Коллектив авторов - Новая история стран Европы и Америки XVI–XIX века. Часть 1

Важный шаг по разработке принципов статистической (вероятностной) физики сделали немецкие физики, исследовавшие волновые явления. Само существование электромагнитных волн, теоретически описанных Максвеллом, и возможность измерения их частоты окончательно доказал Генрих Герц (1857–1894). После серии экспериментов в 1886–1889 гг. он преобразовал уравнения электродинамики, придав им симметричную форму, из которой обнаруживалась связь между электрическими и магнитными явлениями. В 1900 г. Макс Планк (1858–1947) выдвинул гипотезу о квантовом характере изучения. Он считал, что излучение энергии происходит не непрерывно, а «порциями» – квантами. Экспериментально было доказано, что энергия кванта пропорциональна частоте колебания.

Первоначально Планк не противопоставлял свои выводы принципам классической физики и считал кванты особым проявлением электромагнитного поля, а не физической реальностью. Но в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955) сформулировал гипотезу о том, что световое излучение представляет собой поток квантов, обладающих одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Такие кванты Эйнштейн предложил называть фотонами. По его мнению, фотоны появляются при излучении и исчезают при поглощении энергии, т. е. существуют в жестких временных границах и характеризуются как импульс.

Фотонная теория света позволила объяснить открытый Герцем в 1886 г. фотоэлектрический эффект – выбивание электронов из металла световыми лучами, явления радиоактивного излучения и распада, изучавшиеся с 1896 г. Анри Беккерелем (1852–1908), Пьером Кюри (1859–1906) и Марией Складовской-Кюри (1867–1934), особенности испускания «X-лучей» (способных проходить сквозь светонепроницаемые тела), открытых в 1895 г. Вильгельмом Рентгеном и названных впоследствии его именем.

В 1907 г. Эйнштейн распространил идеи квантовой теории на физические процессы, не связанные с излучением. Рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле, он объяснил уменьшение теплоемкости твердых тел при понижении температуры. На этой основе Вальтер Нернст (1864–1941) доказал свою теорему, сформулированную в 1906 г. как третий закон термодинамики. Она гласила, что при стремлении температуры фиксированной системы к абсолютному нулю энтропия также стремится к нулю (иначе говоря, конечная последовательность термодинамических процессов не может привести к достижению температуры, равной абсолютному нулю). Окончательно постулаты квантовой физики были признаны научным сообществом в начале 1920-х гг. после экспериментальных работ американского физика Артура Комптона (1892–1962).

Появление гипотезы о корпускулярно-волновых свойствах квантов, в сочетании с уже доказанной периодичностью химических свойств элементов, вызвало повышенный интерес ученых к проблемам строения материи. Первым шагом по формированию физико-химической концепции сложного строения вещества стало открытие отрицательно заряженной микрочастицы – электрона (как предложил называть «атом электричества» английский физик Дж. Стоней). Исследования по этой проблематике начали Уильям Гитторф (1844–1915), Уильям Крукс (1832–1919) и Жак Перрен (1870–1942). В конце 1890-х гг. английский физик Джозеф Томсон (1856–1940) разработал первую электронную модель атома. Он предположил, что атом напоминает своего рода «пудинг с изюмом», где положительный энергетический заряд распределен в большой сфере, а отрицательно заряженные электроны представляют редкие «вкрапления». Эта идея оказалась ошибочной, но сама электронная теория была подтверждена как опытным путем, так и математически. На этой основе голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) завершил формирование комплексной теории элементарных частиц.

Новую модель атома разработал в 1911 г. Эрнст Резерфорд (1871–1937). После серии опытов по прохождению заряженных элементарных частиц через пластики металлов он предположил, что атом напоминает планетарную систему – вокруг малого положительно заряженного ядра движутся по своим «орбитам» отрицательные электроны. Коллега Резерфорда, Фредерик Содди (1877–1956), обнаружил, что элементы с разной массой, но одинаковой энергией ядра обладают схожими химическими свойствами и занимают одну и ту же «клетку» в периодической системе. Такие вещества Содди предложил называть изотопами (от греч. iso – «одинаковый» и topos – «место»). Уже в 1920-х гг. новые исследования показали, что и само ядро атома включает две разновидности элементарных частиц – протоны и нейтроны. Число положительно заряженных протонов, равное числу электронов, обеспечивает нейтральный заряд всего атома и указывает на место вещества в периодической системе, а разница в количестве нейтронов (нейтрально заряженных частиц) объясняет происхождение изотопов.

Планетарная модель атома имела существенный недостаток с точки зрения классического электромагнетизма – ускоренно движущиеся электроны должны выделять, а значит и устойчиво утрачивать энергию. Выход из этого противоречия предложил датский физик Нильс Бор (1885–1962), выдвинувший в 1913 г. гипотезу о том, что устойчивое орбитальное движение электрона обеспечивается взаимодействием положительного и отрицательного зарядов и не приводит к излучению энергии. Излучение энергии имеет место лишь в том случае, когда вся система переходит из одного стационарного состояния в другое. Причем частота излучения тогда будет зависеть также не от движения каждого электрона, а от общего количества энергии, излучаемого при переходе.

Распространение квантовых принципов на механику и электродинамику, возможность формирования на этой основе целостной физической картины мира вызывали сомнения у многих ученых. К числу скептиков присоединились тогда и Макс Планк, и Альберт Эйнштейн. Инициатива в разработке квантовой (нерелятивисткой) механики перешла к молодым ученым – В. Паули (1900–1958), В. Гайзенбергу (1901–1976), В. Фоку (1898–1974), П. Дираку (1902–1984), Д. Уленбеку (1900–1974), С. Гаудсмиту (1902–1979). Большинству из них едва исполнилось по 20–25 лет, из-за чего их исследования нередко называли «крестовым походом детей». Возглавили этот «поход» представители более старшего поколения – Эрвин Шредингер (1887–1961) и Луи де Бройль (1892–1987). Им удалось сформулировать систему доказательств квантового характера не только светового излучения, но и элементарных частиц самой материи. Из этой теории следовало, что любая частица обладает как корпускулярными свойствами (энергией и импульсом), так и волновыми (частотой и длиной волны). Поэтому невозможно точно зафиксировать координаты и траекторию частицы (это означало бы пренебрежение волновыми характеристиками), равно как нельзя использовать классические методы полевых расчетов, не пренебрегая информацией о материальном характере «поведения» частицы.