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 100 Великих научных открытий 100 Великих научных открытий Планетарная модель атома 100 Великих научных открытий

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.

Но не все физики были согласны с тем, что эфир не существует и что принципы Ньютона должны быть не только поставлены под сомнение, но и отброшены навсегда. Голландский физик Хендрик Лоренц в 1895 году попытался «спасти» эфир. Он высказал предположение о том, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение. Еще до Лоренца в 1891 году ирландский физик Джордж Фицджеральд сделал подобное предположение, о котором Лоренц не знал. Лоренц и Фицджеральд писали о том, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются, укорачиваются. Укорачивается и плита, на которой расположены все приборы, и сами приборы. Укорачивается и земной шар, и люди, находящиеся на его поверхности, причем величина всех этих укорочений и сплющиваний равна такой величине, чтобы уравновесить действие «эфирного ветра». Ученые вводили также поправку на время распространения «эфирного ветра». Эти идеи были лишь предположениями, почти ничем не подкрепленными.

Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он попытался вычисления Лоренца оформить в виде более-менее стройной теории, но «теория» эта была лишь формальностью. Величайшие умы загрустили, казалось, выхода из создавшейся ситуации нет. Но выход был найден Альбертом Эйнштейном, он вывел физику из тупика и направил ее в новое русло.

162

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

основы мироздания

163

Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн частенько проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света. Именно этот вопрос послужил началом размышлений над тем, что впоследствии было названо теорией относительности.

О начале своих рассуждений Эйнштейн писал так: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события». Эйнштейн начал с изучения понятия одновременности. Так, ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий (т.е. передача сигналов, информации) с бесконечной скоростью. А согласно теории Эйнштейна, скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей триста тысяч километров в секунду. Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и не может применяться. Эйнштейн приходит к выводу, что одновременность пространственно разделенных событий относитедьна. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов. Правда, представить себе это наглядно мы не можем, так как скорость света намного больше тех скоростей, с которыми движемся мы.

Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое во всех системах отсчета. Представление об «абсолютном времени», которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независимо от материи и ее движения, оказывается неправильным.

Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым шагом в науке. «Абсолютное время» было отброшено, а так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то возникла необходимость устранить ньютоновское понятие «абсолютного движения». Это Эйнштейном и было сделано.

Первый и главный постулат теории Эйнштейна — принцип относительности — гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип относительности классической механики экстрополируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то надо воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. Эйнштейн в своей теории относительности заменил световой эфир электромагнитным полем. Многие ученые очень болезненно отнеслись к такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует. Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.

Второй постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света — это верхний предел для всех процессов, протекающих в природе. Скорость света — предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость света.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадокса или следствия: относительность расстояний и относительность промежутков времени.

Относительность расстояний заключается в том, что расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с длиной покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь «спасти» эфир в опыте Майкельсона.

Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.

Эффекты, описанные выше, физики называют релятивистскими, т.е. они наблюдаются при скоростях движения, близких к скорости света.

Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скоростей, близких к скорости света?

Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой, которую словами можно выразить так: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света».

Вначале увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и, следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить его дальше. По мере приближения скорости к скорости света этот эффект, становясь все внушительнее, делает невозможным преодоление скорости света.

Формула Эйнштейна получила в конце тридцатых годов блестящее подтверждение в реакциях деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается энштейновское соотношение, но количества вещества, появляющиеся или исчезающие во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, поэтому обнаружить их невозможно даже с помощью очень точных весов.

Важно подчеркнуть, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, т. е. движение с постоянной скоростью, при котором не изменяется направление движения. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами,

164

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

например гравитационным притяжением, то специальную теорию относительности уже нельзя применять.

То, что открыл и внес в физику Эйнштейн, было поистине революционно, поэтому немногие физики поняли сразу, что специальная теория относительности — это гениальное открытие. Среди тех, кто понял, был Макс Планк, который писал: «Эйнштейновская концепция времени превосходит по смелости все, что до этого времени было создано в умозрительном естествознании и даже в философской теории познания».

В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, создал для специальной теории относительности математический аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и врачей 21 сентября 1908 года Минковский сказал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование».

С тех пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.

Эйнштейн сказал однажды Джеймсу Франку: «Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями». У Эйнштейна не было «взрослой» уверенности в том, что глобальные проблемы мира уже решены. Это ощущение не было вытеснено при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, — к античной идее относительности, которую заслонило потом понятие эфира как абсолютного тела отсчета. Когда же понятие эфира было отброшено, то Эйнштейн сделал вывод, что движение не может быть абсолютным.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Еще в древности было отмечено, что агрегатное состояние вещества зависит от внешних условий. Самый яркий и наглядный пример — превращение воды в лед и пар. Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 году голландским физиком М. ван Марумом. Майкл Фарадей, начиная с 1823 года, перевел в жидкое состояние сразу несколько газов: хлор, сернистый и углекислый газы.

Процесс не был сложным, ведь промежуточные газы сжижаются при довольно высокой температуре. Другое дело истинные газы Прошло более пятидесяти лет, пока удалось перевести их в жидкое состояние. В 1877 году Р. Пикте и Л. Кальете получили жидкий кислород и жидкий азот. В промышленных масштабах сжижение воздуха осуществил немецкий инженер К. Линде только в 1895 году.

Теперь, казалось, по уже отработанной схеме легко удастся перевести в жидкое состояние любой другой газ. Но не тут-то было. Действительно, подавляющее большинство газов при расширении охлаждаются. Однако строптивые водород, неон и гелий ведут себя «нечестно» — при расширении они нагреваются.

Выход был найден к концу девятнадцатого века. Выяснилось, чтобы получить жидкий водород и гелий, нужно лишь предварительно охладить их до сравнительно низкой температуры.

Получить жидкий водород одновременно пытались Ольшевский в Кракове, Камерлинг-Оннес в Голландии и Дьюар в Англии. В этом состязании победил Дьюар: 10 мая 1898 года он получил 20 кубических сантиметров жидкого водорода. Еще через несколько месяцев он сумел получить твердый водород. От абсолютного нуля его отделяло всего 14 градусов.

Блестящий ум, великолепное искусство экспериментатора и отменная эрудиция помогли стать Джемсу Дьюару одним из пионеров криогенной техники. Примечательно, что и сам термин (от греческого «kryos» — холод), и знаменитый «сосуд Дьюара» принадлежат ему.

Но гелий упорно не хотел покоряться. Лишь 9 июля 1908 года пришло известие, что доктор Хейке Камерлинг-Оннес (1853—1926) из Лейденского университета осуществил сжижение гелия. Интуиции и мастерству Дьюара он противопоставил систему, способности великолепного организатора. Знаменитую лабораторию Камерлинга-Оннеса в Лейдене,

166

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

директором которой он стал в 29 лет, называют первой моделью научно-исследовательского института XX века.

«В конце опыта Камерлинг-Оннес предпринял попытку получить твердый гелий, — пишет Р.Бахтамов. — Это ему не удалось. Не удавалось и потом, когда он дошел до температуры 1,38, а затем и 1,04 градуса Кельвина. Не понимая причины этого странного явления, он, однако, заставил себя отступить и перешел к следующему пункту намеченной программы — к исследованию свойств металлов при гелиевой температуре.

Оннес измерил электросопротивление золота, платины и взялся за ртуть. И тут начались неожиданности. 28 апреля 1911 года он сообщил Нидерландской королевской академии, что сопротивление ртути достигло столь малой величины, что «приборы его не обнаружили». 27 мая сообщение было уточнено: сопротивление ртути падает не постепенно, а резко, скачком, и снижается настолько, что можно говорить об «исчезновении сопротивления».

В статье, опубликованной в марте 1913 года, Оннес впервые употребит термин «сверхпроводимость». Еще через Шлет он кое-что начнет понимать в этом странном явлении. Через 50 лет явление будет объяснено, хотя и далеко не полностью. Несколько раз Оннес наблюдал и другое достаточно странное явление — необычно высокую подвижность гелия. Но это уже было настолько неестественно, что Оннес даже не пытался что-то понять.

Он продолжал свою линию, двигаясь все ближе к абсолютному нулю. Пользовался он, в сущности, одним методом: чтобы уменьшить давление паров жидкого гелия, ставил все более мощные насосы. В конце концов, Оннес дошел до 0,83 градуса Кельвина. Казалось, это предел. Однако в апреле 1926 года — через два месяца после смерти Камерлинг-Оннеса — американский профессор Латимер, развив идею канадца Уильяма Джиока, предложил новый способ охлаждения — магнитный. В 1956 году Френсис Симон из Оксфорда получил температуру 0,00001 градуса Кельвина, лишь на одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля».

Удивительно, но лишь спустя тридцать лет с момента сжижения гелия было открыто наиболее экзотическое его свойство — сверхтекучесть, хотя проводились тысячи экспериментов. Но однажды группа канадских ученых все-таки осмелилась привести описание, решительно отказавшись от выводов. «Правильное заключение относительно нового явления, — отметили они, — нетрудно сделать даже студенту первого курса. Но лишь зрелые и опытные физики взяли бы на себя смелость вполне серьезно предположить, что теплопроводность жидкости внезапно увеличивается в миллионы раз».

В начале 1938 года журнал «Nature» опубликовал две статьи. Одна из них принадлежала советскому ученому П.Л. Капице, а другая Аллену и Мизенару из Кембриджского университета. Их результаты и выводы

основы мироздания

167

совпали: поток жидкого гелия почти совершенно лишен вязкости. Именно Капице принадлежит и ставший общепринятым термин «сверхтекучесть». Поразительно — атомы гелия и свободные электроны металла ведут себя одинаково. Это открытие позволило связать оба явления: сверхпроводимость и сверхтекучесть электронного потока в проводнике.

Сверхпроводимость была открыта в начале века, однако только в 1957 году Бардин, Купер и Шрифер сумели дать удовлетворительное объяснение явлению сверхпроводимости, построив теорию, носящую их имя (теория БКШ).

«Что же происходит в сверхпроводнике? — спрашивает Редже в своей книге. — Полный ответ на этот вопрос длинен и сложен. Обычно два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается.

В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь, подобная химической, но в тысячи раз слабее. Следовательно, куперов-ская пара подобна молекуле «двухэлектрона», а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких «молекул». Аналогичное явление встречается в химии: так, если нагреть двухатомный кислород, он распадается на одиночные атомы, способные вновь объединиться при охлаждении.

Электронный газ, движущийся в металле, конденсируется в жидкость из куперовских пар, которую мы и будем называть «конденсатом». Радиус такой пары равен примерно 300 ангстрем, что намного больше расстояния между соседними атомами (несколько ангстрем). В море, состоящем из куперовских пар, трудно представить себе рябь или волны, длина которых была бы меньше самих пар. Поэтому неоднородности решетки с размерами не больше десятка ангстрем не представляют собой препятствия для течения конденсата, и потери энергии не происходит. Такова основная причина возникновения сверхпроводимости».

Сейчас еще трудно представить все последствия этого открытия. Эффект сверхпроводимости уже успешно используется в скоростных японских поездах «Маглев». «Созданы и работают сверхпроводящие магнитные системы с уникальными характеристиками, — пишет Р.Бахтамов. — Фирма «Локхид», например, построила электромагнит, который весит 85 килограммов и дает магнитное поле 15 тысяч эрстед.

Крупнейшие сверхпроводящие магниты с полем 30—40 тысяч эрстед и размером порядка 4 метра уже работают в ряде ускорительных

168

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

лабораторий Европы и Америки, созданы магниты с полем до 170 тысяч эрстед.

Ведутся работы по созданию крупнейших электрических машин — турбо- и гидрогенераторов со сверхпроводящими системами возбужде-*ния.

Сверхпроводники открывают совершенно новые возможности при создании вычислительных машин. Ток в сверхпроводящих системах — идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью...

.. Уже получены сплавы, сохраняющие сверхпроводимость при 18— 20 градусах Кельвина. Создание вещества, которое обладало бы свойствами при температуре хотя бы в 100 градусов Кельвина, привело бы к революции в электротехнике. Современная наука считает, что задача реальна, а последствия ее решения определят одним словом — фантастические».

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

В первой атомной теории Дальтона предполагалось, что мир состоит из определенного числа атомов — элементарных кирпичиков — с характерными свойствами, вечными и неизменными.

Эти представления решительно изменились после открытия электрона. Все атомы должны содержать электроны. Но как электроны в них расположены? Физики могли лишь философствовать, исходя из своих познаний в области классической физики, и постепенно все точки зрения сошлись на одной модели, предложенной Дж.Дж. Томсоном. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны (возможно, они находятся в интенсивном движении), так что атом напоминает пудинг с изюмом. Том-соновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу свидетельствовали всевозможные аналогии.

Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 году предложил модель «пустого» атома, внутри которого «летают» какие-то никем не обнаруженные нейтральные частицы, составленные из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Ленард даже дал название для своих несуществующих частиц — динамиды...

Однако единственной, право на существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми опытами, стала модель Резерфорда.

Эрнест Резерфорд (1871—1937) родился вблизи города Нелсон (Новая Зеландия) в семье переселенца из Шотландии. Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нельсон, куда поступил в 1887 году. Через два года Эрнест сдал экзамен в Кентерберийский колледж — филиал Новозеландского университета в Крайчестере. В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э. У. Бикертон и математик Дж.Х.Х. Кук. После того как в 1892 году Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике.

В 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии» появилась его первая печатная работа «Намагничение железа высоко-

170

100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ


частотными разрядами». В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования, первый кандидат на эту стипендию отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж.Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша.

В 1898 году Резерфорд принял место профессора Макгиллского университета в Монреале, где начал серию важных экспериментов, касающихся радиоактивного излучения элемента урана. В Канаде он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация тория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность».

В своей классической работе Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием к-частиц, они приходят к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Резерфорд и Содди. сделали вывод, что «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики». В частности, постоянство солнечной энергии можно объяснить тем, «что на Солнце идут процессы субатомного превращения».

Огромный размах научной работы Резерфорда в Монреале — им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность», — принес Резерфорду славу первоклассного исследователя. Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период его жизни.

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