Строение вещества – от классических представлений к современным
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Более двух тысяч лет назад греческие мыслители с характерным для них как бы первым взглядом на мир задумывались над проблемой строения вещества. Демокрит (от его работ сохранились лишь отрывки) писал, что природа — это совокупность атомов, движущихся в пустоте. Конфигурация атомов, их движения объясняют все явления природы. Эта первая гипотеза строения вещества представляла собой гениальную догадку о действительной структуре мира. Демокрит и его последователи думали, что в однородном пространстве, где все точки равноправны, движутся неделимые части вещества, которые группируются в макроскопические тела, образуют живые существа, небесные тела, целые миры. Из них состоит все бытие.
Как ни менялась эта концепция, она сохранялась в своей основе в течение веков. Только в XIX вехе ученые установили, что состояния больших множеств частиц отличаются специфическими законами от движений отдельных частиц и их небольших скоплений. Молекулярная физика пришла к выводу, что большие множества частиц подчинены статистическим законам. Мы сталкиваемся здесь с необратимым переходом от менее вероятных состояний к более вероятным. Не все равно за этой статистической картиной стоит та же классическая картина движущихся и сталкивающихся частиц, напоминающая античные представления Демокрита. И казалось, что движения и соударения недробимых частиц — это самый фундаментальный, исходный образ науки.
В XIX веке рисовали иерархию тел: от крупных — ко все меньшим. Наименьшие из них, атомы, образуют устойчивые группы — молекулы; из молекул состоят отдельные видимые, макроскопические тела вплоть до планет и звезд, сгруппированных в системы, из которых состоит Галактика. Некоторые думали, что эта иерархия бесконечна, что существуют тела, большие, чем Галактика, что вся Галактика, быть может, лежит под микроскопом гигантского сверхгалактического наблюдателя. Думали иногда (особенно после открытия электронов), что иерархия бесконечна и в другую сторону: существуют субэлектроны, затем меньшие частицы и т. д. до бесконечности, что электрон — это сложная система, как наша Земля. Вспомним стихи Брюсова:
Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков.
Но при всех таких представлениях сложность системы всегда понимали как структурную сложность, как наличие меньших самостоятельно существующих частиц, входящих в данную систему. Элементарным образованием считали частицу, которая обладает определенным положением в каждый момент и определенной скоростью.
Внезапно эту устоявшуюся картину мира пришлось заменить другой — атом состоит из электронов, но электроны не состоят из субэлектронов, из меньших частиц. Сложность электронов совсем иная. Электроны обладают волновыми свойствами. В непрерывной среде существуют волны, которые могут складываться или взаимно погашаться. Они (и в этом основа классической науки) не имеют свойств частиц, так же как частицы не обладают свойствами волн. Таковы волны на поверхности воды, таковы, как когда-то думали, электромагнитные волны — колебания электрического и магнитного поля, которые объясняют распространение света и являются сами не чем иным, как светом. Так вот, электрон обладает волновыми свойствами. Его движение описывается волновым уравнением, позволяющим вычислить для каждого мгновения значение некоторой колеблющейся величины — волновой функции.
Еще раньше, чем была открыта волновая природа элементарных частиц (ее обнаружили в середине двадцатых годов), Эйнштейн установил, что электромагнитные волны, то есть свет, обладают свойствами частиц.
Все это было нелегко понять. Что такое электрон! В некоторых явлениях он ведет себя как частица, в других — как волна. Один физик говорил, что электрон приходится рассматривать как частицу по понедельникам, средам и пятницам и как волну по вторникам, четвергам и субботам.
Волновые свойства электрона (как вскоре оказалось, и других частиц) не позволяют определить в одном эксперименте с большой точностью положение электрона и его скорость. Это было сильным ударом по классическим представлениям. Полагали, что всегда в принципе можно определить, где находится электрон в данный момент времени и с какой скоростью он движется. Такое представление позволяло думать, что, зная положение и скорость электрона в данный момент, в принципе можно узнать его дальнейшую судьбу. И вот пришлось научиться думать по-иному. Именно научиться по-иному думать; ведь речь шла о новой квантовой логике. Старая логика допускала лишь два ответа на вопрос о положении электрона в данный момент: электрон либо находится в данной точке, либо не находится в ней. Теперь пришлось иметь в резерве и третий ответ: наряду с «да» и «нет» еще «неопределенно».
Это логическая трудность была связана с колоссальными успехами науки. В первую очередь она позволила по-новому объяснить строение вещества, а именно строение атома. В начале прошлого столетия после знаменитых опытов Резерфорда, открывшего атомное ядро, уже знали, что атом напоминает солнечную систему. Вокруг положительного ядра обращаются на различных орбитах электроны. Нильс Бор, строя модель атома, предположил, что электроны могут обращаться лишь по некоторым «дозволенным», «разрешенным» орбитам. Электроны движутся по этим орбитам, не излучая энергии, излучение же связано с переходом электрона с одной орбиты на другую.
Но почему только некоторые орбиты оказываются «разрешенными», а другие — «запрещенными»? Ответ на этот вопрос был получен лишь в двадцатые годы. «Разрешенные» орбиты связаны с волновыми свойствами электрона, с волновыми процессами, которые сопоставляются движениям электрона. Далее появилось представление о волнах как о волнах вероятности. Колеблется и волнообразно распространяется вероятность пребывания электрона в данном месте. При дальнейшем развитии учения о строении вещества стали известны еще более парадоксальные, еще более далекие от классических особенности микромира. Познание их коренным образом изменит наши представления о мире.
Автор: Б. Кущнецов.