|
В. И. Шубин
КВАНТИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВА И ПОЛЯ: ВЕХИ
ИСТОРИИ
Величайший переворот в науке начался совсем незаметно, когда в
1881 г. американские физики решили поставить эксперимент,
который бы показал, что Земля движется в покоящемся эфире. Этот
опыт, осуществленный А. Майкельсоном (1852 –1931) и его
сотрудником Эдвардом У. Морли (1838 – 1923) показал
отрицательный результат: эфир обнаружен не был. В 1905 г. на
сцене физики появилась новая фигура – Альберт Эйнштейн (1879 –
1955), который решительно отверг наличие эфира и, используя
«соотношения Лоренца», а также, видимо, работы Эрнста Маха (1838
– 1916) и Анри Пуанкаре (1854 – 1912), создал специальную теорию
относительности (СТО). Примерно через 10 лет, опираясь на идеи
Германа Минковского (1864 – 1909), он обосновывает общую теорию
относительности (ОТО). В науке и в мировоззрении ХХ века стала
утверждаться релятивистская парадигма.
«Вторым революционным событием в физике ХХ века по праву можно
считать создание квантовой теории» [1, 205]. Ее объектом
является атомная структура материи, то есть микромир, в изучении
которого еще много нерешенных проблем. В методологическом
аспекте рождение квантовой физики, а позднее и химии, означало
поворот от континуального восприятия бытия – к
дискретному его описанию. Эта оппозиция: непрерывное –
прерывное своими корнями уходит в античность. Например, элеаты (Парменид,
Зенон) настаивали на том, что бытие едино и неделимо. Все апории
Зенона для того и формулировались, чтобы показать абсурдность
бесконечной делимости пространства и времени. Атомисты (Левкипп,
Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар), наоборот, структурировали
материю, полагая атом в качестве последнего неделимого кирпичика
вещества.
Иных взглядов придерживался Аристотель, который считал, что атом
делим бесконечно, поэтому и последних структурных частиц материи
не существует. С ХVII и до начала ХХ
века вновь получила признание концепция, согласно которой атом
неделим. Но ряд открытий ниспровергли веру в бесструктурность
атома. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) открыл
электрон, а в 1900 г. Хендрик Антон Лоренц (1853 – 1928)
подтвердил наличие отрицательно заряженного электрона. В 1896 г.
Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908) совершенно случайно открыл
радиоактивность. Изучение данного явления привело к открытию
альфа – частиц, бета – частиц и гамма – излучения, которое
испускается ядрами тяжелых атомов. К 1910 г. Эрнст Резерфорд
(1871 – 1937), экспериментировавший с радиоактивными атомами,
пришел к выводу, что ядро атома помимо протонов включает в себя
нейтроны. Так от открытия к открытию в физике набирала силу идея
дискретности материи.
Но особый вклад в обоснование дискретности бытия внес Макс
Планк (1858 – 1947). В 1900 г. он совершил открытие,
оказавшее громадное влияние на все последующее развитие атомной
физики. Планк занимался изучением абсолютно черного тела, то
есть теплового излучения. Опираясь в основном на интуитивные
физические представления, он выдвинул гипотезу (теоретически
пока не обоснованную), согласно которой излучение испускается не
сплошным и непрерывным потоком, а небольшими порциями, или
квантами, энергия которых зависит от частоты излучения,
испускаемого атомом. Излучение кажется непрерывным, так как
число образующих его квантов очень велико. Позднее кванты
излучения стали называть фотонами. Формула Планка была
гипотезой, плодом замечательной физической интуиции. Эйнштейн в
своей работе по фотоэлектрическому эффекту (1905) не только
подтвердил формулу Планка, но и сумел найти ей применение.
Работы Планка и Эйнштейна вновь подняли старую проблему: из чего
состоит электромагнитное излучение и в частности, свет – из волн
или частиц? Ответ упирался в более глубокое изучение структуры
атома.
Нильс Хендрик Давид Бор (1885 – 1962) на основании некоторых
математических соображений уточнил модель атома Резерфорда. Он
доказал, что электрон испускает, либо поглощает излучение лишь в
том случае, если переходит с одной орбиты на другую; при этом
испускание или поглощение энергии происходит скачками. Каждый
скачок представляет собой квант энергии. При поглощении
атомом излучения электрон переходит с внутренней орбиты на
внешнюю, более далекую от ядра. При обратном переходе атом
излучает кванты или фотоны.
Но кванты или фотоны – это полевой объект, то есть частица
электромагнитного излучения. Зная о корпускулярных и
одновременно волновых свойствах света, Луи Виктор де Бройль
(1892 – 1987) высказал в 1922 г. идею, а потом и доказал ее, а
именно: любая частица атома обладает корпускулярно-волновым
дуализмом. Получается, что внутриатомный мир воплощает в
себе единство дискретности и континуальности, вещества и поля.
Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам
соответствуют волны, Эрвин Шредингер (1887 – 1961) вывел в 1926
г. дифференциальное уравнение, описывающее форму этих волн.
Волновая функция электрона была блестяще подтверждена в 1927 г.
в эксперименте Клинтона Дж. Дэвиссона (1881 – 1958) и Лестера
Джермера (1896 – 1971), а также независимо от них Джорджем
П.Томсоном (1892 – 1975). Таким образом, квантовая физика пришла
к бесспорному выводу о наличии единства и взаимосвязи
континуальных и дискретных характеристик материи, что в рамках
философии утверждалось давно и неоднократно. Традиция
распространять идею дискретности только на вещество, а энергию
трактовать в духе Аристотеля как нечто непрерывное, - была
преодолена в науке окончательно с рождением квантовой механики
[2, 118 – 138].
Литература:
1.
Клайн Морис. Математика.
Поиски истины. М., «Мир», 1988.
2.
Юлов В.Ф. Концепции
современного естествознания. Киров, ВГПУ, 1997.
Великие
преобразователи естествознания:
Макс Планк.
БГУИР, Минск 2006
|
