Жизнь человека с самого начала складывалась так, что все, чем бы он не занимался, заставляло его наблюдать за окружающим миром и делать из этого выводы

Вид материала

Документы

Содержание 100 Великих научных открытий 100 Великих научных открытий Основы мироздания 100 Великих научных открытий Основы мироздания Специальная теория относительности

Подобный материал:

• Тема: «И думал о счастье…», 107.6kb.
• Ивид Славы Всевышнего, как огонь, пожирающий на вершине горы, на глазах всех сыновей, 2908.84kb.
• Современна ли тема хамелеонства, 52.99kb.
• Т. А. Касаткина характерология достоевского, 3889.78kb.
• «Причины патогенной минерализации в организме человека», 196.34kb.
• Человек и общество в изображении, 24.87kb.
• Тема урока. Значение кожи и ее строение, 235.74kb.
• Конкурс по естествознанию «человек и природа», 22.16kb.
• Явырос в маленькой деревне на островах Тасмании. Все, что нам было необходимо, мы добывали, 846.97kb.
• Николай Лесков. Левша, 361.66kb.

Мария Кюри начала свои исследования с терпеливого изучения большого числа химических элементов: не являются ли некоторые из них, подобно урану, источниками «лучей Беккереля»?

Исследование радиоактивности урановых соединений привело ее к выводу, что радиоактивность является свойством, принадлежащим атомам урана, независимо от того, входят ли они в химическое соединение или нет. При этом она «измеряла напряженность урановых лучей, пользуясь их свойством сообщать воздуху электропроводность». Этим ионизационным методом она и убедилась в атомной природе явления.

«Тогда я занялась изысканиями, не существует ли других элементов, обладающих тем же свойством, и с этой целью изучила все известные в то время элементы, как в чистом виде, так и в соединениях. Я нашла, что среди этих лучей только соединения тория испускают лучи, подобные лучам урана».

Опыты Марии Склодовской-Кюри по изучению руд показали, что некоторые урановые и ториевые руды обладают «аномальной» радиоактивностью: их радиоактивность оказалась гораздо сильнее того, что можно было ожидать от урана и тория. «Тогда я выдвинула гипотезу, — писала Мария Склодовская-Кюри, — что минералы с ураном и торием содержат

основы мироздания

153

небольшое количество вещества, гораздо более радиоактивного, чем уран и торий; это вещество не могло принадлежать к известным элементам, потому все они уже были исследованы; это должен был быть новый химический элемент».

Понимая важность проверки этой гипотезы, Пьер Кюри оставил свои исследования кристаллов и присоединился к работе, задуманной Марией. Для своих опытов они выбрали урановую смолку, добывавшуюся в городе Сент-Иоахимстале в Богемии.

Несмотря на трудности, исследования продвигались успешно. Хотя зарплаты Пьера Кюри с трудом хватало для покрытия разнообразных расходов, они все же решили взять помощника для проведения химических исследований. Им стал молодой Жак Бемон. Главные усилия ученых были направлены на выделение радия из отходов урановой смолки, так как было показано, что его легче отделить. Четыре года ушло на эту трудную работу, проводившуюся в неблагоприятных условиях и потребовавшую массы труда и сил. В результате Марии и Пьеру удалось получить из 8 тонн отходов иоахимстальской урановой смолки первый в мире дециграмм радия, оценившийся тогда в 75 800 золотых франков (15 600 долларов)

Напряженный труд принес щедрые результаты. 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри на заседании Парижской Академии наук выступили с сообщением «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке». Ученые заявили: «Вещество, которое мы извлекли из смоляной обманки, содержит металл, еще не описанный и являющийся соседом висмута по своим аналитическим свойствам. Если существование нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас».

В этой работе впервые изучаемое явление названо радиоактивностью, а лучи — радиоактивными. Активность нового элемента — полония — оказалась в 400 раз выше активности урана.

В результате химического анализа из урановой смолки удалось также выделить элемент барий, который обладал относительно сильной радиоактивностью. При выделении хлорида бария из водного раствора в кристаллическом виде радиоактивность переходила из маточного раствора в кристаллы. Спектральный анализ этих кристаллов показал наличие новой линии, «которая, по-видимому, не принадлежит ни одному из известных элементов».

26 декабря 1898 года появляется следующая статья супругов Кюри и Ж. Бемона- «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде» Авторы сообщили, что им удалось выделить из урановых отходов вещество, содержащее некоторый новый элемент, сообщающий ему свойство радиоактивности и очень близкий по своим химическим свойствам к барию. Новый элемент они предложили назвать радием. Активность выделенного хлорида радия в 900 раз превышала активность урана.

154

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

Открытием полония и радия начинается новый этап в истории радиоактивности. В конце января 1899 года Склодовская-Кюри высказала предположение о сущности радиоактивного излучения, о его материальном характере. Она полагала, что радиоактивность может оказаться свойством, присущим лишь тяжелым элементам.

В том же году А. Дебьерн, проверяя гипотезу Марии Кюри о наличии в урановой смолке других радиоактивных элементов кроме радия и полония, сделал очередное открытие: из смолки можно выделить высокорадиоактивное вещество, отделяющееся при фракционировании с редкоземельными элементами и титаном. Химические свойства нового вещества отличались от свойств радия и полония, а его активность в 100 000 раз превышала активность урана. В 1900 году А. Дебьерн сообщил о выделении этого нового радиоактивного элемента, названного актинием. Таким образом, к началу XX века было известно пять радиоактивных веществ: уран, торий, полоний, радий, актиний.

Мария и Пьер Кюри не были единственными учеными, изучавшими явление радиоактивности. Анри Беккерель продолжал исследования урана в Париже. Г. Шмидт в Германии одновременно с Кюри обнаружил радиоактивность тория. В 1899 году немецкие ученые С. Мейер, Э. Швейдлер и независимо от них Ф. Гизель продемонстрировали отклонение «лучей Беккереля» в магнитном поле. В Германии же Ю. Эльстер и Г. Гейтель в 1899 году сообщили о первом наблюдаемом случае химической неотделимости радиоэлементов и подтвердили атомарный характер радиоактивности. В Англии новое явление стало центром внимания в лабораториях У. Крукса и У. Рамзая. Изучали радиоактивность и в других научных центрах Европы.

В 1906 году Пьер Кюри погиб в результате несчастного случая. Мария Кюри, оправившись от этого потрясения, продолжала работать над изучением явления радиоактивности, которая скоро стала одной из важнейших областей современной науки и привлекла внимание многих талантливых исследователей.

т

КВАНТЫ

Ученые долго пытались найти формулу, которая точно и в полном согласии с экспериментом описывала бы спектр излучения черного тела.

Экспериментаторы давно установили, что спектр черного тела напоминает остроконечный холм или горб верблюда. Вершина горба, где излучение максимально, находится при определенной длине волны, значение которой зависит от температуры, причем влево — в направлении коротких длин волн и вправо — в длинноволновую сторону интенсивность излучения резко убывает.

В 1892 году русский физик Голицын в своей диссертации «Исследования по математической физике» рассматривал проблему лучистой энергии. В этой работе Голицын приходит к результату, который можно сформулировать следующего закона:

Макс Планк

в виде

Абсолютная температура обусловливается совокупностью всех электрических смещений, и именно четвертая степень абсолютной температуры прямо пропорциональна сумме квадратов всех электрических смещений.

Таким образом, он близко подошел к идеям будущей квантовой теории — фотонному газу Эйнштейна. И немудрено, что его мысли не были поняты современниками.

В девяностые годы девятнадцатого века Вильгельм Вин (1864—1927) получает формулу, которая хорошо согласовывалась с опытом в области коротких волн, но не годилась в длинноволновой части спектра.

В 1900 году Джон Уильям Релей (1842—1919) сделал попытку применить к излучению закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Об этой попытке Вин рассказывает так:

«Лорд Релей первый подошел к этому вопросу с совершенно иной стороны: он попытался применить к вопросу о лучеиспускании один весьма общий закон статистической механики, а именно закон о равномерном распределении энергии между степенями свободы системы, находящейся в состоянии статистического равновесия...

Излучение, находящееся в пустом пространстве, также можно представить так, что оно будет обладать определенным числом степеней свободы. Дело в том, что когда волны отражаются от стен туда и обратно, то возникают системы стоячих волн, помещающихся в промежутках

156

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

между двумя стенками... Отдельные возможные стоячие волны представляют и здесь соответствующие элементы происходящих явлений и соответствуют степеням свободы. Если каждой степени свободы сообщить приходящееся на ее долю количество энергии, то получится закон излучения Релея, согласно которому испускание лучистой энергии определенной длины волны прямо пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Закон этот согласуется с данными опыта как раз там, где рассмотренный выше закон перестаёт быть справедливым, и поэтому его сначала считали законом с ограниченною справедливостью».

Таким образом, были две формулы: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина), другая для длинноволновой (формула Релея). Задача состояла в том, чтобы состыковать их.

«Ультрафиолетовой катастрофой» назвали исследователи расхождение теории излучения с экспериментом. Расхождение, которое никак не удавалось устранить. Логичные и обоснованные математические расчеты неизменно приводили к формулам, выводы из которых совершенно расходились с экспериментом. Из этих формул следовало, что раскаленная печь должна с течением времени отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость ее свечения должна все больше возрастать!

Современник «ультрафиолетовой катастрофы», физик Лоренц грустно заметил: «Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн...»

«Сшить» эти формулы Вина и Релея и вывести формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось Максу Планку.

Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858—1947) родился в прусском городе Киле, в семье профессора гражданского права. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, и там Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 году, в течение трех лет Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год — в Берлинском университетах.

В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планка надолго сосредоточивались на термодинамике — области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии.

Ученую степень доктора Планк получил в 1879 году, защитив в Мюнхенском университете диссертацию «О втором законе механичес-

ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ

157

кой теории тепла». В 1885 году он стал адъюнкт-профессором Кильского университета.

Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 году он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики.

За это же время Планк опубликовал ряд работ по термодинамике физико-химических процессов. Особую известность получила созданная им теория химического равновесия разведенных растворов. В 1897 году вышло первое издание его лекций по термодинамике. К тому времени Планк был уже ординарным профессором Берлинского университета и членом Прусской Академии наук.

С 1896 года Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Проводя свои исследования, Планк обратил внимание на новые физические закономерности. Он установил на основе эксперимента закон теплового излучения нагретого тела. При этом он столкнулся с тем, что излучение имеет прерывный характер. Планк смог обосновать свой закон лишь с помощью замечательного предположения, что энергия колебания атомов не произвольная, а может принимать лишь ряд вполне определенных значений. Планк установил, что свет с частотой колебания должен испускаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.

Вот как пишет об этом сам Планк:

«Именно в ту пору все выдающиеся физики обратились, как с экспериментальной, так и теоретической стороны, к проблеме распределения энергии в нормальном спектре. Однако ее они искали в направлении представления интенсивности излучения в ее зависимости от температуры, тогда как я подозревал более глубокую связь в зависимости энтропии от энергии. Так как значение энтропии тогда еще не нашло подобающего ему признания, то я нисколько не волновался за используемый мною метод и мог свободно и основательно проводить свои расчеты, не опасаясь вмешательства или опережения с чьей-либо стороны.

Так как для необратимости обмена энергии между осциллятором и возбужденным им излучением имеет особое значение вторая производная его энтропии по его энергии, то я вычислил значение этой величины для случая, стоявшего тогда в центре всех интересов винов-ского распределения энергии, и нашел замечательный результат, что для этого случая обратная величина такого значения, которую я здесь обозначил К, пропорциональна энергии. Эта связь так ошеломляюще проста, что я долгое время признавал ее совершенно общей и трудился над ее теоретическим обоснованием. Однако шаткость такого понима-

158

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

ния скоро обнаружилась перед результатами новых измерений. Именно, в то время как для малых значений энергии, или для коротких волн, закон Вина отлично подтвердился также и впоследствии, для больших значений энергии, или для больших волн, установили сперва Люммер и Прингсгейм заметное отклонение, а проведенные Рубенсом и Ф.Курлбаумом совершенные измерения с плавиковым шпатом и калийной солью обнаружили совершенно иное, однако опять-таки простое отношение, что величина К пропорциональна не энергии, а квадрату энергии при переходе к большим значениям энергии и длин волн.

Так прямыми опытами были установлены для функции две простые границы: для малых энергий пропорциональность (первой степени) энергии, для больших квадрату энергии. Понятно, что так же как любой принцип распределения энергии дает определенное значение К, так и всякое выражение приводит к определенному закону распределения энергии, и речь идет теперь о том, чтобы найти такое выражение И, которое давало бы установленное измерениями распределение энергии. Но теперь ничего не было естественнее, как составить для общего случая величину в виде суммы двух членов: одного первой степени, а другого второй степени энергии, так что для малых энергий будет решающим первый член, для больших — второй; вместе с тем была найдена новая формула излучения, которую я предложил на заседании Берлинского физического общества 19 октября 1900 года и рекомендовал для исследования.

...Последующими измерениями формула излучения также подтверждалась, а именно, тем точнее, чем к более тонким методам измерения переходили. Однако формула измерения, если предполагать ее абсолютно точную истинность, была сама по себе только счастливо угаданным законом, имеющим только формальное значение».

14 декабря 1900 года Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне именуется «физика до Планка».

В 1906 году вышла монография Планка «Лекции по теории теплового излучения». Она переиздавалась несколько раз. Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 году, опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, Планк сумел с высочайшей точностью найти электрический заряд электрона.

Из формулы Планка в виде частных случаев могли быть получены и закон Вина, и соотношение Стефана — Больцмана, показывающее,

ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ

159

что общая энергия излучения тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.

Физики облегченно вздохнули: «ультрафиолетовая катастрофа» закончилась вполне благополучно.

Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно.

Вот как описывал Планк сомнения, мучившие его: «...или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял собой просто лишенную содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления...»

Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона — кванта электромагнитного излучения. Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна, и как частица. В 1907 году Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел. Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планком новации поступило в 1913 году от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома.

основы мироздания

161

Альберт Эйнштейн

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В 1905 году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая статья объемом 30 печатных страниц двадцатишестилетне-го Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой почти полностью была изложена специальная теория относительности, сделавшая вскоре молодого эксперта патентного бюро знаменитым. В этом же году в том же журнале появилась статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.

Специальная теория относительности появилась не на пустом месте, она выросла из решения электродинамической проблемы движущихся тел, над которой начиная с середины XIX века работали многие физики. Они стремились обнаружить существование эфира-среды, в которой распространялись электромагнитные волны. Предполагалось, что эфир проникает через все тела, но в их движении участия не принимает. Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались гипотезы относительно его свойств. Казалось, что неподвижный эфир мог служить той абсолютно покоящейся системой отсчета, относительно которой еще Ньютон рассматривал «истинные» движения тел. Согласно воззрению Ньютона, существуют во Вселенной «нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени» с любой точки. Кроме того, существует «абсолютное движение», т.е. «перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место». В течение двухсот лет принципы Ньютона считались верными и незыблемыми. Ни один физик не подвергал их сомнению.

Первым, кто начал открыто критиковать принципы Ньютона, был Эрнст Мах. Он начал свою научную карьеру на кафедре экспериментальной физики, имел в Австрии свою лабораторию. Мах проводил эксперименты со звуковыми волнами, изучал явление инерции. Мах пытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство», «абсолютное движение», «абсолютное время». Эйнштейн был знаком с работами Маха, и это знакомство сыграло не последнюю роль в его работе над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы также были поставлены под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца. В свою очередь, Солнечная система летит в мировом пространстве. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном

пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить с помощью чувствительных оптических приборов.

Опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американцем Альбертом Майкельсоном по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом. Майкельсон рассуждал следующим образом: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, тогда луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. «Эфирный ветер» должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.

Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как одно целое. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдуарда Морлея. Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Результаты всех опытов, проведенных и в 1881 и в 1887 годах, отрицали существование какого бы ни было «эфирного ветра». Опыт Майкельсона и на сегодняшний день можно считать одним из самых знаменитых и выдающихся в истории физики. По словам самого Эйнштейна, он имел огромное значение для рождения теории относительности.