Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.
Шрифт:
Теоретическая физика также имеет тесную связь с традиционным представлением о философии. Если экспериментальная наука сосредоточивается на конкретных и специфических явлениях (невозможно экспериментировать со «всем»), то задача теоретической физики — пойти дальше конкретных случаев и задаться обобщающими вопросами: что общего между рядом внешне различных явлений? какова их конечная причина? какова конечная природа материи? Понятно, что ответы теоретической физики не настолько обширны, как ответы философии, так как первая ограничена математическим языком, но (и это будет очевидно в случае Бора) переход из одной в другую — совсем не редкость.
Именно в Германии возникли первые специализированные кафедры теоретической физики. Это соединение философии, прикладной математики и косвенной связи между данными
Весной 1911 года Нильс Бор закончил докторскую диссертацию о поведении электронов в металлических материалах. Мы вернемся к этому вопросу в конце главы, но для начала нужно прояснить, чем считались атомы и электроны в начале XX века. Проанализируем вклад первых ученых, работавших в этой области.
Кто же открыл атомы и электроны? И что значит слово «открыть»? Хотя оно и является общеупотребительным, объяснить его довольно трудно. Задача ученых состоит не в том, чтобы «открывать», то есть внезапно поднимать воображаемый скрывающий действительность занавес, как фокусник вытаскивает кроликов из цилиндра. Совсем наоборот. Обычно открытия — это продолжительные процессы, в которых задействованы множество людей в различных местах; только для простоты их приписывают одному человеку в конкретном месте в конкретное время.
Это особенно верно в случае с атомами. В научно-популярной литературе историю атомизма обычно рассказывают следующим образом. Древние греки Демокрит и Левкипп, а позже и римлянин Лукреций предположили, что, возможно, мир состоит из неделимых, неразрушимых и неразличимых атомов, произвольные движения которых объясняют изменения макроскопического мира. Эту историю продолжает скачок протяженностью в 18 веков, в ходе которых развитие научного атомизма вытеснялось альтернативными идеями. Хотя этот способ представления фактов и привлекателен, он в корне неверен, поскольку современное понятие об атоме не имеет никакой связи с тем древним представлением, кроме общего слова.
Традиционная история представляет современный атомизм плодом исследований британского ученого Джона Дальтона (1766-1844). Это верно, хотя предпочтительно избегать слова «открытие», поскольку это может навести на мысль, будто Дальтону удалось «увидеть» атомы через мощный микроскоп. Но это крайне далеко от реальности, поскольку атомы нельзя увидеть и сегодня, даже с помощью самого продвинутого микроскопа: они слишком малы. Как же Дальтон пришел к выводу о том, что материя состоит из атомов?
Нет ничего удивительного в том, что Дальтон, привычный к туманам и дождям Манчестера, заинтересовался конденсацией водяного пара, концентрацией воды в атмосфере, влиянием атмосферного давления и температуры на относительную влажность воздуха. С 1799 по 1805 год Дальтон представил ряд работ по этим темам, в которых заложил основы своего атомизма. Примечательно, что теория материи Дальтона родилась из наблюдения не твердых тел, а жидкостей и газов.
Изучение жидкостей и газов стало центральной темой его исследований: с учетом того, что разница между этими состояниями только качественная, по своим свойствам жидкости и газы сходны — все это флюиды. Одно из первых свойств, провозглашенное Дальтоном: давление и температура флюида прямо пропорциональны — чем выше температура, тем выше давление. Кроме того, процесс испарения связан с давлением, которое оказывают друг на друга газ и жидкость. Много лет считалось, что испарение газа подобно растворению твердого тела в жидкости, но поведение жидкостей в вакууме (где они также испаряются) поставило под сомнение эту теорию.
Джон Дальтон, отец современной атомной теории, представлял собой архетипического британского естествоиспытателя XIX века. Выходец из семьи квакеров, он не мог попасть в университет, который в ту пору оставался доступным только адептам англиканской церкви. Дальтон был самоучкой и проводил свои исследования по газам в стесненных условиях.
Однако по мере того как признавалась важность и польза атомной теории, авторитет Дальтона возрастал. Некоторые университеты предоставили ему почетные титулы, король Георг вручил медаль в награду за его работу, а различные иностранные общества назвали его своим почетным членом. В 1833 году, в возрасте 67 лет, он получил пожизненную пенсию. Но ничто из этого не изменило его простых привычек. Дальтон жил в Манчестере с 1793 года, когда город прогрессировал в ритме промышленной революции. Опасаясь того, чтобы этот прогресс не ограничился экономической сферой, местная буржуазия поддерживала художников, философов и ученых, которые помогли бы приравнять Манчестер к крупнейшим аристократическим центрам Англии. Дальтон справлялся с этой миссией, и памятник в его честь был воздвигнут еще при жизни исследователя. Это не только воздаяние почестей, но и стремление нанести Манчестер на культурную карту и доказать, что экономическое развитие предполагает также развитие научное. Дальтон скончался у себя дома 27 июля 1844 года. По завещанию ученого было произведено вскрытие его тела, в ходе которого подтвердилась его теория относительно причин особенности зрения, сегодня известной как дальтонизм. Похороны стали публичным событием неслыханного масштаба для ученого, ведшего столь скромную жизнь. Около 40 тысяч человек вышли на улицы города фабричных труб, чтобы почтить того, кого они сами сделали символом Манчестера.
Изучая испарение, Дальтон заинтересовался другим вопросом, а именно составом воздуха. На протяжении веков люди науки полагали, что атмосферный воздух — это единственный чистый газ. Согласно древней теории, атмосферный воздух — одна из четырех стихий, наряду с водой, огнем и землей. Французский ученый Антуан Лавуазье (1743-1794) показал, что на самом деле воздух состоит по крайней мере из двух элементов. Оставалось понять, как именно соединяются различные газы. Первым вариантом была химическая реакция, то есть предположение, что воздух — это вещество, продукт взаимодействия составляющих его газов. Но Дальтон отверг эту теорию. Его метеорологические наблюдения показали, что различные типы газов соединяются, не теряя своих свойств.
На основе этой идеи он провел измерения давления газов, состоящих из разных веществ, и пришел к выводу, что давление, оказываемое определенным объемом газа, не зависит от того, какие газы находятся в том же объеме. Другими словами, давление, оказываемое составным газом, — это сумма значений парциального давления каждого из его компонентов. Так, пользуясь современной терминологией, общее давление атмосферного воздуха равно сумме давлений, которые оказывают по отдельности кислород, азот и остальные газы, входящие в состав атмосферы. Тот факт, что газы представлены вместе, не влияет на давление, которое оказывает каждый из них. Это называется «законом парциальных давлений», или «законом Дальтона».
Использование весов, столь важных в работах Джозефа Пристли (1733-1804) и Антуана Лавуазье, также было определяющим для Дальтона. С 1800 по 1808 год исследователь провел точные и системные измерения некоторых химических реакций и на их основе сформулировал закон кратных отношений. Иногда два элемента реагируют друг с другом различным образом, и получаются различные сложные вещества. Это случай кислорода и углерода, которые могут образовывать монооксид углерода (СО) или диоксид углерода (СO2). Масса кислорода, реагирующая с постоянной массой углерода, сохраняет простое числовое отношение (2:1). Так, для каждых 100 г углерода нужно 133 г кислорода, чтобы образовать СО, и 266 г — чтобы образовать СО2. Это простое отношение, но его можно определить, только когда в распоряжении имеются точные измерительные приборы.