Естественнонаучная картина мира

§ 1. Атом: история открытия и первые модели

На рубеже XIX–XX вв. в естествознании произошел грандиозный прорыв, коренным образом изменивший представления человека об окружающей его действительности. Ученым-физикам удалось проникнуть в удивительный мир сверхмалых объектов – мир атомов и элементарных (субатомных) частиц (микромир или, как его еще называют – атомный и субатомный мир), разительно отличающийся от привычного для нас макромира. Конечно, о существовании этой области реальности люди догадывались и ранее. Вспомним хотя бы натурфилософские построения древнегреческого мыслителя Демокрита, которому мы обязаны появлением самой идеи атомарного устройства мироздания. Однако в то время эта гениальная догадка носила лишь умозрительный характер и не была, да и никак не могла быть подтверждена экспериментально.

Об атомах на долгое время забыли, а вспомнили лишь в начале XIX в., когда началось формирование основ современной химии. Именно ученые-химики первыми установили, что в результате различных химических реакций ряд веществ распадается на более простые компоненты. К примеру, вода под воздействием электрического тока разделяется на водород и кислород. Однако последние (а также некоторые другие вещества) разделению на составляющие путем химических реакций не поддаются. Такие вещества ученые назвали химическими элементами. К началу XIX в. их было открыто около 30 (на сегодняшний день науке известно более 110 химических элементов, как обнаруженных в природе, так и искусственно созданных в лабораторных условиях). Помимо того было обнаружено, что в процессе химических реакций количественное соотношение веществ, в них задействованных, не изменяется.

Впервые объяснение этих фактов с точки зрения атомарного строения вещества было дано Джоном Дальтоном. В работе «Новая система химической философии» (1808 г.) он высказал предположение, что каждому химическому элементу соответствует уникальный для него атом и что соединение в различных пропорциях этих атомов приводит к образованию наблюдаемых в природе химических веществ. Однако атомы представлялись Дальтону как неделимые, невидимые человеческому глазу шарики. Семью годами позже малоизвестный английский химик Уильям Праут анонимно опубликовал статьи, в которых высказал оригинальные для того времени гипотезы: во-первых, все химические элементы состоят из мельчайших частичек – атомов, а во-вторых, атомы всех веществ могут образовываться путем конденсации из водорода. И хотя эти предположения не вписывались в господствующую в то время классическую механику, и второе из них очень скоро было справедливо опровергнуто, они оказали серьезное влияние на дальнейшее развитие науки.

Первые же экспериментальные результаты, раз и навсегда решающие вопрос в пользу реального существования атомов, были получены не в области физики или химии, а в сфере биологии ботаником Робертом Броуном в 1827 г. Изучая поведение цветочной пыльцы под микроскопом, он обнаружил, что отдельные ее споры совершают абсолютно хаотичные импульсные движения, которые не связаны ни с завихрениями, ни с испарением воды. Броун установил, что подобное хаотичное движение свойственно не только частичкам пыльцы растений, но и вообще любым микроскопическим объектам. Однако интерпретировать полученные данные он не смог. Достойное объяснение этому явлению было дано лишь в 1905 г. Альбертом Эйнштейном, который утверждал, что взвешенная в воде микрочастица подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды. И этот феномен служит наилучшим экспериментальным подтверждением молекулярной и атомистической теории строения вещества.

Еще до открытия Эйнштейна во второй половине XIX в. в научных кругах возникла серьезная полемика, связанная с проблемой атомистической концепции. С одной стороны, такие авторитетные ученые и философы, как, например, Эрнст Мах, утверждали, что атомы являются ничем иным, как просто математическими функциями, «полезными математическими условностями», удачно описывающими наблюдаемые в природе явления, но реальным существованием не обладающими. С другой – ученые нового поколения, в частности, Людвиг Больцман, настаивали на том, что атомы представляют собой физические реалии. А уже к концу XIX в. были получены неоспоримые свидетельства того, что атомы не только реально существуют, но и не являются пределом делимости вещества, обладая своей сложной структурой.

Поворотным моментом в истории раскрытия тайн микромира стало открытие Джоном Томсоном в 1897 г. электрона и создание им первой модели, описывающей структуру атома. С его точки зрения, атом представляет собой положительно заряженную массу-сетку, в которую вкраплены электроны, подобно тому, как изюм вкраплен в пудинг. Причем положительный заряд атома равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, в силу чего атом электрически нейтрален. Эта модель получила условное и немного шутливое название «пудинг с изюмом». Открытие Томсона явилось первым прямым подтверждением того, что атомы не просто существуют, но и отнюдь не являются простейшими «кирпичиками» мироздания, они имеют свою структуру и состоят из еще более маленьких объектов – частиц, которые позднее были названы элементарными (от лат. elementarius – первоначальный, простейший).

Свою лепту в новую атомистическую теорию внесло и сделанное в 1896 г. французским физиком Антуаном Анри Беккерелем открытие явления испускания солями урана неизвестного до той поры излучения, способного проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Впоследствии с легкой руки Марии Склодовской-Кюри это явление было названо радиоактивностью (от лат. radiare – испускать лучи и activus – деятельный) и, как выяснилось позднее, было связано с нестабильностью атомных ядер ряда химических элементов, их способностью самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов.

Так представление о неделимости атома ушло в историю. А спустя десять с небольшим лет в физике произошел очередной прорыв. В 1911 г. Эрнест Резерфорд провел серию экспериментов, которые позволили заглянуть внутрь атома и получить представление о его устройстве. Он установил, что большая часть массы атома сосредоточена в невероятно плотном объекте, расположенном в его центре. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. В этом же центральном объекте, который ученый назвал ядром атома, сосредоточен и весь его положительный электрический заряд. Модель атома, предложенная Резерфордом, была названа планетарной в силу своего сходства с известной нам моделью Солнечной системы: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют силы электромагнитные: положительный заряд атомного ядра уравновешивается суммой зарядов электронов, поэтому атом электрически нейтрален. Итак, у Резерфорда получилось, что каждый атом – это целый сложно устроенный мир, только очень малых размеров.

После того как эмпирическим путем было установлено существование не только атома, но и некоторых элементов его структуры, ученым-физикам, естественно, захотелось объяснить те явления и процессы, которые происходят с атомами и внутри них. И первое, что они сделали, – это попытались применить к описанию микромира законы классической механики. Но здесь их ждало разочарование. Оказалось, что и атомы, и составляющие их частицы категорически отказываются подчиняться этим законам, что процессы, происходящие в микромире, в отличие от ряда процессов макромира, невозможно объяснить с точки зрения механических взаимодействий. Да и моделям, создаваемым для описания объектов макромира, нет места в мире атомов. К примеру, по всем канонам механики того времени атом, описанный посредством планетарной модели Э. Резерфорда, может существовать лишь крохотную долю секунды. Дело в том, что электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением, а, исходя из уравнений Дж. К. Максвелла, он должен излучать электромагнитные волны, следовательно, терять энергию и очень скоро покинуть свою орбиту и упасть на ядро. Но к счастью, на деле это не так: реальные атомы могут существовать миллионы и даже миллиарды лет. Кстати, забегая вперед, отметим, что разрешить проблему с электроном, падающим на ядро, и направить науку по новому пути понимания структуры атома смог датский физик-теоретик Нильс Бор. Но об этом чуть позже.

Итак, возникла необходимость создания новой механики, да и новой физики в целом. Что вскоре и случилось. Вообще, надо сказать, что отправной точкой в возникновении и последующем развитии этой новой физики стало 14 декабря 1900 г. – день, когда немецкий ученый Макс Планк выступил на заседании Физического общества Берлинской академии наук с докладом, опровергшим привычное и незыблемое для классической физики положение о непрерывности любой энергии. Именно с этого дня и началась удивительная история новой научной дисциплины – квантовой физики. Но почему «квантовой», откуда такое название? Большую часть своей жизни Планк посвятил изучению теплового излучения и в результате пришел к ошеломляющему выводу: при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, а небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами (от лат. quantum – сколько). Квант – это порция энергии. Вдумайтесь в это словосочетание. Его первая часть – слово «порция» – подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть частицу или корпускулу. Вторая часть – слово «энергия» – подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть поле. Стало быть, квант – это такой объект, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле. Эта концепция получила название корпускулярно-волнового дуализма. Однако доказать посредством эксперимента истинность своего открытия Планк не мог.

В научных кругах того времени его революционная идея была воспринята без особого энтузиазма и лишь как теоретическая игра. Да и сам ученый сначала полагал, что кванты – это лишь удобная математическая модель, а не физическая реальность. Но спустя всего лишь пять лет ситуация коренным образом изменилась. Произошло это после публикации А. Эйнштейном статьи, в которой он объяснял фотоэлектрический эффект (явление выбивания светом электронов с поверхности токопроводящих материалов), основываясь на идее квантования (разделения на кванты) энергии излучения.

Эйнштейн утверждал, что свет распространяется квантами, то есть энергетическими порциями, которые были названы им фотонами (от греч. photos – свет). С одной стороны, фотон – это именно порция энергии, и поэтому является своего рода частицей или корпускулой, а с другой стороны, фотон – это порция именно энергии, и поэтому является своего рода волной. Свет по Эйнштейну – это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Причем для того, чтобы выбить один электрон, достаточно только одного фотона. Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям и актуальна в науке до сих пор. Теперь теоретические построения Планка стали восприниматься как описание реального физического явления на субатомном уровне, доказывающее квантовую природу энергии. За свои гениальные открытия в области новой физики как М. Планк, так и А. Эйнштейн были удостоены Нобелевской премии.

Следующим шагом в развитии квантовой механики стали работы уже упомянутого нами Нильса Бора, который применил идеи Планка и Эйнштейна к состоянию электронов на атомных орбитах и тем самым усовершенствовал модель атома, предложенную Э. Резерфордом. Произошло это в 1913 г. В ходе своих исследований Бор установил, что электрон не способен находиться на любом произвольном удалении от ядра атома, напротив – он может существовать только на определенных фиксированных орбитах, которые Бор назвал «разрешенными». При этом электроны вполне могут путешествовать по этим разрешенным орбитам – с одной на другую. Как и большинство явлений в микромире, наглядно представить этот процесс достаточно сложно. Фокус в том, что в этом необычном путешествии электрон не движется по пространству между разрешенными орбитами вниз – вверх, как, например, мы поднимаемся или опускаемся на лифте с одного этажа на другой, а исчезает с одной орбиты и в тот же миг возникает на другой. Говоря научным языком, он совершает «квантовый скачок», или «квантовый прыжок». При этом если электрон перемещается ближе к ядру – на более низкую разрешенную орбиту, он излучает квант энергии. Для того же, чтобы перескочить на более высокую орбиту, электрону, наоборот, необходимо квант энергии поглотить. Пока же электрон не меняет своей орбиты, он никакой энергии не излучает и не поглощает, находясь в так называемом стационарном состоянии.

В 1920-х гг. во взглядах Н. Бора произошла серьезная эволюция, исходным пунктом которой стало принятие им концепции корпускулярно-волнового дуализма и возможности ее применения к объектам микромира. Справедливости ради надо заметить, что идея двойственной (волновой и корпускулярной) природы субатомных частиц была предложена в двух статьях 1922 и 1924 гг. французским физиком Луи де Бройлем. Эйнштейну, кстати, она не только понравилась, но и показалась весьма продуктивной. Поддержал ее и Эрвин Шрёдингер. На момент своего возникновения эта концепция, подбирая аналогии из классической физики, являлась удобным способом объяснения поведения квантовых объектов. На деле же объекты микромира не являются ни волнами, ни частицами в их классическом понимании, приобретая свойства первых или вторых лишь с некоторой долей приближенности. Более того – не частица сама по себе обладает свойствами и вещества и поля, а мы воспринимаем ее как обладающую указанными свойствами.

Но вернемся к Н. Бору. На основе осмысления концепции соотношения неопределенностей, созданной Вернером Гейзенбергом (она будет рассмотрена чуть ниже), он сформулировал свой знаменитый принцип дополнительности, ставший одним из краеугольных камней в квантовой механике. В соответствии с этим принципом, для того чтобы максимально полно описать то или иное явление мира атомов и элементарных частиц во всей его целостности, получить о нем, как говорят, исчерпывающую информацию, следует использовать два взаимоисключающих, но при этом и дополняющих друг друга набора классических понятий (в квантовой механике – это пространственно-временное и энергетически-импульсное описание). То есть для того чтобы дать полную характеристику, например, электрону, надо, с одной стороны, определить, где он находится в конкретный момент времени, а с другой – каков его импульс (произведение его массы на скорость) и какое количество энергии он испускает или поглощает в этот же самый момент, а потом полученную информацию объединить в единое описание этого самого электрона. При этом все зависит не от того, чем является этот электрон (или какая-то другая частица) на самом деле, а от того, с какой стороны мы подходим к его изучению: если мы измеряем его свойства как частицы, мы видим, что он ведет себя как частица. Если же мы измеряем его волновые свойства, для нас он ведет себя как волна. Одновременно сделать и одно, и другое не получится. Так уж замысловато устроены и мир атомов и элементарных частиц, и наше его восприятие.