрической силы (1888 г.). Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Благодаря своим опытам Герц пришёл к выводам:

Волны Максвелла синхронны (при этом скорость распространения радиоволн равна скорости света);

Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

В 1887 году по завершении опытов вышла статья Герца Об очень быстрых электрических колебаниях, а в 1888 году - ещё более фундаментальная работа Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении.

Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть. И что же дальше? - спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиций: Я предполагаю - ничего.

Глава 6-3-11

Химизм в попытках понимания эфира

(Д. И. Менделеев)

Для Дмитрия Ивановича Менделеева важно было понять физические причины периодичности химических элементов. Поскольку, как он установил, свойства элементов зависят от их атомных весов (массы), учёный предполагал разгадать природу сил тяготения, используя эти закономерности и изучая свойства передающей их среды.

Считалось, что эфир, заполняющий межпланетное пространство, является средой, передающей свет, тепло и гравитацию. Д. И. Менделеев предполагал, что эфир может оказаться специфическим состоянием сильно разреженных газов воздуха или неким неизвестным инертным газом с очень малым весом, то есть наилегчайший химический элемент.

В рабочей тетради 1874 года он написал: При нулевом давлении у воздуха есть некоторая плотность, это и есть эфир!. Но в публикациях той поры эти мысли не нашли отражения. Открытие в конце XIX века инертных газов вновь поставило вопрос о химической сущности мирового эфира.

По предложению Уильяма Рамзая Менделеев включает в периодическую таблицу нулевую группу, оставляя место для более лёгких, чем водород, элементов. По мнению Менделеева, группа инертных газов могла быть дополнена коронием и легчайшим, пока неизвестным элементом, названным им ньютонием, который и составляет мировой эфир.

Свои взгляды он развёрнуто излагает в апреле 1902 года в эссе Попытка химического понимания мирового эфира (опубликовано на английском языке в 1904 году, на русском - в 1905 году).

В заключительной части этого труда Д. И. Менделеев пишет:

Представляя эфир газом, обладающим указанными признаками и относящимся к нулевой группе, я стремлюсь прежде всего извлечь из периодического закона то, что он может дать, реально объяснить вещественность и всеобщее распространение эфирного вещества повсюду в природе и его способность проникать все вещества не только газо- или парообразные, но и твёрдые и жидкие, так как атомы наиболее легких элементов, из которых состоят наши обычные вещества, всё же в миллионы раз тяжелее эфирных и, как надо думать, не изменят сильно своих отношений от присутствия столь лёгких атомов, каковы атомы или эфирные. Понятно само собой, что вопросов является затем и у меня самого целое множество, что на большую часть из них мне кажется невозможным отвечать, и что в изложении своей попытки я не думал ни поднимать их, ни пытаться отвечать на те из них, которые мне кажутся разрешимыми.

... я прибавляю в последнем видоизменении распределения элементов по группам и рядам не только нулевую группу, но и нулевой ряд, и на место в нулевой группе и в нулевом ряде помещён элемент x (мне бы хотелось предварительно назвать его ньютонием - в честь бессмертного Ньютона), который и решаюсь считать, во-первых, наилегчайшим из всех элементов, как по плотности, так и по атомному весу, во-вторых, наибыстрее движущимся газом, в-третьих, наименее способным к образованию с какими-либо другими атомами или частицами определенных сколько-либо прочных соединений, и, в-четвертых, - элементом, всюду распространённым и всё проникающим, как мировой эфир.

6-4. Строение атомов

Содержание

том-часть-глава

6-4-1. История развития атомарной теории

6-4-2. Иоганн Вольфганг Дёберейнер

6-4-3. Джон Александр Рейна Ньюлендс

6-4-4. Юлиус Лотар Мейер

6-4-5. Периодическая система химических элементов

6-4-6. Дмитрий Иванович Менделеев

6-4-7. Награды и признание заслуг Д. И. Менделеева

6-4-8. Джордж Джонстон Стони

6-4-9. Жан Батист Перрен

6-4-10. Джозеф Джон Томсон

6-4-11. Модели атома Томсона

6-4-12. Хантаро Нагаока

6-4-13. Планетарная модель атома

6-4-14. Эрнест Резерфорд

6-4-15. Из воспоминаний П. Л. Капицы о Резерфорде

Глава 6-4-1

История развития атомарной теории

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи впервые было сформулировано еще древнеиндийскими и древнегреческими философами. В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов.

Впервые закономерности в изменении свойств элементов удалось установить Иоганну Вольфгангу Дёберейнеру (1780 - 1849 гг.) еще в 1817 году. Он заметил, что если расположить три сходных по химическим свойствам элемента в порядке возрастания их атомных весов, то атомный вес второго (среднего) элемента будет равен среднему арифметическому атомных весов первого и третьего.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Значительный вклад в систематизацию химических элементов внёс Юлиус Лотар Мейер (1830 - 1895 гг.). В 1864 году он опубликовал таблицу, содержавшую 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям.

1 марта (17 февраля) 1869 года Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834 - 1907 гг.) был завершен первый вариант Периодической системы химических элементов: Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве, в котором элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов).

Однако в конце XIX - начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.

Для объяснения этого установленного с помощью экспериментов факта потребовалось создать модели устройства атома.

Модель атома Томсона 1904 г. (модель Пудинг с изюмом). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра (модель атома Резерфорда). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию (модель атома Бора-Резерфорда). Необходимость введения постулатов Бора была следствием осознания того, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Рис. Иоганн Вольфганг Дёберейнер

Глава 6-4-2

Иоганн Вольфганг Дёберейнер

Иоганн Вольфганг Дёберейнер (нем. Johann Wolfgang Dbereiner; 13 декабря 1780, Хоф - 24 марта 1849 гг., Йена) - немецкий химик.

Иоганн Вольфганг Дёберейнер родился в баварском городке Хоф в семье извозчика. Не имея возможности получить среднее образование, Дёберейнер усердно занимался самообразованием и смог сдать экзамены на должность помощника аптекаря. Чтобы получить право заведовать аптекой, в 1800 - 1803 годах он изучал естественные науки в Страсбурге. Вернувшись в Германию, Дёберейнер из-за недостатка средств и цеховых ограничений фармацевтов не смог осуществить свои планы. Его попытки организовать производство и продажу химических веществ, а также основать учебное заведение по подготовке химиков-технологов также не увенчались успехом. Тем не менее, многочисленные публикации Дёберейнера о совершенствовании способов получения различных веществ были с одобрением встречены специалистами, и в 1810 году он при содействии И. В. Гёте был приглашён в Йенский университет на должность профессора.

Большая часть исследований Дёберейнера посвящена изучению свойств металлов и их оксидов, а также закономерностей в изменении свойств элементов. В 1821 он получил уксусную кислоту окислением этилового спирта в присутствии платины; в 1823 Дёберейнер сообщил о воспламенении струи водорода, направленной на губчатую платину. Эти работы, сразу же получившие высокую оценку среди химиков, наряду с исследованиями Г.Дэви заложили основы каталитической химии - раздела химии, называемого сейчас гетерогенным катализом. На основе последней реакции он сконструировал прибор, получивший название огниво Дёберейнера.

Дёберейнеру удалось установить первые закономерности в изменении свойств элементов. Он заметил, что если расположить три сходных по химическим свойствам элемента в порядке возрастания их атомных весов, то атомный вес второго (среднего) элемента будет равен среднему арифметическому атомных весов первого и третьего. В 1817 году Дёберейнер установил такую закономерность для первой триады - щёлочно-земельных металлов: кальция, стронция и бария. В 1829, после того, как Й. Я. Берцелиус подтвердил его данные, Дёберейнер распространил этот принцип на другие элементы, предложив ещё две триады (литий, натрий, калий и сера, селен, теллур). В основу своей классификации, помимо атомных весов, он положил также аналогию свойств и характерных признаков элементов и их соединений.

Работы Дёберейнера по систематизации элементов вначале не привлекли к себе внимания. В 1840 Л. Гмелин, расширив список элементов, показал, что характер их классификации по свойствам гораздо сложнее, чем разделение на триады. Тем не менее закон триад Дёберейнера подготовил почву для систематизации элементов, завершившейся созданием Периодического закона.

Дёберейнер был не только учёным, но и выдающимся химиком-технологом. Он занимался изучением процессов крашения тканей, организовал крахмально-паточное производство, изучал химические основы брожения и т. д. Найденный Дёберейнером способ окисления этилового спирта в уксусную кислоту нашел применение в промышленном производстве этого продукта.

Глава 6-4-3

Джон Александр Рейна Ньюлендс

Джон Александр Рейна Ньюлендс (англ. John Alexander Reina Newlands, 26 ноября 1837, Лондон - 29 июля 1898, Лондон) - английский химик.

Джон Ньюлендс родился в семье шотландского священника Уильяма Ньюлендса и Мэри Сары Рейна, урожденной итальянки. Мать привила сыну любовь к музыке, а отец, не хотевший, чтобы сын пошёл по его стопам, подготовил его к поступлению в химический колледж.

Окончив колледж в 1857 году Джон Ньюлендс становится ассистентом химика в Королевском сельскохозяйственном обществе. В то время в Италии набирало силу освободительное движение во главе с Джузеппе Гарибальди. По мнению матери, Джону следовало принять участие в этих событиях и под её влиянием он уезжает в Италию. Там в начале 1860 года Ньюлендс познакомился со Станислао Канниццаро - одним из реформаторов атомно-молекулярного учения. Общение с Канниццаро, по-видимому, привлекло внимание Ньюлендса к проблеме атомных весов элементов.

Периодический закон

В начале 1864 года Ньюлендс прочёл анонимную статью, автор которой утверждал, что атомные веса большинства элементов с большей или меньшей точностью кратны восьми. Мнение анонимного автора было ошибочным, однако Ньюлендс решил продолжить исследования в этой области. Он составил таблицу, в которой расположил все известные элементы в порядке увеличения их атомных весов (по данным Канниццаро). В статье, датированной 20 августа 1864 годом, он отметил, что в этом ряду наблюдается периодическое появление химически сходных элементов. Пронумеровав элементы (элементы, имеющие одинаковые веса, имели и один и тот же номер) и сопоставив номера со свойствами элементов, Ньюлендс сделал вывод: Разность в номерах наименьшего члена группы и следующего за ним равна семи; иначе говоря, восьмой элемент, начиная с данного элемента, является своего рода повторением первого, подобно восьмой ноте октавы в музыке.... Тем самым им впервые была высказана идея о периодичности изменения свойств элементов.

Спустя год, 18 августа 1865 года, Ньюлендс опубликовал новую таблицу элементов, назвав её законом октав, который формулировался следующим образом: Номера аналогичных элементов, как правило, отличаются или на целое число семь, или на кратное семи; другими словами, члены одной и той же группы соотносятся друг с другом в том же отношении, как и крайние точки одной или больше октав в музыке. Публикации Ньюлендса, подобно другим (довольно многочисленным) попыткам нахождения всякого рода закономерностей среди атомных весов элементов, не привлекли особого внимания.

Рис. Таблица Ньюледса

1 марта 1866 года Ньюлендс сделал доклад Закон октав и причины химических соотношений среди атомных весов на заседании Лондонского химического общества, который не вызвал особого интереса. История сохранила лишь ехидное замечание Джорджа Фостера (англ. George Carey Foster): не пробовал ли докладчик располагать элементы в порядке начальных букв их названий и не обнаружил ли при этом каких-либо закономерностей? Доклад так и не был напечатан в журнале химического общества. После этой неудачи Ньюлендс не предпринимал попыток дальнейшей разработки своей систематики.

В 1868 году он устроился работать на сахарорафинадный завод и проработал там до 1886 года. Получил известность как специалист в области сахароварения, усовершенствовал технологический процесс приготовления сахара. В 1875 году Ньюлендс опубликовал несколько работ, где, в частности, впервые предложил термин порядковый номер элемента, не вкладывая в него, однако, особого физического смысла, а в 1884 году он выпустил книгу Об открытии периодического закона и об отношениях между элементами, в которой собрал свои основные статьи и опубликовал претензию на приоритет открытия Периодического закона.

В 1887 году Лондонское королевское общество присудило Ньюлендсу одну из самых почётных наград того времени - медаль Дэви: за открытие периодического закона химических элементов, хотя пятью годами ранее этой награды были удостоены Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер За открытие периодических соотношений атомных весов. Это награждение выглядело несколько сомнительным, хотя неоспоримой заслугой Ньюлендса является то, что он действительно впервые констатировал факт периодического изменения свойств химических элементов, нашедший отражение в законе октав. По высказыванию Менделеева, ...в этих трудах видны некоторые зародыши периодического закона.

Глава 6-4-4

Юлиус Лотар Мейер

Юлиус Лотар Мейер (нем. Julius Lothar von Meyer; 19 августа 1830, Фарель - 11 апреля 1895, Тюбинген) - немецкий химик, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук с 1890 года. Наряду с Д. И. Менделеевым считается создателем Периодической системы элементов.

Рис. Юлиус Лотар Мейер

В 1854году окончил Вюрцбургский университет (доктор медицины). Изучал естественные науки в университетах Гейдельберга (где работал в лаборатории Р. Бунзена), Кёнигсберга и Бреслау (доктор философии).

С 1859 года преподавал в университете Бреслау, в 1866-1868 годах в Лесной академии в Нейштадт-Эбервальде. В 1868 - 1876 годах профессор в университете Карлсруэ, с 1876 года в Тюбингенском университете. В 1860 году участвовал в Международном конгрессе химиков в Карлсруэ, на котором обсуждались определения основных понятий химии.

Основные научные работы посвящены теоретической и физической химии. Внёс значительный вклад в систематизацию химических элементов. В 1864 году опубликовал таблицу, содержавшую 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

В 1870 году опубликовал работу Природа элементов как функция их атомного веса, содержавшую новую таблицу и график зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид. Предложенная Мейером таблица состояла из девяти вертикальных столбцов, сходные элементы располагались в горизонтальных рядах; некоторые ячейки таблицы Мейер оставил незаполненными. Таблица Мейера 1870 года в некоторых отношениях была совершеннее первого варианта таблицы Менделеева.

Вопрос о приоритете открытия периодического закона

Мейер опубликовал статью К истории периодической атомистики. Оттиск её он послал Д. И. Менделееву, который опубликовал ответную - К истории периодического закона, где утверждал, что таблица Л. Майера представляла собой только простое сопоставление элементов по валентности, считавшейся им коренным свойством - немецкий учёный не признавал атомный вес в качестве такового, как определяющего периодичность, поэтому в его таблице отсутствовали некоторые важные аналоги (например, B-Al), а следующая работа Л. Мейера Природа элементов как функция их атомных весов написана только в декабре 1869 года (более чем через полгода после опубликования Д. И. Менделеевым Периодического закона) с предложением общей системы химических элементов, расположенных по возрастанию атомных масс, которая, по словам Л. Мейера, в существенном идентична данной Менделеевым. Однако это ещё в 1866 году предложил английский химик Дж. Ньюлендс в своём законе октав. Л. Мейер построил кривые зависимости атомных объёмов элементов от их атомных масс.

В своей статье Д. И. Менделеев пишет: г. Майер раньше меня не имел в виду периодического закона, а после меня ничего нового к нему не прибавил; далее русский учёный добавляет, что Л. Мейер не развивал открытия, в частности в направлении систематизации химических соединений (последовательности изменения стеклообразующих окислов), - не делал попыток на его основе дать предсказания свойств не открытых ещё элементов или исправления атомных весов уже известных.

По праву творцом научной идеи, - пишет Менделеев, - должно того считать, кто понял не только философскую, но и практическую сторону дела, сумел так его поставить, что в новой истине все могли убедиться, и она стала всеобщим достоянием. Тогда только идея, как материя, не пропадёт.

Менделеев отметил ученых, которым он наиболее обязан своим законом - Э. Ленссена и Ж. Б. Дюма.

В 1882 году Лондонское королевское общество присудило золотые медали Дэви совместно Менделееву и Мейеру с формулировкой За открытие периодических соотношений атомных весов. В зарубежной литературе Л. Мейер обычно рассматривается как один из авторов периодической системы химических элементов.

Глава 6-4-5

Периодический закон

Работа над учебным пособием Основы химии позволила Менделееву задуматься над природой химических элементов. В результате 1 марта (17 февраля) 1869 года был завершен самый первый целостный вариант Периодической системы химических элементов, который получил тогда название Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве, в котором элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). Эта дата знаменует собой открытие Менделеевым Периодического закона, но более верным считать эту дату началом открытия, поскольку требовалось его осмысление и затем достижение формулировки.

Согласно окончательной хронологии первых публикаций Таблицы Менделеева, впервые Таблица была опубликована 26-27 марта (14-15 марта) 1869 года в 1-м издании учебника Менделеева Основы Химии (ч. 1, вып. 2). И уже после этого, осознав во время двухнедельной поездки по провинции великое значение своего открытия, Менделеев по возвращении в Петербург заказал в середине марта в типографии Общественная польза отдельные листки с этой таблицей, которые были напечатаны 29 марта (17 марта) 1869 года специально для рассылки многим химикам. Позднее, уже в начале мая 1869 года Опыт системы элементов был напечатан с химическим обоснованием в программной статье Менделеева Соотношение свойств с атомным весом элементов (журнал Русского химического общества). Напечатанные листки достигли своей цели - в апреле 1869 года состоялась первая публикация Таблицы Менделеева в международной печати, она вышла в свет 17 апреля (5 апреля) 1869 года в лейпцигском Журнале практической химии и стала достоянием мировой науки.

Рис. Первый вариант таблицы Менделеева

Отдельные учёные в ряде стран, особенно в Германии, соавтором открытия считают Лотара Мейера. Существенное различие этих систем заключается в том, что таблица Л. Мейера - это один из вариантов классификации известных к тому времени химических элементов; выявленная Д. И. Менделеевым периодичность - это система, которая дала понимание закономерности, позволившей определить место в ней элементов, неизвестных в то время, предсказать не только существование, но и дать их характеристики.

Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме, и решение её было найдено несомненно благодаря ему - именно этой системой руководствовались исследователи, указывая факторы, выявленные им с интересовавшими их другими физическими характеристиками. В 1984 году академик В. И. Спицын писал: ...Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона.

Немецкий учёный, главный редактор фундаментального пособия Анорганикум - объединённого курса неорганической, физической и аналитической химии, выдержавшего более десяти изданий, академик Л. Кольдиц так истолковывает особенности открытия Д. И. Менделеева, сопоставляя в высшей степени убедительные результаты его труда с работами других исследователей, искавших подобные закономерности:

Никто из учёных, занимавшихся до Менделеева или одновременно с ним исследованиями соотношений между атомными весами и свойствами элементов, не смог сформулировать эту закономерность так ясно, как это сделал он. В частности, это относится к Дж. Ньюлендсу и Л. Мейеру. Предсказание ещё не известных элементов, их свойств и свойств их соединений является исключительно заслугой Д. И. Менделеева. Наилучшим образом он смог применить свой метод горизонтальной, вертикальной и диагональной интерполяции в открытой им периодической системе для предсказания свойств.

Развивая в 1869-1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов (теллура, бериллия, индия, урана и др.). В статье, датированной 29 ноября 1870 года (11 декабря 1870 года) предсказал существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов - экаалюминия (открыт в 1875 году Лекоком де Буабодраном и назван галлием), экабора (открыт в 1879 году шведским химиком Л. Нильсоном и назван скандием) и экасилиция (открыт в 1886 году немецким химиком К. Винклером и назван германием). Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе двителлура - полония (открыт в 1898 году), экаиода - астата (открыт в 1942-1943 годах), экамарганца - технеция (открыт в 1937 году), двимарганца - рения (открыт в 1925 году), экацезия - франция (открыт в 1939 году).

В 1900 году Дмитрий Иванович Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.

Глава 6-4-6

Дмитрий Иванович Менделеев

Дмитрий Иванович Менделеев (27 января [8 февраля] 1834, Тобольск - 20 января [2 февраля] 1907, Санкт-Петербург) - русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Императорского Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент (по разряду физический) Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди самых известных открытий - периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания. Автор классического труда Основы химии. Тайный советник.

0x01 graphic

Рис. Дмитрий Иванович Менделеев

Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января (8 февраля) 1834 года в Тобольске в семье Ивана Павловича Менделеева, в то время занимавшего должность директора Тобольской гимназии и училищ Тобольского округа, и Марии Дмитриевны Менделеевой (Корнильевой). Дмитрий был в семье последним, семнадцатым[8] ребёнком. Из семнадцати детей восьмеро умерли ещё в младенчестве (троим из них родители даже не успели дать имён), а одна из дочерей, Маша, умерла в возрасте 15 лет в 1826 году.

В год рождения Дмитрия его отец, Иван Менделеев, ослеп, что вынудило его выйти на пенсию. Для удаления катаракты он в сопровождении дочери Екатерины отправился в Москву, где в результате удачной операции доктора Петра Броссе ему было возвращено зрение. Однако вернуться к прежней работе он уже не мог, и семья жила на его небольшую пенсию.

Мария Дмитриевна, мать Дмитрия Менделеева, сыграла особую роль в жизни семьи. Не имея никакого образования, она прошла самостоятельно курс гимназии со своими братьями. Вследствие стеснённого материального положения, сложившегося из-за болезни главы семьи, Менделеевы переехали в село Аремзянское. Здесь находилась небольшая стекольная фабрика брата Марии - Василия Корнильева, жившего в Москве. Мать Дмитрия Менделеева получила право на управление фабрикой, и после кончины Ивана Менделеева в 1847 году большая семья жила на средства, получаемые от неё.

Заметив особые способности младшего сына, мать сумела найти в себе силы навсегда покинуть родную Сибирь, уехав из Тобольска, чтобы дать Дмитрию возможность получить высшее образование. В год окончания сыном гимназии Мария Менделеева ликвидировала все дела в Сибири и вместе с Дмитрием и младшей дочерью Елизаветой выехала в Москву, чтобы определить сына в университет. Спустя два года, через несколько недель после зачисления сына Дмитрия студентом Главного педагогического института в Санкт-Петербурге, Мария Менделеева скончалась.

В 1855 году Дмитрий Менделеев с золотой медалью окончил отделение естественных наук физико-математического факультета Главного педагогического института в Санкт-Петербурге.

В 1855-1856 годах - старший учитель в гимназических классах при Ришельевском лицее в Одессе.

В 1856 году Менделеев блестяще защитил диссертацию на право чтения лекций - Строение кремнезёмных соединений. 10 октября ему была присвоена учёная степень магистра химии.

В 1857-1890 годах преподавал в Императорском Санкт-Петербургском университете (с 1865 года - профессор химической технологии, с 1867 - профессор общей химии). Одновременно в 1863-1872 годах - профессор Санкт-Петербургского практического технологического института императора Николая I, руководил химической лабораторией института (1863-1872 гг.), в 1866-1872 годах преподавал органическую химию и физику в Николаевских инженерных академии и училище; 1861-1864 годах - химию в Институте Корпуса инженеров путей сообщения.

В 1859-1861 годах - находился в научной командировке в Германии. Менделеев выбрал Гейдельбергский университет, где работали незаурядные естествоиспытатели: Р. Бунзен, Г. Кирхгоф, Г. Гельмгольц.

В конце февраля 1861 года Менделеев получил предложение от издательства Общественная польза написать учебник по химии и уже в июне отдал последнюю корректуру. К октябрю учебник Органическая химия был напечатан и вскоре представлен на Демидовскую премию.

31 января (12 февраля) 1865 на заседании Совета физико-математического факультета Императорского Санкт-Петербургского университета Менделеев защитил докторскую диссертацию О соединении спирта с водой (СПб.: Общественная польза, 1865. - 119 с.), в которой были заложены основы его учения о растворах. После защиты Менделеев получил должность экстраординарного профессора университета по кафедре технической химии.

29 декабря 1876 (10 января 1877) - избран членом-корреспондентом по разряду физический Императорской Академии наук, в 1880 году выдвигался в академики, но 11 (23) ноября был забаллотирован, что вызвало резкий общественный протест.

1890 - покинул Императорский Санкт-Петербургский университет из-за конфликта с министром народного просвещения И. Д. Деляновым, который во время студенческих волнений отказался принять от Менделеева петицию студентов.

1890-1895 - консультант Научно-технической лаборатории Морского министерства, где разрабатывает технологию производства бездымного пороха.

1891-1892 - активно участвует в создании Энциклопедического словаря по заказу издателей Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона как редактор химико-технического и фабрично-заводского отдела и автор многих статей, продолжив эту работу и в последующие годы.

1892 - учёный-хранитель Депо образцовых гирь и весов, которое в 1893 году по его инициативе было преобразовано в Главную палату мер и весов (ныне ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева).

1900 - участвовал в работе Всемирной выставки в Париже, входил в состав Международного жюри как его вице-президент и председатель группы химического производства; написал (первую на русском языке) большую статью о синтетических волокнах Вискоза на Парижской выставке, где отметил важность для России развития их производства.

Научный авторитет Д. И. Менделеева был огромен. Список титулов и званий его включает более ста наименований. Практически всеми российскими и большинством наиболее уважаемых зарубежных академий, университетов и научных обществ, он был избран своим почётным членом.

Дмитрий Иванович Менделеев из основателей Русского физико-химического общества (1868 год - химического, и 1872 - физического) и третий его президент (с 1932 года преобразовано во Всесоюзное химическое общество, которое тогда же было названо его именем.

Д. И. Менделеев - автор фундаментальных исследований по химии, физике, метрологии, метеорологии, экономике, основополагающих трудов по воздухоплаванию, сельскому хозяйству, химической технологии, народному просвещению и других работ, тесно связанных с потребностями развития производительных сил России.

Оставил более 1500 трудов, среди которых классические Основы химии (ч. 1-2, 1869-1871, 13 изд., 1947) - первое стройное изложение неорганической химии.

Умер Д. И. Менделеев в возрасте 72 лет от воспаления лёгких. Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища.

Глава 6-4-7

Награды и признание заслуг Д. И. Менделеева

Ситуация с признанием научных заслуг Д. И. Менделеева в действительности стала причиной трагедии - одной личной, для самого Д. И. Менделеева; второй " научной, для всей российской науки. Дело в том, что Д. И. Менделеев не был избран членом Императорской академии наук, то есть так и не стал академиком у себя на родине. Существует легенда, что члены Петербургской Академии наук под предлогом, что работ по химии у Д. И. Менделеева совсем немного, на выборах в академики предпочли ему химика Фёдора Фёдоровича Бейльштейна. Неизбрание Д. И. Менделеева в действительные члены на протяжении нескольких десятилетий, в действительности, более навредило самой Императорской Академии наук, чем Менделееву.

В разное время Дмитрий Иванович Менделеев был награждён орденами не только Российской империи, но и зарубежных стран. В том числе:

медали Дэви Лондонского королевского общества (1882);

медали Академии метеорологической аэростатики (Париж, 1884);

Фарадеевской медали Английского химического общества (1889);

медали Копли Лондонского королевского общества (1905).

Именем Менделеева названы:

кратер Менделеев на Луне;

астероид (2769) Менделеев (открыт 1 апреля 1976 года, назван 8 ноября 1984 года);

101-й химический элемент - менделевий.

Нобелевская эпопея

Гриф секретности, который позволяет предавать гласности обстоятельства выдвижения и рассмотрения кандидатур, подразумевает полувековой срок, то есть о том, что происходило в первом десятилетии XX века в Нобелевском комитете было известно уже в 1960-е годы.

Иностранные учёные выдвигали Дмитрия Ивановича Менделеева на Нобелевскую премию в 1905, 1906 и 1907 годах (соотечественники - никогда). Статус премии подразумевал временной ценз: давность открытия не должна превышать 30 лет. Однако фундаментальное значение периодического закона получило подтверждение именно в начале XX века с открытием инертных газов. В 1905 году кандидатура Д. И. Менделеева оказалась в малом списке - с немецким химиком-органиком Адольфом Байером, который и стал лауреатом. В 1906 году его выдвинуло ещё большее число иностранных учёных. Нобелевский комитет присудил Д. И. Менделееву премию, но Шведская королевская академия наук отказалась утвердить это решение, в чём сыграло решающую роль влияние С. Аррениуса, лауреата 1903 года за теорию электролитической диссоциации - как указано выше, существовало заблуждение о неприятии этой теории Д. И. Менделеевым; лауреатом стал французский учёный А. Муассан - за открытие фтора. В 1907 году было предложено поделить премию между итальянцем С. Канниццаро и Д. И. Менделеевым (русские учёные опять в его выдвижении не участвовали). Однако 2 февраля учёный ушёл из жизни.

Не последнюю роль сыграл и конфликт 1880-х годов Д. И. Менделеева с братьями Нобель (Менделеев считал Нобеля человеком злой воли), которые, пользуясь кризисом нефтяной промышленности и стремясь к монополии на бакинскую нефть, на её добычу и перегонку, спекулировали дышащими интригою слухами о её истощении. Д. И. Менделеев тогда же, проведя исследования состава нефти разных месторождений, разработал новый способ дробной её перегонки, позволявший добиться разделения смесей летучих веществ. Он вёл продолжительную полемику с Л. Э. Нобелем и его сподвижниками, борясь с хищническим потреблением углеводородов, с идеями и методами, способствовавшими этому. Кроме того, к превеликому неудовольствию своего оппонента, использовавшего для утверждения своих интересов не вполне благовидные приёмы, доказал необоснованность мнения об оскудении каспийских месторождений нефти. Между прочим, именно Д. И. Менделеев предложил ещё в 1860-е годы строительство нефтепроводов, с успехом внедрённых с 1880-х Нобелями, которые, тем не менее, крайне отрицательно отнеслись к его же предложению доставки таким и другими способами сырой нефти в Центральную Россию, поскольку, хорошо сознавали выгоду в этом для России и видели в том угрозу своему монополизму.

Сочинения Д.И. Менделеева

D. Mendelejeff. Die periodische Gesetzmssigkeit der Elemente (нем.) // Annalen der Chemie und Pharmacie (англ.)русск. : magazin. - 1872. - Bd. VIII. Supplementbandes zweites Heft. - S. 144.

Менделеев Д. И. Периодический закон. - М.: Издательство Академии наук СССР, 1958. - С. 111. - (Классики науки). - 7000 экз.

Менделеев Д. И. Попытка химического понимания мирового эфира. - СПб.: Типолитография М. П. Фроловой. 1905. С. 5-40

Глава 6-4-8

Джордж Джонстон Стони

Джордж Джонстон Стони (англ. George Johnstone Stoney, 1826 - 1911 гг.) - британский ирландский физик и математик. Известный тем, что ввёл в науку термин электрон, определив его как фундаментальную единицу измерения электроэнергии.

0x01 graphic

Рис. Джордж Джонстон Стони

Родился в англо-ирландской семье. Образование получил в дублинском Тринити-колледже, который окончил со степенью бакалавра в 1848 году. С 1848 по 1852 год был помощником Уильяма Парсонса в Парсонстаунской обсерватории в замке Бирн, где находился самый большой телескоп того времени; параллельно Стони продолжал изучать физику в Тринити-колледже и в 1852 году защитил диссертацию на соискание степени магистра.

С 1852 по 1857 год состоял профессором физики в Королевском колледже в Голуэе, в 1857 году был переведён на административную работу в Дублин - служил секретарём Королевского Ирландского университета; в этот период, не занимаясь официально наукой, продолжал собственные научные исследования.

В 1883 году оставил эту работу, получив должность начальника службы экзаменов гражданских служащих в Ирландии и занимал её до своей отставки в 1893 году, после чего переехал в Лондон, где и умер в своём доме в Ноттинг-Хилле; был кремирован, его прах захоронили в церкви Сент-Найи.

На протяжении нескольких десятилетий (с июня 1861 года) был членом Ирландского королевского общества, его почётным секретарём в течение 20 лет, а затем вице-президентом; после переезда в Лондон вошёл в совет Лондонского королевского общества. С начала 1860-х годов периодически привлекался к работе некоторых комитетов Британской ассоциации содействия развитию науки. Был известен как противник ирландского самоуправления и сторонник светского образования.

За свою жизнь Стони опубликовал 75 работ в научных журналах, в основном в Дублине. Областями его научных интересов были спектроскопия, оптика, молекулярно-кинетическая теория газов, космическая физика, структура атома.

В 1874 году он первым сформулировал теорию дискретности электричества, также первым оценил число молекул в одном кубическом миллиметре газа при комнатных температуре и давлении; первым предложил количественную оценку (из закона электролиза) минимального электрического заряда (которая соответствует 10"20 кулона, то есть оценка оказалась заниженной в 16 раз), а также первую естественную систему единиц (длины L, времени T и массы M), основанную только на физических постоянных (скорости света c, гравитационной постоянной G и минимальном электрическом заряде e), чему посвятил целую статью, опубликованную в 1881 году.

В 1891 году предложил термин электрон для обозначения единицы элементарного электрического заряда; его исследования в этой области стали фактической основой для непосредственного открытия частицы Томсоном в 1897 году.

В честь Стони назван кратер на Луне.

Глава

Жан Батист Перрен

Жан Батист Перрен (фр. Jean Baptiste Perrin; 30 сентября 1870, Лилль, Франция - 17 апреля 1942, Нью-Йорк, США) - французский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1926 года за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия.

0x01 graphic

Рис. Жан Батист Перрен

Учился в Высшей нормальной школе в Париже. В 1894 - 1897 годах работал там же ассистентом, занимаясь изучением катодных и рентгеновских лучей. В 1897 году ему была присвоена степень доктора наук (docteur s sciences) за диссертацию о катодных и рентгеновских лучах. В том же году он стал читать лекции в Сорбоннском университете. В 1910 году Перрен стал профессором и оставался на этом посту до оккупации немецкими войсками во время второй мировой войны.

В 1895 году Перрен показал, что катодные лучи имеют корпускулярную природу и имеют отрицательный электрический заряд. Перрен определил значение числа Авогадро несколькими методами. Кроме того, он объяснил источник солнечной энергии - термоядерные реакции с участием водорода.

В 1901 году Жан Перрен строит исторически первую планетарную модель атома и отказывается от неё по причине абсолютной неустойчивости такой системы с точки зрения электродинамики.

После публикации Эйнштейном в 1905 году работы об атомарной природе броуновского движения, Перрен поставил эксперимент с целью проверки утверждений Эйнштейна и положил таким образом конец столетней дискуссии об атомной теории Джона Дальтона. Было окончательно проверено и установлено, что броуновское движение в жидкостях вызвано движением молекул, и тем самым дано решающее доказательство действительного существования молекул и атомов. Проводя свои опыты с гуммигутом, Перрен сумел сделать то, что казалось совершенно невозможным,- взвесить молекулы и атомы.

В 1926 году Перрен получает Нобелевскую премию по физике.

Перрен являлся лауреатом многих наград, среди которых были премия Джоуля от Лондонского королевского общества в 1896 г. и La Caze Prize от Парижской академии наук. Дважды Перрен назначался членом Солвеевского комитета - в 1911 и 1921 гг. Он был иностранным членом Лондонского королевского общества (1918), членом Бельгийской, Шведской, Туринской, Румынской и Китайской академий наук, а также иностранным членом-корреспондентом (1924) и почётным членом (1929) Академии наук СССР[6]. В 1926 г. Перрен стал командором Почётного легиона, а также командором ордена Леопольда (Бельгия).

Во время первой мировой войны Перрен был офицером инженерного корпуса. Во время немецкой оккупации Франции Перрен уехал в 1940 году в США, где и умер. После войны, в 1948 году, останки Перрена были перевезены во Францию на борту военного корабля Жанна Д'Арк и захоронены в Пантеоне.

Был социалистом и атеистом.

Глава 6-4-9

Джозеф Джон Томсон

Джозеф Джон Томсон (англ. Joseph John Thomson; 18 декабря 1856 - 30 августа 1940) - английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой за исследования прохождения электричества через газы.

Член (1884 г.) и президент (1915 - 1920 гг.) Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук (1919 г.; корреспондент с 1911 г.), иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1913 г.) и почётный член Российской академии наук (1925 г.).

Джозеф Джон Томсон родился в Читем-Хилле вблизи Манчестера в семье Джозефа Джеймса Томсона и его жены, урождённой Эммы Свинделлт. Его отец был коренным шотландцем и держал семейный бизнес по изданию и продаже книг в Манчестере. По настоянию отца он поступил учеником в инженерную фирму, но ввиду сложностей с поиском работы был временно отправлен в Оуэнс-колледж, Манчестер. Томсон относился к этому более-менее случайному стечению обстоятельств как к поворотной точке в своей жизни.

Рис. Джозеф Джон Томсон

Его математические и научные способности вскоре были замечены, он был вовлечён Бальфуром Стюартом в различные физические исследования и в конечном счёте опубликовал небольшую статью Contact electricity of insulators в Royal Society's Proceedings. Во время обучения в Оуэнс-коллежде он познакомился с Артуром Шустером и Джоном Генри Пойнтингом, дружба с которыми продолжалась всю жизнь.

По совету Баркера он оставил мысль об инженерной карьере и поступил в Тринити-колледж в Кембридже в октябре 1876 года, где в 1880 году получил степень бакалавра. После этого момента его жизнь проходила почти полностью в Кембридже, за исключением нескольких коротких поездок в Америку.

После получения степени бакалавра он стал сотрудником Тринити-колледжа и начал свои исследования в области математической и экспериментальной физики. Его ранняя математическая работа состояла в развитии электромагнитной теории и приложения динамических методов Лагранжа к проблемам математики и физики. Эти исследования, проходившие под руководством лорда Рэлея, были впоследствии обобщены в книге Application of Dynamics to Physics and Chemistry, однако полученные им в этот период результаты не выдержали проверку временем.

После выхода лорда Релея на пенсию с должности Кавендишского профессора в Кембридже в конце 1884 года Томсон был выбран ему на замену. Несмотря на молодость (Томсону в это время было около 27 лет), он проявил себя в качестве умелого руководителя Кавендишской лаборатории. Сам он был средним экспериментатором и имел относительно слабые знания в области механических процессов, но, тем не менее, его выдающиеся способности и природная изобретательность сильно перевесили эти недостатки.

В 1890 году он женился на Розе Пейджт, дочери сэра Джорджа Пэйджта. Его детьми от этого брака были Джордж Пэйджт Томсон (1892 - 1975 гг.), впоследствии профессор физики и лауреат Нобелевской премии по физике 1937 года за открытие дифракции электронов на кристаллах, и мисс Джоан Томсон.

Годы работы в качестве руководителя Кавендишской лаборатории стали наиболее результативными в его жизни. Так, именно к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 году.

В 1915 году он стал президентом Лондонского королевского общества, сменив сэра Уильяма Крукса, и находился на этом посту до 1920 года. По воспоминаниям современников, на встречах общества он всегда был готов к обсуждению, даже если статья не относилась к области его научных интересов, что исключало возможность любого поверхностного рассмотрения. Готовность к диалогу и личному стимулированию, вкупе с авторитетностью в научной области, делала его ценным учёным и источником вдохновения для многих исследователей.

С 1921 по 1923 год Дж. Дж. Томсон занимал пост президента Института физики.

Научная деятельность

Наиболее значимые его исследования:

Явление прохождения электрического тока при малых напряжениях сквозь газ, облучаемый рентгеновским излучением;

Исследование катодных лучей (электронных пучков), в результате которого было показано, что они имеют корпускулярную природу и состоят из отрицательно заряженных частиц субатомного размера. Эти исследования привели к открытию электрона (1897 г.);

Исследование анодных лучей (потоков ионизированных атомов и молекул), которое привело к открытию стабильных изотопов на примере изотопов неона: 20Ne и 22Ne (1913 г.), а также послужило толчком к развитию масс-спектрометрии;

Далее Томсон продолжил детально развивать концепцию электронов как частиц, входящих в состав атома. Из заключения по эксперименту Баркла по рассеянию рентгеновского излучения воздухом и другими газами, он определил, что количество электронов в атоме зависит от атомного веса. Томсон предложил модель атома, который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере, и смог показать, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа. Модель Томсона дала, по существу, то же основание периодического закона, что и более продвинутые модели, основанные на ядре атома, которые были выведены Бором из спектральных данных. Томсон в дальнейшем пришёл к концепции металлической проводимости с точки зрения движения свободных электронов в металле.

Личные качества и увлечения

Во время своего обучения в Кембридже он не принимал участия в спортивных соревнованиях, хотя и тогда, и позднее он проявлял сильный интерес к достижениям других. Будучи руководителем Тринити-колледжа, он также интересовался спортивными соревнованиями, и ничто не могло доставить ему больше удовольствия, чем возможность сходить на хороший футбольный матч или посмотреть выступление команды по гребле из Тринити на речке. Его можно было увидеть даже на второстепенных гонках. Он искренне радовался приглашениям на неформальный студенческий обед, и казалось, ему это доставляло больше радости, чем многие торжественные события, которые он вынужден был посещать ввиду своей должности.

Джозеф Джон Томсон не владел ни одним иностранным языком и отказывался от любых попыток разговора даже на французском, полностью полагаясь на свою жену в качестве переводчика. Несмотря на то, что он мог бегло читать по-французски и по-немецки, он никогда не писал и не говорил на этих языках. Свободно владел Эсперанто.

Томсон имел недюжинные способности к финансовой деятельности, успешно управлял своими инвестициями и смог сколотить приличное состояние. Эта сторона его деятельности, как правило, значительно менее известна, несмотря на то, что он всегда проявлял интерес к принципам работы как малых предприятий, так и больших финансовых систем.

По воспоминаниям современников, он был увлечённым садовником и проявлял большой интерес к селекции растений и луковиц для своего сада, хоть и не прилагал к этому больших физических усилий.

Почести и награды

• 1882 год - Премия Адамса

• 1887 год - Бейкеровская лекция

• 1892 год - Бейкеровская лекция

• 1894 год - Королевская медаль

• 1902 год - Медаль Хьюза

• 1903 год - Силлимановская лекция

• 1906 год - Нобелевская премия по физике

• 1910 год - Медаль Эллиота Крессона

• 1912 год - Орден за заслуги

• 1913 год - Бейкеровская лекция

• 1914 год - Медаль Копли

• 1915 год - Медаль Альберта (Королевское общество искусств)

• 1922 год - Медаль Франклина

• 1923 год - Медаль Джона Скотта

• 1925 год - Медаль Фарадея

• 1926 год - Кельвиновская лекция

• 1928 год - Медаль и премия Гутри.

В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Джозефа Джона Томсона кратеру на обратной стороне Луны.

Глава 6-4-10

Модели атома Томсона

Первую модель атома Джозеф Джон Томсон выдвинул в 1890 году. Это была гипотеза туманного атома (nebular atom), основанная на атомной теории вихрей, в которой атомы состояли из нематериальных вихрей. Он предположил, что между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов, есть сходство.

В 1897 году Джозеф Томсон открыл электрон и был вынужден предложить новую модель атома, в которой были бы учтены установленные к тому времени экспериментальные факты:

атомы электрически нейтральны, но любые атомы независимо от их природы содержат электроны;

электроны являются лёгкими относительно масс атомов отрицательно заряженными корпускулами с малым и одинаковым зарядом;

при возбуждении атомов они излучают только на определённых частотах, порождая линейчатые оптические спектры.

Томсон называл отрицательно заряженные частицы, входящие в состав атомов корпускулами, но общеупотребительным стал называли - термин электроны, предложенный еще в 1891 году Джорджем Джонстоном Стони (1826 - 1911 гг.) для обозначения фундаментальной единицы количества электричества .

Для объяснения, почему атомы (которые содержат электроны) не имеют электрического заряда, Томсон предположил, что в состав атомов, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов, должны быть включены источники положительного заряда.

Рис. Модель атома Джозефа Томсона

Новая модель атома (иногда называемая пудинговая модель атома) была предложена Томсоном в 1904 году, ещё до открытия атомного ядра. Модель пудинга с изюмом имеет электроны, окруженные объёмом положительного заряда, подобно отрицательно заряженным изюминкам, встроенным в положительно заряженный пудинг.

В статье, опубликованной в марте 1904 года в журнале Philosophical Magazine Томсон рассмотрел три правдоподобных варианта возможного строения атома:

Каждый отрицательно заряженный электрон спарен с гипотетической положительно заряженной частицей, и эта пара блуждает внутри атома;

Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг сосредоточенной в центре атома области положительного заряда, равного по абсолютной величине суммарному заряду всех электронов атома;

Электроны погружены в сферическое облако положительного заряда с равной везде плотностью заряда внутри этой сферы, где могут свободно двигаться.

Сам Томсон считал, что наиболее вероятно строение атома по третьей модели. В этой же статье Томсон отвергает ранее предложенную им вихревую модель строения атома. Томсон писал:

...атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд...

В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцевым орбитам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а линейчатые спектры объясняли разницей энергий при движении по разным кольцевым орбитам.

Томсон пытался объяснить с помощью своей модели яркие спектральные линии некоторых химических элементов, но не особо в этом преуспел.

Экспериментальное опровержение модели Томсона

Модель атома Томсона 1904 года была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге в 1909 году, который был проанализирован Эрнестом Резерфордом в 1911 году, предположившим, что в атоме есть очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд (в случае золота, достаточный, чтобы компенсировать заряд около 100 электронов), что привело к созданию планетарной модели атома Резерфорда. Хотя атомный номер золота равен 79, сразу же после появления статьи Резерфорда в 1911 году Антониус Ван ден Брук выдвинул интуитивное предположение, что атомный номер и является зарядом ядра, выраженном в единицах элементарного заряда.

Для подтверждения этой гипотезы требовался эксперимент. В 1913 году Генри Мозли экспериментально показал (Закон Мозли), что заряд ядра в элементарных зарядах очень близок к атомному номеру (экспериментальное отклонение, обнаруженное Мозли, было не больше единицы), причём Мозли ссылался только на работы Ван ден Брука и Резерфорда. Эта работа в итоге привела к созданию в том же году модели атома Бора, похожей на Солнечную систему (но с квантовыми ограничениями), в которой ядро, имеющее положительный заряд, равный атомному номеру, окружено равным числом электронов в орбитальных слоях.

При рассмотрении модели Томсона была сформулирована до сих пор нерешённая проблема математической физики - нахождения конфигурации многих зарядов с наименьшей потенциальной энергией на сфере - проблема Томсона.

Глава 6-4-11

Хантаро Нагаока

Хантаро Нагаока (15 августа 1865 г., Омура - 11 декабря 1950 г.) - японский физик, один из основоположников японской физики начала Периода Мэйдзи, основатель научной школы. Автор ряда трудов по электричеству и магнетизму, атомной физике и спектроскопии.

Нагаока окончил Токийский университет в 1887 году, после чего продолжил в нём работать. Занялся изучением эффекта магнитострикции, посещал британского физика К. Нотта, получил приглашение на Первый Международный Конгресс физиков, состоявшийся в Париже в 1900 году по инициативе семьи Кюри.

0x01 graphic

Рис. Хантаро Нагаока

В период с 1892 по 1896 годы Нагаока изучал науки в Вене, Берлине, Мюнхене, где на него произвело большое впечатление знакомство с молекулярно-кинетической теорией Больцмана и работами Максвелла, посвящёнными устойчивости колец Сатурна: две составляющие, ставшие затем основой его собственной атомной модели.

В 1901 - 1925 годах Нагаока - профессор физики Токийского университета, среди его учеников Котаро Хонда и будущий нобелевский лауреат Хидэки Юкава.

К 1904 году Нагаока разработал раннюю, ошибочную планетарную модель атома (атом типа Сатурна). Модель была построена на аналогии с расчётами устойчивости колец Сатурна (кольца уравновешены из-за очень большой массы планеты).

Модель Нагаоки была неверна, но два следствия из неё оказались пророческими:

ядро атома действительно очень массивно;

электроны удерживаются на орбите благодаря электростатическим силам (подобно тому, как кольца Сатурна удерживаются гравитационными силами).

Научная общественность не обратила внимание на эту работу Нагаоки, однако в дальнейшем оба эти положения были успешно подтверждены Резерфордом и его последователями. Тем не менее, в остальном модель была неудовлетворительной, и Нагаока отказался от неё в 1908 году.

Затем в сфере его научных интересов оказалась спектроскопия и другие области физики. В марте 1924 года он описал способ, который позволял, по его мнению, получить миллиграмм золота и некоторое количество платины из ртути.

С 1930 года Хантаро Нагаока - иностранный почётный член Академии наук СССР. С мая 1931 по июнь 1934 года он возглавлял Осакский университет. За свои научные заслуги в 1937 году Нагаока был награждён японским правительством Орденом Культуры. С 1939 по 1948 год возглавлял Императорскую академию наук (ныне Японская академия наук).

В честь Хантаро Нагаоки назван кратер на Луне.

Глава 6-4-12

Планетарная модель атома

Планетарная модель атома, или модель атома Резерфорда, - исторически важная модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в статье, опубликованной в 1911 году на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 году.

В этой модели Резерфорд описывает строение атома состоящим из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Модель Резерфорда пришла на смену одной из моделей Томсона пудинга с изюмом, которая предполагала, что отрицательно заряженные электроны размещены на круговых орбитах внутри положительно заряженного атома с распределённым по всему его объёму положительным зарядом. И модели Нагаока Хантаро, модель которого была построена на аналогии с расчётами устойчивости колец Сатурна (кольца уравновешены из-за очень большой массы планеты).

Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание.

Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10^"¹⁰ м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Он предполагал, что заряд ядра пропорционален атомной массе. Связь электрического заряда ядра с атомным номером химического элемента установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 году.

0x01 graphic

Рис. Планетарная модель атома

Недостатком планетарной модели была невозможность объяснения ею устойчивости атомов. Так как электроны движутся вокруг ядра, испытывая при этом центростремительное ускорение как планеты вокруг Солнца, то они по законам классической электродинамики должны излучать электромагнитные волны, теряя при этом на излучение кинетическую энергию орбитального движения и в результате упасть на ядро. Расчёты, выполненные с помощью методов классической электродинамики показывают, что электроны должны упасть на ядро за время порядка 10^"¹¹ секунд.

Это противоречие было снято последующим развитием планетарной модели в модели атома Бора, постулирующая другие, отличные от классических законы орбитального движения электронов на основе волн де Бройля. Полностью противоречащие эксперименту выводы классической электродинамики смогло объяснить развитие квантовой механики.

Глава 6-4-13

Эрнест Резерфорд

Эрнест Резерфорд; 1-й барон Резерфорд Нельсонский (англ. Ernest Rutherford; 30 августа 1871, Спринг-Грув, Новая Зеландия - 19 октября 1937, Кембридж) - британский физик новозеландского происхождения. Известен как отец ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года.

0x01 graphic

Рис. Эрнест Резерфорд

В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта создал планетарную модель атома.

Член (1903 г.) и президент (1925 - 1930 гг.) Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук (1927 г.; корреспондент с 1921 г.), иностранный член-корреспондент (1922 г.) и почётный член (1925 г.) Российской академии наук.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Новой Зеландии в небольшом посёлке Спринг-Грув, расположенном на севере Южного острова близ города Нельсона, в семье фермера, выращивавшего лён. Отец - Джеймс Резерфорд, иммигрировал из г. Перт (Шотландия). Мать - Марта Томпсон, родом из Хорнчёрча (графство Эссекс, Англия). В то время другие шотландцы эмигрировали в Квебек (Канада), но семье Резерфорд не повезло, и бесплатный билет на пароход правительство предоставило до Новой Зеландии, а не до Канады.

Эрнест был четвёртым ребёнком в семье из двенадцати детей. Имел удивительную память, богатырское здоровье и силу. С отличием окончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения учёбы в колледже Нельсона. Очередная стипендия позволила ему продолжить обучение в Кентербери-колледже в Крайстчерче. В те времена это был маленький университет со 150 студентами и всего 7 профессорами. Резерфорд увлёкся наукой и с первого дня начал исследовательскую работу.

Его магистерская работа, написанная в 1892 году, называлась Намагничивание железа при высокочастотных разрядах. Работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем. Резерфордом был придуман и изготовлен прибор - магнитный детектор, один из первых приёмников электромагнитных волн.

Окончив университет в 1894 году, Резерфорд в течение года работал преподавателем в средней школе. Наиболее одарённым молодым подданным британской короны, проживавшим в колониях, один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851 года - 150 фунтов в год, дававшая возможность поехать для дальнейшего продвижения в науке в Англию. В 1895 году Резерфорд был удостоен этой стипендии, так как тот, кто её сначала получил - Маклорен, отказался от неё. Осенью того же года, заняв деньги на билет на пароход до Великобритании, Резерфорд прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом её директора Джозефа Джона Томсона. 1895 год был первым годом, когда (по инициативе Дж. Дж. Томсона) студенты, окончившие другие университеты, могли продолжать научную работу в лабораториях Кембриджа.

Резерфорд планировал заниматься детектором радиоволн или волн Герца, сдать экзамены по физике и получить степень магистра. Но государственная почта Великобритании выделила деньги Маркони на эту же самую работу и отказалась её финансировать в Кавендишской лаборатории. Резерфорд вынужден был начать работать репетитором и ассистентом у Дж. Дж. Томсона по теме изучения процесса ионизации газов под действием рентгеновских лучей.

В 1898 году Резерфорд открыл альфа- и бета-лучи. Спустя год Поль Вийяр открыл гамма-излучение (название этого типа ионизирующего излучения, как и первых двух, предложено Резерфордом).

С лета 1898 года учёный начал исследование только что открытого явления радиоактивности урана и тория. Осенью Резерфорд занял должность профессора университета Макгилла в Монреале (Канада). В этом университете Резерфорд плодотворно сотрудничал с Фредериком Содди, в то время младшим лаборантом химического факультета, впоследствии (как и Резерфорд) нобелевским лауреатом по химии (1921). В 1903 году Резерфорд и Содди выдвинули и доказали революционную идею о преобразовании элементов в процессе радиоактивного распада.

Получив широкую известность благодаря своим работам в области радиоактивности, Резерфорд стал востребованным учёным и получил множество предложений работы в научно-исследовательских центрах различных стран мира. Весной 1907 года он покинул Канаду и начал профессорскую деятельность в университете Виктории в Манчестере (Англия).

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ.

Важным и радостным событием в жизни стало избрание учёного членом Лондонского королевского общества в 1903 году, а с 1925 по 1930 год он занимал пост президента общества. В 1931-1933 годах Резерфорд был президентом Института физики.

В 1914 году Резерфорд был удостоен дворянского титула. 12 февраля в Букингемском дворце король посвятил его в рыцари: он был облачён в придворный мундир и препоясан мечом.

Резерфорд написал и опубликовал три тома работ. Все они носят экспериментальный характер:

1904 год - Радиоактивность;

1905 год - Радиоактивные превращения;

1930 год - Излучения радиоактивных веществ (в соавторстве с Дж. Чедвиком и Ч. Эллисом).

Двенадцать учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевской премии по физике и химии. Один из наиболее талантливых учеников Генри Мозли, экспериментально показавший физический смысл Периодического закона, погиб в 1915 году на Галлиполи в ходе Дарданелльской операции. В Монреале Резерфорд работал с Ф. Содди, О. Ханом; в Манчестере - с Х. Гейгером (в частности, помог тому разработать счётчик для автоматического подсчёта числа ионизирующих частиц), в Кембридже - с Н. Бором, П. Капицей и многими другими знаменитыми в будущем учёными.

В честь Эрнеста Резерфорда названы:

химический элемент номер 104 в периодической системе - Резерфордий, впервые синтезированный в 1964 году и получивший данное название в 1997 году (до этого носил название Курчатовий);

астероид (1249) Резерфордия;

кратер на обратной стороне Луны;

Медаль и премия Резерфорда Института физики (Великобритания);

Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года через четыре дня после срочной операции по поводу неожиданного заболевания - ущемления грыжи - в возрасте 66 лет. Он был похоронен в Вестминстерском аббатстве, рядом с могилами Ньютона, Дарвина и Фарадея.

Глава 6-4-14

Из воспоминаний П. Л. Капицы о Резерфорде

В 1931 году Резерфорд выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Петра Капицы, которого принял на работу в Кавендишскую лабораторию в 1921 году.

В феврале 1933 года лаборатория в Кембридже была открыта. На торцевой стене 2-этажного здания был высечен по камню огромный, во всю стену крокодил. Его по заказу Капицы сделал известный в то время скульптор Эрик Гилл. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолочённым ключом в форме крокодила.

Крокодилом прозвал Резерфорда Капица.

Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать Резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперед, - позднее пояснял Капица.

0x01 graphic

Рис. Резерфорд и Капица

Ф. Кедров в книге Капица: жизнь и открытия приводит другую версию:

Дело в том, что у Резерфорда был громкий голос и он не умел управлять им. Могучий голос мэтра, встретившего кого-нибудь в коридоре, предупреждал тех, кто находился в лабораториях, о его приближении, и сотрудники успевали собраться с мыслями. Это дало Капице основание прозвать Резерфорда Крокодилом. Объясняют это ассоциацией с героем популярной детской книжки Крокодилом, который проглотил будильник. Его тиканье предупреждало детей о приближении страшного зверя.

Согласно воспоминаниям П. Л. Капицы, Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, которая характерна стремлением разобраться в сути физического явления и проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориями (в отличие от немецкой школы экспериментаторов, которая исходит из существующих теорий и стремится проверить их опытом). Он мало пользовался формулами и мало прибегал к математике, но был гениальным экспериментатором, напоминая в этом отношении Фарадея. Отмечаемым Капицей важным качеством Резерфорда как экспериментатора была его наблюдательность. В частности, благодаря ей он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример - открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег, но очень редких.

Комментарий

До 1934 года Капица с семьёй жил в Англии и регулярно приезжал в СССР на отдых и повидать родных. Правительство СССР несколько раз предлагало ему остаться на Родине, но учёный неизменно отказывался. В конце августа Капица принял участие в международном конгрессе, посвящённом 100-летию со дня рождения Дмитрия Менделеева. С августа по октябрь 1934 года был принят ряд постановлений Политбюро, предписывающих задержать учёного в СССР.

Капица согласился продолжить работу по специальности. В качестве условия потребовал перевезти лабораторию, в которой он работал, в СССР. Решением Политбюро ЦК ВКП(б) было выделено 30 тысяч фунтов стерлингов на закупку оборудования.

23 декабря 1934 года Вячеслав Молотов подписал постановление об организации в составе Академии наук СССР Института физических проблем (ИФП). 3 января 1935 года газеты Правда и Известия сообщили о назначении Капицы директором нового института.

Часть 6-5

Кризис классической физики на рубеже XIX-XX веков

Содержание

6-5-1. Кризис классической физики

6-5-2. Закон Рэлея - Джинса

6-5-3. Стретт, Джон Уильям (лорд Рэлей)

6-5-4. Фотоэффект

6-5-5. Александр Григорьевич Столетов

Глава 6-5-1

Кризис классической физики

К началу XX столетия накопился ряд вопросов, на которые в рамках классической физики не удавалось найти ответы.

1. Спектры электромагнитного излучения

Классическая теория (закон Рэлея - Джинса) не давала удовлетворительного описания спектров излучения абсолютно чёрного тела (ультрафиолетовая катастрофа), и существенно расходилась с экспериментально наблюдаемыми. Линейчатые спектры излучения и поглощения света газообразными веществами также не находили объяснения в рамках классической физики.

2. Источник энергии Солнца и звёзд

Гипотезы происхождения энергии звёзд, которые могла предложить классическая физика давали ничтожные значения этой энергии, явно не отвечающие действительности.

3. Явление радиоактивности

Явление радиоактивности было обнаруженное в 1896 году А. Беккерелем, и изучено в конце XIX века Марией и Пьером Кюри, свидетельствовало о том, что в атомах вещества заключается огромная (по сравнению с их размерами и массой) энергия, происхождение которой в рамках классической физики было необъяснимо.

4. Красная граница внешнего фотоэффекта

Красная граница внешнего фотоэффекта - максимальная (для данного материала катода) длина волны электромагнитного излучения, выше которой фотоэффект не наблюдается при любой интенсивности облучения, не была объяснена в классической физике.

5. Наблюдения электрона

Экспериментальные наблюдения электрона - частицы, обнаруженной в конце XIX века, показали, что отношение его заряда к массе не постоянно, а зависит от скорости его движения, что противоречило теоретическим положениям классической физики.

6. К концу XIX века всё больше сомнений вызывала концепция абсолютного пространства, которое (в соответствии с самой этой концепцией) является ненаблюдаемым. Возникало противоречие: для физики (по определению) не существует вещей, не обнаруживаемых ни в каких экспериментах, а между тем, во всех теоретических построениях классической физики явно или неявно предполагается существование абсолютного пространства. Некоторое время сохранялась надежда разрешить это противоречие путём обнаружения эфира - гипотетической материальной среды, заполняющей абсолютное пространство, и в которой (как предполагалось) распространяются электромагнитные волны, но опыт Майкельсона, поставленный в 1887 году именно с этой целью, существование эфира не обнаружил.

Несоответствие этих и других наблюдаемых явлений классическим теориям порождало сомнение во всеобщности тех фундаментальных принципов, на которых построены эти теории, в том числе законов сохранения массы, энергии и импульса. Эту ситуацию знаменитый французский математик и физик Анри Пуанкаре назвал кризисом физики.

Что же остаётся нетронутым среди всех этих руин?... Какую же позицию должна занять математическая физика при наличии этого всеобщего разгрома принципов?

Глава 6-5-2

Закон Рэлея - Джинса

В 1900 году Рэлей подошёл к изучению спектральных закономерностей излучения черного тела с позиции статистической физики, воспользовавшись классическим законом равномерного распределения энергии по степеням свободы.

Он рассмотрел равновесное излучение в замкнутой полости с зеркальными стенками как совокупность стоячих электромагнитных волн (осцилляторов).

К стоячим волнам, образующимся в промежутке между двумя стенками, Рэлей применил один из основных законов статистической физики - закон о равномерном распределении энергии между степенями свободы системы, находящейся в равновесии.

В 1905 году Джинс уточнил расчеты Рэлея и окончательно получил формулу распределения энергии теплового излучения по всему спектру, получившую название закона Рэлея-Джинса.

Однако выяснилось, что формула справедлива только в области малых частот и не согласуется с законом Вина. Попытка получить из формулы Рэлея-Джинса закон Стефана-Больцмана приводит к абсурду. Оказалось, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела, согласно закону Рэлея - Джинса, должна быть бесконечной, а спектральная плотность энергии излучения должна неограниченно расти по мере сокращения длины волны.

Этот результат, называют ультрафиолетовой катастрофой, поскольку стало очевидно, что этот результат не согласуется с экспериментальным наблюдением. В конце XIX века возникали трудности в описании фотометрических характеристик тел.

Проблема была решена при помощи квантовой теории излучения Макса Планка в 1900 году.

Глава 6-5-3

Стретт, Джон Уильям (лорд Рэлей)

Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей (англ. John Strutt, 3rd Baron Rayleigh; 12 ноября 1842 - 30 июня 1919 гг.), более известный как лорд Рэйли (Рэлей) - британский физик и механик, открывший (с Уильямом Рамзаем) газ аргон и получивший за это Нобелевскую премию по физике в 1904 году. Открыл также явление, ныне называемое рассеянием Рэлея, и предсказал существование поверхностных волн, которые также называются волнами Рэлея.

Член Лондонского королевского общества (1873 г.), его президент в 1905-1908 годах. Иностранный член Французской академии наук (1910 г.; член-корреспондент с 1890 г.).

Рис. Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей

Стретт родился в 1842 году в городке Лэнгфорд-Гров близ Тирлинга, графство Эссекс. С малых лет он отличался хрупким здоровьем.

В 1861 году он поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал математику. Его учителями были Эдвард Джон Раус и Джордж Габриэль Стокс. В 1865 году он получил степень бакалавра, а в 1868 году - магистра. После этого он был принят на работу сотрудником Тринити-колледжа и работал там до своей женитьбы в 1871 году.

Титул лорда Стретт унаследовал в 1873 году после смерти его отца - Джона Стретта, второго барона Рэлея.

После смерти Джеймса Максвелла в 1879 году Рэлей стал вторым Кавендишским профессором Кембриджского университета и директором Кавендишской лаборатории; последний пост он занимал до 1884 года. С 1887 г. Рэлей - профессор Королевского института Великобритании (Лондон). В 1885 - 1896 годах - секретарь Лондонского королевского общества.

Основные работы Рэлея по механике и физике относятся к теории колебаний, одним из основоположников которой он является. Приложения данной теории он находил в самых разных областях - в теории упругости, акустике, оптике, электричестве.

В 1878 году Рэлей ввёл понятие о функции рассеяния (диссипативная функция Рэлея), характеризующей скорость рассеяния механической энергии.

Крупным открытием Рэлея явилась его имеющая важное значение для сейсмологии теория поверхностных упругих волн (волны Рэлея, 1885-1887 гг.) - упругих возмущений, распространяющихся в твёрдом теле.

Рэлей объяснил различие между групповой и фазовой скоростям, установил соотношения между ними, получил формулу для групповой скорости (формула Рэлея).

Рэлей заложил основы теории молекулярного рассеяния света (ввёл понятие о рэлеевском рассеянии света). Установив обратную пропорциональность интенсивности рассеянного средой света четвёртой степени длины волны возбуждающего света (закон Рэлея), он объяснил голубой цвет неба. В 1879 году он создал теорию разрешающей способности оптических приборов на основе критерия Рэлея.

В 1900 году Рэлей открыл закон распределения энергии излучения в спектре абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры. Эта работа имела большое значение для возникновения теории квантов.

В 1894 году вместе с У. Рамзаем открыл новый химический элемент - аргон и определил его свойства и место в Периодической системе элементов (Нобелевская премия по физике 1904 г. с формулировкой: за исследование плотности газообразных элементов и открытие в связи с этим аргона).

Награды и премии

Королевская медаль (1882)

Медаль де Моргана (1890)

Медаль Маттеуччи (1894)

Фарадеевская лекция (1895)

Медаль Барнарда (1895)

Медаль Копли (1899)

Бейкеровская лекция (1902)

Нобелевская премия Нобелевская премия по физике (1904)

Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1905)

Медаль Эллиота Крессона (1913)

Медаль Румфорда (1914)

В 1964 году Международный астрономический союз присвоил имя Рэлея кратеру на видимой стороне Луны.

Глава 6-5-4

Фотоэффект

Фотоэффект, или фотоэлектрический эффект, - явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нём своё энергетическое состояние) фотоэффект. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

В 1888 - 1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов, опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Ещё Столетов пришёл к выводу, что Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре, то есть вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта. В 1891 году Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным.

Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости.

Исследования фотоэффекта Филиппом Ленардом в 1900-1902 годах показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Схема учебного эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берётся узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза - если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует существование красной границы фотоэффекта при T = 0 K, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы выбить электрон из металла.

В 1906 - 1915 годах фотоэффект обрабатывал Роберт Милликен. Он смог установить точную зависимость запирающего напряжения от частоты (действительно оказавшуюся линейной) и на его основании смог вычислить постоянную Планка. Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., - писал Милликен, - и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта.

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Законы внешнего фотоэффекта:

1-й закон фотоэффекта (закон Столетова):

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения. При неизменном спектральном составе электромагнитного излучения, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иными словами, число фотоэлектронов, выбиваемых из катода в единицу времени прямо пропорционально интенсивности излучения).

2-й закон фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта:

Для каждого вещества при определённом состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая ей длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Глава 6-5-5

Александр Григорьевич Столетов

Александр Григорьевич Столетов (29 июля (10 августа) 1839, Владимир - 16 (28) мая 1896, Москва) - русский физик, заслуженный профессор Императорского Московского университета.

Родился 29 июля (10 августа) 1839 года в семье небогатого купца, владельца бакалейной лавки и мастерской по выделке кож Григория Михайловича Столетова. Мать, Александра Васильевна, происходила из семьи купцов Полежаевых города Касимова Тамбовской губернии. Будучи образованной женщиной, сама готовила своих детей (всего их было шесть) к поступлению в гимназию, обучая их арифметике и русскому языку. Его брат Николай Григорьевич стал видным военачальником. Александр в 4 года научился читать, а впоследствии проявлял интерес к литературе, выпуская во время учёбы в гимназии рукописный журнал.

0x01 graphic

Рис. Александр Григорьевич Столетов

Учился во Владимирской гимназии ( 1849-1856). Окончив гимназию с золотой медалью, поступил на физико-математический факультет Императорского Московского университета казённокоштным студентом, где обучался у профессора М. Ф. Спасского. В 1860 году окончил курс с отличием и был оставлен при университете для приготовления к профессорскому званию.

С лета 1862 года до начала 1866 года по специальной стипендии, пожертвованной университету профессорами Сергеем и Константином Рачинскими, проходил стажировку за границей, занимаясь физикой сначала в Гейдельберге, потом в Гёттингене (в физической лаборатории Вильгельма-Эдуарда Вебера), Берлине (в лаборатории Генриха-Густава Магнуса, слушал лекции Георга Германа Квинке, Дэве, Пальцова), Париже (университет Сорбонна) и, наконец, опять в Гейдельберге, в лаборатории Густава Роберта Кирхгофа. В первой своей научной работе установил, что диэлектрические свойства среды не влияют на электромагнитное взаимодействие проводников электрического тока; Кирхгоф называл его самым талантливым своим учеником.

С февраля 1866 года начал в Императорском Московском университете чтение лекций по математической физике и физической географии.

15 февраля 1869 года в Московском математическом обществе прочитал свою магистерскую диссертацию: Общая задача электростатики и её приведение к простейшему виду. С июня 1869 года - доцент по кафедре физики. В 1870 году на квартире Столетова еженедельно стал собираться физический кружок.

В 1871 году Столетов снова отправился за границу, где пробыл около полугода, работая в лаборатории Кирхгофа над докторской диссертацией. В июне 1872 года был утверждён экстраординарным профессором, по его инициативе и при непосредственном участии была организована первая в России учебно-исследовательская физическая лаборатория. Инициатор создания Физического института при Императорском Московском университете.

Столетов был известен тем, что задавал всякие мудрёные вопросы, затем безучастно с каменным лицом глядел на экзаменующегося и безжалостно одного за другим проваливал. Впоследствии был назначен второй экзаменатор, который ставил свою отметку, и среднее пропорциональное двух баллов было действительно.

В 1889 году опубликовал фундаментальную работу Актино-электрические исследования, в которой дал описание закономерностей фотоэффекта (закон Столетова), ещё не зная о существовании электронов. В 1891 году получил звание заслуженного профессора Императорского Московского университета.

Все работы Столетова, как строго научные, так и литературные, отличаются замечательным изяществом мысли и выполнения. Кроме занятий в университете, Столетов немало времени посвятил работе в Обществе любителей естествознания и в Музее прикладных знаний. Кроме занятия наукой Столетов интересовался литературой, искусством. В 1893 году трое академиков - Чебышёв, Бредихин и Бекетов - рекомендовали Столетова на выдвижение в члены Российской академии наук. Однако президент академии великий князь Константин отклонил выдвижение.

Скончался А. Г. Столетов от воспаления лёгких в 1896 году. Похоронен во Владимире, на Князь-Владимирском (старом) кладбище.

Научная деятельность

Провёл ряд экспериментов по измерению величины отношения электромагнитных и электростатических единиц, получил значение, близкое к скорости света (1876).

Установил три закона фотоэффекта.

Провёл цикл работ по изучению внешнего фотоэффекта, открытого в 1887 году Г. Герцем (1888-1890).

Создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте. Рассмотрел инерционность фототока и оценил его запаздывание в 0,001 с.

Награды

В 1877 году был награждён орденом Святой Анны 2-й степени, в 1885-м - орденом Святого Владимира 3-й степени; в 1889-м - орденом Святого Станислава 1-й степени[12]. В 1882 году был награждён французским орденом Почётного легиона.

В 1884 году награждён медалью за деятельность на пользу общества и Политехнического музея Москвы Обществом любителей естествознания, антропологии и естествознания.

Часть 6-6

6-6. На пути к теории относительности

Содержание

6-6-1. Первые формулировки принципа относительности

6-6-2. Опыт Физо

6-6-3. Опыт Альберта Майкельсона

6-6-4. Майкельсон, Альберт Абрахам

6-6-5. Хендрик Антон Лоренц

6-6-6. Электронная теория Хендрика Лоренца

6-6-7. Анри Пуанкаре

6-6-8. Научные достижения Анри Пуанкаре

6-6-9. Работы Пуанкаре в области релятивистской динамики

6-6-10. Пуанкаре и Эйнштейн: сходство и различия

6-6-11. Молчание Пуанкаре

6-6-12. Личность и убеждения Анри Пуанкаре

6-6-13. Философия Анри Пуанкаре

Глава 6-6-1

Первые формулировки принципа относительности

Гипотеза о движении Земли и её вращении вокруг оси, естественным образом приводит к открытию принципа относительности. Рано или поздно возникает вопрос: если Земля вращается, то почему мы этого не наблюдаем? Одним из первых к выводу, что вращение Земли не может оказать никакого влияния на какие-либо опыты на её поверхности, был ректор Сорбонны Николай Орем (до 1300 - 1382).

К аналогичному выводу пришел Николай Кузанский (1401 - 1462). В сочинении Об учёном незнании он писал:

Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным... Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а всё остальное движется.

И в диалоге Джордано Бруно (1540 - 1600) О бесконечности, Вселенной и мирах приводятся те же доводы:

Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы, и как это показывает тысячью способами чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течёт, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звёздах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается всё окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.

Физическая формулировка принципа относительности принадлежит Галилео Галилею (1564-1642): находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. В своей книге Диалог о двух системах мира Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Принцип, утверждающий эквивалентность различных инерциальных систем отсчёта, сыграл важную роль как в классической механике, так и в специальной теории относительности. А преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных систем отсчёта, получили название преобразования Галилея.

В своих Математических началах натуральной философии (том I, следствие V) Ньютон так сформулировал принцип относительности:

Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключённых в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Дальнейшее развитие принципа относительности было связано с исследованиями природы света.

Глава 6-6-2

Опыт Физо

В 1851 году Ипполит Физо использовал специальный интерферометр для изучения влияния движения среды на скорость света. Он попытался измерить относительную скорость света в движущейся воде. В истории науки его эксперимент известен как опыт Физо.

Согласно теории, преобладавшей в то время, проходящий через движущуюся среду свет будет увлекаться этой средой, так что измеренная скорость света должна определяться суммой его скорости внутри среды и скорости среды. Физо действительно обнаружил эффект увлечения, но наблюдаемая величина эффекта была намного ниже, чем ожидалось. Когда он повторил эксперимент с воздухом вместо воды, то не заметил никакого эффекта.

Эксперимент Физо заставил физиков признать эмпирическую справедливость старой, теоретически неудовлетворительной теории Огюстена Жана Френеля (1818 год), которую использовали для объяснения эксперимента Араго 1810 года, а именно, посчитали, что среда, движущаяся в неподвижном эфире, увлекает распространяющийся через него свет только частично.

Косвенное подтверждение коэффициента увлечения Френеля было предоставлено Мартином Хуком в 1868 году. Его установка была похожа на установку Физо, хотя в его версии только одно плечо интерферометра содержало область, заполненную неподвижной водой, а другое плечо находилось в воздухе. С точки зрения наблюдателя, покоящегося в эфире, Земля и, следовательно, вода находятся в движении. Таким образом, Хук рассчитал следующие времена пробега двух световых лучей, движущихся в противоположных направлениях (без учёта поперечного направления).

Хотя гипотеза Френеля о частичном увлечении эфира оказалась эмпирически успешной в объяснении результатов опыта Физо, многие ведущие эксперты в этой области, включая самого Физо (1851 год), Элевера Маскара (1872 год), Кеттлера (1873 год), Вельтмана (1873 год) и Лоренца (1886 год), подвергали её большому сомнению. Гипотеза Френеля имеет шаткую теоретическую основу. Например, Велтманн (1870 год) продемонстрировал, что формула Френеля подразумевает, что эфир должен увлекаться на разную величину для разных длин волн света, поскольку показатель преломления зависит от длины волны; Маскарт (1872 год) продемонстрировал аналогичный результат для поляризованного света, проходящего через двулучепреломляющую среду. Другими словами, эфир должен быть способен поддерживать разные движения одновременно.

Позже выяснилось, что коэффициент увлечения Френеля согласуется с релятивистской формулой сложения скоростей.

Глава 6-6-3

Опыт Альберта Майкельсона

В 1864 году Джеймс Максвелл (1831-1879 гг.), обобщая экспериментальные открытия Эрстеда, Ампера и Фарадея записал систему уравнений, описывающих эволюцию электромагнитного поля. Из уравнений Максвелла следовало, что скорость распространения электромагнитных волн в эфире не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна скорости света. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света.

Так как все известные к тому времени волновые процессы протекали в той или иной среде (вода, воздух), естественной оказалась модель эфира, некоторой субстанции, возмущения которой проявляются как электромагнитные волны. Уравнения Максвелла при этом интерпретировались как записанные относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Возник вопрос о взаимосвязи движущихся материальных тел и эфира. В частности, увлекается ли эфир движущимися сквозь него объектами, подобно увлечению воздуха в трюме корабля? Последовала серия экспериментов по выяснению характера увлечения эфира и определения скорости Земли относительно этой субстанции.

В 1881 году такую попытку предпринял Альберт Майкельсон (1852 - 1931 гг.). При помощи интерферометра он измерял время прохождения света в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация интерферометра изменялась в пространстве, поэтому при отсутствии увлечения эфира Землёй появлялась возможность по разности времён определить абсолютную скорость движения Земли относительно системы отсчёта, связанной с эфиром. Эксперимент дал отрицательный результат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым (теоретическим). Это могло свидетельствовать либо о полном увлечении эфира, либо о неподвижности Земли. Последняя возможность была маловероятна, так как Земля со скоростью 30 км/c двигается, по крайней мере, вокруг Солнца. Привлечение же гипотезы полного увлечения эфира противоречило наблюдаемой годовой аберрации звёзд, которая в этом случае отсутствовала бы. В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (Майкельсон и Морли (1887), Морли и Миллер (1902 - 1904 гг.), и т. д.). Для уменьшения потенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однако получался результат, не совпадающий с ожидаемым.

Но при этом оказалось, что уравнения противоречат классической механике.

Глава 6-6-4

Майкельсон, Альберт Абрахам

Альберт Абрахам Майкельсон родился одним из шестерых детей в еврейской семье, в польской части Прусского королевства. Когда мальчику было два года (1855), его родители эмигрировали в Нью-Йорк (США), где их фамилия стала произноситься как Майкельсон.

В 1869 году Майкельсон приступил к обучению в Военно-морской академии США в Аннаполисе. Он интересовался наукой и в особенности проблемой измерения скорости света. В 1883 году становится профессором физики в школе прикладных наук в Кливленде и сосредоточивается на разработке улучшенного интерферометра.

0x01 graphic

Альберт Абрахам Майкельсон

После 1889 года работает профессором в Университете Кларка в Вустере. В 1892 году становится профессором и руководителем физического отделения новооснованного Чикагского университета. В 1907 году Майкельсон становится первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике. В этом же году за выдающиеся достижения в экспериментальной физике Майкельсон получил также медаль Копли.

Скорость света. Первые измерения

Уже в 1877 году, в бытность свою офицером ВМС США, Майкельсон начинает усовершенствовать метод измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко.

После 1920 года Майкельсон приступил к финальному измерению скорости света в обсерватории Маунт-Вильсон, причём базой для измерения служила дистанция длиной 22 мили - до горы Лукаут, находящейся на южной стороне горы Сан-Антонио.

В 1930 году он приступил, совместно с Фрэнсисом Пизом и Фредом Пирсоном, к измерению скорости света в вакуумированных трубах длиной 1,6 км. Майкельсон умер после 36-го из всего 233 проведённых измерений. В конце концов, эксперименты дали значение 299 77411 км/с, совпадавшее с результатами электро-оптических методов.

Интерферометрия

В 1881 году Майкельсон провёл физический опыт (опыт Майкельсона) на своём интерферометре с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли. Результат эксперимента был отрицательный погрешность измерения была меньше скорости Земли - таким образом получалось, что скорость света не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости.

В 1887 году Майкельсон, совместно с Э. У. Морли, провёл эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. В этом эксперименте определялась скорость движения Земли относительно эфира. Вопреки ожиданию, в эксперименте (как и в его более поздних и более прецизионных модификациях, проводящихся до настоящего времени) не обнаружилось движения Земли относительно эфира. Эйнштейн в своей первой статье по теории относительности упоминает неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно "светоносной среды" и на этой основе строит новую универсальную кинематику (уже не только для электромагнитных явлений). Опыт Майкельсона стал основанием и первым экспериментальным подтверждением теории относительности.

Диаметр звезды Бетельгейзе

В 1920 году Майкельсон провёл эксперимент по измерению углового размера звёзд. Для этого он использовал интерферометр с длиной плеч 6 м. Свет от интерферометра посылался при помощи зеркал на вход 254-сантиметрового телескопа. В телескопе при этом наблюдалась система полос. При удлинении плеч интерферометра полосы исчезали. Из расстояния между зеркалами интерферометра можно было определить угловой размер звезды, а при известном расстоянии до звезды - также её диаметр. Майкельсон определил таким образом диаметр звезды Бетельгейзе.

Учёное звание член-корреспондент АН СССР

Научный руководитель Герман Гельмгольц[5]

Награды и премии Премия Румфорда (1888)

Медаль Маттеуччи (1903)

Нобелевская премия Нобелевская премия по физике (1907)

Медаль Копли (1907)

Медаль Эллиота Крессона (1912)

Медаль Генри Дрейпера (1916)

Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1920)

Медаль и премия Гутри (1921)

Премия Жюля Жансена (1922)

Медаль Франклина (1923)

Золотая медаль Королевского астрономического общества Золотая медаль Королевского астрономического общества (1923)

Медаль и премия Дадделла (1929)

Глава 6-6-5

Хендрик Антон Лоренц

Хендрик Антон Лоренц (нидерл. Hendrik Antoon Lorentz; 18 июля 1853, Арнем, Нидерланды - 4 февраля 1928, Харлем, Нидерланды) - нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902, совместно с Питером Зееманом) и других наград, член Нидерландской королевской академии наук (1881), ряда иностранных академий наук и научных обществ.

Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца - Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца), ввёл понятие о местном времени, получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца).

Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.

0x01 graphic

Рис. Хендрик Антон Лоренц

Хендрик Антон Лоренц родился 15 июля 1853 года в Арнеме. Его предки происходили из прирейнской области Германии и занимались в основном земледелием. В шестилетнем возрасте Хендрик Антон поступил в начальную школу Тиммера. Здесь, на уроках Герта Корнелиса Тиммера, автора учебников и научно-популярных книг по физике, юный Лоренц познакомился с основами математики и физики. В 1866 году будущий учёный успешно сдал вступительные экзамены в только что открывшуюся в Арнеме высшую гражданскую школу, которая примерно соответствовала гимназии. Учёба давалась Хендрику Антону легко.

Отличаясь хорошей памятью, Лоренц изучил несколько иностранных языков (английский, французский и немецкий), а перед поступлением в университет самостоятельно овладел греческим и латынью. Несмотря на общительный характер, Хендрик Антон был человеком стеснительным и не любил говорить о своих переживаниях даже с близкими. Он был чужд всякого мистицизма и, по свидетельству дочери, лишён был веры в божью благодать... Вера в высшую ценность разума... заменяла ему религиозные убеждения.

В возрасте семнадцати лет юноша поступает в Лейденский университет, где подробно занимается физикой и математикой.

Среди многих талантливых преподавателей главное место занимает профессор Фредерик Кайзер, с которым в дальнейшем формируются родственные связи. Его лекции, посвященные теоретической астрономии, Хендрик посещает с огромным интересом. Окончив университет, Хендрик некоторое время преподает математику на своей родине, подготавливаясь тем временем к сдаче докторских экзаменов. Работа в школе дает ему возможность заниматься наукой и с успехом поступить в аспирантуру. В 1875 году Лоренц получает докторскую степень, а в 1878 году получает звание профессора старейшего университета в Лейдене. Следующие двадцать лет молодой профессор ведет исследования в области физики.

Женитьба Хендрика состоялась в 1881 году с Катариной Кайзер, племянницей профессора Ф.Кайзера. У них родилось четыре ребенка, но один из сыновей умер на первом году жизни.

В 1912 году Лоренц уходит в Институт Гарлема на должность директора, в то же время сохраняя связь с Лейденским университетом и продолжая читать в нем лекции, пользуясь большим уважением и популярностью среди студентов.

В 1917 году он выигрывает медаль Франклина, а затем награждается медалью Копли.

В 1920 году Лоренц принят в члены Королевского общества Эдинбурга.

В 1925 году учреждена медаль его имени Королевской академией наук и искусств в Голландии.

Смерть Хендрика Антона Лоренца произошла в 1928 году 4 февраля на 75 году жизни. Многие ведущие физики того времени отдали дань почтения этому человеку, проводив его в последний путь.

Глава 6-6-6

Электронная теория Хендрика Лоренца

Результаты опыта Майкельсона вызвали критику нидерландского физика-теоретика Хендрика Лоренца (1853 - 1928 гг.), который указал, что теоретическая точность опыта была завышена.

Хендрик Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию, на основе которой Лоренц развил электродинамику движущихся сред.

Хендрик Лоренц внёс важный вклад в построение теоретических моделей эфира и его взаимодействия с веществом. В его модели эфир представлял собой диэлектрическую субстанцию с единичной диэлектрической проницаемостью. Она, по теории Лоренца, не увлекалась при движении вещества, таким образом Лоренц смог объяснить эксперимент Физо. Однако эксперименты Майкельсона противоречили электронной теории Лоренца, так как требовали для своего объяснения полного увлечения эфира. Лоренц (1892 г.) и, независимо от него, Фицджеральд (1893 г.) ввели достаточно искусственное предположение о том, что объекты (например, плечи интерферометра Майкельсона) при движении сквозь эфир сокращаются в направлении движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца). Это сокращение позволяло объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона и объяснялось взаимодействием частиц вещества с эфиром.

Лоренц первым заметил, что уравнения электродинамики Максвелла противоречат ньютоновской физике, поскольку неинвариантными относительно преобразований Галилея.

В 1892 году Лоренц ввёл так называемое местное время и показал, что с точностью до первого порядка по скорости уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчёта сквозь эфир.

Поиском преобразований, оставляющих уравнения Максвелла инвариантными, занимались и другие ученые. В 1887 году Фойгт записал преобразования координат и времени, которые оставляли неизменными форму распространения волн в эфире. В его преобразованиях время имело различный темп в различных пространственных точках. В 1900 году Лармор в книге Эфир и материя привёл преобразования, относительно которых уравнения Максвелла остаются инвариантными в любом порядке по скорости.

Эти же преобразования были переоткрыты Лоренцем в его статье 1904 г. Благодаря работам Пуанкаре эти преобразования в дальнейшем стали называть преобразованиями Лоренца. Ни Лармор, ни Лоренц не придавали преобразованиям характера общих пространственно-временных закономерностей и связывали их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира. Сам Лоренц в конце своей жизни писал:

Основная причина, по которой я не смог предложить теории относительности, заключается в том, что я придерживался представления, будто лишь переменная t может считаться истинным временем, а предложенное мной местное время t должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины.

И все-таки работы Хендрика Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики.

Глава 6-6-7

Анри Пуанкаре

Жюль Анри Пуанкаре (29 апреля 1854 - 17 июля 1912) - французский математик, механик, физик, астроном и философ. Глава Парижской академии наук (1906), член Французской академии (1908) и ещё более 30 академий мира, в том числе иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895).

Анри Пуанкаре родился 29 апреля 1854 года в Нанси (Лотарингия, Франция). Его отец, Леон Пуанкаре (1828-1892), был профессором медицины в Медицинской школе (с 1878 года - в Университете Нанси). Мать Анри, Эжени Лонуа (Eugnie Launois), всё свободное время посвящала воспитанию детей - сына Анри и младшей дочери Алины.

Рис. Анри Пуанкаре

Среди родственников Пуанкаре имеются и другие знаменитости: кузен Раймон стал президентом Франции (с 1913 по 1920 год), другой кузен, известный физик Люсьен Пуанкаре, был генеральным инспектором народного просвещения Франции, а с 1917 по 1920 год - ректором Парижского университета.

С самого детства за Анри закрепилась репутация рассеянного человека, которую он сохранил на всю жизнь. В детстве он перенёс дифтерию, которая осложнилась временным параличом ног и мягкого нёба. Болезнь затянулась на несколько месяцев, в течение которых он не мог ни ходить, ни говорить. За это время у него очень сильно развилось слуховое восприятие и, в частности, появилась необычная способность - цветовое восприятие звуков, которое осталось у него до конца жизни.

Хорошая домашняя подготовка позволила Анри в восемь с половиной лет поступить сразу на второй год обучения в лицее. Там его отметили как прилежного и любознательного ученика с широкой эрудицией. На этом этапе его интерес к математике был умеренным - через некоторое время он перешёл на отделение словесности, где в совершенстве овладел латинским, немецким и английским языками; впоследствии это помогло Пуанкаре активно общаться с коллегами. 5 августа 1871 года Пуанкаре получил степень бакалавра словесности с оценкой хорошо. Через несколько дней Анри изъявил желание участвовать в экзаменах на степень бакалавра (естественных) наук, который ему удалось сдать, но лишь с оценкой удовлетворительно, поскольку на письменном экзамене по математике он по рассеянности ответил не на тот вопрос.

В последующие годы математические таланты Пуанкаре проявлялись всё более и более явно. В октябре 1873 года он стал студентом престижной парижской Политехнической школы, где на вступительных экзаменах занял первое место. Его наставником по математике был Шарль Эрмит. В следующем году Пуанкаре опубликовал в Анналах математики свою первую научную работу по дифференциальной геометрии.

По результатам двухлетнего обучения (1875) Пуанкаре приняли в Горную школу, наиболее авторитетное в то время специальное высшее учебное заведение. Там он через несколько лет (1879), под руководством Эрмита, защитил докторскую диссертацию, о которой Гастон Дарбу, входивший в состав комиссии, сказал: С первого же взгляда мне стало ясно, что работа выходит за рамки обычного и с избытком заслуживает того, чтобы её приняли. Она содержала вполне достаточно результатов, чтобы обеспечить материалом много хороших диссертаций.

Получив учёную степень, Пуанкаре начал преподавательскую деятельность в университете города Кан в Нормандии (декабрь 1879 года). Тогда же он опубликовал свои первые серьёзные статьи - они посвящены введённому им классу автоморфных функций.

Там же, в Кане, он познакомился со своей будущей женой Луизой Пулен д'Андеси (Louise Poulain d'Andecy). 20 апреля 1881 года состоялась их свадьба. У них родились сын и три дочери.

Глава 6-6-8

Научные достижения Анри Пуанкаре

Историки причисляют Анри Пуанкаре к величайшим математикам всех времён. Он считается, наряду с Гильбертом, последним математиком-универсалом, учёным, способным охватить все математические результаты своего времени. Его перу принадлежат более 500 статей и книг.

Среди его самых крупных достижений:

Создание топологии.

Создание качественной теории дифференциальных уравнений.

Разработка теории автоморфных функций.

Разработка новых, чрезвычайно эффективных методов небесной механики.

Создание математических основ теории относительности, а также обобщение принципа относительности на все физические явления.

Наглядная модель геометрии Лобачевского (впервые встречается у Эудженио Бельтрами).

Астрономические работы Пуанкаре относятся к небесной механике и космогонии. Его исследования по качественной теории дифференциальных уравнений имеют важное значение при решении различных прикладных задач, особенно в небесной механике.

В труде Новые методы небесной механики (т. 1-3, 1892-1899), а также в Лекциях по небесной механике (т. 1-3, 1905-1910) Пуанкаре развил и усовершенствовал классические методы решения задач, связанных с изучением возмущенного движения. Исследовал периодические и асимптотические решения дифференциальных уравнений, ввел методы малого параметра, уравнения в вариациях, разработал теорию интегральных инвариантов, в дальнейшем примененную в теории устойчивости.

В области космогонии Пуанкаре наряду с общей теорией устойчивости движения разработал вопрос о фигурах равновесия гравитирующих жидких масс, что способствовало развитию представлений о происхождении двойных звезд путем деления одиночных вращающихся звезд.

В книге Лекции о космогонических гипотезах (1911) дал высокую оценку космогонической гипотезы Лапласа, считая основные ее положения наиболее обоснованными. В 1905, почти одновременно с А. Эйнштейном и независимо от него, в монографии Динамика электрона (1906) выдвинул основные положения специальной теории относительности. В философской трактовке общефизических проблем Пуанкаре стоял на идеалистических позициях.

Труды Пуанкаре изданы Парижской АН в 10 томах (1916-1954). В переводе на русский язык опубликованы его Лекции по небесной механике (1965) и Избранные труды (т. 1-3, 1971-1974).

Член Лондонского королевского об-ва (1894), иностранный чл.-кор. Петербургской АН (1895), президент Французского астрономического об-ва, член Бюро долгот в Париже (1893).

Золотая медаль Лондонского королевского астрономического об-ва (1900), медаль им. Дж. Дж. Сильвестера Лондонского королевского об-ва (1901), Золотая медаль фонда им. Н. И. Лобачевского, премия им. Я. Бойяи (1905), Золотая медаль Французской ассоциации содействия развитию науки (1909).

Глава 6-6-9

Работы Пуанкаре в области релятивистской динамики

Имя Пуанкаре напрямую связано с успехом теории относительности. Он деятельно участвовал в развитии эфирно-электронной теории Лоренца. В этой теории принималось, что существует неподвижный эфир, и скорость света относительно эфира не зависит от скорости источника. При переходе к движущейся системе отсчёта выполняются преобразования Лоренца вместо галилеевых (Лоренц считал эти преобразования реальным изменением размеров тел). Именно Пуанкаре дал правильную математическую формулировку этих преобразований (сам Лоренц предложил всего лишь их приближение первого порядка) и показал, что они образуют группу преобразований.

Ещё в 1898 году, задолго до Эйнштейна, Пуанкаре в своей работе Измерение времени сформулировал общий (не только для механики) принцип относительности, а затем даже ввёл четырёхмерное пространство-время, теорию которого позднее разработал Герман Минковский. Тем не менее, Пуанкаре продолжал использовать концепцию эфира, хотя придерживался мнения, что его никогда не удастся обнаружить - см. доклад Пуанкаре на физическом конгрессе, 1900 год. В этом же докладе Пуанкаре впервые высказал мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение (конвенцию). Было высказано также предположение о предельности скорости света.

Под влиянием критики Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. В 1905 году Пуанкаре далеко развил эти идеи в статье О динамике электрона. Предварительный вариант статьи появился 5 июня 1905 года в Comptes Rendus, развёрнутый был закончен в июле 1905 года, опубликован в январе 1906 года, почему-то в малоизвестном итальянском математическом журнале.

В этой итоговой статье снова и чётко формулируется всеобщий принцип относительности для всех физических явлений (в частности, электромагнитных, механических и также гравитационных), с преобразованиями Лоренца, как единственно возможными преобразованиями координат, сохраняющими одинаковую для всех систем отсчёта запись физических уравнений. В этой статье он также предложил первый набросок релятивистской теории гравитации; в его модели тяготение распространялось в эфире со скоростью света, а сама теория была достаточно нетривиальной, чтобы снять полученное ещё Лапласом ограничение снизу на скорость распространения гравитационного поля. Предварительное краткое сообщение вышло до поступления в журнал работы Эйнштейна, последняя, большая статья также поступила к издателям раньше эйнштейновской, однако к моменту её выхода в печать первая статья Эйнштейна по теории относительности уже увидела свет.

Глава 6-6-10

Пуанкаре и Эйнштейн: сходство и различия

Эйнштейн в своих первых работах по теории относительности использовал по существу ту же математическую модель, что и Пуанкаре: преобразования Лоренца, релятивистская формула сложения скоростей и др. Однако, в отличие от Пуанкаре, Эйнштейн сделал решительный вывод: нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения. Он полностью упразднил как понятие эфира, которое продолжал использовать Пуанкаре, так и опирающиеся на гипотезу эфира понятия абсолютного движения и абсолютного времени. Именно эта теория, по предложению Макса Планка, получила название теории относительности (Пуанкаре предпочитал говорить о субъективности или условности).

Все новые эффекты, которые Лоренц и Пуанкаре считали динамическими свойствами эфира, в теории относительности Эйнштейна вытекают из объективных свойств пространства и времени, то есть перенесены Эйнштейном из динамики в кинематику. В этом главное отличие подходов Пуанкаре и Эйнштейна, замаскированное внешним сходством их математических моделей: они по-разному понимали глубокую физическую (а не только математическую) сущность этих моделей. Перенос в кинематику позволил Эйнштейну создать целостную и всеобщую теорию пространства и времени, а также решить в её рамках ранее не поддававшиеся проблемы - например, запутанный вопрос о разных видах массы, зависимости массы от энергии, соотношения местного и абсолютного времени и др. Сейчас эта теория носит имя специальная теория относительности (СТО). Ещё одно существенное отличие позиций Пуанкаре и Эйнштейна заключалось в том, что лоренцево сокращение длины, рост инертности со скоростью и др. релятивистские выводы Пуанкаре понимал как абсолютные эффекты, а Эйнштейн - как относительные, не имеющие физических последствий в собственной системе отсчёта. То, что для Эйнштейна было реальным физическим временем в движущейся системе отсчёта, Пуанкаре называл временем кажущимся, видимым (фр. temps apparent) и ясно отличал его от истинного времени (фр. le temps vrai).

Вероятно, недостаточно глубокий анализ физической сущности СТО в работах Пуанкаре и послужил причиной того, что физики не обратили на эти работы того внимания, которого они заслуживали; соответственно, широкий резонанс первой же статьи Эйнштейна был вызван ясным и глубоким анализом основ исследуемой физической картины. В последующем обсуждении теории относительности имя Пуанкаре не упоминалось (даже во Франции); когда в 1910 году Пуанкаре был номинирован на Нобелевскую премию, в перечне его заслуг ничего не говорилось о теории относительности.

Обоснование новой механики также было различным. У Эйнштейна в статьях 1905 года принцип относительности с самого начала не утверждается как вывод из динамических соображений и экспериментов, а кладётся в основу физики как кинематическая аксиома (также для всех явлений без исключения). Из этой аксиомы и из постоянства скорости света математический аппарат Лоренца-Пуанкаре получается автоматически. Отказ от эфира позволил подчеркнуть, что покоящаяся и движущаяся системы координат совершенно равноправны, и при переходе к движущейся системе координат те же эффекты обнаруживаются уже в покоящейся.

Эйнштейн, по его позднейшему признанию, в момент начала работы над теорией относительности не был знаком ни с последними публикациями Пуанкаре (вероятно, только с его работой 1900 года, во всяком случае, не с работами 1904 года), ни с последней статьёй Лоренца (1904 год).

Глава 6-6-11

Молчание Пуанкаре

Вскоре после появления работ Эйнштейна по теории относительности (1905 год) Пуанкаре прекратил публикации на эту тему. Ни в одной работе последних семи лет жизни он не упоминал ни имени Эйнштейна, ни теории относительности (кроме одного случая, когда он сослался на эйнштейновскую теорию фотоэффекта). Пуанкаре по-прежнему продолжал обсуждать свойства эфира и упоминал абсолютное движение относительно эфира.

Встреча и беседа двух великих учёных произошла лишь однажды - в 1911 году на Первом Сольвеевском конгрессе. В письме своему цюрихскому другу доктору Цангеру от 16 ноября 1911 года Эйнштейн писал:

Пуанкаре [по отношению к релятивистской теории] отвергал всё начисто и показал, при всей своей тонкости мысли, слабое понимание ситуации.

Несмотря на неприятие теории относительности, лично к Эйнштейну Пуанкаре относился с большим уважением.

В апреле 1909 года Пуанкаре по приглашению Гильберта приехал в Гёттинген и прочитал там ряд лекций, в том числе о принципе относительности. Пуанкаре ни разу не упомянул в этих лекциях не только Эйнштейна, но и гёттингенца Минковского. О причинах молчания Пуанкаре высказывалось множество гипотез. Некоторые историки науки предположили, что всему виной обида Пуанкаре на немецкую школу физиков, которая недооценивала его заслуги в создании релятивистской теории. Другие считают это объяснение неправдоподобным, так как Пуанкаре никогда в жизни не был замечен в обидах по поводу приоритетных споров, а теорию Эйнштейна предпочли не только в Германии, но и в Великобритании и даже в самой Франции (например, Ланжевен). Даже Лоренц, теорию которого Пуанкаре стремился развить, после 1905 года предпочитал говорить о принципе относительности Эйнштейна. Выдвигалась и такая гипотеза: эксперименты Кауфмана, проведённые в эти годы, поставили под сомнение принцип относительности и формулу зависимости инертности от скорости, так что не исключено, что Пуанкаре решил просто подождать с выводами до прояснения этих вопросов.

В Гёттингене Пуанкаре сделал важное предсказание: релятивистские поправки к теории тяготения должны объяснить вековое смещение перигелия Меркурия. Предсказание вскоре сбылось (1915), когда Эйнштейн закончил разработку общей теории относительности.

Немного проясняет позицию Пуанкаре его лекция Пространство и время, с которой он выступил в мае 1912 года в Лондонском университете. Пуанкаре считает первичными в перестройке физики принцип относительности и новые законы механики. Свойства пространства и времени, по мнению Пуанкаре, должны выводиться из этих принципов или устанавливаться конвенционально. Эйнштейн же поступил наоборот - вывел динамику из новых свойств пространства и времени. Пуанкаре по-прежнему считает переход физиков на новую математическую формулировку принципа относительности (преобразования Лоренца вместо галилеевых) делом соглашения:

Каково же будет наше отношение к этим новым [релятивистским] представлениям? Заставят ли они нас изменить наши заключения? Нисколько; мы приняли известное условное соглашение потому, что оно казалось нам удобным... Теперь некоторые физики хотят принять новое условное соглашение. Это не значит, что они были вынуждены это сделать; они считают это новое соглашение более удобным, вот и всё. А те, кто не придерживается их мнения и не желает отказываться от своих старых привычек, могут с полным правом сохранить старое соглашение. Между нами говоря, я думаю, что они ещё долго будут поступать таким образом.

Из этих слов можно понять, почему Пуанкаре не только не завершил свой путь к теории относительности, но и даже отказался принять уже созданную теорию. Это видно также из сравнения подходов Пуанкаре и Эйнштейна. То, что Эйнштейн понимает как относительное, но объективное, Пуанкаре понимает как чисто субъективное, условное (конвенциональное). Различие в позициях Пуанкаре и Эйнштейна и его возможные философские корни подробно исследованы историками науки.

Основоположник квантовой механики Луи де Бройль, первый лауреат медали имени Пуанкаре (1929 год), винит во всём его позитивистские взгляды:

Ещё немного, и Анри Пуанкаре, а не Альберт Эйнштейн, первым построил бы теорию относительности во всей её общности, доставив тем самым французской науке честь этого открытия... Однако Пуанкаре так и не сделал решающего шага, и предоставил Эйнштейну честь разглядеть все следствия из принципа относительности и, в частности, путём глубокого анализа измерений длины и времени выяснить подлинную физическую природу связи, устанавливаемой принципом относительности между пространством и временем.

Почему Пуанкаре не дошёл до конца в своих выводах?... Пуанкаре, как учёный, был прежде всего чистым математиком... Пуанкаре занимал по отношению к физическим теориям несколько скептическую позицию, считая, что вообще существует бесконечно много логически эквивалентных точек зрения и картин действительности, из которых учёный, руководствуясь исключительно соображениями удобства, выбирает какую-то одну. Вероятно, такой номинализм иной раз мешал ему признать тот факт, что среди логически возможных теорий есть такие, которые ближе к физической реальности, во всяком случае, лучше согласуются с интуицией физика, и тем самым больше могут помочь ему... Философская склонность его ума к номиналистическому удобству помешала Пуанкаре понять значение идеи относительности во всей её грандиозности.

Вклад Пуанкаре в создание специальной теории относительности (СТО) физиками-современниками и более поздними историками науки оценивается по-разному. Спектр их мнений простирается от пренебрежения этим вкладом до утверждений, что понимание Пуанкаре было не менее полным и глубоким, чем понимание других основателей, включая Эйнштейна. Однако подавляющее большинство историков придерживаются достаточно сбалансированной точки зрения, отводящей обоим (а также Лоренцу и присоединившимся позднее к разработке теории Планку и Минковскому) значительную роль в успешном развитии релятивистских идей.

Сам Эйнштейн в 1953 году в приветственном письме оргкомитету конференции, посвящённой 50-летию теории относительности (состоялась в 1955 году), писал: Я надеюсь, что будут должным образом отмечены заслуги Г. А. Лоренца и А. Пуанкаре.

Глава 6-6-12

Личность и убеждения Анри Пуанкаре

Отзывы о Пуанкаре как о человеке чаще всего восторженные. В любой ситуации он неизменно выбирал благородную позицию. В научных спорах был твёрд, но корректен. Никогда не был замешан в скандалах, приоритетных спорах, оскорблениях. Равнодушен к славе: он неоднократно добровольно уступал научный приоритет, даже если имел серьёзные права на него; например, он ввёл термины фуксовы функции, группа Клейна, устойчивость по Пуассону, числа Бетти - хотя имел все основания назвать эти объекты своим именем. Как уже отмечалось выше, он первым выписал в современном виде преобразования Лоренца (наряду с Лармором), однако назвал их именем Лоренца, который ранее дал их неполное приближение.

Друзья Пуанкаре отмечают его скромность, остроумие, терпимость, чистосердечность и доброжелательность. Внешне он мог производить впечатление человека замкнутого и малообщительного, но в действительности такое поведение было следствием его застенчивости и постоянной сосредоточенности. Несмотря на рассеянность, Пуанкаре пунктуально соблюдал однажды установленный режим дня: завтрак в 8 часов, обед в 12, ужин в 7 вечера. Никогда не курил и не любил, когда курили другие. Не занимался спортом, хотя любил пешие прогулки. К религии был равнодушен.

В то время всеобщего разгула национализма он осуждал шовинистические акции. Пуанкаре считал, что величие Франции должно достигаться благодаря моральному достоинству её сынов, славе её литературы и искусства, благодаря открытиям её учёных:

Родина - это не просто синдикат интересов, а сплетение благородных идей и даже благородных страстей, за которые наши отцы боролись и страдали, и Франция, полная ненависти, не была бы больше Францией.

Глава 6-6-13

Философия Анри Пуанкаре

Пуанкаре писал в книге Наука и гипотеза, что невозможна реальность, которая была бы полностью независима от ума, постигающего её. Он считал, что основные принципы любой научной теории не являются ни априорными умозрительными истинами (как, например, считал Кант), ни идеализированным отражением объективной реальности (точка зрения Эйнштейна). Они, по его мнению, суть условные соглашения, единственным абсолютным условием которых является непротиворечивость. Выбор тех или иных научных принципов из множества возможных, вообще говоря, произволен, однако реально учёный руководствуется, с одной стороны, желанием максимальной простоты теории, с другой - необходимостью её успешного практического использования. Но даже при соблюдении этих требований имеется некоторая свобода выбора, обусловленная относительным характером самих этих требований.

Эта философская доктрина получила впоследствии название конвенционализма. Она хорошо соответствует практике выбора математических моделей в естествознании, но её применимость к физике, где важен выбор не только моделей, но и понятий, соотносимых с реальностью, вызывала споры.

Во времена Пуанкаре набирала силу третья волна позитивизма, в рамках которой, в частности, математика провозглашалась частью логики (эту идею проповедовали такие выдающиеся учёные, как Рассел и Фреге) или бессодержательным набором аксиоматических теорий (Гильберт и его школа). Пуанкаре был категорически против такого рода формалистических взглядов. Он считал, что в основе деятельности математика лежит интуиция, а сама наука не допускает полного аналитического обоснования. Логика необходима лишь постольку, поскольку без строгого логического обоснования интуитивно полученные утверждения не могут считаться заслуживающими доверия.

В соответствии с этими принципами Пуанкаре отвергал не только логицизм Рассела и формализм Гильберта, но и канторовскую теорию множеств - хотя до обнаружения парадоксов проявлял к ней интерес и пытался использовать. Он решительно заявил, что отвергает концепцию актуальной бесконечности (то есть бесконечное множество как математический объект) и признаёт только потенциальную бесконечность. Во избежание парадоксов Пуанкаре выдвинул требование, чтобы все математические определения были строго предикативными, то есть они не должны содержать ссылок не только на определяемое понятие, но и на множество, его содержащее - в противном случае определение, включая новый элемент, изменяет состав этого множества, и возникает порочный круг.

Часть 6-7

Теории относительности Альберта Эйнштейна

Содержание

том- часть - глава

6-7-1. Альберт Эйнштейн

6-7-2. Общественные интересы Альберта Эйнштейна

6-7-3. Философия Альберта Эйнштейна

6-7-4. Религиозные взгляды Алберта Эйнштейна

6-7-5. Специальная теория относительности

6-7-6. Развитие Специальной теории относительности

6-7-7. Герман Минковский

6-7-8. Пространство Минковского

6-7-9. Смещение перигелия Меркурия

6-7-10. Вулкан и вулканоиды

6-7-11. Другие попытки объяснения

6-7-12. Предложения по модификации классической теории тяготения

6-7-13. Баллистическая теория Вальтера Ритца

6-7-14. Вальтер Ритц

6-7-15. Необходимость уточнения теории тяготения Ньютона

6-7-16. Общая теория относительности

6-7-17. Эквивалентность сил гравитации и инерции

6-7-18. Решение в рамках общей теории относительности

Глава 6-7-1

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (14 марта 1879 - 18 апреля 1955) - физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879-1893, 1914-1933), Швейцарии (1893-1914) и США (1933-1955). Почётный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почётный член АН СССР (1926).

Рис. Альберт Эйнштейн

Эйнштейн - автор более 300 научных работ по физике, а также около 150 книг и статей в области истории и философии науки, публицистики и др. Он разработал несколько значительных физических теорий:

Специальная теория относительности (1905).

Общая теория относительности (1907-1916).

Квантовая теория фотоэффекта.

Квантовая теория теплоёмкости.

Квантовая статистика Бозе - Эйнштейна.

Статистическая теория броуновского движения, заложившая основы теории флуктуаций.

Теория индуцированного излучения.

Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде.

Эйнштейн предсказал гравитационные волны и квантовую телепортацию, предсказал и измерил гиромагнитный эффект Эйнштейна - де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля.

Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики.

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в Ульме (Германия). Его отец, Герман Эйнштейн, был владельцем фирмы, торговавшей электрооборудованием, мать, Паулина Эйнштейн, занималась домашним хозяйством. В 1880 году семейство Эйнштейнов перебралось в Мюнхен, где в 1885 году Альберт стал учеником католической начальной школы. В 1888 году он поступил в Луитпольдовскую гимназию (Luitpold Gymnasium).

В 1894 году родители Эйнштейна переехали в Италию, и Альберт, не получив аттестата зрелости, вскоре воссоединился с ними. Своё образование он продолжил уже в Швейцарии, где с 1895 года по 1896 год был учеником школы в Арау. В 1896 году Эйнштейн поступил в Высшее техническое училище (Политехникум) в Цюрихе, по окончании которого должен был стать учителем физики и математики. В 1901 году он получил диплом, а также гражданство Швейцарии (от гражданства Германии Эйнштейн отказался в 1896 году). Долгое время Эйнштейн не мог найти преподавательскую должность и в итоге получил место технического ассистента в швейцарском патентном ведомстве.

В 1905 году были опубликованы сразу три важнейшие научные работы Альберта Эйнштейна, посвященные специальной теории относительности, квантовой теории и броуновскому движению. В статье Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии Эйнштейн впервые ввел в физику формулу соотношения между массой и энергией, а в 1906 году записал ее в виде формулы Е=mc². Она лежит в основе релятивистского принципа сохранения энергии, всей ядерной энергетики.

В начале 1906 года Эйнштейн получил степень доктора философии Цюрихского университета. При этом до 1909 года он оставался служащим патентного бюро, пока не был назначен экстраординарным профессором теоретической физики в университете Цюриха. В 1911 году Эйнштейн стал профессором Немецкого университета в Праге, а в 1914 году его назначили директором Института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета. Также он стал членом академии наук Пруссии.

В 1916 году Эйнштейн предсказал явление индуцированного (вынужденного) излучения атомов, лежащее в основе квантовой электроники. Теория Эйнштейна о вынужденном, упорядоченном (когерентном) излучении привела к открытию лазеров.

В 1917 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности, концепции, обосновывающей распространение принципа относительности на системы, двигающиеся с ускорением и криволинейно друг относительно друга. Теория Эйнштейна впервые в науке обосновывала связь между геометрией пространства-времени и распределением массы во Вселенной. Новая теория основывалась на теории тяготения Ньютона.

Хотя и специальная, и общая теории относительности были слишком революционны, чтобы снискать немедленное признание, они вскоре получили ряд подтверждений. Одним из первых было объяснение прецессии орбиты Меркурия, которую не удавалось полностью понять в рамках ньютоновской механики. Во время полного солнечного затмения в 1919 году астрономам удалось наблюдать звезду, скрытую за кромкой Солнца. Это свидетельствовало о том, что лучи света искривляются под действием гравитационного поля Солнца. Всемирная слава пришла к Эйнштейну, когда сообщения о наблюдении солнечного затмения 1919 года облетели весь мир. В 1920 году Эйнштейн стал приглашенным профессором Лейденского университета, а в 1922 году удостоился Нобелевской премии по физике за открытие законов фотоэффекта и труды по теоретической физике. В 1924-1925 годах Эйнштейн внес большой вклад в разработку квантовой статистики Бозе, которая ныне именуется статистикой Бозе-Эйнштейна.

В 1920-1930-х годах в Германии набирал силу антисемитизм, теория относительности подвергалась научно необоснованным нападкам. В обстановке клеветы и угроз научное творчество было невозможно, и Эйнштейн покинул Германию.

В 1932 году Эйнштейн читал лекции в Калифорнийском технологическом институте, а с апреля 1933 года получил профессуру в Принстонском институте высших исследований (США), где проработал до конца жизни.

Последние 20 лет своей жизни Эйнштейн разрабатывал единую теорию поля, пытаясь свести воедино теории гравитационного и электромагнитного полей. Хотя Эйнштейн не решил проблему единства физики, главным образом из-за неразработанности в то время концепций элементарных частиц, субатомных структур и реакций, сама методология формирования единой теории поля отчетливо проявила свою значимость в создании современной концепций унификации физики.

Работы Эйнштейна стали основой современной космологии: концепций происхождения и эволюции Вселенной, теорий черных дыр и коллапса, учения о структуре Мира.

Альберт Эйнштейн скончался 18 апреля 1955 года в госпитале Принстона от аневризмы аорты.

Награды

Помимо Нобелевской премии, он был удостоен многих других наград, в том числе медали Копли Лондонского королевского общества (1925), золотой медали Королевского астрономического общества Великобритании и медали Франклина Франклиновского института (1935). Эйнштейн был почетным доктором многих университетов и членом ведущих академий наук мира. Среди многочисленных почестей, оказанных Эйнштейну, было предложение стать президентом Израиля, последовавшее в 1952 году. Ученый от этого предложения отказался.

В 1999 году журнал Time назвал Эйнштейна человеком столетия.

Глава 6-7-2

Общественные интересы Альберта Эйнштейна

Большое внимание Эйнштейн уделял проблемам этики, гуманизма и пацифизма. Он развил концепцию этики ученого, его ответственности перед человечеством за судьбы своего открытия. Этико-гуманистические идеалы Эйнштейна реализовались в его общественной деятельности. В 1914 году Эйнштейн выступил против немецких "патриотов" и в ходе первой мировой войны подписал антивоенный манифест немецких профессоров-пацифистов. В 1919 году Эйнштейн подписал пацифистский манифест Ромена Роллана и с целью предотвращения войн выдвинул идею создания мирового правительства.

Когда во время Второй мировой войны Эйнштейн получил информацию о немецком урановом проекте, он, несмотря на свои пацифистские убеждения, вместе с Лео Силардом направил президенту США Франклину Рузвельту письмо с описанием возможных последствий создания нацистами атомной бомбы. Письмо оказало существенное воздействие на решение правительства США форсировать разработку атомного оружия.

После краха нацистской Германии Эйнштейн вместе с другими учеными обратился с призывом к президенту США не применять атомную бомбу в войне с Японией.

Это обращение не предотвратило трагедии Хиросимы, и Эйнштейн активизировал свою пацифистскую деятельность, стал духовным лидером кампаний борьбы за мир, разоружение, за запрет атомного оружия, за прекращение холодной войны.

Незадолго до смерти он поставил свою подпись под воззванием британского философа Бертрана Рассела, обращенным к правительствам всех стран, предупреждающим их об опасности применения водородной бомбы и призывающим к запрету ядерного оружия. Эйнштейн выступал за свободный обмен идеями и ответственное использование науки на благо человечества.

Первой женой Эйнштейна была Милева Марич, его соученица по Федеральному технологическому институту в Цюрихе. Они поженились в 1903 году, несмотря на жестокое противодействие его родителей. От этого брака у Эйнштейна было два сына: Ганс-Альберт (1904-1973) и Эдуард (1910-1965). В 1919 году супруги развелись. В том же году Эйнштейн вступил в брак со своей двоюродной сестрой Эльзой, вдовой с двумя детьми. Эльза Эйнштейн скончалась в 1936 году.

В часы досуга Эйнштейн любил музицировать. Он начал учиться игре на скрипке, когда ему исполнилось шесть лет, и продолжал играть всю жизнь, иногда в ансамбле с другими физиками, например с Максом Планком, который был великолепным пианистом. Также Эйнштейн увлекался парусным спортом.

Глава 6-7-3

Философия Альберта Эйнштейна

Эйнштейн всегда интересовался философией науки и оставил ряд глубоких исследований на эту тему. Юбилейный сборник 1949 года к его 70-летию назывался (надо полагать, с его ведома и согласия) Альберт Эйнштейн. Философ-учёный. Наиболее близким к себе по мировосприятию философом Эйнштейн считал Спинозу. Рационализм у них обоих был всеохватывающим и распространялся не только на сферу науки, но также на этику и другие аспекты человеческой жизни: гуманизм, интернационализм, свободолюбие и др. хороши не только сами по себе, но и потому, что они наиболее разумны. Законы природы объективно существуют, и они постижимы по той причине, что они образуют мировую гармонию, разумную и эстетически привлекательную одновременно. В этом главная причина неприятия Эйнштейном копенгагенской интерпретации квантовой механики, которая, по его мнению, вносила в картину мира иррациональный элемент, хаотическую дисгармонию.

В книге Эволюция физики Эйнштейн писал:

С помощью физических теорий мы пытаемся найти себе путь сквозь лабиринт наблюдаемых фактов, упорядочить и постичь мир наших чувственных восприятий. Мы желаем, чтобы наблюдаемые факты логически следовали из нашего понятия реальности. Без веры в то, что возможно охватить реальность нашими теоретическими построениями, без веры во внутреннюю гармонию нашего мира, не могло бы быть никакой науки. Эта вера есть и всегда останется основным мотивом всякого научного творчества. Во всех наших усилиях, во всякой драматической борьбе между старым и новым мы узнаём вечное стремление к познанию, непоколебимую веру в гармонию нашего мира, постоянно усиливающуюся по мере роста препятствий к познанию.

В науке эти принципы означали решительное несогласие с модными тогда позитивистскими концепциями Маха, Пуанкаре и других, а также отрицание кантианства с его идеями априорного знания. Позитивизм сыграл определённую положительную роль в истории науки, так как стимулировал скептическое отношение ведущих физиков, включая Эйнштейна, к прежним предрассудкам (прежде всего - к концепции абсолютного пространства и абсолютного времени). Известно, что Эйнштейн в письме к Маху назвал себя его учеником. Однако философию позитивистов Эйнштейн называл глупостью. Эйнштейн пояснил суть своих разногласий с ними:

...Априори следует ожидать хаотического мира, который невозможно познать с помощью мышления. Можно (или должно) было бы лишь ожидать, что этот мир лишь в той мере подчинён закону, в какой мы можем упорядочить его своим разумом. Это было бы упорядочение, подобное алфавитному упорядочению слов какого-нибудь языка. Напротив, упорядочение, вносимое, например, ньютоновской теорией гравитации, носит совсем иной характер. Хотя аксиомы этой теории и созданы человеком, успех этого предприятия предполагает существенную упорядоченность объективного мира, ожидать которую априори у нас нет никаких оснований. В этом и состоит чудо, и чем дальше развиваются наши знания, тем волшебнее оно становится. Позитивисты и профессиональные атеисты видят в этом уязвимое место, ибо они чувствуют себя счастливыми от сознания, что им не только удалось с успехом изгнать Бога из этого мира, но и лишить этот мир чудес.

Философия Эйнштейна была основана на совершенно иных принципах. В своей автобиографии (1949) он писал:

Там, вовне, был этот большой мир, существующий независимо от нас, людей, и стоящий перед нами как огромная вечная загадка, доступная, однако, по крайней мере отчасти, нашему восприятию и нашему разуму. Изучение этого мира манило как освобождение, и я скоро убедился, что многие из тех, кого я научился ценить и уважать, нашли свою внутреннюю свободу и уверенность, отдавшись целиком этому занятию. Мысленный охват в рамках доступных нам возможностей этого внеличного мира представлялся мне, наполовину сознательно, наполовину бессознательно, как высшая цель... Предубеждение этих учёных [позитивистов] против атомной теории можно, несомненно, отнести за счёт их позитивистской философской установки. Это интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже учёным со смелым мышлением и с тонкой интуицией.

В той же автобиографии Эйнштейн чётко формулирует два критерия истины в физике: теория должна иметь внешнее оправдание и внутреннее совершенство. Первое означает, что теория должна согласовываться с опытом, а второе - что она должна из минимальных предпосылок раскрывать максимально глубокие закономерности универсальной и разумной гармонии законов природы. Эстетические качества теории (оригинальная красота, естественность, изящество) тем самым становятся немаловажными физическими достоинствами.

Теория производит тем большее впечатление, чем проще её предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область её применения.

Веру в объективную реальность, существующую независимо от человеческого восприятия, Эйнштейн отстаивал во время своих знаменитых бесед с Рабиндранатом Тагором, который столь же последовательно такую реальность отрицал. Эйнштейн говорил:

Нашу естественную точку зрения относительно существования истины, не зависящей от человека, нельзя ни объяснить, ни доказать, но в неё верят все, даже первобытные люди. Мы приписываем истине сверхчеловеческую объективность. Эта реальность, не зависящая от нашего существования, нашего опыта, нашего разума, необходима нам, хотя мы и не можем сказать, что она означает.

Влияние Эйнштейна на философию науки двадцатого столетия сопоставимо с тем влиянием, которое он оказал на физику двадцатого столетия. Сущность предложенного им подхода в философии науки заключается в синтезе самых различных философских учений, которые Эйнштейн предлагал использовать в зависимости от решаемой наукой задачи. Он полагал, что для настоящего учёного, в отличие от философа, эпистемологический монизм является неприемлемым. Исходя из конкретной ситуации, один и тот же учёный может быть идеалистом, реалистом, позитивистом и даже платоником и пифагорейцем. Поскольку для последовательного систематического философа подобный эклектизм может показаться неприемлемым, Эйнштейн считал, что настоящий учёный в глазах подобного философа выглядит как оппортунист. Отстаивавшийся Эйнштейном подход получил в современной философии науки название эпистемологический оппортунизм.

Глава 6-7-4

Религиозные взгляды Алберта Эйнштейна

Религиозные взгляды Эйнштейна являются предметом давних споров. Некоторые утверждают, что Эйнштейн верил в существование Бога, другие называют его атеистом. И те, и другие использовали для подтверждения своей точки зрения слова великого учёного.

В 1921 году Эйнштейн получил телеграмму от нью-йоркского раввина Герберта Гольдштейна: Верите ли вы в Бога тчк оплаченный ответ 50 слов. Эйнштейн уложился в 24 слова:

Я верю в Бога Спинозы, который проявляет себя в закономерной гармонии бытия, но вовсе не в Бога, который хлопочет о судьбах и делах людей.

Ещё более резко он выразился в интервью Нью-Йорк Таймс (ноябрь 1930 года): Я не верю в Бога, который награждает и карает, в Бога, цели которого слеплены из наших человеческих целей. Я не верю в бессмертие души, хотя слабые умы, одержимые страхом или нелепым эгоизмом, находят себе пристанище в такой вере.

В 1940 году он описал свои взгляды в журнале Nature, в статье под названием Наука и религия. Там он пишет:

По моему мнению, религиозно просвещённый человек - это тот, кто в максимально возможной для него степени освободил себя от пут эгоистических желаний и поглощён мыслями, чувствами и стремлениями, которых он придерживается ввиду их сверхличностного характера... безотносительно от того, делается ли попытка связать это с божественным существом, ибо в противном случае нельзя было бы считать Будду или Спинозу религиозными личностями. Религиозность такого человека состоит в том, что у него нет сомнений в значимости и величии этих сверхличностных целей, которые не могут быть рационально обоснованы, но в этом и не нуждаются... В этом смысле религия - древнее стремление человечества ясно и полностью осознать эти ценности и цели и усиливать и расширять их влияние.

Далее он проводит некоторую связь между наукой и религией и говорит, что наука может быть создана только теми, кто насквозь пропитан стремлением к истине и пониманию. Но источник этого чувства берёт начало из области религии. Оттуда же - вера в возможность того, что правила этого мира рациональны, то есть постижимы для разума. Я не могу представить настоящего учёного без крепкой веры в это. Образно ситуацию можно описать так: наука без религии - хрома, а религия без науки - слепа. Фразу наука без религии - хрома, а религия без науки - слепа часто цитируют вне контекста, лишая её смысла.

Затем Эйнштейн снова пишет, что не верит в персонифицированного Бога, и утверждает:

Не существует ни господства человека, ни господства божества как независимых причин явлений природы. Конечно, доктрина Бога как личности, вмешивающейся в природные явления, никогда не может быть в буквальном смысле опровергнута наукой, ибо эта доктрина может всегда найти убежище в тех областях, куда научное знание ещё не способно проникнуть. Но я убеждён, что такое поведение части представителей религии не только недостойно, но и фатально.

В 1950 году в письме М. Берковитцу Эйнштейн писал: По отношению к Богу я агностик. Я убеждён, что для отчётливого понимания первостепенной важности нравственных принципов в деле улучшения и облагораживания жизни не требуется понятие законодателя, особенно - законодателя, работающего по принципу награды и наказания.

Ещё раз Эйнштейн описал свои религиозные взгляды, отвечая тем, кто приписывал ему веру в иудео-христианского Бога:

То, что вы читали о моих религиозных убеждениях, - разумеется, ложь. Ложь, которую систематически повторяют. Я не верю в Бога как в личность и никогда не скрывал этого, а выражал очень ясно. Если во мне есть что-то, что можно назвать религиозным, то это, несомненно, беспредельное восхищение строением вселенной в той мере, в какой наука раскрывает его.

В 1954 году, за полтора года до смерти, Эйнштейн в письме к немецкому философу Эрику Гуткинду так охарактеризовал своё отношение к религии:

Слово Бог для меня всего лишь проявление и продукт человеческих слабостей, а Библия - свод почтенных, но всё же примитивных легенд, которые, тем не менее, являются довольно ребяческими. Никакая, даже самая изощрённая, интерпретация не сможет это (для меня) изменить.

Наиболее полный обзор религиозных взглядов Эйнштейна опубликовал его друг, Макс Джеммер, в книге Эйнштейн и религия (1999). Впрочем, он признаёт, что книга базируется не на прямых его беседах с Эйнштейном, а на изучении архивных материалов. Джеммер считает Эйнштейна глубоко религиозным человеком, называет его взгляды космической религией и считает, что Эйнштейн не отождествлял Бога с Природой, подобно Спинозе, но считал его отдельной неперсонифицированной сущностью, проявляющейся в законах Вселенной как дух, значительно превосходящий человеческий, по словам самого Эйнштейна.

Вместе с тем, ближайший ученик Эйнштейна Леопольд Инфельд писал, что, когда Эйнштейн говорит о Боге, он всегда имеет в виду внутреннюю связь и логическую простоту законов природы. Я назвал бы это материалистическим подходом к Богу.

Глава 6-7-5

Специальная теория относительности

В течение всего XIX века материальным носителем электромагнитных явлений считалась гипотетическая среда - эфир. Однако к началу XX века выяснилось, что свойства этой среды трудно согласовать с классической физикой. С одной стороны, аберрация света наталкивала на мысль, что эфир абсолютно неподвижен, с другой - опыт Физо свидетельствовал в пользу гипотезы, что эфир частично увлекается движущейся материей. Опыты Майкельсона (1881), однако, показали, что никакого эфирного ветра не существует.

В 1892 году Лоренц и (независимо от него) Джордж Френсис Фицджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Оставался, однако, открытым вопрос, почему длина сокращается в точности в такой пропорции, чтобы компенсировать эфирный ветер и не дать обнаружить существование эфира. Другим серьёзным затруднением был тот факт, что уравнения Максвелла не соответствовали принципу относительности Галилея, несмотря на то, что электромагнитные эффекты зависят только от относительного движения. Был исследован вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900) и Пуанкаре (1905), последний доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца.

Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. Тем не менее он продолжал признавать эфир, хотя придерживался мнения, что его никогда не удастся обнаружить. В докладе на физическом конгрессе (1900) Пуанкаре впервые высказывает мысль, что одновременность событий не абсолютна, а представляет собой условное соглашение (конвенцию). Было высказано также предположение о предельности скорости света. Таким образом, в начале XX века существовали две несовместимые кинематики: классическая, с преобразованиями Галилея, и электромагнитная, с преобразованиями Лоренца.

Эйнштейн, размышляя на эти темы в значительной степени независимо, предположил, что первая есть приближённый случай второй для малых скоростей, а то, что считалось свойствами эфира, есть на деле проявление объективных свойств пространства и времени. Эйнштейн пришёл к выводу, что нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения, и что корень проблемы лежит не в динамике, а глубже - в кинематике. В упомянутой выше основополагающей статье К электродинамике движущихся тел он предложил два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света; из них без труда выводятся лоренцево сокращение, формулы преобразования Лоренца, относительность одновременности, ненужность эфира, новая формула сложения скоростей, возрастание инерции со скоростью и т. д. В другой его статье, которая вышла в конце года, появилась и формула E = mc², определяющая связь массы и энергии.

Часть учёных сразу приняли эту теорию, которая позднее получила название специальная теория относительности (СТО); Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику. Бывший учитель Эйнштейна, Минковский, в 1907 году представил математическую модель кинематики теории относительности в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира (первые результаты в этом направлении опубликовал Пуанкаре в 1905 году).

Однако немало учёных сочли новую физику чересчур революционной. Она отменяла эфир, абсолютное пространство и абсолютное время, ревизовала механику Ньютона, которая 200 лет служила опорой физики и неизменно подтверждалась наблюдениями. Время в теории относительности течёт по-разному в разных системах отсчёта, инерция и длина зависят от скорости, движение быстрее света невозможно, возникает парадокс близнецов - все эти необычные следствия были неприемлемы для консервативной части научного сообщества. Дело осложнялось также тем, что СТО не предсказывала поначалу никаких новых наблюдаемых эффектов, а опыты Вальтера Кауфмана (1905-1909) многие истолковывали как опровержение краеугольного камня СТО - принципа относительности (этот аспект окончательно прояснился в пользу СТО только в 1914-1916 годах). Некоторые физики уже после 1905 года пытались разработать альтернативные теории (например, Ритц в 1908 году), однако позже выяснилось неустранимое расхождение этих теорий с экспериментом.

Многие видные физики остались верными классической механике и концепции эфира, среди них Лоренц, Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж, Нернст, Вин. При этом некоторые из них (например, сам Лоренц) не отвергали результатов специальной теории относительности, однако интерпретировали их в духе теории Лоренца, предпочитая смотреть на пространственно-временную концепцию Эйнштейна-Минковского как на чисто математический приём.

Решающим аргументом в пользу истинности СТО стали опыты по проверке Общей теории относительности (см. ниже). Со временем постепенно накапливались и опытные подтверждения самой СТО. На ней основаны квантовая теория поля, теория ускорителей, она учитывается при проектировании и работе спутниковых систем навигации (здесь оказались нужны даже поправки общей теории относительности) и т. д.

Глава 6-7-6

Дальнейшее развитие Специальной теории относительности

Часть учёных сразу приняли СТО: Макс Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику. Герман Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырёхмерного псевдоевклидова пространства. В пространстве Минковского лоренцевы преобразования являются преобразованиями поворотов координатных осей.

Были, однако, и критики новых концепций. Они указывали на то, что теория относительности не предсказывает новых фактов, которые можно проверить экспериментально, и ничем не лучше теории Лоренца. Появились попытки найти в СТО внутренние противоречия. Концепцию эфира продолжали поддерживать Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж и другие известные физики. Сам Лоренц прекратил критику СТО только к концу жизни.

Работы по аксиоматике СТО

В 1910 году на собрании немецких натуралистов и врачей русский учёный Владимир Игнатовский сделал доклад Некоторые общие замечания к принципу относительности:

Сейчас я ставлю перед собой вопрос о том, к каким взаимосвязям или, точнее, уравнениям преобразования, можно прийти, если поставить во главу исследования только принцип относительности.

Игнатовский показывал, что исходя из линейности преобразований, принципа относительности и изотропности пространства, можно вывести преобразования Лоренца. В этом выводе второй постулат Эйнштейна об инвариантности скорости света не использовался.

В следующем 1911 году в Annalen der Physik выходит работа Филиппа Франка и Германа Роте: О преобразовании пространственно-временных координат из неподвижных систем в движущиеся, в которой подход Игнатовского получил существенное развитие. Основываясь на групповом анализе, Франк и Роте в классе линейных функций нашли наиболее общие преобразования между инерциальными системами отсчёта. Они оказались зависящими от двух фундаментальных констант, имеющих размерность скорости. Добавление аксиомы изотропности пространства переводит эти преобразования в преобразования Лоренца, а аксиома абсолютности времени - в преобразования Галилея. Франк и Роте также, по-видимому, первыми, отметили, что наиболее общими преобразованиями между двумя инерциальными системами отсчёта являются дробно-линейные функции.

Несмотря на фундаментальную важность этих работ для вопросов основания физики, они остались практически незамеченными. Большинство учебной литературы вплоть до настоящего времени основывается на аксиоматическом подходе Эйнштейна. Среди немногочисленных упоминаний работ Игнатовского, Франка и Роте можно отметить учебник Вольфганга Паули Теория относительности. Однако, в связи с этими работами он пишет:

Из теоретико-групповых соображений можно получить лишь внешний вид формул преобразования, но не их физическое содержание. При этом подразумевается, что возникающая в преобразованиях Лоренца фундаментальная константа скорости, не может быть, без привлечения дополнительных гипотез, интерпретирована как скорость света.

Заметим, что идея о том, что для обоснования СТО не требуется второго постулата Эйнштейна, неоднократно переоткрывалась, однако обычно без упоминания основополагающих работ 1910-1911 года.

Глава 6-7-7

Герман Минковский

Герман Минковский (нем. Hermann Minkowski; 22 июня 1864, Алексоты, Августовская губерния, Мариампольский уезд, Российская империя - 12 января 1909, Гёттинген, Германская империя) - немецкий математик, разработавший геометрическую теорию чисел и геометрическую четырёхмерную модель теории относительности.

Герман Минковский родился в еврейской купеческой семье в Алексотах (лит. Aleksotas), в то время входивших в состав Августовской губернии Российской империи (с 1867 года - Сувалкская губерния, сейчас это пригород Каунаса в Литве).

Детские годы Герман Минковский провел в Ковно, здесь родился его младший брат Тувья (впоследствии Тоби, 1868-1906)[11][12]. В 1872 году, по окончании строительства синагоги, семья переехала в Кёнигсберг.

В 1879 году Герман окончил гимназию (Altstdtisches Gymnasium), далее он учился в университетах Кёнигсберга и Берлина у Линдемана, Кронекера, Вейерштрасса и других крупных математиков. Среди его друзей-студентов - Давид Гильберт.

В 1881 году, будучи студентом, послал статью по теории квадратичных форм на конкурс Парижской Академии. Хотя работа, вопреки условиям конкурса, была написана по-немецки, она получила премию (Grand Prix des Sciences mathmatiques) и восторженные отзывы жюри (1883). В 1885 году Минковский получил докторскую степень; диссертация также относилась к теории квадратичных форм в пространстве произвольного числа переменных.

Некоторое время Минковский преподавал в университете Кёнигсберга, затем переехал в Бонн (1887), где стал сначала экстраординарным (1892), а затем ординарным (1894) профессором. В 1895 году Минковский возвратился в Кёнигсберг, но вскоре переехал в Цюрих (1896). В Цюрихе он был одним из учителей Альберта Эйнштейна и Вальтера Ритца.

С 1902 года и до конца жизни Минковский работал в Гёттингенском университете, профессором математики, вместе с близким другом Давидом Гильбертом. В 1896 году публикует монографию Геометрия чисел, в которой собрал все полученные достижения в этой области. В 1907 году вышла ещё одна монография - Диофантовы приближения.

В 1907-1909 годах Минковский выступил с рядом статей и лекций, где предложил так называемую геометродинамику - четырёхмерную математическую модель кинематики теории относительности. В 1909 году вышла его книга Пространство и время, оказавшая существенное влияние на формирование теории относительности; в частности, Альберт Эйнштейн исключительно высоко ценил вклад Минковского в развитие релятивистской теории.

12 января 1909 года Минковский внезапно скончался от аппендицита в Гёттингене.

В 1911 году Давид Гильберт издал полное собрание трудов Минковского.

Глава 6-7-8

Пространство Минковского

В 1907 году Минковский предложил геометрическое представление кинематики теории относительности, введя четырёхмерное псевдоевклидово пространство (известное сейчас как пространство Минковского). В этой модели время и пространство представляют собой не различные сущности, а взаимосвязанные измерения единого пространства-времени. Все релятивистские эффекты получили наглядное геометрическое истолкование. Минковский провозгласил:

Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность.

Модель Минковского существенно помогла Эйнштейну в разработке общей теории относительности, полностью опирающейся на аналогичные идеи.

Пространство Минковского четырехмерное псевдоевклидово пространство сигнатуры, предложенное в качестве геометрической интерпретации пространства-времени специальной теории относительности.

Каждому событию соответствует точка пространства Минковского, в лоренцевых (или галилеевых) координатах, три координаты которой представляют собой декартовы координаты трёхмерного евклидова пространства, а четвёртая координату ct, где c скорость света, t время события. Связь между пространственными расстояниями и промежутками времени, разделяющими события, характеризуется квадратом интервала.

Интервал в пространстве Минковского играет роль, аналогичную роли расстояния в геометрии евклидовых пространств. Он инвариантен при замене одной инерциальной системы отсчёта на другую. Роль, аналогичную роли вращений координат в случае евклидова пространства, играют для пространства Минковского преобразования Лоренца.

Событие в данный момент времени в данной точке называется мировой точкой.

Множество мировых точек, описывающее движения частицы (материальной точки) во времени, называется мировой линией. В принципе этот термин может применяться и к описанию движения абстрактных (воображаемых) точек, но в основном употребляется всё же для описания движения реальных физических тел (в том числе распространения импульсов света).

Интервал между двумя событиями, через которые проходит мировая линия инерциального наблюдателя, делённый на c, называется его собственным временем, так как эта величина совпадает со временем, измеренным движущимися вместе с наблюдателем часами. Для неинерциального наблюдателя собственное время между двумя событиями соответствует интегралу от интервала вдоль мировой линии.

Если вектор, соединяющий мировые точки, времениподобен, то существует система отсчета, в которой события происходят в одной и той же точке трёхмерного пространства.

Если вектор, соединяющий мировые точки двух событий, пространственноподобен, то существует система отсчета, в которой эти два события происходят одновременно; они не связаны причинно-следственной связью; модуль интервала определяет пространственное расстояние между этими точками (событиями) в этой системе отсчета.

Глава 6-7-9

Смещение перигелия Меркурия

В середине XIX века астрономические расчёты движения небесных тел, основанные на ньютоновской теории тяготения, давали чрезвычайно точные результаты, неизменно подтверждаемые наблюдениями (астрономическая точность вошла в поговорку). Триумфом небесной механики в 1846 году стало открытие Нептуна в теоретически предсказанном месте небосвода.

В 1840-1850-е годы французский астроном Урбен Леверье, один из первооткрывателей Нептуна, на основе 40-летних наблюдений Парижской обсерватории разработал теорию движения Меркурия. В своих статьях 1859 года Леверье сообщил, что в 1846 году обнаружил небольшое, но существенное расхождение теории с наблюдениями - перигелий смещался несколько быстрее, чем следовало из теории. В своих расчётах Леверье учёл влияние всех планет.

В итоге рассчитанное Леверье теоретическое значение смещения составило 526,7 за столетие, а наблюдения показали примерно 565 . По современным уточнённым данным, смещение несколько выше и равно 570 . Таким образом, разница составляет около 43 за столетие. Хотя это различие невелико, оно значительно превышает погрешности наблюдения и нуждается в объяснении.

Это смещение оказалось первым движением небесного тела, которое не подчинялось ньютоновскому закону всемирного тяготения. Физики были поставлены перед необходимостью искать какие-либо тела вблизи Солнца, которые могли бы привести к смещению или обобщить теорию тяготения.

Глава 6-7-10

Вулкан и вулканоиды

Леверье предположил, что аномалия объясняется наличием неизвестной планеты (или нескольких малых планет) внутри орбиты Меркурия. Эту гипотезу поддержал авторитетный французский астроном Франсуа Феликс Тиссеран. По предложению физика Жака Бабинэ гипотетической планете дали имя Вулкан. Из-за её близости к Солнцу наилучшим способом обнаружить Вулкан были наблюдения во время солнечного затмения или во время прохождения Вулкана между Землёй и Солнцем; в последнем случае планета была бы видна как тёмное пятно, быстро пересекающее солнечный диск.

Вскоре после публикаций 1859 года французский астроном-любитель Эдмон Лескарбо (Edmond Modeste Lescarbault) сообщил Леверье, что в 1845 году наблюдал перед Солнцем тёмный объект, зарегистрировал его координаты, однако тогда не придал наблюдению должного значения. Леверье по результатам Лескарбо вычислил, что объект втрое ближе к Солнцу, чем Меркурий, период обращения составляет 19 дней 7 часов, диаметр около 2000 км. При этом, если плотность Вулкана близка к плотности Меркурия, его масса составляет 1/17 массы Меркурия. Однако тело с такой небольшой массой не может вызвать наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия, поэтому Леверье предположил, что Вулкан - не единственная малая планета между Меркурием и Солнцем. Он рассчитал примерную орбиту Вулкана и в 1860 году, когда ожидалось полное солнечное затмение, призвал астрономов всего мира посодействовать в обнаружении Вулкана. Все наблюдения оказались безрезультатны.

Планету искали несколько десятилетий, но по-прежнему безо всякого успеха. Были ещё несколько неподтвердившихся сообщений об открытии - за новую планету принимали солнечные протуберанцы, солнечные пятна, а также звёзды и мелкие околоземные астероиды, близко расположенные к диску Солнца во время затмения. Последние сообщения о возможном открытии Вулкана были опубликованы в начале 1970-х годов, причиной оказалось падение кометы на Солнце.

Вариант с несколькими малыми планетами, которых заранее назвали Вулканоидами, был также тщательно проверен. Леверье верил в существование Вулкана или вулканоидов до конца жизни (1877 г.), однако ни одного прохождения сколько-нибудь крупного неизвестного объекта по диску Солнца достоверно зарегистрировать не удалось. В 1909 году американский астроном Уильям Уоллес Кэмпбелл уже имел основания уверенно заявить, что между Меркурием и Солнцем нет объектов крупнее 50 км в диаметре.

0x01 graphic

Рис. Предполагаемая орбита Вулкана (VULCAN) на схеме внутренних планет Солнечной системы, 1846 год

Как альтернатива высказывалось предположение о существовании неизвестного спутника Меркурия (возможно, нескольких спутников). Их поиск также не имел успеха. Ещё одна гипотеза, которую высказал в 1906 году немецкий астроном Гуго Ганс фон Зелигер, допускала наличие вокруг Солнца рассеянного (диффузного) облака вещества, видимым признаком которого служит зодиакальный свет. Это облако, по Зелигеру, наклонено к плоскости эклиптики и слабо влияет на движение планет. Скептики возражали, что для смещения перигелия Меркурия это облако должно обладать значительной массой, но тогда от него следует ожидать гораздо более высокий уровень светимости; кроме того, массивное облако неизбежно влияло бы на движение Венеры, в котором серьёзных необъяснимых аномалий не отмечается.

Голландский метеоролог Христофор Бёйс-Баллот в 1849 году, ещё до работ Леверье, предположил, что Солнце, подобно Сатурну, окружено кольцом (возможно, даже двумя кольцами). Леверье и другие учёные отвергли эту гипотезу, указав, что такие кольца не смогут стабильно существовать вблизи Солнца, да и сама гипотеза плохо аргументирована.

Глава 6-7-11

Другие попытки объяснения

Причиной аномалии могла стать заниженная оценка массы одной из планет (под наибольшее подозрение подпадала Венера). Однако против этого предположения свидетельствовал тот факт, что, будь оно верно, аномалии из-за неверной массы обнаружились бы и в рассчитанных движениях других планет. Французский астроном Эммануэль Ляи предположил, что эффект вызван наложением нескольких причин: рефракции, немного заниженной массы Венеры и ошибок наблюдения. Но после исследований Ньюкома реальное существование аномалии больше не подвергалось сомнению.

Среди возможных причин смещения перигелия Меркурия называлось осевое сжатие Солнца у полюсов. Наблюдения, однако, не обнаружили у Солнца сжатия, достаточного для объяснения эффекта.

С 1870-х годов начали появляться первые гипотезы о том, что источник аномалии связан с неевклидовой геометрией Вселенной (Шеринг, Киллинг, позднее (1900-е годы) Шварцшильд и Пуанкаре). Немецкий астроном Пауль Харцер склонялся к мнению, что кривизна пространства положительна, объём Вселенной конечен и, следовательно, такие проблемы, как гравитационный и фотометрический парадоксы, отпадают. Однако объяснить смещение перигелия Меркурия с помощью этой гипотезы не удалось - расчёты показали, что для этого требуется неправдоподобно большая кривизна пространства.

Гуго Ганс фон Зелигер в 1906 году исследовал гипотезу своего ученика, астронома Эрнста Андинга: система координат, связанная с неподвижными звёздами, неинерциальна, а связанная с планетами - инерциальна. Это необычное предположение позволяло с помощью подбора параметров объяснить все известные планетные аномалии. Андинг также постулировал существование нескольких пылевых облаков, создающих зодиакальный свет вблизи Солнца. Многие учёные подвергли модель Андинга - Зелигера критике как искусственную и с точки зрения физики неправдоподобную - в частности, Эрвин Фройндлих и Гарольд Джеффрис доказали, что источник зодиакального света слишком разрежён, чтобы иметь требуемую в модели массу.

Критика со стороны Саймона Ньюкома

В 1895 году свои результаты расчётов орбит четырёх внутренних планет (Меркурия, Венеры, Земли и Марса) опубликовал ведущий американский астроном Саймон Ньюком. Он подтвердил наличие аномалии в движении Меркурия и уточнил её значение: 43 вместо 38 у Леверье. В существование неизвестных планет внутри орбиты Меркурия Ньюком не верил и заявил, что эта гипотеза совершенно исключается, а массу Венеры он сам уточнил, похоронив все предположения, что её оценка существенно занижена.

Ньюком обнаружил смещение перигелия не только у Меркурия, но и у Марса, а также, с меньшей уверенностью, у Венеры и Земли (их орбиты почти круговые, поэтому отмеченное для этих двух планет смещение было близко к погрешности измерения). При этом была окончательно отвергнута гипотеза Бёйс-Баллота о кольце вокруг Солнца, потому что никаким подбором его параметров не удаётся получить реальное смещение и для Меркурия, и для Марса одновременно; аналогичные трудности вызывало предположение о системе астероидов. Ньюком указал также, что как гипотетическое кольцо, так и массивная диффузная материя вблизи Солнца вызвали бы смещение узлов орбиты Венеры и самого Меркурия, не согласующееся с наблюдениями. Наблюдения и расчёты Ньюкома подтвердил авторитетный французский астроном Франсуа Феликс Тиссеран.

Глава 6-7-12

Предложения по модификации классической теории тяготения

Попытки улучшить ньютоновский закон всемирного тяготения предпринимались начиная с середины XVIII века. Первую попытку сделал в 1745 году А. К. Клеро, чтобы объяснить аномалии в движении Луны. В мемуаре О системе мира согласно началу тяготения Клеро предложил вместо ньютоновского закона другую, более общую формулу с дополнительной калибровочной константой.

Позже (1752 год) Клеро пришёл к выводу, что для объяснения движения Луны, со всеми замеченными аномалиями, вполне достаточно классического закона. Окончательные результаты своих трудов Клеро свёл в трактат, названный Теория Луны, выведенная из единственного начала притяжения, обратно пропорционального квадратам расстояний. Тем не менее, идея Клеро, в различном математическом оформлении, неоднократно возникала в истории астрономии, в том числе для объяснения смещения перигелия Меркурия.

В статье 1895 года Саймон Ньюком исследовал способ объяснения аномалии, связанный с модификацией закона всемирного тяготения. Простейшая модификация состоит в замене квадрата расстояния на немного большую степень. Это предположение известно как гипотеза Холла, американский астроном Асаф Холл опубликовал её годом раньше и позволяло объяснить аномальное смещение перигелия Меркурия. Дополнительным достоинством нового закона тяготения по сравнению с ньютоновским был тот факт, что он не создавал гравитационный парадокс - потенциал поля тяготения бесконечной Вселенной не обращался в бесконечность.

Ряд учёных (в частности, Вебер и Ритц) проявили интерес к такому подходу, хотя были и критики - указывали, например, на то, что в законе Холла постоянной тяготения G приходится приписывать дробную размерность длины. К тому же расчёты Ньюкома показали, что смещение перигелия Марса по новому закону получается далёким от фактического.

Исследовался и несколько более общий вариант закона тяготения - добавление в формуле Ньютона выражения, обратно пропорционального R³ или R⁴. Однако Ньюком отверг и этот вариант, поскольку из него следовало, например, что притяжение двух близких предметов на Земле неправдоподобно велико.

В 1897 году американский астроном Эрнест Уильям Браун опубликовал очень точные таблицы движения Луны, значительно подорвавшие доверие к гипотезе Холла. Одновременно (1896 г.) Гуго Ганс фон Зелигер исследовал три варианта модификации закона Ньютона, включая закон Холла, и показал, что все они не согласуются с наблюдениями. В 1909 году Ньюком также пришёл к выводу, что гравитационное поле описывается классическим законом Ньютона.

Некоторые физики предлагали ввести в закон тяготения зависимость силы от скорости тел. Меркурий отличается от других планет не только близостью к Солнцу, но и большей скоростью, поэтому возникли предположения, что именно скорость ответственна за дополнительное смещение перигелия. Авторы этих идей ссылались также на законы электродинамики, где зависимость силы от скорости была общепринятой.

Первые модели подобного рода, разработанные во второй половине XIX века по аналогии с электродинамикой Вебера или Максвелла, давали слишком маленькое значение смещения перигелия (не более 6-7 в столетие). Несмотря на то, что этой проблемой занимались такие крупные физики, как Лоренц, Вин, Пуанкаре, Цёлльнер и другие, добиться удовлетворительного согласия с наблюдениями им не удалось.

Глава 6-7-13

Баллистическая теория Вальтера Ритца

Наибольший интерес вызвала баллистическая теория Вальтера Ритца (1908 г.).

Суть БТР сводится к следующему: она распространяет принципы механики (причём механики ньютоновской, без учёта следствий СТО, вроде изменения времени, расстояний и масс) на область оптических, электрических и иных явлений. В этой модели гравитационное взаимодействие осуществляют гипотетические частицы, которые, как надеялся Ритц, формируют также все электромагнитные явления. Источник света во всех направлениях выстреливает эти частицы с постоянной скоростью, равной скорости света c. Если источник света движется, то скорость частиц геометрически складывается со скоростью источника по классическому закону сложения скоростей. Из сравнения света со снарядами, выстреливаемыми подвижным орудием, и родилось название баллистическая теория.

В модели Ритца смещение перигелия для Меркурия, Венеры и Земли, а также перигея Луны было уже близко к реальным. Вместе с тем модель Ритца была несовместима с принципом постоянства скорости света и предсказывала несколько новых астрофизических эффектов, которые не подтвердились. В конечном счёте, баллистическая теория не выдержала конкуренции с общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), логически более безупречной и подтверждаемой опытом. Например, отклонение света в гравитационном поле, предсказанное теорией Ритца, на четверть меньше эйнштейновского.

Ритц скончался в возрасте 31 года (1909 г.), не успев закончить развитие своей теории, но её оживлённое обсуждение продолжалось ещё десятилетие. В 1920-е годы интерес к теории Ритца угас.

Глава 6-7-14

Вальтер Ритц

Вальтер Ритц (нем. Walter Ritz, 22 февраля 1878, Сьон (Зиттен) - 7 июля 1909, Гёттинген) - швейцарский физик-теоретик и математик. Окончил Цюрихский университет (1900). Работал в Гёттингене, Бонне, Париже, Цюрихе, Тюбингене.

Вальтер Ритц учился в Цюрихском университете на одном курсе с А. Эйнштейном. Их преподаватель математики Г. Минковский писал: ... В своё время Луи Коллрос казался мне, да, пожалуй, и другим коллегам, самым одарённым в области математики из всех студентов своего курса, а это немало значит. Ибо именно этот немногочисленный курс факультета VI-A дал видных исследователей: Альберта Эйнштейна, Вальтера Ритца и Марселя Гроссмана.

Работы Ритца по физике посвящены спектроскопии, теории теплового излучения, электродинамике. В 1908 году он открыл закон, согласно которому волновое число любой спектральной линии равно разности двух термов из множества термов, присущих данному элементу.

Формулу, описывающую любую спектральную линию элемента, дал в 1890 И. Ридберг. Отсюда и название принцип Ридберга - Ритца, или комбинационный принцип Ридберга - Ритца. В математике известен метод Ритца - метод решения вариационных задач (1908).

0x01 graphic

Рис. Вальтер Ритц

В 1908 году Ритц публикует фундаментальный труд Критический анализ общей электродинамики, в котором критиковал теорию электромагнитного поля. В то же время Ритц излагал свою собственную баллистическую (эмиссионную) теорию, в которой он дал новый вариант электродинамики, оптики и теории гравитации.

В 1908 - 1909 годах Ритц и Эйнштейн вели научные дискуссии в печати по вопросу о том, что сейчас принято называть стрелами времени в электродинамике и энтропией. Ритц отстаивал позицию, согласно которой необратимость в электродинамике была источником второго закона термодинамики, в то время как Эйнштейн защищал теорию электродинамической временной симметрии Максвелла-Лоренца.

Ритц и Эйнштейн написали в соавторстве статью К современному состоянию проблемы излучения.

Одним из важных споров гениев было отношение к космологическому применению красного смещения Доплера. Не сразу бросается в глаза полезная особенность для науки доводов Ритца. Он признаёт предельной скорость света при излучении неподвижным источником, 300 000 км/сек, но объединяет её с эффектом Доплера в своей баллистической теории.

Глава 6-7-15

Необходимость уточнения теории тяготения Ньютона

Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая считается дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Но это утверждение несовместимо с понятием поля в современной физике. В теории относительности никакое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света в вакууме.

Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временную компоненту 4-вектора.

Векторная теория гравитации аналогична теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме. Таким образом, теория гравитации Ньютона оказывается несовместимой с фундаментальным принципом специальной теории относительности - инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе О динамике электрона, приводит к физически неудовлетворительным результатам.

Глава 6-7-16

Общая теория относительности

Общая теория относительности - геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), создавалась в течение 8 лет, с 1907 по 1915 гг. Альберт Эйнштейн попытался обобщить теорию относительности для систем отсчета, движущихся с ускорением, закона всемирного тяготения и найти связь между инерцией и силой тяжести.

В настоящее время Общая теория относительности (ОТО; нем. allgemeine Relativittstheorie) - самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями и используется как в астрономии, так и в инженерных приложениях (системах спутниковой навигации.

В этой теории постулируется, что гравитационные и инерциальные силы имеют одну и ту же природу. Отсюда следует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия.

Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного солнечного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности.

С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности - существования чёрных дыр.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени.

Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

Значение общей теории относительности выходит далеко за пределы теории тяготения. В математике специальная теория относительности стимулировала исследования в области теории представлений групп Лоренца в гильбертовом пространстве, а общая теория относительности стимулировала исследования по обобщению геометрии Римана и возникновение дифференциальной геометрии пространств аффинной связности, а также разработку теории представлений непрерывных групп Ли.

Глава 6-7-17

Эквивалентность сил гравитации и инерции

В нерелятивистской механике существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе - к закону всемирного тяготения. Первая масса - инертная (или инерционная) - есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса - гравитационная - определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть связанными, а тем более - пропорциональными друг другу. Однако их экспериментально установленная строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела, как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Идея принципа восходит к Галилею, и в современной форме он был выдвинут ещё Исааком Ньютоном, а равенство масс было проверено им экспериментально с относительной точностью 10^"³. В конце XIX века более тонкие эксперименты провёл фон Этвёш, доведя точность проверки принципа до 10^"⁹. В течение XX века экспериментальная техника позволила подтвердить равенство масс с относительной точностью 10^"¹²-10^"¹³ (Брагинский, Дикке и другие).

Из принципа эквивалентности сил гравитации и инерции следует, что неподвижная система отсчета в постоянном однородном поле тяготения эквивалентна ускоренно движущейся системе отсчета. Используя этот факт, в 1912 году Альберт Эйнштейн выдвинул идею использования римановой геометрии вместо евклидовой геометрии в качестве математического аппарата общей теории относительности. Благодаря помощи математика М. Гроссмана и использованию теории инвариантов в 1915 году были исправлены ошибки предыдущих работ и получены уравнения общей теории относительности.

Часто неправильно считают, что в основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности гравитационного и инерционного поля, который может быть сформулирован так:

Достаточно малая по размерам локальная физическая система, находящаяся в гравитационном поле, по поведению неотличима от такой же системы, находящейся в ускоренной (относительно инерциальной системы отсчёта) системе отсчёта, погружённой в плоское пространство-время СТО.

Иногда тот же принцип постулируют как локальную справедливость специальной теории относительности или называют сильным принципом эквивалентности.

Исторически этот принцип действительно сыграл большую роль в становлении ОТО и использовался Эйнштейном при её разработке. Однако в окончательной форме теории он на самом деле не содержится, так как пространство-время как в ускоренной, так и в исходной системе отсчёта в специальной теории относительности является неискривлённым - плоским, а в общей теории относительности оно искривляется любым телом и именно его искривление вызывает гравитационное притяжение тел.

Основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна, которая выражается тензорной величиной - тензором кривизны. В пространстве-времени СТО этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.

Глава 6-7-18

Решение в рамках общей теории относительности

После создания в 1905 году специальной теории относительности (СТО) А. Эйнштейн осознал необходимость разработки релятивистского варианта теории тяготения, поскольку уравнения Ньютона были несовместимы с преобразованиями Лоренца, а скорость распространения ньютоновской гравитации была бесконечна. В одном из писем 1907 года Эйнштейн сообщал:

Сейчас я также занимаюсь исследованием закона тяготения с позиций теории относительности; надеюсь, это позволит мне пролить свет на ещё не объяснённое большое вековое смещение перигелия орбиты Меркурия.

Первые наброски релятивистской теории тяготения опубликовали в начале 1910-х годов Макс Абрахам, Гуннар Нордстрём и сам Эйнштейн. У Абрахама смещение перигелия Меркурия было втрое меньше реального, в теории Нордстрёма ошибочным было даже направление смещения, версия Эйнштейна 1912 года давала значение на треть меньше наблюдаемого.

В 1913 году Эйнштейн сделал решающий шаг - перешёл от скалярного гравитационного потенциала к тензорному представлению, этот аппарат позволил адекватно описать неевклидову метрику пространства-времени. В 1915 году Эйнштейн опубликовал окончательный вариант своей новой теории тяготения, получившей название общая теория относительности (ОТО). В ней, в отличие от ньютоновской модели, вблизи массивных тел геометрия пространства-времени заметно отличается от евклидовой, что приводит к отклонениям от классической траектории движения планет.

18 ноября 1915 года Эйнштейн рассчитал (приближённо) это отклонение и получил практически точное совпадение с наблюдаемыми 43 в столетие. При этом не понадобилось никакой подгонки констант и не делалось никаких произвольных допущений.

Точное решение уравнений Эйнштейна, полученное Карлом Шварцшильдом два месяца спустя (январь 1916, уже после открытия окончательной версии уравнений поля), подтвердило приведённую формулу.

До 1919 года, когда Артур Эддингтон обнаружил гравитационное отклонение света, объяснение смещения перигелия Меркурия было единственным экспериментальным подтверждением теории Эйнштейна. В 1916 году Гарольд Джеффрис выразил сомнение в адекватности ОТО, поскольку она не объясняла смещение узлов орбиты Венеры, ранее указанное Ньюкомом. В 1919 году Джеффрис снял свои возражения, поскольку, по новым данным, никаких аномалий в движении Венеры, которые не укладывались бы в теорию Эйнштейна, обнаружено не было.

Тем не менее критика ОТО продолжалась некоторое время и после 1919 года. Некоторые астрономы высказывали мнение, что совпадение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия может быть случайным, или оспаривали достоверность наблюдаемого значения 43 . Современные точные измерения подтвердили оценки смещения перигелия планет и астероидов, предложенные ОТО.

Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман заметил, что долгое время ньютоновская теория тяготения полностью подтверждалась наблюдениями, но для объяснения едва заметного отклонения в движении Меркурия потребовалась коренная перестройка всей теории на основе нового понимания гравитации.

Часть 6-8

Квантовая физика

Содержание

том - часть - глава

6-8-1. На пути создания квантовой физики

6-8-2. Гамильтон, Уильям Роуэн

6-8-3. Квантовая механика

6-8-4. Макс Планк

6-8-5. Система постулатов квантовой механики

6-8-6. Модель атома Бора

6-8-7. Нильс Хенрик Давид Бор

6-8-8. Корпускулярно-волновой дуализм

6-8-9. Дуализм света

6-8-10. Луи де Бройль

6-8-11. Волновая механика фотона

6-8-12. Принцип неопределенности Гейзенберга

6-8-13. Вернер Карл Гейзенберг

6-8-14. Философские взгляды Вернера Гейзенберга

6-8-15. Эрвин Шрёдингер

6-8-16. Попытки понять, что такое жизнь

6-8-17. Философские взгляды Эрвина Шрёдингера

6-8-18. Кошка Шредингера

6-8-19. Интерпретация Эверетта и совместные истории

6-8-20. Многомировая интерпретация

6-8-21. Хью Эверетт

6-8-22. Брайс Селигман Девитт

6-8-23. Квантовая запутанность

6-8-24. Что надо знать о квантовой механике

Глава 6-8-1

На пути создания квантовой физики

Еще в 50-60-е годы XIX века появились работы Уильяма Роуэна Гамильтона (1805 - 1865 гг.), в которых он выразил свое сомнение в том, что классическая механика в её стандартном изложении описывает движение тел абсолютно точно. По его мнению, лишь приближенно, подобно геометрической оптике, которая описывает движение световых лучей, тогда как свет на самом деле - волна. Исходя из своих представлений, Гамильтон строит полный аналог геометрической оптики тел - формализм Гамильтона - Якоби классической механики.

В 1885 году швейцарский учитель Иоганн Якоб Бальмер (1825 - 1893 гг.) на спор с приятелем находит эмпирическую формулу, позволяющую с большой точностью вычислять длины волн всех известных тогда спектральных линий водорода. Природа открытой закономерности остаётся загадкой. В 1891 году на съезде Британской ассоциации в Лондоне Джордж Стони (1826 - 1911 гг.) делает доклад О причинах двойных линий в спектрах. К этому времени спектральный анализ уже превратился в точную науку, выяснены основные законы электролиза, тщательно разработана электромагнитная теория света. Именно эти теории привели Стони к выводу, что линии в спектрах химических элементов и соединений могут иметь причиной колебательное движение электронов - мельчайших частиц электрического заряда - в атомах и молекулах. Также Стони утверждает, что наиболее вероятной причиной спектров является орбитальное движение электронов в атоме: Это движение может быть разрешено при помощи теоремы Фурье в виде суперпозиции частичных движений, каждое из которых есть простое колебательное движение по эллипсу, и каждое из этих частичных движений производит его собственную линию в спектре. Двойные спектральные линии Стони объясняет прецессией эллиптических орбит, вызываемой слабыми дополнительными силами, действующими в атоме.

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (1845 - 1923 гг.) при исследованиях катодных лучей обнаруживает, что место их падения на стекло трубки помимо фосфоресценции в видимом свете испускает ещё какое-то излучение сильно проникающего характера. Рентген называет открытое им явление X-лучами. Они не отклоняются в магнитном и электрическом полях, поэтому не заряжены, но вопрос о волновой или корпускулярной природе излучения остаётся открытым.

В 1896 году Анри Беккерель (1852 - 1908 гг.), изучая фосфоресценцию солей урана, активируемую солнечным светом, оставляет на выходные пасмурные дни образец соли в бумажном конверте на фотопластинке, а затем случайно проявляет её. На пластинке видны пятна, соответствующие положению и размеру оставленных образцов. Дальнейшие исследования показывают, что самопроизвольное излучение солей урана обладает теми же проникающими свойствами, что и рентгеновское излучение. Явление называют радиоактивностью.

В том же году голландский физик Питер Зееман (1865 - 1943 гг.) открывает эффект расщепления спектральных линий в магнитном поле - эффект Зеемана. Хендрик Антон Лоренц (1853 - 1928 гг.) истолковывает его как следствия возмущения колеблющихся в атомах электронов магнитным полем.

Годом позже Джозеф Лармор (1857 - 1942 гг.) истолковывает нормальный эффект Зеемана как следствие изменения частот обращения электронов по круговым орбитам вокруг ионов в молекулах. Затем он показывает, что ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики должен излучать и выводит интенсивность этого излучения.

В 1899 году Герман Гага и Корнелий Харм Винд (1867 - 1911 гг.) получают первое доказательство волновой природы рентгеновских лучей. Они получают фотографию узкой клинообразной щели в платиновой пластинке толщиной 0,5 мм и наблюдают её дифракционное уширение по мере сужения щели. Оценка дает длину волны порядка 2 ангстрем.

В 1900 году Йоханнес Роберт Ридберг (1854 - 1919 гг.) подводит итоги 11 лет тщательных высокоточных спектральных измерений, выражая полученные закономерности расположения линий спектров щелочных металлов через формулы, аналогичные формуле Бальмера. Обобщая, Ридберг делает вывод о том, что частоты всех их спектральных линий с большой точностью представимы в виде разностей двух величин - термов, берущихся из определённого набора, своего для каждого изученного элемента. Это вызывает беспокойство, так как Джон Уильям Рэлей (1842-1919) тремя годами ранее показывает, что во все классические законы излучения входят квадраты частот, а вовсе не их первые степени.

Глава 6-8-2

Гамильтон, Уильям Роуэн

Сэр Уильям Роуэн Гамильтон (англ. William Rowan Hamilton; 4 августа 1805 - 2 сентября 1865) - ирландский математик, механик-теоретик, физик-теоретик, один из лучших математиков XIX века. Известен фундаментальными открытиями в математике (кватернионы, основы векторного анализа, вариационное исчисление, обоснование комплексных чисел), аналитической механике (гамильтонова механика) и оптике. Автор предельно общего вариационного принципа наименьшего действия, применяемого во многих разделах физики.

Королевский астроном Ирландии (1827-1865). Член Ирландской королевской академии (1837; в 1837-1845 годах - её президент). Член-корреспондент многих академий наук и научных обществ, в том числе Российской академии наук (1837), первый иностранный член Национальной академии наук США (1864). Академик А. Н. Крылов писал, что Гамильтон - один из величайших математиков, отличавшийся многочисленностью своих работ, важностью заключавшихся в них открытий, глубиною мысли, оригинальностью методов, вместе с тем и как вычислитель имевший мало себе равных.

0x01 graphic

Рис. Сэр Уильям Роуэн Гамильтон

Гамильтон был четвёртым из девяти детей в семье ирландки Сары Хаттон и полуирландца, полушотландца Арчибальда Гамильтона. Из-за финансовых затруднений и плохого здоровья родителей было решено с годовалого возраста передать мальчика на воспитание дяде по отцу. Дядя, Джеймс Гамильтон, человек хорошо образованный, служил викарием и учителем в городе Трим; он с симпатией отнёсся к племяннику и всячески помогал его развитию.

Уже в детстве мальчик проявил необыкновенные дарования. В 3 года он свободно читал и начал осваивать арифметику. В 7 лет он знал латынь, греческий и древнееврейский языки. В 12 - под руководством дяди Джеймса, хорошего лингвиста, - знал уже 12 языков и среди них персидский, арабский и санскрит. В 13 лет он написал руководство по сирийской грамматике. Литературу и поэзию Гамильтон всю жизнь высоко ценил и время от времени сам пробовал писать стихи. Среди его литературных знакомых были знаменитый поэт-романтик Уильям Вордсворт, дружба между ними продолжалась до конца жизни Вордсворта, а также Сэмюэл Кольридж, с которым Гамильтон завязал оживлённую переписку.

После языков настала пора увлечения математикой. Ещё в десятилетнем возрасте Гамильтону попался латинский перевод Начал Евклида, и он детально изучил это сочинение; в 13 лет он прочёл Универсальную арифметику Ньютона; в 16 лет - большую часть Математических начал натуральной философии Ньютона (при этом Гамильтон - по работам Клеро и Лапласа - изучал и континентальную математику, что в Великобритании было ещё новостью). В 17 лет Уильям приступил к изучению Небесной механики Лапласа; в этом трактате он обнаружил логическую ошибку и сообщил о ней королевскому астроному Ирландии Джону Бринкли. Тот оценил способности юноши и стал помогать его научному развитию.

В 1815-1823 годах Уильям учился в школе, затем 18-летний юноша поступил в Тринити-колледж Дублинского университета. Там он показал столь блестящие способности (первый по всем предметам), что в 1827 году, ещё 22-летним студентом, по рекомендации ушедшего в отставку Бринкли был назначен на его место - профессором астрономии в Дублинском университете и королевским астрономом Ирландии. В университете бывший студент Гамильтон, так никогда и не защитивший диссертацию, читал курс небесной механики.

В 1827 году Гамильтон занял пост королевского астронома Ирландии (что автоматически означало по совместительству пост директора Дансинкской обсерватории) и занимал его на протяжении 38 лет - дольше, чем кто бы то ни было на этой должности. Он опубликовал ряд работ по геометрической оптике, представляющих большую ценность для теории оптических инструментов, но чисто астрономическими проблемами занимался мало; комиссии из Лондона дважды подвергали его критике за недостаточное усердие.

В период 1834-1835 годов появились классические работы по гамильтоновой механике. Шотландский математик Питер Тэт назвал эти работы крупнейшим дополнением теоретической динамики со времени великих эпох Ньютона и Лагранжа. За открытия в оптике и по совокупности научных заслуг вице-король Ирландии возвёл Гамильтона в рыцарское достоинство (1835) и назначил ежегодное пособие в 200 фунтов, а лондонское Королевское общество наградило его (совместно с Фарадеем) Королевской медалью.

В 1837 году Гамильтона избрали президентом Ирландской королевской академии. В том же году он был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук за работу Об общем методе в динамике.

1843 год стал в жизни Гамильтона переломным. В этом году он открыл алгебраическую систему кватернионов - обобщение системы комплексных чисел.

В 1846 году случился неприятный скандал на обеде Геологической ассоциации, куда Гамильтон явился в состоянии чрезвычайно сильного опьянения: в результате он подал в отставку с поста президента Ирландской академии. Год спустя скончался дядя Джеймс, заменивший Уильяму отца.

Весной 1865 года здоровье Гамильтона стало быстро ухудшаться. Свой многолетний труд, монографию Элементы кватернионов, он успел завершить за несколько дней до смерти. Гамильтон скончался 2 сентября в возрасте 60 лет. Похоронен на дублинском кладбище Mount Jerome Cemetery and Crematorium.

Глава 6-8-3

Квантовая механика

Квантовая механика - раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием объектов при макроскопическом движении, квантовые эффекты в основном проявляются в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать: поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Можно указать два этапа развития квантовой теории.

Первый этап: введение Максом Планком (1900) новой фундаментальной постоянной - кванта действия h.

Для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900-1924 г.).

В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.

Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Было подтверждено неразрывное сосуществование с частицей её волны, иными словами - присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.

Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.

В 1925-1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днём рождения нерелятивистской квантовой механики.

Глава 6-8-4

Макс Планк

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (нем. Max Karl Ernst Ludwig Planck; 23 апреля 1858, Киль - 4 октября 1947, Гёттинген) - немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1918) и других наград, член Прусской академии наук (1894), ряда иностранных научных обществ и академий наук. На протяжении многих лет один из руководителей немецкой науки.

Рис. Макс Карл Эрнст Людвиг Планк

Научные труды Планка посвящены термодинамике, теории теплового излучения, квантовой теории, специальной теории относительности, оптике. Он сформулировал второе начало термодинамики в виде принципа возрастания энтропии и использовал его для решения различных задач физической химии. Применив к проблеме равновесного теплового излучения методы электродинамики и термодинамики, Планк получил закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела (формула Планка) и обосновал этот закон, введя представление о квантах энергии и кванте действия. Это достижение положило начало развитию квантовой физики, разработкой различных аспектов которой он занимался в последующие годы (вторая теория Планка, проблема структуры фазового пространства, статистическая механика квантовых систем и так далее). Планк впервые вывел уравнения динамики релятивистской частицы и заложил основы релятивистской термодинамики. Ряд работ Планка посвящён историческим, методологическим и философским аспектам науки.

Награды

• Медаль Гельмгольца (1914)

• Орден За заслуги в науке и искусстве (1915)

• Нобелевская премия по физике (1918)

• Медаль Лоренца (1927)

• Медаль Франклина (1927)

• Adlerschild des Deutschen Reiches (1928)

• Медаль Макса Планка (1929)

• Медаль Копли (1929)

• Медаль и премия Гутри (1932)

• Медаль Гарнака (1933)

• Премия Гёте (1945)

• В 1948 году было учреждено Общество Макса Планка, пришедшее на смену Обществу кайзера Вильгельма и объединяющее ряд научно-исследовательских институтов по всей Германии.

• С 1929 года Немецкое физическое общество вручает медаль имени Макса Планка за достижения в теоретической физике. Первыми её лауреатами стали Альберт Эйнштейн и сам Планк. С 1990 года Общества Макса Планка и Александра фон Гумбольдта присуждают премию Макса Планка (Max-Planck-Forschungspreis) для поощрения сотрудничества немецких учёных с зарубежными коллегами.

• Имя Планка присвоено астероиду (1069 Planckia), открытому Максом Вольфом в 1927 году, а также кратеру на Луне. В 2009 году был запущен космический телескоп Планк, нацеленный на изучение микроволнового реликтового излучения и решение других научных задач.

Глава 6-8-5

Система постулатов квантовой механики

1. Постулаты Э. Шрёдингера. Они задают математические образы состояния квантовой частицы - нового типа объекта, обладающего корпускулярно-волновым поведением, но несводимым ни к частице, ни к волне, в виде волновой функции в гильбертовом пространстве. Они также задают уравнение движения, задающего связь состояний, каковым является уравнение Шрёдингера.

2. Постулаты М. Борна - центральные для квантовой механики и её понимания.

а) Они вводят принципиально новый тип состояний объекта - оно задаётся распределением вероятностей величин (и их корреляций томографическим методом), а не величинами, как в классической физике.

б) Отсюда следует принципиальное изменение процедур измерения - один акт измерения ничего не говорит о распределении вероятностей, для определения которой требуется достаточно длинная серия измерений. В этом состоит особенность измерения в квантовой механике. Никакой особой роли наблюдателя или сознания, о котором часто говорят, здесь не появляется.

в) При этом вводится связь между математическим образом состояния и физическим состоянием в виде вероятностной интерпретации волновой функции, позволяющей, зная волновую функцию, вычислить любые распределения вероятностей и средние значения величин. Постулаты Борна вводят в квантовую механику вероятностное описание (уравнения Шрёдингера абсолютно (однозначно) детерминистичны) и корпускулярно-волновое поведение, что иллюстрирует знаменитый двухщелевой эксперимент, где квантовая частица проходит как волна через обе щели, но на фотопластинке поглощается как частица в определённой точке. Но если этот опыт многократно повторять, то на распределении вероятностей в виде интегрального потемнения фотопластинки проявится дифракционно-интерференционная картинка, характерная для волны проходящей через обе щели.

3. Постулаты В. Гейзенберга о квантовании, которые вводят универсальную процедуру по нахождении оператора Гамильтона, входящего в уравнение Шрёдингера и являющегося математическим образом объекта с учётом внешнего воздействия на него.

4. В случае многочастичных объектов требуется ещё постулат о тождественности частиц, приводящий к двум статистикам: Ферми - Дирака (для фермионов) и Бозе - Эйнштейна (для бозонов), а также к принципу Паули для заполнения электронных орбиталей в атоме.

Глава 6-8-6

Модель атома Бора

Боровская модель атома - полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Эрнестом Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать энергию непрерывно и очень быстро и, потеряв её, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему, Бор ввёл допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причём, стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения (момент импульса) электрона равен целому числу постоянных Планка.

Основана на двух постулатах Бора:

Атом может находиться только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определённая энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

Излучение и поглощение энергии атомом происходит при скачкообразном переходе из одного стационарного состояния в другое.

Достоинства теории Бора

Объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов.

Теория Бора подошла к объяснению внутриатомных процессов с принципиально новых позиций, стала первой полуквантовой теорией атома.

Эвристическое значение теории Бора состоит в смелом предположении о существовании стационарных состояний и скачкообразных переходов между ними. Эти положения позднее были распространены и на другие микросистемы.

Недостатки теории Бора

Не смогла объяснить интенсивность спектральных линий.

Справедлива только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ним в таблице Менделеева без экспериментальных данных (энергии ионизации или других).

Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в её основе, одно - уравнение движения электрона - классическое, другое - уравнение квантования орбит - квантовое.

Теория Бора являлась недостаточно последовательной и общей. Поэтому она в дальнейшем была заменена современной квантовой механикой, основанной на более общих и непротиворечивых исходных положениях. Сейчас известно, что постулаты Бора являются следствиями более общих квантовых законов. Но правила квантования широко используются и в наши дни как приближённые соотношения: их точность часто бывает очень высокой.

Экспериментальное подтверждение теории Бора

Опыт Франка - Герца

В 1914 году Франк и Герц поставили опыт, косвенно подтверждающий теорию Бора: атомы разреженного газа обстреливались медленными электронами с последующим исследованием распределения электронов по абсолютным значениям скоростей до и после столкновения. При упругом ударе распределение не должно меняться, так как изменяется только направление вектора скорости. Результаты показали, что при скоростях электронов меньше некоторого критического значения удары упруги, а при критической скорости столкновения становятся неупругими, электроны теряют энергию, а атомы газа переходят в возбуждённое состояние. При дальнейшем увеличении скорости удары снова становились упругими, пока не достигалась новая критическая скорость. Наблюдаемое явление позволило сделать вывод о том, что атом может или вообще не поглощать энергию, или же поглощать в количествах равных разности энергий стационарных состояний.

Глава 6-8-7

Нильс Хенрик Давид Бор

Нильс Хенрик Давид Бор (7 октября 1885, Копенгаген - 18 ноября 1962, Копенгаген) - датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Член Датского королевского общества (1917) и его президент с 1939 года. Был членом более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным почётным членом Академии наук СССР (1929; членом-корреспондентом - с 1924).

Рис. Нильс Хенрик Давид Бор

Бор известен как создатель первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

Нильс Бор был неординарным ребенком. Уже в школе он активно интересовался физикой, математикой и философией. В 1903 году он поступил в Копенгагенский университет, и первая же его крупная исследовательская работа по измерению поверхностного натяжения воды по колебанию водной струи удостоилась Золотой медали Датской королевской академии наук (1905).

В 1910 году Бор стал магистром. В 1911 году Бор защитил докторскую диссертацию - и снова блестяще, и снова его работа представляла самостоятельный и очень сильный труд, на сей раз - по электронной теории металлов.

В том же 1911 году Бор получает стипендию в 2500 крон для стажировки за границей. Он отправляется в Великобританию, сначала в Кавендишскую лабораторию, к сэру Джозефу Томсону. А затем в марте 1912 года Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с которым незадолго до того познакомился. В 1911 году Резерфорд по итогам своих опытов опубликовал планетарную модель атома. Бор активно включился в работу по этой тематике, чему способствовали многочисленные обсуждения с работавшим тогда в Манчестере известным химиком Георгом Хевеши и с самим Резерфордом. Исходной идеей было то, что свойства элементов определяются целым числом - атомным номером, в роли которого выступает заряд ядра, который может изменяться в процессах радиоактивного распада. Первым применением резерфордовской модели атома для Бора стало рассмотрение в последние месяцы своего пребывания в Англии процессов взаимодействия альфа- и бета-лучей с веществом. Летом 1912 года Бор вернулся в Данию.

Свою гениальную догадку Бор сделал в 1913 году, когда познакомился с формулой Бальмера, описывающей серию спектральных линий атома водорода. Бор понял: существуют орбиты, на которых электроны не теряют энергию. И таких орбит строго определенное количество, переходя с орбиты на орбиту электрон излучает или поглощает энергию, равную разнице энергий орбит, то есть - квантованно.

В 1913 году увидели свет три части статьи Бора О строении атомов и молекул, которые описывали объединенную квантовую модель атома Бора-Резерфорда.

Бор внес большой вклад в развитие квантовой механики. Предложенный им принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики и анализа процесса измерения характеристик микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику теорией дополнительности по аналогии с теорией относительности.

В 1930-е годы Бор увлёкся ядерной тематикой, переориентировав на неё свой институт: благодаря своей известности и влиянию он сумел добиться выделения финансирования на строительство у себя в Институте новых установок - циклотрона, ускорителя по модели Кокрофта - Уолтона, ускорителя ван де Граафа. Сам он внёс в это время существенный вклад в теорию строения ядра и ядерных реакций. Участвовал в создании атомной бомбы.

Бор создал крупную международную школу физиков и многое сделал для развития сотрудничества между физиками всего мира. С начала 1920-х годов Копенгаген стал центром притяжения для наиболее активных физиков: большинство создателей квантовой механики (Гейзенберг, Дирак, Шрёдингер и другие) в то или иное время там работали.

Награды

• Медаль Хьюза (1921)

• Медаль и премия Гутри (1922)

• Нобелевская премия по физике (1922)

• Медаль Маттеуччи (1923)

• Силлимановская лекция (1923)

• Медаль Барнарда (1925)

• Медаль Франклина (1926)

• Медаль имени Макса Планка (1930)

• Фарадеевская лекция (1930)

• Медаль Копли (1938)

• Орден Слона (1947)

• Международная золотая медаль Нильса Бора (1955) - в честь Н. Бора была учреждена награда и её первым лауреатом стал сам Бор

• Премия За мирный атом (англ. Atoms for Peace Award; 1957)

• Медаль и премия Резерфорда (1958)

• Медаль Гельмгольца (1961)

• Премия Соннинга (1961)

• Почётные учёные степени Кембриджского, Манчестерского, Оксфордского, Эдинбургского, Сорбоннского, Принстонского, Гарвардского университетов, университета Макгилла, Рокфеллеровского центра и др.

Глава 6-8-8

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм - свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других - свойства классических частиц.

Типичные примеры объектов, проявляющих двойственное корпускулярно-волновое поведение - электроны и свет; принцип справедлив и для более крупных объектов, но, как правило, чем объект массивнее, тем в меньшей степени проявляются его волновые свойства (речь здесь не идёт о коллективном волновом поведении многих частиц, например, волны на поверхности жидкости).

Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В действительности квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых лишь в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Корпускулярно-волновой дуализм необъясним в рамках классической физики и может быть истолкован лишь в квантовой механике.

Казавшееся устоявшимся волновое описание света оказалось неполным, когда в 1901 году Планк получил формулу для спектра излучения абсолютно чёрного тела, а затем Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на предположение, что свет с определённой длиной волны излучается и поглощается исключительно определёнными порциями. Такая порция - квант света, позднее названный фотоном, - переносит энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом h. Таким образом, оказалось, что свет проявляет не только волновые, но и корпускулярные свойства.

Французский учёный Луи де Бройль (1892-1987), развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия E и импульс p, а с другой стороны - волновые характеристики - частота и длина волны.

Более конкретное и корректное воплощение принцип корпускулярно-волнового дуализма получил в волновой механике Шрёдингера, которая затем превратилась в современную квантовую механику.

Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно.

Ричард Фейнман в ходе построения квантовой теории поля развил общепризнанную сейчас формулировку через интегралы по траекториям, которая не требует использования классических понятий частицы или волны для описания поведения квантовых объектов.

Глава 6-8-9

Дуализм света

Как классический пример применения принципа корпускулярно-волнового дуализма, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства классических электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Также явление поляризации света свидетельствует в пользу его волновой природы.

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году.

Корпускулярные свойства света проявляются в закономерностях равновесного теплового излучения, при фотоэффекте и в эффекте Комптона, в явлениях химического действия света. Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень тонкой дифракционной решётке - кристаллической решётке твёрдого тела.

Глава 6-8-10

Луи де Бройль

Луи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи, более известный как Луи де Бройль (фр. Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7me duc de Broglie, Louis de Broglie; 15 августа 1892, Дьеп - 19 марта 1987, Лувесьен) - французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год, член Французской академии наук (с 1933 года) и её непременный секретарь (с 1942 года), член Французской академии (с 1944 года).

0x01 graphic

Рис. Луи де Бройль

Луи де Бройль является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля, или волны материи), положившая начало развитию волновой механики. Он предложил оригинальную интерпретацию квантовой механики (теория волны-пилота, теория двойного решения), развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.

Награды и членства

• Премия Жюля Майера (Prix Jules Mahyer) Французской академии наук (1926)

• Премия Беккереля (Prix Becquerel) Французской академии наук (1927)

• Нобелевская премия по физике (1929)

• Медаль Анри Пуанкаре (Mdaille Henri Poincar) Французской академии наук (1929)

• Гран-при Альберта I Монакского (1932)

• Медаль Макса Планка (1938)

• Премия Калинги (1952)

• Гран-при Общества инженеров Франции (1953)

• Золотая медаль Национального центра научных исследований (1955)

• Большой крест Ордена Почётного легиона (1961)

• Большая золотая медаль SEP (1962)

• Медаль Гельмгольца (1975)

Глава 6-8-11

Волновая механика фотона

В начале 1930-х годов Луи де Бройль предпринял попытку найти релятивистское волновое уравнение для фотона, аналогичное по смыслу уравнению, выведенному Полем Дираком для электрона. Предположив, что фотон, обладающий спином 1, можно представить как связанную пару частиц со спином 1/2, французский учёный, отталкиваясь от уравнения Дирака, получил соответствующее волновое уравнение фотона. Волновая функция такого векторного фотона оказалась аналогичной максвелловской электромагнитной волны. При этом де Бройль вновь ввёл предположение о конечности массы фотона. Таким образом, в 1934 году ему удалось получить волновое уравнение для частицы со спином 1 и произвольной массой, которое в 1936 году было независимо выведено румынским физиком Александру Прока и носит название уравнения Прока. Хотя попытка проквантовать теорию оказалась неудачной (при переходе ко вторичному квантованию она перестаёт быть калибровочно инвариантной), это было первое уравнение, описывающее поведение векторных мезонов. Развитую де Бройлем теорию иногда называют нейтринной теорией света, поскольку в качестве кандидата на роль дираковских частиц, из которых состоит фотон, фигурировало нейтрино.

В течение ряда последующих лет Луи де Бройль вместе с учениками занимался обобщением теории на частицы с произвольным спином, которые представлялись как сложные системы, состоящие из нужного числа элементарных частиц со спином 1/2. Множество публикаций учёного посвящено конкретным вопросам из различных разделов физики. Так, после начала Второй мировой войны де Бройлю был поручен сбор и обработка новой информации по радиофизике (распространение радиоволн, волноводы, рупорные антенны и так далее). После Второго компьенского перемирия французские военные инженеры уже не нуждались в этих сведениях, поэтому в 1941 году де Бройль опубликовал получившийся обзор в виде книги. С 1946 года учёный посвятил ряд публикаций и курсов лекций проблемам электронной оптики, термодинамики (в том числе релятивистской), теории атомного ядра, квантовой теории поля (попытки устранения бесконечности собственной энергии электрона за счёт введения взаимодействия с одним или несколькими мезонными полями).

Глава 6-8-12

Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике - фундаментальное соображение (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного полей).

Более доступно он звучит так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Соотношение неопределённостей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней физической квантовой механики. Является следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма.

Альберту Эйнштейну принцип неопределённости не очень понравился и он бросил вызов Нильсу Бору и Вернеру Гейзенбергу известным мысленным экспериментом: заполним коробку радиоактивным материалом, который испускает радиацию случайным образом. Коробка имеет открытый затвор, который немедленно после заполнения закрывается при помощи часов в определённый момент времени, позволяя уйти небольшому количеству радиации. Таким образом, время уже точно известно. Мы всё ещё хотим точно измерить сопряжённую переменную энергии. Эйнштейн предложил сделать это, взвешивая коробку до и после. Эквивалентность между массой и энергией по специальной теории относительности позволит точно определить, сколько энергии осталось в коробке. Бор возразил следующим образом: если энергия уйдёт, тогда полегчавшая коробка сдвинется немного на весах. Это изменит положение часов. Таким образом часы отклоняются от нашей неподвижной системы отсчёта, и по специальной теории относительности, их измерение времени будет отличаться от нашего, приводя к некоторому неизбежному значению ошибки. Детальный анализ показывает, что неточность правильно даётся соотношением Гейзенберга.

В пределах широко, но не универсально принятой копенгагенской интерпретации квантовой механики принцип неопределённости принят на элементарном уровне. Физическая вселенная существует не в детерминистичной форме, а скорее как набор вероятностей или возможностей. Например, картина (распределение вероятности), произведённая миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом. Копенгагенская интерпретация считает, что это не может быть предсказано вообще никаким методом.

Именно эту интерпретацию Эйнштейн подвергал сомнению, когда писал Максу Борну: Бог не играет в кости. Нильс Бор, который был одним из авторов Копенгагенской интерпретации, ответил: Эйнштейн, не говорите Богу, что делать.

Эйнштейн был убеждён, что эта интерпретация была ошибочной. Его рассуждение основывалось на том, что все уже известные распределения вероятности являлись результатом детерминированных событий. Распределение подбрасываемой монеты или катящейся кости может быть описано распределением вероятности (50 % орёл, 50 % решка). Но это не означает, что их физические движения непредсказуемы. Обычная механика может вычислить точно, как каждая монета приземлится, если силы, действующие на неё, будут известны, а орлы/решки будут всё ещё распределяться случайно. Эйнштейн предполагал, что в квантовой механике существуют скрытые переменные, которые лежат в основе наблюдаемых вероятностей.

Ни Эйнштейн, ни кто-либо ещё с тех пор не смог построить удовлетворительную теорию скрытых переменных. Хотя поведение индивидуальной частицы случайно, оно также скоррелировано с поведением других частиц. Поэтому, если принцип неопределённости - результат некоторого детерминированного процесса, то получается, что частицы на больших расстояниях должны немедленно передавать информацию друг другу, чтобы гарантировать корреляции в своём поведении.

В повседневной жизни, наблюдая макроскопические объекты или микрочастицы, перемещающиеся в макроскопических областях пространства, мы обычно не замечаем квантовую неопределённость потому, что значение постоянной Планка чрезвычайно мало, поэтому являющиеся следствием соотношений неопределённости эффекты настолько ничтожны, что не улавливаются измерительными приборами или органами чувств.

Глава 6-8-13

Вернер Карл Гейзенберг

Вернер Карл Гейзенберг (5 декабря 1901, Вюрцбург - 1 февраля 1976, Мюнхен) - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1932), член ряда академий и научных обществ мира.

Рис. Вернер Карл Гейзенберг

Гейзенберг является автором ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга - Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил; во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта. Ряд работ посвящён также физике космических лучей, теории турбулентности, философским проблемам естествознания. Гейзенберг сыграл большую роль в организации научных исследований в послевоенной Германии.

Награды и членства

• Медаль Маттеуччи (1929)

• Медаль Барнарда (1930)

• Нобелевская премия по физике (1932)

• Медаль имени Макса Планка (1933)

• Бронзовая медаль Национальной академии наук США (1964)

• Международная золотая медаль Нильса Бора (1970)

• Баварский орден За заслуги

• Орден За заслуги перед Федеративной Республикой Германия (нем. Der Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland)

• Рыцарь ордена Pour le Mrite (гражданский класс, 1957)

• Член Саксонской академии наук, Гёттингенской академии наук, Прусской академии наук, Баварской академии наук, академии наук Леопольдина, Папской академии наук (1955)

• Иностранный член Лондонского королевского общества (1955), Национальной академии наук США (1961), Американской академии искусств и наук, Ирландской королевской академии, Шведской королевской академии наук, Нидерландской королевской академии наук, Национальной академии деи Линчеи, академий наук Норвегии, Испании, Румынии

Глава 6-8-14

Философские взгляды Вернера Гейзенберга

На протяжении всей жизни Гейзенберг уделял особое внимание философским основаниям науки, которым он посвятил ряд своих публикаций и выступлений. В конце 1950-х годов вышла его книга Физика и философия, представлявшая собой текст Гиффордовских лекций в университете Сент-Эндрюс, а спустя десять лет - автобиографическое сочинение Часть и целое, названное Карлом фон Вайцзеккером единственным платоновским диалогом нашего времени. С философией Платона Гейзенберг познакомился ещё учеником классической гимназии в Мюнхене, где получил качественное гуманитарное образование. Кроме того, большое влияние на него оказал отец, крупный учёный-филолог[78]. Гейзенберг на протяжении всей жизни сохранял интерес к Платону и другим древним философам и даже считал, что вряд ли можно продвинуться в современной атомной физике, не зная греческой философии. В развитии теоретической физики во второй половине XX века он видел возвращение (на ином уровне) к некоторым атомистическим идеям Платона:

Если мы хотим сравнить результаты современной физики частиц с идеями любого из старых философов, то философия Платона представляется наиболее адекватной: частицы современной физики являются представителями групп симметрии, и в этом отношении они напоминают симметричные фигуры платоновской философии.

Именно симметрии, определяющие свойства элементарных частиц, - а не сами частицы - Гейзенберг считал чем-то первичным, а один из критериев истинности теории, направленной на поиск этих симметрий и связанных с ними законов сохранения, видел в её красоте и логической стройности. Влияние философии Платона можно проследить и в более ранних работах учёного по квантовой механике. Другим источником вдохновения для Гейзенберга-мыслителя было творчество Иммануила Канта, в особенности его концепция априорного знания и его анализ экспериментального мышления, нашедшие отражение в интерпретации квантовой теории. Влияние Канта можно проследить как в гейзенберговском изменении смысла причинности, так и в его представлении о наблюдаемости физических величин, приведшем к установлению принципа неопределённости и формулировке проблемы измерения в микрофизике. Косвенное влияние на ранние работы учёного по квантовой механике оказали позитивистские идеи Эрнста Маха (посредством трудов Эйнштейна).

Помимо Эйнштейна, глубокое влияние на формирование философских взглядов Гейзенберга оказала дружба и совместная работа с Нильсом Бором, который уделял особое внимание интерпретации теории, прояснению смысла используемых в ней понятий. Гейзенберг, которого Вольфганг Паули поначалу называл чистым формалистом, скоро усвоил боровскую идеологию и в своей знаменитой работе о соотношениях неопределённостей внёс значительный вклад в переопределение классических понятий в микромире. В дальнейшем он не только был одним из основных действующих лиц в окончательном формировании так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики, но и неоднократно обращался к историческому и концептуальному анализу современной физики. В качестве основных мотивов в рассуждениях Гейзенберга философ Анатолий Ахутин выделил идею границы в широком смысле слова (в частности, границы применимости теории); концепцию организующего центра, вокруг которого строится единая картина мира и науки; проблему выхода за пределы существующего знания и построения новой картины реальности.

Глава 6-8-15

Эрвин Шрёдингер

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер (12 августа 1887, Вена - 4 января 1961, Вена) - австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Член Австрийской академии наук (1956), а также ряда академий наук мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1934).

Рис. Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер

Шрёдингеру принадлежит ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнения Шрёдингера), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волновомеханическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач. Шрёдингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции; в последующие годы неоднократно подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики (парадокс кота Шрёдингера и прочее). Кроме того, он является автором множества работ в различных областях физики: статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; он предпринял несколько попыток построения единой теории поля. В книге Что такое жизнь? Шрёдингер обратился к проблемам генетики, взглянув на феномен жизни с точки зрения физики. Он уделял большое внимание философским аспектам науки, античным и восточным философским концепциям, вопросам этики и религии.

Электромагнетизм и общая теория относительности

Шрёдингер познакомился с работами Эйнштейна по общей теории относительности (ОТО) в Италии, на берегу Триестского залива, где располагалась его воинская часть во время Первой мировой войны. Он детально разобрался в математическом формализме (тензорное исчисление) и физическом смысле новой теории и уже в 1918 году опубликовал две небольшие работы с собственными результатами, в частности приняв участие в дискуссии об энергии гравитационного поля в рамках ОТО. Учёный вернулся к общерелятивистской тематике лишь в начале 1930-х годов, когда сделал попытку рассмотреть поведение волн материи в искривлённом пространстве-времени. Наиболее плодотворный для Шрёдингера период занятий вопросами гравитации пришёлся на время работы в Дублине. В частности, он получил ряд конкретных результатов в рамках космологической модели де Ситтера, в том числе указал на процессы рождения вещества в такой модели расширяющейся Вселенной. В 1950-е годы он написал две книги по вопросам ОТО и космологии - Пространственно-временная структура (1950) и Расширяющиеся Вселенные (1956).

Другим направлением работы Шрёдингера были попытки создания единой теории поля путём объединения теории гравитации и электродинамики. Этой деятельности непосредственно предшествовало, начиная с 1935 года, изучение австрийским учёным возможности нелинейного обобщения уравнений Максвелла. Целью этого обобщения, впервые предпринятого Густавом Ми (1912), а затем Максом Борном и Леопольдом Инфельдом (1934), было ограничение величины электромагнитного поля на малых расстояниях, что должно было обеспечить конечное значение собственной энергии заряженных частиц. Электрический заряд в рамках такого подхода трактуется как внутреннее свойство электромагнитного поля. С 1943 года Шрёдингер продолжил попытки Вейля, Эйнштейна и Артура Эддингтона вывести единое полевое уравнение из принципа наименьшего действия путём правильного выбора вида лагранжиана в рамках аффинной геометрии. Ограничиваясь, как и его предшественники, чисто классическим рассмотрением, Шрёдингер предложил ввести третье поле, которое должно было скомпенсировать трудности объединения тяготения и электромагнетизма, представленного в форме Борна - Инфельда. Это третье поле он связывал с ядерными силами, переносчиком которых в то время считались гипотетические мезоны. В частности, введение в теорию третьего поля позволяло сохранить её калибровочную инвариантность.

В 1947 году Шрёдингер предпринял другую попытку объединить электромагнитное и гравитационное поля, подобрав новую форму лагранжиана и выведя новые полевые уравнения. Эти уравнения содержали связь между электромагнетизмом и тяготением, которая, по мысли учёного, могла быть ответственна за генерацию магнитных полей вращающимися массами, например, Солнцем или Землёй. Проблема, однако, состояла в том, что уравнения не позволяли вернуться к чистому электромагнитному полю при выключении тяготения. Несмотря на большие усилия, многочисленные проблемы, стоявшие перед теорией, так и не удалось решить. Шрёдингер, как и Эйнштейн, не преуспел в создании единой теории поля путём геометризации классических полей и к середине 1950-х годов отошёл от этой деятельности. По словам Отто Хитмайра (Otto Hittmair), одного из дублинских сотрудников Шрёдингера, большие надежды сменились отчётливым разочарованием в этот период жизни великого учёного

Глава 6-8-16

Попытки понять, что такое жизнь

Создание квантовой механики позволило заложить надёжные теоретические основы химии, с помощью которых было получено современное объяснение природы химической связи. Развитие химии, в свою очередь, оказало глубокое влияние на формирование молекулярной биологии. Знаменитый учёный Лайнус Полинг писал в связи с этим:

На мой взгляд, будет справедливо сказать, что Шрёдингер, сформулировав своё волновое уравнение, несёт основную ответственность за современную биологию.

Непосредственный вклад Шрёдингера в биологию связан с его книгой Что такое жизнь? (1944), основанной на лекциях, которые были прочитаны в дублинском Тринити-колледже в феврале 1943 года. Эти лекции и книга были созданы под впечатлением от статьи Николая Тимофеева-Ресовского, Карла Циммера и Макса Дельбрюка, опубликованной в 1935 году и переданной Шрёдингеру Паулем Эвальдом в начале 1940-х годов. Эта статья посвящена изучению генетических мутаций, которые возникают под действием рентгеновского и гамма-излучений и для объяснения которых авторами была развита теория мишеней. Хотя в то время ещё не была известна природа генов наследственности, взгляд на проблему мутагенеза с точки зрения атомной физики позволил выявить некоторые общие закономерности этого процесса. Работа Тимофеева - Циммера - Дельбрюка была положена Шрёдингером в основу его книги, которая привлекла широкое внимание молодых физиков. Некоторые из них (например, Морис Уилкинс) под её влиянием решили заняться молекулярной биологией.

Первые несколько глав книги Что такое жизнь? посвящены обзору сведений о механизмах наследственности и мутациях, в том числе идей Тимофеева, Циммера и Дельбрюка. Последние две главы содержат собственные мысли Шрёдингера о природе жизни. В одной из них автор ввёл концепцию отрицательной энтропии (возможно, восходящую ещё к Больцману), которую живые организмы должны получать из окружающего мира, чтобы скомпенсировать рост энтропии, ведущий их к термодинамическому равновесию и, следовательно, смерти. В этом, согласно Шрёдингеру, состоит одно из главных отличий жизни от неживой природы. По мнению Полинга, представление об отрицательной энтропии, сформулированное в работе Шрёдингера без должной строгости и чёткости, практически ничего не добавляет к нашему пониманию феномена жизни. Фрэнсис Саймон вскоре после выхода книги указал, что свободная энергия должна играть значительно большую роль для организмов, чем энтропия. В последующих изданиях Шрёдингер учёл это замечание, отметив важность свободной энергии, однако всё же оставил рассуждения об энтропии в этой, по выражению нобелевского лауреата Макса Перуца, вводящей в заблуждение главе без изменения.

В последней главе Шрёдингер возвратился к своей мысли, проходящей через всю книгу и состоящей в том, что механизм функционирования живых организмов (их точная воспроизводимость) не согласуется с законами статистической термодинамики (случайность на молекулярном уровне). По мнению Шрёдингера, открытия генетики позволяют заключить, что в ней нет места вероятностным законам, которым должно подчиняться поведение отдельных молекул; изучение живой материи, таким образом, может привести к каким-то новым неклассическим (но при этом детерминистическим) законам природы. Для решения этой проблемы Шрёдингер обратился к своей знаменитой гипотезе о гене, как апериодическом одномерном кристалле, восходящей к работе Дельбрюка (последний писал о полимере). Возможно, именно молекулярный апериодический кристалл, в котором записана программа жизни, позволяет избежать трудностей, связанных с тепловым движением и статистическим беспорядком. Однако как показало дальнейшее развитие молекулярной биологии, для развития этой области знания было достаточно уже существующих законов физики и химии: трудности, о которых рассуждал Шрёдингер, разрешаются при помощи принципа комплементарности и ферментативного катализа, позволяющего нарабатывать большие количества того или иного вещества. Признавая роль книги Что такое жизнь? в деле популяризации идей генетики, Макс Перуц, однако, пришёл к следующему выводу:

...внимательное изучение его [Шрёдингера] книги и связанной литературы показало мне, что то, что было правильным в его книге, не было оригинальным, а большая часть оригинального, как было известно ещё к моменту написания книги, не было правильным. Более того, книга игнорирует некоторые решающие открытия, которые были опубликованы перед тем, как она отправилась в печать.

Глава 6-8-17

Философские взгляды Эрвина Шрёдингера

В 1960 году Шрёдингер вспоминал о времени после окончания Первой мировой войны:

Я намеревался преподавать теоретическую физику, приняв в качестве образца превосходные лекции моего любимого учителя Фрица Хазенёрля, погибшего на войне. В остальном же предполагал заниматься философией. В то время я углубился в изучение трудов Спинозы, Шопенгауэра, Рихарда Земона и Рихарда Авенариуса... Ничего из этой затеи не получилось. Я был вынужден остаться при теоретической физике и, к моему удивлению, из этого иногда кое-что выходило.

- Э. Шрёдингер. Мой взгляд на мир. - М.: Либроком, 2009. - С. 7.

Лишь после приезда в Дублин он смог уделить философским вопросам достаточно внимания. Из-под его пера вышел ряд работ не только по философским проблемам науки, но и общефилософского характера - Наука и гуманизм (1952), Природа и греки (1954), Разум и материя (1958) и Мой взгляд на мир, сочинение, законченное им незадолго до смерти. Особое внимание Шрёдингер уделял античной философии, которая привлекала его своим единством и тем значением, которое она могла сыграть для решения проблем современности[20]. В связи с этим он писал:

С помощью серьёзной попытки возвратиться в интеллектуальную среду античных мыслителей, гораздо меньше знавших то, что касается действительного поведения природы, но также зачастую значительно менее предвзятых, мы можем вновь обрести у них свободу мысли, хотя бы, возможно, для того, чтобы использовать её, с нашим лучшим знанием фактов, для исправления их ранних ошибок, которые всё ещё могут ставить нас в тупик.

- Э. Шрёдингер. Природа и греки. - Ижевск: РХД, 2001. - С. 18.

В своих трудах, обращаясь также к наследию индийской и китайской философии, Шрёдингер пытался с единых позиций взглянуть на науку и религию, человеческое общество и проблемы этики; проблема единства представляла один из основных мотивов его философского творчества. В работах, которые можно отнести к философии науки, он указывал на тесную связь науки с развитием общества и культуры в целом, обсуждал проблемы теории познания, участвовал в дискуссиях по проблеме причинности и модификации этого понятия в свете новой физики. Обсуждению и анализу конкретных аспектов философских взглядов Шрёдингера по различным вопросам посвящён ряд книг и сборников статей. Хотя Карл Поппер называл его идеалистом, в своих работах Шрёдингер последовательно отстаивал возможность объективного изучения природы:

Широко распространено учёное мнение, что объективную картину мира, как её понимали прежде, вообще получить невозможно. Только оптимисты среди нас (к которым я причисляю и себя) считают, что это - философская экзальтация, признак малодушия перед лицом кризиса.

Глава 6-8-18

Кошка Шредингера

Кот Шрёдингера (в оригинале - кошка) - мысленный эксперимент, предложенный одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером в 1935 году при обсуждении физического смысла волновой функции. В ходе эксперимента возникает суперпозиция живого и мёртвого кота, что выглядит абсурдно с точки зрения здравого смысла.

В статье, опубликованной 29 ноября 1935 года в журнале Naturwissenschaften в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена, Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции.

Первым делом он отбрасывает возможность, что описание частицы при помощи волновой функции отражает лишь наше незнание точных значений динамических переменных (которые тем не менее реально существуют). Далее Шрёдингер спрашивает: тогда, может быть, переменные на самом деле размазаны в соответствии с волновой функцией частицы? Нет, отвечает он. Окружим радиоактивный атом экраном, чувствительным к электронам. Волновая функция вылетающего при распаде электрона - сферическая волна. Однако на самом деле электрон будет попадать в одну конкретную точку экрана (хотя каждый раз в разную), а не будет равномерно размазан по нему.

Можно привести и совсем безумные примеры такого рода, говорит Шрёдингер:

Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. -функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка (с позволения сказать) смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях.

Но очевидно, кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, заключает Шрёдингер, мы не можем считать, что реальность действительно размазана в соответствии с волновой функцией.

Этот эксперимент нравился Эйнштейну, который, как известно, никогда не принимал копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Он писал Шрёдингеру: Как и прежде, так и теперь я убеждён, что волновое представление материи не есть полное представление положения вещей, хотя оно и оказалось практически полезным. Очень красиво это показывает твой пример с кошкой....

Копенгагенская интерпретация

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - ядро распалось, кот мёртв или ядро не распалось, кот жив.

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения - измерения - определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: в суперпозиции состояний распавшееся ядро, мёртвый кот и нераспавшееся ядро, живой кот, а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие догадываются, что наблюдение происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента) в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено, или не сказано, как его можно ввести. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение.

Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости); поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. И хотя не совсем ясно, что значит, что нечто является макроскопическим вообще, про кота точно известно, что он является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.

Парадокс Вигнера

Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию друзей. После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние ядро не распалось, кот жив. Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг. Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно.

Однако большинство физиков считают, что неодушевлённые объекты могут вывести квантовые системы из суперпозиции с помощью декогеренции. Можно сказать, что функция схлопывается объективно: независимо от того, есть ли вообще наблюдатели и их друзья.

Глава 6-8-19

Интерпретация Эверетта и совместные истории

В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом, и от этого образуются два соответствующие живому и мёртвому коту состояния наблюдателя, которые не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для совместных историй. В этой интерпретации в совместной истории могут быть только мёртвый кот или живой кот.

Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой - на живого кота.

Космолог Макс Тегмарк предложил вариацию опыта с котом Шрёдингера под названием машина для квантового самоубийства. Он рассматривает эксперимент с котом с точки зрения самого кота и утверждает, что таким образом можно экспериментально различить копенгагенскую и многомировую интерпретации. Другая вариация эксперимента - это опыт с другом Вигнера.

Физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём!. Он перефразировал известное высказывание, принадлежащее одному из героев пьесы Шлагетер Ганса Йоста: Wenn ich 'Kultur' hre, entsichere ich meinen Browning! (Когда я слышу слово "культура", то снимаю с предохранителя свой браунинг!).

Фактически Хокинг, как и многие другие физики, придерживался мнения, что Копенгагенская школа интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.

Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.

Глава 6-8-20

Многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация (ММИ, англ. many-worlds interpretation (MWI)) или интерпретация Эверетта (англ. Everett interpretation), реже соотнесённое относительное состояние (англ. relative state formulation) - интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование, в некотором смысле, параллельных вселенных, в каждой из которых действуют одни и те же законы природы, которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Исходная формулировка принадлежит Хью Эверетту (1957 год).

Многомировая интерпретация (далее ММИ) отказывается от индетерминированного коллапса волновой функции, который в копенгагенской интерпретации сопутствует любому измерению. Многомировая интерпретация обходится в своих объяснениях только явлением квантовой сцепленности и совершенно обратимой эволюцией состояний.

ММИ является одной из многих многомировых гипотез в физике и философии. На сегодняшний день она является одной из ведущих интерпретаций, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.

Идеи ММИ берут начало в диссертации Хью Эверетта из Принстона, написанной под руководством Джона Уилера, а сам термин многомировая обязан своим существованием Брайсу Девитту, который развил тему оригинальной работы Эверетта. Формулировка Девитта стала настолько популярной, что её часто путают с исходной работой Эверетта.

К тому моменту, как фон Нейман написал в 1932 г. свой знаменитый трактат Математические основы квантовой механики, явление коллапса волновой функции было встроено в математический аппарат квантовой механики в виде постулата, что существуют два процесса, при которых волновая функция изменяется:

1. Скачкообразное случайное изменение, вызываемое наблюдением и измерением.

2. Детерминированная эволюция со временем, подчиняющаяся уравнению Шрёдингера.

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией для (1), является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Докторская работа Эверетта как раз и предлагала подобную альтернативу. Эверетт предложил считать, что для составной системы (каковой является частица, взаимодействующая с измерительным прибором) утверждение о том, что какая-либо подсистема находится в определённом состоянии, является бессмысленным. Это привело Эверетта к заключению об относительном характере состояния одной системы по отношению к другой.

Формулировка Эверетта, приводящая к пониманию процесса коллапса волновой функции, происходящего при измерении, математически эквивалентна квантовой суперпозиции волновых функций. Поскольку Эверетт прекратил заниматься теоретической физикой вскоре после получения степени, дальнейшее развитие его идей проводили другие исследователи, среди которых Брайс Девитт и Михаил Менский.

Глава 6-8-21

Хью Эверетт

Хью Эверетт III (англ. Hugh Everett III, 11 ноября 1930, Вашингтон - 19 июля 1982, Мак-Лейн, Виргиния) - американский физик, предложивший многомировую интерпретацию квантовой механики.

Родился в Вашингтоне, прожил там всю жизнь. Его отец, Хью Эверетт младший (1904-1980), тоже был из Вашингтона, с 1936 года служил национальным гвардейцем, а с 1940 - военным снабженцем; годы войны он провёл при штабе 5-й армии в Италии; с 1928 по 1936 год он удерживал мировой рекорд по стрельбе на 1000 ярдов, в 50-х годах XX века дослужился до полковника и входил в командование вашингтонского военного округа.

0x01 graphic

Рис. Хью Эверетт

Мать, Катарина Кеннеди Эверетт, окончила Университет Джорджа Вашингтона, печаталась в 50-х - 60-х годах XX века в журналах (стихи и рассказы). Также она интересовалась метафизикой и космосом. В 12 лет Хью написал Эйнштейну письмо. Эйнштейн, хоть и не согласился с ним, но похвалил за остроту ума. После школы Эверетт поступает на инженерно-химический факультет Католического университета Америки (Вашингтон). В 1953 году получает диплом бакалавра Magna Cum Laude (с отличием). Семья живет небогато, дальнейшее образования Эверетт получает при поддержке Национального научного фонда и военного ведомства, за что впоследствии будет несколько лет, по его выражению, работать на генералов (заниматься приложениями теории игр к вопросам военного снабжения и т. п.).

С 1956 по 1964 год Хью Эверетт работал в Группе оценки систем вооружения, которая была сформирована в 1949 году для проведения оперативных исследовательских работ Объединенного комитета начальников штабов армии США и министра обороны США.

Хью Эверетт известен как создатель многомировой интерпретации квантовой механики. Эту концепцию, введённую им в 1957 году в своей диссертации на степень доктора философии, он назвал формулировкой соотнесённого состояния (англ. relative state). Под соотнесённым состоянием он имел в виду состояние подсистемы, включающей в себя наблюдателя, в отношении к состоянию подсистемы, подвергающейся измерению, - двух частей полной замкнутой системы, состояние которой эволюционирует во времени в соответствии с квантовомеханическими уравнениями без каких-либо коллапсов волновой функции, выходящих за пределы собственно квантовой механики и не описываемых ею.

Эверетт оставил физику после завершения докторской диссертации, не получив должного отклика от физического сообщества; он развивал применение обобщённых множителей Лагранжа в исследовании операций и занимался коммерческим внедрением этих методов как аналитик и консультант.

Знаменитая теория Эверетта родилась в 1954 году во время визита Нильса Бора в Принстон на вечеринке, которая была устроена Эвереттом совместно с соседом по пансиону Чарльзом Мизнером и ассистентом Бора Аагом (Оге) Петерсеном, возможно, даже в присутствии самого Бора.

Уже через два года после публикации своей статьи, в течение марта и апреля 1959 года при содействии своего бывшего научного руководителя Джона Уилера (одного из последних помощников Эйнштейна) Эверетт посетил Копенгаген, чтобы встретиться с Бором, считавшимся отцом квантовой механики. Бор был также создателем копенгагенской интерпретации квантовой механики; недостатки этой интерпретации побудили Эверетта к созданию своего варианта.

Концепция Эверетта о расщеплении и ветвлении миров заключается в следующем: при любом акте измерения реально осуществляются, с той или иной вероятностью, все возможные исходы этого измерения. Но каждый вариант осуществляется в своей вселенной, отличающейся от всех прочих именно этим исходом, то есть состоянием памяти наблюдателя, видящего определённый исход измерения. Реально существуют (хотя и не взаимодействуют друг с другом) все решения волновых уравнений и все варианты состояния наблюдателя-человека, отличающиеся находящимся в его памяти результатом измерения. Каждый из этих вариантов состояния подсистемы-наблюдателя является соотнесённым состоянием, связанным с тем или иным состоянием наблюдаемой подсистемы.

На Бора идеи Эверетта не произвели никакого впечатления: он отказался отнестись к ним достаточно серьёзно. Эверетт был удручён, однако в тот же день в гостинице он начал работу над своей новой идеей использования множителей Лагранжа для оптимизации, которая позже привела его к финансовому успеху.

19 июля 1982 года умер от внезапного сердечного приступа.

Глава 6-8-22

Брайс Селигман Девитт

Брайс Селигман Девитт (англ. Bryce Seligman DeWitt, при рождении - Карл Брайс Селигман (англ. Carl Bryce Seligman); 8 января 1923, Динуба, Калифорния - 23 сентября 2004, Остин, Техас) - американский физик-теоретик.

0x01 graphic

Рис. Брайс Селигман Девитт

Карл Брайс Селигман родился в Динубе, штат Калифорния, четвёртым сыном сельского врача (отец) и лектора высшей школы (мать). Его дед, Эмиль Зелигман, эмигрировал из Германии в Калифорнию подростком в 1875 году и после женитьбы перешёл из иудаизма в методистскую церковь. Сам Девитт воспитывался в пресвитерианстве. Он сменил имя на Брайса Селигмана Девитта в 1950 году после женитьбы на француженке Сесиль Девитт-Моретт, которая также является известным учёным в области математической и гравитационной физики. В молодости Девитт учился в Гарвардском университете, где получил последовательно степени бакалавра, магистра и доктора философии в области физики. Сам он называл себя учеником Швингера. Затем он работал в Институте перспективных исследований, университете Северной Каролины в Чапел-Хилл и Техасском университете в Остине (дольше всего - в последнем, с 1972 года и до самой смерти).

Брайс Девитт умер в 2004 году в возрасте 81 года от рака поджелудочной железы.

Основными научными результатами Девитта считаются:

создание канонической квантовой гравитации, одного из первых подходов к проблеме квантования общей теории относительности (закончено в 1967 году);

формулировка уравнения Уилера - Девитта для волновой функции Вселенной (вместе с Джоном Арчибальдом Уилером);

оригинальное развитие многомировой интерпретации квантовой механики Хью Эверетта.

Брайс Девитт являлся членом Национальной академии наук США (1990) и Американской академии искусств и наук (2002).

Некоторые награды:

Стипендия Гуггенхайма (1975)

Медаль Дирака (1987)

Премия Марселя Гроссмана совместно с женой, Сесилией Девитт-Моретт (2000)

Премия имени И. Я. Померанчука Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) (2002)

Премия Эйнштейна Американского физического общества (2005).

Основные книги

The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton Series in Physics, Princeton University Press (1973), ISBN 0-691-08131-X. Bryce DeWitt, R. Neill Graham, eds. - Многомировая интерпретация квантовой механики.

Supermanifolds (2nd Ed.), Cambridge University Press (1991). - Супермногообразия.

The global approach to quantum field theory (International series of monographs on physics, v. 114). In 2 volumes. Oxford University Press (2003). - ISBN 0-19-851093-4. - Глобальный подход к квантовой теории поля.

Динамическая теория групп и полей: Пер. с англ. / Под ред. Г. А. Вилковыского. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1987. - 288 с - Также репринтное переиздание: Череповец: Меркурий-ПРЕСС. - 2000. - ISBN 5-11-480064-7. - Расширенный и дополненный перевод американского издания 1965 года - Bryce DeWitt, Dynamical theory of groups and fields, Gordon and Breach, New York, 1965.

Глава 6-8-23

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой, что может находиться в логическом противоречии с принципом локальности, но при этом информация не передаётся и теория относительности не нарушается.

На Пятом Сольвеевском конгрессе 1927 года одним из центров дискуссии стал спор Бора и Эйнштейна о принципах Копенгагенской интерпретации квантовой механики, которая, впрочем, ещё не имела этого названия, закрепившегося только в 1950-е годы. Эйнштейн настаивал на сохранении в квантовой физике принципов детерминизма классической физики и на трактовке результатов измерения с точки зрения несвязанного наблюдателя (англ. detached observer). С другой стороны, Бор настаивал на принципиально недетерминированном (стохастическом) характере квантовых явлений и на неустранимости эффекта влияния измерения на само состояние.

В продолжение начавшихся споров в 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали ЭПР-парадокс, который должен был показать неполноту предлагаемой модели квантовой механики. Их статья Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным? была опубликована в ! 47 журнала Physical Review.

В ЭПР-парадоксе мысленно нарушался принцип неопределённости Гейзенберга: при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение, можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось. Анализируя в том же году подобные теоретически взаимозависимые системы, Шрёдингер назвал их спутанными (англ. entangled). Позднее англ. entangled и англ. entanglement стали общепринятыми терминами в англоязычных публикациях. Сам Шрёдингер считал частицы запутанными, только пока они физически взаимодействовали друг с другом. При удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезала. То есть значение термина у Шрёдингера отличается от того, которое подразумевается в настоящее время.

Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну он назвал подобную связь между запутанными частицами призрачным дальнодействием.

Уже в следующем номере Physical Review Бор опубликовал свой ответ в статье с таким же заголовком, как и у авторов парадокса. Сторонники Бора посчитали его ответ удовлетворительным, а сам ЭПР-парадокс - вызванным неправильным пониманием сути наблюдателя в квантовой физике Эйнштейном и его сторонниками. В целом большинство физиков просто устранилось от философских сложностей Копенгагенской интерпретации. Уравнение Шрёдингера работало, предсказания совпадали с результатами, и в рамках позитивизма этого было достаточно.

Такое состояние дел оказалось не слишком удачным для развития физической теории и практики. Запутанность и призрачные дальнодействия игнорировались почти 30 лет, пока ими не заинтересовался ирландский физик Джон Белл. Он продолжил анализ ЭПР-парадокса и в 1964 сформулировал свои неравенства. Весьма упрощая математические и физические составляющие, можно сказать, что из работы Белла следовали две однозначно распознаваемые ситуации при статистических измерениях состояний запутанных частиц. Если состояния двух запутанных частиц определённы в момент разделения, то должно выполняться одно неравенство Белла. Если состояния двух запутанных частиц неопределённы до измерения состояния одной из них, то должно выполняться другое неравенство.

Первые успешные эксперименты по проверке неравенств Белла были осуществлены Клаузером и Фридманом в 1972 году. Из результатов следовала неопределённость состояния пары запутанных частиц до проведения измерения над одной из них.

За экспериментами группы Клаузера последовали эксперименты Аспе в 1981 году.

Результаты, полученные как в опытах Фридмана - Клаузера, так и в опытах Аспе, чётко говорили в пользу отсутствия эйнштейновского локального реализма: призрачное дальнодействие из мысленного эксперимента окончательно стало физической реальностью. Последний удар по локальности был нанесён в 1989 году многосвязными состояниями Гринбергера - Хорна - Цайлингера, заложившими базис квантовой телепортации. В 2010 году Джон Клаузер, Ален Аспе и Антон Цайлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике за фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла (или расширенных версий этих неравенств) с использованием запутанных квантовых состояний.

Глава 6-8-24

Что надо знать о квантовой механике

Джон Гриббин пишет по этому поводу в предисловии к Энциклопедии физики элементарных частиц: чтобы добраться из точки А в точку Б, водителю необязательно знать, что происходит под капотом его машины. Эпиграфом же к своей книге Гриббин поставил слова Фейнмана:

Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя Да как же это возможно? - так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.

Литература по истории астрономии

1. В.Г. Горбацкий, Лекции по истории астрономии,

Издательство Санкт-Петербургского университета, 2002

2. Программа кандидатского экзамена по дисциплине История и методология астрономии, разработанная Институтом истории естествознания и техники (ИИЕиТ) РАН им. С.И. Вавилова и Государственным астрономическим институтом им П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ

3. А. Паннекук. История астрономии / Перевод Н.И. Невской, Наука, Москва, 1966

4. Берри, Артур. Краткая история астрономии , 1904

5. А. И. Еремеева, Ф. А. Цицин. История астрономии. Учебник. МГУ. 1989.

6. Агнесса Кларк. Общедоступная история астрономии в XIX столетии, 1913

7. Струве Отто, Зебергс В. Астрономия XX века, Мир, 1968

8. Колчинский И.Г., Корсунь А.А., Родригес М.Г. Астрономы: Биографический справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наукова думка, 1986.

9. Википедия

Оставить комментарий © Copyright Моисеев Владимир Анатольевич (boconist@mail.ru) Размещен: 18/06/2024, изменен: 18/06/2024. 482k. Статистика. Монография: Естествознание Иллюстрации/приложения: 51 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: В шестом томе Краткой истории астрономии рассказывается о достижениях и открытиях физики, без которых развитие современной астрономии было бы невозможно. Речь пойдет о природе света, уравнениях Максвелла, термодинамике, электромагнетизме, моделях атомов, кризисе физики, специальной и общей теориях относительности Эйнштейна, квантовой механике.

Моисеев Владимир Анатольевич : другие произведения.

Краткая история астрономии. Том 6. Физика для астрономии