Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Из четырех явлений, которые со времен Ньютона считались примерами воздействия на расстоянии, как минимум три оказались благодаря уравнениям Максвелла разными гранями одного и того же явления. Электричество, магнетизм и свет были объединены в единое электромагнитное поле. Только сила гравитации не была в него включена. Учитывая важную разницу между гравитацией и электромагнетизмом, Максвелл не стал пытаться включить в свои уравнения и гравитационное поле. После его смерти такие попытки предпринимались, в частности, это делал Эйнштейн во второй половине жизни.

Однако выводы Эйнштейна в общем не были приняты физиками, и вопрос о «единой теории полей» пока остается открытым.

Максвелл считал, что процессы, приводящие к электромагнитному излучению, могут служить и для порождения волн любой частоты, а не только световых и близких к ним ультрафиолетовых и инфракрасных. Он предсказал, что электромагнитное излучение, во всем похожее на свет, может существовать на всех частотах ниже и выше световых.

К сожалению, Максвелл не дожил до подтверждения своего прогноза, поскольку умер от рака в 1879 году достаточно рано — ему было 48 лет. Только 9 лет спустя, в 1888 году, немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) обнаружил электромагнитное излучение с очень низкой частотой — излучение, которое мы сейчас называем радиоволнами. Это полностью совпало с предположениями Максвелла и было принято как подтверждение его уравнений. В 1895 году другой немецкий физик, Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923), открыл электромагнитное излучение с очень высокой частотой, мы теперь называем это рентгеновскими лучами.

Последние 20 лет XIX столетия оказались также временем фундаментального прогресса в изучении электричества. Электрический ток пропускали через частичный вакуум, и электроны, вместо того чтобы оставаться скрытыми в металлической проводке или привязанными к перемещающимся атомам и группам атомов в растворе, проявили себя в качестве самостоятельных частиц.

Изучение новых частиц и излучений произвело фактическую революцию в физике и технологии электричества — столь яркую, что о ней говорят как о второй научной революции (первой принято называть ту, которая началась с Галилея).

И именно о второй научной революции и пойдет речь в III части этой книги.

В первых частях книги я рассказывал о тех разделах физики, где можно было пренебречь внутренней структурой вещества. В частности, я говорил о гравитации. Любое небесное тело, обладающее такой же массой, как Земля, будет иметь такую же, как и у Земли, силу притяжения независимо от того, из чего это тело состоит. Более того, когда мы изучаем законы гравитационного взаимодействия тел, нам даже нужно пренебречь внутренней структурой этих тел. Например, кирпич — это единое целое, и перемещается он как единое целое, поэтому при изучении перемещения кирпича нам не важен его состав. Можно вывести очень важные законы электромагнитных волн, наблюдая за увеличением заряда на конце пробки или исследуя магнитное поле постоянного магнита, и для этого совсем не обязательно изучать внутреннюю структуру самого магнита. Даже тепло можно принять за некую невидимую жидкость [112] Температуру можно представить как среднюю кинетическую энергию всех движущихся частиц вещества (см. ч. I). А энергия, как и вещество, тоже состоит из микрочастиц (см. ч. II). , перетекающую от одного предмета к другому, и на основе этого выявить законы термодинамики.

Впрочем, если вы прочитали обе предыдущие части, думаю, для вас стало очевидно, что для более глубокого понимания феномена нам все же необходимо перейти на уровень микрочастиц.

Так, гораздо легче понять свойства газов, если представить газ как совокупность молекул (см. ч. I) [113] Ссылки на части I и II настоящей книги обозначаются: см. ч. I, см. ч. II, а ссылки внутри этой части указывают на главу: см. гл….). .

В этом третьем томе я более подробно расскажу о внутренней структуре вещества и энергии и попытаюсь показать, как человек путем физических опытов открыл целый мир мельчайших частиц, который мы не можем увидеть, и как много это открытие дало тому миру, что мы видим вокруг.

Понятие атомизма (так можно назвать теорию о том, что вся материя состоит из атомов) впервые ввели древние греки, основываясь в своих суждениях не на результатах опытов, а на философских выводах.

Наглядно подтвердить верность теории атомизма невозможно, так как для человека практически любое вещество является единым целым: мы ведь видим лист бумаги или каплю воды, а не частицы, из которых они состоят.

Но это еще ни о чем не говорит. Песок на пляже издалека тоже кажется единым целым, и только на очень близком расстоянии видны мелкие кристаллики, из которых он состоит. А ведь и бумага, и вода тоже могут состоять из частиц настолько малых, что их просто невозможно увидеть.

Проверить это можно следующим способом. Например, если бы мы не видели, что песок состоит из мелких частиц, то можно было бы взять в руку горсть песка, затем разделить ее на две равные части, затем каждую получившуюся часть разделить еще на две и т. д. В конце концов останется самая маленькая доля, состоящая из одной песчинки, которую уже нельзя будет разделить. То есть суть атомизма в том, что вещество нельзя делить до бесконечности, в какой-то момент останутся лишь неделимые (по крайней мере, неделимые тем же способом) частицы.

Что касается бумаги и воды, то микрочастицы, из которых состоят эти вещества, слишком малы для человеческого глаза. Как правило, человек не может увидеть или ощутить мельчайшие частицы большинства веществ. Как же тогда люди открыли само существования микрочастиц? Только лишь силой разума?

Все началось в IV веке до н.э. с парадоксов Зенона. Зенон говорил, что с помощью разума можно прийти к заключениям, которые пойдут вразрез со здравым смыслом. Выход в подобной ситуации один: надо искать ошибку либо в умозаключениях, либо в мировосприятии. Самый знаменитый парадокс Зенона называется «Ахиллес и черепаха»

Представьте, что древнегреческий герой Ахиллес, прославившийся своим умением быстро бегать, бежит в десять раз быстрее, чем черепаха. Черепаха получает фору в 100 метров, и забег начинается. Пока Ахиллес бежит 100 метров, черепаха пройдет 10 метров, когда Ахиллес пробежит эти 10 метров, черепаха продвинется еще на 1 метр, пока Ахиллес пробежит 1 метр, черепаха уйдет на 1/ 10метра и т. д. То есть если мыслить так же, как Зенон, то получается, что Ахиллес никогда черепаху не догонит: та всегда будет впереди, пусть и с очень небольшим отрывом. Однако мы понимаем, что он не только ее догонит, но и перегонит.