Физика до 1920 года
Физика до 1920 года 

Довольно сложно начать сразу с современных взглядов, поэтому мы рассмотрим вначале, как все представлялось примерно в 1920 г., а потом изменим несколько фрагментов этой картины. До 1920 г. наша картина мира была примерно такой: «сцена», на которой выступает вселенная, — это трехмерное геометрическое пространство у описанное Евклидом; а изменения происходят в среде, которая называется время. Элементами на сцене являются частицы, например, атомы, которые обладают некоторыми свойствами, скажем, свойством инерции: если частица движется, она будет продолжать двигаться в том же направлении, если на нее не подействуют никакие силы. Вторым элементом, следовательно, являются силы, которые тогда разделялись на два вида: первый, невероятно сложная, тонкая разновидность — сила взаимодействия, которая удерживает разнообразные атомы в различных сложнейших сочетаниях и от которой зависит, например, будет ли соль растворяться быстрее или медленнее с повышением температуры. Другая сила, которая была известна, — это взаимодействие на далеких расстояниях, вездесущее и незримое притяжение — изменяющееся обратно пропорционально квадрату расстояния и именуемое тяготением или гравитацией. Этот закон был известен и очень прост. Но почему вещи продолжают движение, если они движутся, или отчего существует закон тяготения — это было, конечно, неизвестно. Описание природы — как раз то, что нас здесь интересует. С этой точки зрения, газ, да и вообще любое вещество, есть мириады движущихся частиц. Все то, что мы наблюдали, стоя на морском берегу, можно сразу объединить в единое целое. Во-первых, давление: оно возникает вследствие столкновений атомов с препятствиями, или с чем бы то ни было; медленное течение атомов, если все они в среднем движутся в одном направлении, есть ветер; хаотичные внутренние движения — это теплота. Есть волны избыточного давления, где собирается слишком много частиц, и потому они, устремляясь вперед, сдавливают другие частицы, и так далее. Эти волны избыточного давления есть звук. Понять все это было немаловажным достижением. (Некоторые из этих идей были изложены в предыдущей главе.) Какие же виды частиц существуют? Тогда считалось, что их 92: ровно столько было известно различных видов атомов. Они имели различные наименования, связанные с их химическими свойствами. Следующая проблема заключалась в том, что такое силы близкодействия. Почему атом углерода притягивает один или два атома кислорода, но не более? Каков механизм взаимодействия между атомами? Уж не тяготение ли это? Ответ был отрицательным. Оно слишком слабо для этого. Но представьте себе силу, которая, подобно тяготению, тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния, но несравнимо более мощную, плюс имеющую еще одно отличие. Тяготение — это всегда притяжение; но вообразите, что есть два вида «предметов», и что эта новая сила обладает таким свойством, что подобные отталкиваются, но различные притягиваются. Носитель этого сильного взаимодействия был назван зарядом. В таком случае что мы имеем? Предположим, что у нас два разноименных заряда (плюс и минус) приложены очень тесно друг к другу. Допустим, что поодаль на некотором расстоянии есть еще один заряд. Будет ли между ними какое-то притяжение? Практически никакого, поскольку если первые два заряда равны, притяжение одного и отталкивание другого уравновешивают друг друга. Значит, на заметных расстояниях сила незаметна. Но, с другой стороны, если мы очень приблизим этот лишний заряд, то возникнет притяжение, потому что отталкивание одноименных и притяжение разноименных будет стремиться сблизить разноименные и оттолкнуть дальше одноименные заряды. В итоге отталкивание будет меньшим, чем притяжение. По этой причине атомы, состоящие из положительных и отрицательных электрических зарядов, почти не взаимодействуют, когда они удалены друг от друга (если не считать силу гравитации). Когда же они тесно сближаются, они могут как бы «заглянуть внутрь» друг друга и перестроить свои заряды и взаимодействовать. В конечном итоге именно электрическая сила объясняет взаимодействием атомов. Поскольку эти силы столь велики, то в нормальном состоянии все плюсы и минусы вступают в связь настолько тесную, насколько это для них возможно. Все на свете, и даже мы сами, состоим из мельчайших, невероятно сильно взаимодействующих друг с другом положительно и отрицательно заряженных частиц, хорошо уравновешивающих друг друга. Время от времени мы можем случайно соскрести несколько минусов или несколько плюсов (обычно легче отделить минусы), и тогда электрическая сила окажется в неуравновешенном состоянии и можно почувствовать действие электрического притяжения. Чтобы представить себе, насколько силы электричества сильнее сил тяготения, расположим две песчинки, каждая размером в 1 миллиметр, на расстоянии 30 м друг от друга. Если взять только силы притяжения разноименных зарядов, не рассматривал силы отталкивания между одноименными, то какова будет сила притяжения между ними? Она будет равна трем миллионам тонн\ Теперь понятно, почему малейший избыток или недостаток положительно или отрицательно заряженных частиц достаточен, чтобы произвести существенные электрические взаимодействия. Лишь по этой причине нет различия между заряженным и незаряженным телом ни по массе, ни по размеру — доля неуравновешенных зарядов слишком мала. Зная это, легко представить устройство атома. Считалось, что у него в центре «ядро», имеющее положительный электрический заряд и очень массивное, оно окружено некоторым количеством «электронов», очень легких и отрицательно заряженных. Забегая немного вперед, отметим, что в самом ядре были обнаружены два вида частиц — протоны и нейтроны, почти одинаковые по весу и очень тяжелые. Протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены совсем. Если атом имеет ядро с шестью протонами, окруженное шестью электронами (отрицательно заряженные частицы в нашем обычном материальном мире все являются электронами, и они очень легки по сравнению с протонами и нейтронами, составляющими ядро), то этот атом будет стоять в химической таблице под номером 6 и называться углеродом. Атом с номером 8 называется кислородом, и так далее, потому что химические свойства зависят от количества электронов в атомной оболочке, точнее, лишь от того, сколько их там. Поэтому химические свойства вещества зависят только от номера в таблице — т. е. от числа электронов. (Весь список названий химических элементов можно было бы заменить на 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. Вместо «углерод» мы могли бы говорить «элемент 6», имея в виду 6 электронов, но, конечно, когда элементы открывали, еще не было известно, что их можно пронумеровать таким образом, к тому же это усложнило бы работу с ними. Действительно лучше, чтобы у каждого элемента было собственное название, а не просто число.) Затем нам стало известно еще больше об электрической силе. Естественно было бы истолкование электрического взаимодействия как притяжение двух предметов, положительной отрицательно заряженных. Однако оказалось, что это неправильное истолкование. Более адекватно описывает ситуацию следующее: что наличие положительного заряда, в некотором смысле, искривляет пространство, создает «условие» для того, чтобы, когда появляется отрицательный заряд, он испытывал действие силы. Эта возможность производить силу была названа электрическим полем. Когда электрон помещается в электрическое поле, говорят, что он «притягивается». При этом действуют два правила: а) заряд порождает поле и б) заряды, помещенные в поле, испытывают на себе действие сил, заставляющих их двигаться. Причина этого станет ясна, когда мы рассмотрим следующее явление: если мы электрически зарядим тело, скажем расческу, затем возьмем электрически заряженный кусочек бумаги и положим его на некотором расстоянии, то он будет реагировать на движение расчески, поворачиваясь всегда вслед за ним. Если мы начнем двигать гребнем быстрее, то скоро окажется, что бумажка немного отстает, то есть, существует запаздывание в действии силы. (Вначале, когда мы двигаем расческу сравнительно медленно, проявляется дополнительное обстоятельство, а именно магнетизм. Магнитные воздействия проявляются, когда заряды движутся друг относительно друга, так что магнитные и электрические силы могут оказаться проявлениями одного и того же поля, как две различные стороны одного и того же явления. Изменяющееся электрическое поле невозможно без магнетизма.) Чем дальше мы отодвигаем бумагу, тем больше оказывается запаздывание. Тут можно наблюдать интересный феномен: хотя сила между двумя зарядами должна уменьшаться пропорционально квадрату расстояния, оказалось, что при движении заряда влияние распространяется гораздо дальше, чем можно было ожидать. То есть, сила воздействия убывает медленнее, чем по закону обратных квадратов. Можно привести аналогию: если в бассейне с водой плавает поплавок, то мы можем привести его в движение «непосредственно», бросив в воду поблизости другой поплавок. Если вы смотрели только на поплавки, все, что вам было видно, что один поплавок сместился в ответ на движение другого, т. е. между ними было некоторое «взаимодействие». Конечно, на самом-то деле мы взволновали воду, и тогда вода привела в движение второй поплавок. Можно было бы вывести «закон», что, если мы оказываем небольшое воздействие на воду, то поплавок, расположенный в воде в непосредственной близости, начнет двигаться. Если же он расположен на значительном расстоянии, то он едва покачнулся бы, потому что мы воздействуем на воду один раз и в одном месте. Но когда мы начинаем постоянно дергать поплавок, возникает новое явление: по воде побегут волны, так что колебательное воздействие поплавка распространяется на гораздо большее расстояние. Поэтому представление о прямом взаимодействии нужно заменить присутствием воды или, для электрических зарядов, так называемым электромагнитным полем. Электромагнитное поле может проводить волны; одни из этих волн — это свет, другие —радиоволны, но их общее наименование — электромагнитные волны. Эти волны имеют различные частоты колебаний, и это единственное, что отличает одну волну от другой. Если мы заставляем заряд двигаться туда-сюда все быстрее и быстрее, то, наблюдая, что получится, увидим различные эффекты, которые все характеризуются лишь одной величиной — количеством колебаний в секунду. Обычные помехи, которые дает электрический ток в проводках жилых зданий, имеет частоту около сотни колебаний в секунду. Если мы повысим частоту до 500-1000 килогерц (1 килогерц = 1000 герц), то окажемся «в эфире», потому что это те частоты, которые используются в радиовещании. (Конечно, эфир здесь не при чем!) Если мы еще больше увеличим частоту, то войдем в диапазон, используемый для УКВ и ТВ. Еще более короткие волны используются в радиолокации. Еще большая частота волн — и нам уже не нужен прибор, чтобы регистрировать их, они становятся видимыми человеческим глазом. В полосе частот от 5 х 1014 до 5 х 1015 колебаний в секунду наш глаз воспринял бы колебание заряженной расчески как красный, синий или фиолетовый свет, в зависимости от частоты. Частоты ниже этого диапазона называются инфракрасными, а выше — ультрафиолетовыми. То обстоятельство, что мы способны видеть на определенных частотах, не делает эту часть электромагнитного спектра более важной, но с человеческой точки зрения они, конечно, действительно более интересны. Если мы еще более повысим частоту, то получим рентгеновские лучи. Это не что иное, как свет более высокой частоты. Еще дальше пойдет гамма-излучение (табл. 2.1). Эти два термина — рентгеновское и гамма-излучение — почти одно и то же. Обычно электромагнитные волны, излучаемые ядрами, именуют гамма-излучением, а те, которые исходят от атомов, — рентгеновскими, но если их частота совпадает, то физически они неотличимы друг от друга, каков бы ни был их источник. Еще более высокие частоты, скажем, 1024 Гц, мы еще можем получать искусственно, например, на синхрофазотроне здесь, в Калтехе. Сейчас возможно обнаружить электромагнитные волны немыслимо высоких частот — больших еще на три порядка — среди волн так называемого космического излучения. Но эти волны нам пока не подвластны. 

 Таблица 2.1. Электромагнитный спектр