Реферат
по физике
на тему:
«Развитие атомистических воззрений в XX веке»
Что представляла собой физика в 1908 г., когда Ленин писал свой «Материализм и эмпириокритицизм»? Необычность представлений, которые появились к этому времени, пожалуй, превосходит новизну того, что мы имеем сейчас и с чем не можем справиться.
В самом деле, тогда только что создалось совершенно новое представление о массе. В 1902 г. появилась кажущаяся масса электрона, которая, как думали сначала, только дополнила привычную массу, а потом и совершенно ее исключила и сделала переменной. Затем получила массу электромагнитная энергия; вслед за этим дано было обобщение понятия массы и энергии в теории относительности. Масса из меры материи сделалась мерой энергии. Этот резкий, катастрофический переворот касался одного из самых основных для материалиста вопросов — конкретного содержания понятия материи и массы. Масса перестала быть мерой материи, а материя отождествлялась с электрическим зарядом. Совокупность электрических зарядов представляла собой материю. Вместо механики, механических сил и движения, как основы всяких физических процессов, электрическое взаимодействие между зарядами сделалось тем основным орудием, при помощи которого эта материя проявляется во вне и взаимодействует между собой.
Наконец, к этому же времени были уже установлены основы квантовых явлений в природе. Прежде всего, появились кванты света, представление о которых было выведено побочным статистическим путем из рассмотрения равновесной лучистой энергии, но которые в 1905 г. в классической работе Эйнштейна получили физическое содержание. Вместо электромагнитных волн появились фотоны. В 1907 г. представления квантовой теории из области лучистой энергии были перенесены на само вещество: к этому году относится первая работа по квантовой теории теплоемкости Эйнштейна.
Таким образом, электромагнитная теория механики, связь материи с зарядом, а массы с энергией, квантовая природа элементарных явлений представляли действительную революцию всех основных понятий физики.
Я не стану здесь цитировать книгу Ленина — всем известно, что ни одно из этих новых представлений не было им отнесено к области идеализма, а наоборот, вся совокупность их рассматривалась как блестящее подтверждение диалектического материализма, чем она и была на самом деле.
Ближайший этап, 1907 — 1913 гг., был периодом чистого атомизма, с одной стороны, и установления квантовых фактов, с другой стороны. К этому периоду относится ряд новых методов, которые сделались основой новой физики, методов, которые уже не косвенно, а непосредственно убеждают нас в реальном существовании атомов и отдельных частиц. Здесь прежде всего нужно назвать изучение броуновского движения, впервые непосредственно показавшего реальность атомов. Вслед за этим появились еще более убедительные объективные факты: был создан счетчик Гейгера, в 1911 г. разработан Вильсоном замечательный метод обнаружения путей отдельных частиц. В это же время в ряде опытов Резерфорд прощупал недра атома и дал те основы, на которых потом была построена его модель.
Параллельно и одновременно с установлением непосредственных доказательств атомизма материи столь же непосредственными опытами обосновывались квантовые представления. Сюда можно отнести опыты Милликена, из которых была установлена связь между скоростью фотоэлектронов и частотой света Примерно в это же время, начиная с 1912 г., появился ряд работ, обосновывающих экспериментальным путем применимость квантовых законов не только к лучистой энергии, но и к самой материи. Это — исследование теплоемкости при низких температурах в связи с теоремой Нернста.
Эта эпоха закончилась в 1913 г. созданием модели атома Бора. Модель Бора, с одной стороны, есть микрокосм, повторение Солнечной системы, с другой стороны, однако, в этой модели имеются два постулата, совершенно чуждые этой модели и всей механике и электродинамике, на которых построена сама модель.
Первые применения этой модели были эпохой блестящего, я бы сказал, триумфального шествия атома Бора через все области физики. Ее успехи хорошо известны, и я только напомню типичные моменты этой истории. В первой же работе Бора простая механическая картина электронов, движущихся по круговой орбите вокруг ядра, была исправлена вращением вокруг общего центра тяжести. Как известно, такое различие между спектрами водорода и гелия получило здесь элементарное толкование.
Затем последовало появление эллиптических орбит и связанное с этим расширение теории линейных спектров; квантование положения орбит в пространстве и их связь с магнитными моментами. Хорошо известно, какое ясное и простое толкование Бор дал периодической системе элементов, постепенно наслаивая на ядро один электрон за другим, как выявились парамагнитные и ферромагнитные материалы.
Все это — ряд блестящих успехов, не говоря о прямом, исключительном по своей точности и беспримерном в истории физики подтверждении сериальных законов.
Однако внутреннее противоречие между механической картиной движущегося электрона и квантовыми постулатами, определяющими положение орбит и условия перехода с одной орбиты на другую, все обострялось по мере применения теории ко все большему разнообразию явлений природы. Появился принцип соответствия Бора, который установил некоторый параллелизм между свойствами модели по обычным законам электродинамики, лежащими в основе ее, и теми свойствами, которые она получает благодаря добавочным квантовым постулатам.
Получилась компромиссная теория, которая давала сначала последовательную электромагнитную картину атома. Потом эта механическая картина сопоставлялась с системой действительных, квантовых состояний.
Последним в развитии этой модели крупным теоретическим вкладом был принцип Паули. Введя в дополнение к трем основным квантовым величинам, определяющим данную орбиту, еще четвертую, не имеющую поначалу четкого физического смысла, Паули показал, что можно дать полную схему всех атомов и всех спектров, испускаемых атомами любого элемента.
Вскоре, однако, ученики Эренфеста — Гаудсмит и Уленбек — нашли физический смысл четвертого квантового числа: так же, как Земля, вращаясь вокруг Солнца, в то же время вращается вокруг оси, так и электроны не только движутся по определенной орбите в пространстве, но в то же время вращаются вокруг собственной оси. И вот момент количества движения вокруг собственной оси и оказался четвертой величиной, характеризующей движение электрона в атоме.
До этого момента теория, противоречивая в самих своих основах, компромиссная по форме, все же была ведущим рычагом всей физики.
После этого кульминационного пункта теории Бора выступили на сцену трудности, которые были в ней скрыты. Несмотря на весь утонченный математический аппарат, не удавалось пойти дальше того первого шага, который сделал Бор в самом начале, количественно вычислив спектр водорода. Данные для следующего элемента — гелия с двумя электронами — получились хотя и близкими к действительности, но, несомненно, не совпадали с опытом. И все попытки дальнейшим уточнением достигнуть такого совпадения ни к чему не приводили. Стало ясно, что в этой модели что-то не совсем верно, что-то должно быть изменено, чтобы получить правильный результат.
Также неудачно было объяснение сложного явления Зеемана — количественное предсказание интенсивности отдельных линий. И, наконец, появилась чисто логическая трудность модели Бора, по которой электрон, хотя и находится на одной вполне определенной орбите и еще, может быть, на другую орбиту не перешел, по уже испытывает влияние всех тех орбит, па которые оп может перейти.
Остроту момента, значение этих трудностей, которые испытывала теория атома, сейчас, пожалуй, даже трудно себе представить.
Наглядным примером этого положения может служить одна моя беседа с Лоренцем. В 1924 г., излагая ход развития своей научной деятельности, приведшей к блестяще подтвержденной электронной теории, Лоренц в квантовом атоме видел неразрешимое противоречие, которое приводило его в отчаяние: «Сегодня утверждаешь прямо противоположное тому, что говорил вчера; в таком случае вообще нет критерия истины, а следовательно, вообще неизвестно, что значит наука. Я жалею, что не умер пять лет тому назад, когда этих противоречий не было».
Все знают, кто такой был Лоренц. И такой отчаянный вывод из всей истории его научной жизни достаточно показателен для физики того времени. Но во время этой беседы с Лоренцем уже наметился выход из тупика, в который зашла, по мнению Лоренца, физика. В том же 1924 г. была создана одна из форм квантовой механики — неожиданная по тогдашнему времени теория де Бройля.
Скоро появилось другое решение этого противоречия — первые работы Гейзенберга, которые представляли собою нечто вроде словаря, с одной стороны которого стояли все операции старой электродинамики и механики, а с другой стороны каждая такая операция переводилась на новый язык, каждой прежней операции соответствовала некоторая новая операция.
Эта попытка была затем развита Гейзенбергом вместе с Борном и привела к матричной форме квантовых законов. Вместо отдельных координат, скоростей, с которыми мы имели дело раньше, каждая величина характеризовалась целой системой, матрицей, некоторой таблицей значений. Эта матрица сразу же уничтожила то логическое затруднение, о котором я говорил. Именно свойства данного состояния электрона определялись уже не его орбитой, а совокупностью всех возможных орбит. Противоречие было устранено. Можно было придать матрицам некоторый физический смысл, но уже отличный от прежнего. Вместо того чтобы говорить об электроне, движущемся по какой-то орбите, можно было говорить о пульсациях электрона, о стоячих волнах, в которых одновременно участвует этот электрон.