Читаем Под знаком кванта онлайн бесплатно
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ББК 22.314
П56
УДК 530.145(023)
Рецензент
член-корреспондент АН СССР
Пономарев Л. И.
П56 Под знаком кванта.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.— 368 с.: ил.
ISBN 5-02-014049-Х
Квантовая физика — самое выдающееся открытие XX века. Практически ни одно глубокое явление природы невозможно понять и объяснить без квантовых идей. Цель книги — познакомить читателя-неспециалиста с основными фактами квантовой физики и историей их открытия. Ярко и образно, достаточно строго, но вполне доступно автор рассказывает об эволюции идей и понятий современной физики. Предыдущее издание (М.: Сов. Россия, 1984) удостоено Диплома первой степени на Всесоюзном конкурсе общества «Знание».
Для старшеклассников; учителей, студентов и всех, кого интересуют основы науки.
1604030000-131
053(02)-89
93-89
ББК 22.314
© Издательство «Советская Россия»,
1984
© Издательство «Наука».
ISBN 5-02-014049-Х
Главная редакция физико-математической литературы, 1989, с изменениями
— Этот мир странно устроен...
— По сравнению с чем?
ОТ АВТОРА
«Настоящее колдовское исчисление»,— писал о квантовой механике Альберт Эйнштейн своему другу Мишелю Бессо в декабре 1925 г.: в то время даже для него новая механика казалась слишком сложной. Сейчас хороший студент-физик знает о квантах больше, чем все великие ученые начала века: квантовая физика стала привычной. Но она йе стала от этого менее удивительной, и каждое новое поколение исследователей отдает ей свою дань восхищения.
Квантовая физика родилась в короткий период между двумя мировыми войнами. С тех пор она изменила жизнь цивилизованных народов больше, чем любое из прежних открытий, но даже образованные люди знают о ней незаслуженно мало. Типичные представления о квантовой физике напоминают отчасти донаучное отношение человека к молнии и грому: он не понимал их природы и потому — боялся. Для многих наука об атомах и квантах навсегда присыпана пеплом атомного взрыва, а «физик-атомщик» — чем-то сродни злому волшебнику. Все это несправедливо и достойно сожаления, ибо такое предвзятое отношение мешает понять главное: квантовая физика — не просто еще одна из бесчисленных ныне наук. Это именно та наука, которая стала основой технотронной эры, привела к пересмотру философии знания, повлияла на политику целых государств. По праву науку о квантах можно сравнить лишь с такими взлетами мысли, как система Коперника, законы Ньютона, учение об электричестве. Все они стали теперь достоянием общечеловеческой культуры, и каждому современнику необходимо иметь о них хотя бы простейшие представления.
Но дело даже не в пользе или необходимости: квантовая физика — это интересно. Интересно — в самом точном смысле этого слова,— и столь же увлекательно. Именно внутренняя логика и красота учения о квантах стали побудительной причиной появления этой книги. Ее основное содержание — эволюция идей и понятий квантовой физики. Я буду считать свою работу не напрасной, если читатель поймет необходимость этого странного мира, почувствует неизбежность его квантовых химер и, наконец, примет их и признает естественными.
«Каждый школьник знаком теперь с истинами, за которые Архимед отдал бы жизнь.»
«Ощущение тайны — наиболее прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки.»
Атомы. Волны. Кванты.
Спектры. Ионы. Лучистая материя. Атомы, электроны, волны.
Планетарный атом. Спектральные серии. Фотоны. Победа атомистики.
До Бора. Атом Бора. После Бора. Формальная модель атома.
Учения древних. Первые попытки. Элементы и атомы. Таблица элементов. Периодический закон.
Жиг-гуаша
В этом определении все верно, и тем не менее бесполезность его очевидна до тех пор, пока мы не объяснили, что означают сочетания слов «квантовое явление» и «квантовый объект».
Слово
Каждый, кто изучал иностранные языки, легко поймет причину такой несуразицы: словосочетания «квантовое явление», «квантовый объект», равно как и «квантовая физика»,— это идиоматические обороты, которые нельзя переводить дословно. Чтобы понять их истинный смысл, необходимо предварительно познакомиться с обычаями и культурой страны, в которой они родились.
Квантовая физика — обширная страна с богатой и глубокой культурой. Если вы знаете о ней только то, что она «...разрешила вековую загадку таинственной страны микромира», а также «перевернула все наше мировоззрение», то вам известно о ней примерно столько же, сколько туристам о незнакомой стране, культуры которой они не знают, а языка — не понимают: их память сохранит лишь яркие пятна реклам на незнакомом языке.
Язык квантовой физики своеобразен, но, в сущности, ничем не отличается от любого иностранного. Как и всякий язык, его нельзя усвоить единым усилием воли — нужна система. Для начала надо просто запомнить несколько ходовых слов и пытаться строить из них простые фразы, не очень заботясь о строгости грамматических конструкций. Лишь впоследствии придут та легкость и уверенность владения новым языком, которые приносят с собой удовлетворение и радость чистого знания.
Чтобы привыкнуть к языку и логике квантовой физики, необходимо освоить предварительно несколько понятий, на первый взгляд ничем не связанных между собой. В стройную систему они складываются не сразу, а при длительном сопоставлении и размышлении. Процесс усвоения квантовых идей можно уподобить растворению соли в воде: вначале брошенные в стакан мелкие кристаллы бесследно исчезают, но затем наступает момент, когда достаточно бросить еще один кристаллик, чтобы из этой маленькой затравки вырос большой, правильный кристалл.
В дальнейшем мы узнаем истоки, идеи и находки квантовой физики, объясним систему ее образов и, наконец, расскажем о приложениях. Но вначале мы должны растворить в своем сознании несколько кристаллов первоначальных понятий, усвоить те немногие, но необходимые слова, без которых невозможно построить ни одной осмысленной «квантовой фразы». Для начала запомним три важных понятия квантовой физики:
Сейчас мало осталось людей, для которых реальность атомов менее очевидна, чем движение Земли вокруг Солнца. Почти у каждого с этим понятием связано интуитивное представление о чем-то маленьком и неделимом. И все же, какой смысл вкладывает в понятие «атом» нынешняя физика? Как оно возникло, что понимали под этим древние, как потом развивалось и почему только квантовая механика наполнила реальным содержанием эту умозрительную схему?
Творцом идеи атома принято считать Демокрита, хотя история упоминает также учителя его Левкиппа и — менее уверенно — древнеиндийского философа Канаду. О жизни и личности Демокрита мы знаем мало. Известно, что родился он в ионийской колонии Абдера на Фракийском берегу Средиземного моря; кроме Левкиппа, учился у халдеев и персидских магов, много путешествовал и много знал; прожил около ста лет и в 370 г. до н. э. был похоронен за общественный счет гражданами родного города, которые его глубоко почи-
тали. Многочисленные поколения художников изображали Демокрита высоким, с короткой бородой, в белом хитоне и в сандалиях на босу ногу.
Легенда рассказывает, что однажды Демокрит сидел на камне у моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас это яблоко разрежу пополам — у меня останется половина яблока; если я затем эту половину снова разрежу на две части — останется четверть яблока; но если я и дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня в руке будет оставаться 1/8, 1/16 и т. д. часть
Когда умер Демокрит, Аристотелю, будущему учителю Александра Македонского, было 14 лет. Он был худощав, невысок ростом,
изыскан, а уважение к нему переходило часто все разумные границы. Для этого были основания: он владел всеми знаниями той эпохи. Аристотель учил обратному: процесс деления яблока можно продолжить бесконечно, по крайней мере в принципе. (Справедливости ради следует признать, что идея бесконечной делимости вещества для неискушенного ума выглядит более естественно, чем
предела делимости материи.) Учение Аристотеля стало господствующим, Демокрита забыли на многие века, а его сочинения уничтожались с тщанием, достойным лучшего применения. Поэтому учение Демокрита сохранилось только во фрагментах и свидетельствах современников, а Европа узнала о нем из поэмы древнеримского поэта Тита Лукреция Кара (99—55 гг. до н. э.) «О природе вещей».
Бессмысленно винить древних за такой выбор — для них обе системы были равно разумны и приемлемы: цель своей науки они видели не в практических применениях (они их стыдились), а в том, чтобы с помощью умозрения достигнуть того чувства гармонии мира, которое сообщает человеку всякая законченная философия.
Чтобы освободиться от заблуждений великого авторитета, потребовались две тысячи лет. В XVII веке впервые возникла наука физика, которая вскоре вытеснила древнюю натуральную философию.
Наука опиралась не на чистое умозрение, а на опыт и математику. Окружающую природу стали не просто
После двадцати веков забвения идею об атомах возродил к жизни французский философ и просветитель Пьер Гассенди (1592—1655): в 1647 г. появилась его книга с изложением идей атомизма. В то время это было сопряжено с известным риском: традиции средневековья преследовали не только гипотезы, но и строгие факты науки, если они противоречили общепризнанным догматам. (В Париже, например, в 1626 г. учение об атомах запретили под страхом смертной казни.) Тем не менее атомную гипотезу приняли все передовые
ученые того времени. Даже Ньютон с его знаменитым девизом «Hypothesis non fingo» («гипотез не строю») поверил в нее и изложил по-своему в конце третьего тома «Оптики».
