Страница:
Особые нарекания, и довольно справедливые, вызывали константы среды, введенные Максвеллом и определяющие прохождение в ней электромагнитных процессов. Эти константы, например диэлектрическая и магнитная проницаемости, должны находиться из опыта. Вопрос о физическом смысле и происхождении этих констант Максвелл старался обходить.
Предсказать изменение констант в зависимости от температуры, плотности, химического строения или кристаллической структуры вещества на основании уравнений Максвелла было невозможно. Поэтому при любом изменении состояния вещества его константы нужно было бы заново находить из эксперимента.
Лоренц прекрасно понимал, что такая ограниченность теории Максвелла крупный недостаток. Недостаток, произрастающий из достоинств. По своему существу теория Максвелла - теория электромагнитная. Мир, описываемый теорией, - мир бесконечно разнообразных, налагающихся, интерферирующих, видимых и невидимых, ощущаемых и неощущаемых непрерывных волн. В этом была его сила. И его слабость.
Когда-то неминуемо должен был встать вопрос о причинах. Что, например, является причиной электрического поля? Максвелл отвечал - заряд. Отвечал с некоторой неприязнью. Введение дискретного заряда, "молекулы электричества" было подобно введению ложки дегтя в бочку меда, впущению червя в яблоко. "Молекула электричества" была нелепой дискретной надстройкой к прекрасному легкому дворцу непрерывных электромагнитных волн. Максвелл, словно предчувствуя грядущие непреодолимые трудности, уклонялся от навечного введения "молекулы электричества" в свою теорию. Он считал это делом сугубо временным:
"Крайне неправдоподобно, что в будущем, когда мы придем к пониманию истинной природы электролиза, мы сохраним в какой-либо форме теорию молекулярных зарядов, ибо мы уже будем иметь надежную основу для построения истинной теории электрических токов и станем таким образом независимы от этих преходящих гипотез".
Однако вопрос о природе констант, характеризующих среду, оставался. Чтобы объяснить влияние на них внешних факторов, нужно было дать какое-то объяснение природе констант. Лоренц писал:
"...Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма в основе всех этих явлений.
Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частичках, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах".
Здесь надо оговориться, что электрон в то время, когда Лоренц решил ввести его в теорию Максвелла, известен не был. Но он, в известном смысле, постоянно возникал "на кончике пера".
Началось это еще у Фарадея. Законы электролиза. Число Фарадея. Атомную теорию Фарадей в общем не жаловал. Но, поскольку был необычайно добросовестен, четко фиксировал и факты, не вписывающиеся в его теорию.
Было ясно, что каждый атом вещества, оседающий на электроде, несет с собой строго определенное количество электричества. Электричество раздавалось порциями. Каждый одновалентный ион получал от природы одну порцию. Двухвалентный - две. Заряд явно имел, как и вещество, атомную, дискретную структуру.
Максвелл предложил назвать заряд одновалентного иона "молекулой электричества". Предложил, скрепя сердце. Думал, временно. Очень не хотел разрушать свое прекрасное творение, состоящее из непрерывных волн. Воздвигнутое вопреки противникам: Веберу, Гельмгольцу, да мало ли их было.
Кстати, Гельмгольц в знаменитой Фарадеевской речи вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к "атому электричества". (Стоней называл его электроном.) Дал расчет. Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Больше - бывает. Но любой заряд дискретен, состоит из порций. Каждая порция - заряд водородного иона.
Вещество в целом должно быть нейтрально. Поэтому Лоренц должен ввести электроны отрицательные и электроны положительные. Положительный электрон почти в тысячу раз тяжелее.
Все тела состоят из атомов.
Атомы - из электронов, положительных и отрицательных.
Электроны - единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток - движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила - Лоренцова сила.
Непрерывное тело разбилось на атомы, атомы - на положительные и отрицательные электроны.
Атомы плавают в эфире.
Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам. Например, электронам. Или - планетам.
Максвелл признавал эфир. Эфир - странная среда, старая как мир. Но свойства ее в представлениях людей непостоянны. Последний раз они утвердились в оптике. Новый эфир "изобрел" Френель. Разжалованный в результате наполеоновской "чистки" 1815 года инженер сидел без работы. Занимался физикой. Звук и свет - похожи или нет? Если предположить, что свет - не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны. Звуковые волны продольны. Световые - поперечны - это колебания твердой несжимаемой среды, похожей по свойствам на металл.
Эта среда - эфир. Эфир оптический.
Эфир объяснял все, или почти все. Никакой дискретности, никаких ньютоновских корпускул. Одна непрерывность.
Непрерывные волны.
Континуум.
Но оптика, по Максвеллу, - частный случай электромагнетизма. Вся оптика приводится к уравнениям Максвелла.
Эфир был необходим Максвеллу. Но этот эфир был незаметен. Мимо него нельзя было двигаться. Эфир Максвелла двигался вместе с телами. Он мог увлекаться движущимися телами.
И это, казалось, прекрасно доказывали опыты француза Ипполита Физо. Движущиеся струи воды увлекали за собой свет.
Лоренц ввел в теорию Максвелла электрон. Он пустил его в максвеллов эфир, предварительно закрепив эфир на месте. Эфир стал недвижимым, но в нем двигались электроны. Поперечные колебания эфира по-прежнему были и светом и другими электромагнитными волнами.
Свойства среды свелись, таким образом, к свойствам электронов и эфира вместе, стали некоторой статистически усредненной в некотором объеме величиной. Если раньше диэлектрическая и магнитная проницаемость среды были исходными величинами, то теперь они стали производными. Проводимость - тоже не исходное свойство среды - она тоже может быть получена усреднением.
Получился бульон, вкус которого зависел от усреднения свойств частичек мяса и воды.
Раньше мир представлял собой безбрежный океан электромагнитных волн. Теперь все многообразие мира свелось к взаимодействию полей и электронов. Это было интереснейшее достижение теоретической физики - продвижение вперед при отступлении назад. "В предлагаемой мной гипотезе, - писал Лоренц, - есть в некотором смысле возврат к старой теории электричества Вебера и Гельмгольца...". Напомним, что основным в "старых теориях" приверженцев дальнодействия было взаимодействие зарядов, восходящее к закону Кулона. Великая спираль развития сделала еще один виток и вернулась к зарядам, но уже взаимодействующим с полем и через поле. Появилась возможность вывести множество полезных формул.
Например, формулы связи показателя преломления среды с ее плотностью (формула Лоренца-Лоренца; Лоренц-второй - датский однофамилец Лоренца, одновременно с ним открывший этот закон).
Появилась возможность многое объяснить. Например, зависимость электропроводности вещества от его теплопроводности, эффект Холла. Появилась возможность предсказать новые явления.
Из электронной теории Лоренца следовало, что спектральные линии вещества, помещенного в магнитное поле, должны раздваиваться. Некоторое время подтвердить явление не удавалось. Не удавалось до тех пор, пока в 1896 году у друга и коллеги Лоренца по Лейденскому университету - у Гейке Камерлинг-Оннеса не случились неприятности с пожарной инспекцией.
Кто-то донес в магистрат, что в низкотемпературной лаборатории Оннеса, где ожижались газы, скопилось много водорода, и она вот-вот взлетит на воздух. Лабораторию пришлось закрыть, а сотрудников усадить за другие дела. Один из них - Питер Зееман, пользуясь случаем, стал внимательно исследовать спектры веществ, излучающих в сильных магнитных полях.
Когда благодаря большому дипломатическому таланту Гейке Камерлинг-Оннеса лаборатория была вновь открыта, Зееман уже доказал, что спектральные линии раздваиваются; явление было названо "эффектом Зеемана". За открытие его Зееману и Лоренцу была присуждена Нобелевская премия.
Открытие Зеемана было для электронной теории тем же, чем были для теории Максвелла опыты Герца и Лебедева.
Зееман подтвердил правильность электронной теории открытием явления, этой теорией предсказанного. Так Герц открыл несколько лет назад явление, предсказанное Максвеллом.
Электронная теория Лоренца получила право на жизнь.
Жизнь теории была славной и тяжелой. Славной потому, что с ее помощью были сделаны великие открытия. Тяжелой потому, что она в любой момент могла быть отвергнута. Червь, впущенный в яблоко, грозил сделать его полностью несъедобным. Особенно ясным это стало после двух событий.
Одно произошло в Кембридже, другое - за океаном.
Первое событие - появление резерфордовской модели атома. Оно было неожиданным. Резерфорд писал:
"Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен - за исключением того единственного случая, когда Вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы сосредоточена в ничтожно малом ядре".
Вместо "пудинга с изюмом" - модели атома Дж. Дж. Томпсона, где электроны изюминами были вкраплены в громадное ядро - появился атом Резерфорда маленькая планетная система с очень маленьким ядром и вращающимися вокруг него на чудовищных (в атомном масштабе) расстояниях электронами.
Модель понравилась всем. Но Лоренцу она понравиться не могла. Ведь с появлением этой модели атома любимое детище Лоренца - его электронная теория должна была неминуемо погибнуть.
Электрон, вращающийся вокруг ядра, излучает электромагнитные волны. Теряет энергию. Меньше осталось энергии - меньше радиус орбиты. Излучение продолжается. Энергии еще меньше. Радиус все уменьшается. Электрон падает на ядро.
Модель атома Резерфорда невозможна!
Если права электронная теория, невозможна.
Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому. И новую горечь сердцу Лоренца.
Драму разделяли многие. С одной стороны, электронная теория существует я хорошо соответствует почти всем наблюдаемым фактам. С другой стороны, существует невозможный по электронной теории атом Резерфорда.
Как примирить электронную теорию с атомом Резер-форда?
Свела концы с концами модель атома Бора. Бору было двадцать пять лет. Он был неизвестен, ничем ранее не прославлен. Но он был учеником Резерфорда. Решение его было лобовое. Раз атом Резерфорда существует, значит, электроны, кружась вокруг ядра, энергии не излучают! Но это происходит не на любой орбите. Есть орбиты привилегированные - на них излучения нет. Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон, в соответствии с теорией Лоренца, излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами. Это, впрочем, уже не удивляло. Если заряд может изменяться лишь порциями, почему не может меняться порциями и энергия?
Модель атома Бора сразу же укрепилась - исследования показали, что радиусы орбит в атомах строго совпадают с предсказаниями на основе боровских представлений.
Но модель атома Бора была, конечно, монстром - над стройным телом классически прекрасной электронной теории высилась абстрактная голова квантовых скачков.
Этот монстр существует до сих пор, хотя всем ясно, что его должно сменить нечто более гармоничное. Ведь сказав "квант", "устойчивая орбита", мы не приблизились к решению проблемы.
А почему квант?
А почему устойчивая орбита?
Почему нельзя, в соответствии с новыми теориями, узнать, где находится электрон, если известна его скорость, и наоборот?
Каковы размеры электрона? Подсчитано, что он, во всяком случае, в миллион раз меньше атома. Может быть, он - точка, вовсе не имеет размеров? Определенно - нет. Тогда его энергия была бы бесконечно большой, что абсурдно.
Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой - что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает.
"Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?".
Его последние годы были отравлены противоречиями, которые, как ему казалось, были неразрешимы. Беседуя с известным советским физиком А. Ф. Иоффе, он мрачно сказал:
"Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным".
К тому же - злополучный ветер. Эфирный ветер. У Лоренца эфир был неподвижен. Когда тело двигалось, на его поверхности должен был ощущаться эфирный ветер. Например, на поверхности Земли этот ветер должен быть просто ураганной силы - известно, что Земля путешествует в мировом пространстве с громадной скоростью!
А если так, то электронную теорию Лоренца можно проверить экспериментально.
Жолио-Кюри как-то заметил: "Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии". Это полностью относится к эксперименту Майкельсона, не подтвердившему взглядов Лоренца, но явившегося толчком к созданию теории относительности. За свой эксперимент Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике.
Это сделал в 1880 году двадцативосьмилетний преподаватель военной академии в Аннаполисе (США) черноволосый красавец Альберт Майкельсон. Он изобрел простой прибор - интерферометр, с помощью которого на базе тонких оптических явлений можно было очень точно измерить скорость света. Майкельсон решил проверить на своем десятидолларовом приборе правильность идеи о неподвижном эфире. / Он послал один луч света в направлении движения Земли, другой - под прямым углом к нему. Пробежав равное расстояние, лучи должны были вернуться. Если бы движения Земли в эфире не существовало, лучи должны были бы прийти обратно в одно и то же время.
Если же луч, посланный в направлении движения Земли, придет позже, то гипотеза неподвижного эфира верна.
Результат, опубликованный в 1881 году, был отрицателен: никакой разницы между скоростью лучей обнаружено не было. Это был, как выразился Джон Бернал, "величайший из всех отрицательных результатов а истории физики".
Лоренц сразу же усмотрел в эксперименте Майкельсона бомбу с тикающим часовым механизмом, способную в любой момент разнести на атомы ставшую классической электронную теорию. Другие физики тоже скоро это поняли и всеми силами старались совместить отрицательный результат эксперимента с "эфирным ветром".
Сразу же родилась гипотеза "частичного увлечения" эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней "эфирным хвостом", то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение ее и эфира заметить невозможно. Такие же "эфирные хвостики", приличествующего размера, волочатся за любым телом.
К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Во-первых, эфир, так сказать, "разжигался" - из нечто, твердого, как сталь, он превратился в нечто, подобное студню. Сразу же возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Кроме того, в качестве заплат нужно было бы придумывать новые теории, объясняющие, как происходят явления в эфире неподвижном, увлеченном и частично увлеченном.
Эта теория явно уводила в сторону. А другая теория была совершенно безумной. Ее придерживался английский физик Фитцджеральд. Он был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно - всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах метры, линейки, эталоны. Каждый "бывший" сантиметр становится немного короче. Претерпевал деформацию и прибор Майкельсона. Поэтому-то с его помощью и не удалось заметить движения относительно эфира.
Лоренц заинтересовался теорией - она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый "парадокс близнецов", заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности, - один из братьев, отправившийся путешествовать чуть не со световой скоростью, быстро вернувшись, застает брата дряхлым стариком!)
Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых "преобразованиях Лоренца".
Он не мог представить себе, что все "эфирные загадки", которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Дело в том, что лучшим способом избавиться от них был "способ колумбова яйца" - нужно было совсем отказаться от эфира.
Это смог сделать лишь Эйнштейн. Но здесь начинается уже отдельная громадная тема, выходящая за рамки книги.
Из противоречий электронной теории Лоренца родилась теория относительности Эйнштейна. Перестройка в знаниях человечества произошла очень быстро - со времени открытия электромагнитных волн прошло всего лишь двадцать лет. По этому поводу уместно прозвучат строчки английского поэта XVII века Донна из его "Анатомии мира" (1611 г.!):
Так много новостей за двадцать лет
И в сфере звезд и в облике планет.
На атомы вселенная крошится,
Все связи рвутся, все в куски дробится,
Основы расшатались, и сейчас
Все стало относительно для нас.
Трудно перечесть те грандиозные последствия, которые имело введение в физический обиход электронной теории Лоренца.
Мы уже сказали о том, что несоответствие ее с экспериментом Майкельсона привело к созданию теории относительности.
Несоответствие ее с "атомом Резерфорда" привело к "атому Бора", к введению в атомную теорию квантов.
Противоречие червя с яблоком, электрона и электромагнитной теории привело к попытке создать "электромагнитный мир", в котором электроны тоже были заменены электромагнитными волнами. Затем оказалось, что мир свести к одному лишь электромагнитному полю невозможно - в мире оказались и другие поля, не сводимые к электромагнитному: гравитационное, волновое поле электрона и т. п. Попытка создать "единую теорию поля", в которой все эти поля были бы объединены, не увенчалась успехом даже у Эйнштейна, работавшего над проблемой более тридцати лет. Тем не менее "электромагнитный мир" был полезен - он привел Дж. Дж. Томпсона, а затем и Эйнштейна к представлению о том, что прибавление телу энергии эквивалентно некоторому увеличению его массы, к "электромагнитной массе электрона" (вот откуда взялось знаменитое !).
Мы уже не говорим о том, что с помощью электронной теории были проведены сотни тысяч правильных расчетов, сделано и объяснено не одно открытие.
Что ж, электронная теория хорошо послужила.
Впрочем, почему - послужила?
Электронная теория используется до сих пор.
Так же, как и уравнение Максвелла. Никакие, даже самые великие открытия не способны поколебать теорий, если они правильно отражают процессы, происходящие в мире.
В крайнем случае, новая теория включает старые правильные теории как крайние или частные случаи.
Так случилось с электронной теорией и уравнениями Максвелла.
Бурное развитие квантовой физики в начале нашего века натолкнуло на мысль, что максвелловы уравнения не применимы в микромире, где необычайно малы изучаемые объекты.
Простая и естественная картина непрерывного изменения электромагнитных полей, описываемая уравнениями Максвелла, здесь не может считаться полной. Ведь энергия в соответствии с гипотезой Планка должна в микромире меняться не непрерывно, а квантами, порциями!
Поэтому в двадцатых-тридцатых годах нашего века был неизбежен переход максвелловой и лоренцевой теорий в новые, квантовые формы. Дирак в 1927 году, а затем Гейзенберг и Паули в 1929 году опубликовали статьи с описанием квантовой теории электромагнитного поля, где нет места непрерывности, где все величины меняются скачками и которая в случае больших объектов и расстояний переходит в старую теорию Максвелла.
Новая теория смогла объяснить ряд тонких эффектов, происходящих в микромире.
Но она внесла и много новых трудностей. Теперь оказалось, что невозможно точно измерить электромагнитное поле в точно указанной точке пространства!
Осталось в квантовой теории и прежнее противоречие лоренцевой электронной теории: энергия точечного электрона осталась бесконечной! Хитроумные способы избежать этого в рамках квантовой электродинамики привели к другому абсурду к частице, обладающей бесконечной отрицательной массой!
Это - одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не "два облачка на чистом небе законченной теоретической физики", о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие "атмосферные явления": неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти "два облачка". Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом - именно в противоречиях и "нелепостях" квантовой теории - ключ к новым открытиям в физике.
Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.
Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.
Ничто не может быть ошибочней этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.
Нильс Бор писал:
"Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл. Но мы все, я думаю, согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным способом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленное поле применения, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют. Их применение существенно ограничивается случаями, в которых, учитывая существование кванта действия, невозможно рассматривать наблюдаемые явления, как независимые от приборов, применяемых для их наблюдения".
И далее:
"...язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена".
В поисках вечного движения
Во времена оккупации Нидерландов наполеоновскими армиями на одном из судоходных каналов в центре Лейдена взорвался французский корабль, груженный боеприпасами. Взрывом были сметены все постройки на обоих берегах канала. Шли годы. Развалины превратились в заросший бурьяном пустырь, который лейденцы называли "руинами". В восьмидесятых годах прошлого века сюда пришли строители, и скоро на левом берегу канала поднялось светлое трехэтажное здание Лейденского университета.
Из всех возможных тем для исследований предпочтение в университете отдавалось темам физическим. Отчасти это объяснялось тем, что здесь работали крупные физики: Лоренц (вспомните "преобразования Лоренца" - фундамент теории относительности А. Эйнштейна) и Ван дер Ваальс ("Силы Ван дер Ваальса"). Особенного развития физические исследования достигли при Гейке Камерлинг-Оннесе, по сути дела, превратившем весь университет во всемирно известную Лейденскую лабораторию низких температур, позже названную его именем.
Предсказать изменение констант в зависимости от температуры, плотности, химического строения или кристаллической структуры вещества на основании уравнений Максвелла было невозможно. Поэтому при любом изменении состояния вещества его константы нужно было бы заново находить из эксперимента.
Лоренц прекрасно понимал, что такая ограниченность теории Максвелла крупный недостаток. Недостаток, произрастающий из достоинств. По своему существу теория Максвелла - теория электромагнитная. Мир, описываемый теорией, - мир бесконечно разнообразных, налагающихся, интерферирующих, видимых и невидимых, ощущаемых и неощущаемых непрерывных волн. В этом была его сила. И его слабость.
Когда-то неминуемо должен был встать вопрос о причинах. Что, например, является причиной электрического поля? Максвелл отвечал - заряд. Отвечал с некоторой неприязнью. Введение дискретного заряда, "молекулы электричества" было подобно введению ложки дегтя в бочку меда, впущению червя в яблоко. "Молекула электричества" была нелепой дискретной надстройкой к прекрасному легкому дворцу непрерывных электромагнитных волн. Максвелл, словно предчувствуя грядущие непреодолимые трудности, уклонялся от навечного введения "молекулы электричества" в свою теорию. Он считал это делом сугубо временным:
"Крайне неправдоподобно, что в будущем, когда мы придем к пониманию истинной природы электролиза, мы сохраним в какой-либо форме теорию молекулярных зарядов, ибо мы уже будем иметь надежную основу для построения истинной теории электрических токов и станем таким образом независимы от этих преходящих гипотез".
Однако вопрос о природе констант, характеризующих среду, оставался. Чтобы объяснить влияние на них внешних факторов, нужно было дать какое-то объяснение природе констант. Лоренц писал:
"...Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма в основе всех этих явлений.
Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частичках, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах".
Здесь надо оговориться, что электрон в то время, когда Лоренц решил ввести его в теорию Максвелла, известен не был. Но он, в известном смысле, постоянно возникал "на кончике пера".
Началось это еще у Фарадея. Законы электролиза. Число Фарадея. Атомную теорию Фарадей в общем не жаловал. Но, поскольку был необычайно добросовестен, четко фиксировал и факты, не вписывающиеся в его теорию.
Было ясно, что каждый атом вещества, оседающий на электроде, несет с собой строго определенное количество электричества. Электричество раздавалось порциями. Каждый одновалентный ион получал от природы одну порцию. Двухвалентный - две. Заряд явно имел, как и вещество, атомную, дискретную структуру.
Максвелл предложил назвать заряд одновалентного иона "молекулой электричества". Предложил, скрепя сердце. Думал, временно. Очень не хотел разрушать свое прекрасное творение, состоящее из непрерывных волн. Воздвигнутое вопреки противникам: Веберу, Гельмгольцу, да мало ли их было.
Кстати, Гельмгольц в знаменитой Фарадеевской речи вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к "атому электричества". (Стоней называл его электроном.) Дал расчет. Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Больше - бывает. Но любой заряд дискретен, состоит из порций. Каждая порция - заряд водородного иона.
Вещество в целом должно быть нейтрально. Поэтому Лоренц должен ввести электроны отрицательные и электроны положительные. Положительный электрон почти в тысячу раз тяжелее.
Все тела состоят из атомов.
Атомы - из электронов, положительных и отрицательных.
Электроны - единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток - движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила - Лоренцова сила.
Непрерывное тело разбилось на атомы, атомы - на положительные и отрицательные электроны.
Атомы плавают в эфире.
Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам. Например, электронам. Или - планетам.
Максвелл признавал эфир. Эфир - странная среда, старая как мир. Но свойства ее в представлениях людей непостоянны. Последний раз они утвердились в оптике. Новый эфир "изобрел" Френель. Разжалованный в результате наполеоновской "чистки" 1815 года инженер сидел без работы. Занимался физикой. Звук и свет - похожи или нет? Если предположить, что свет - не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны. Звуковые волны продольны. Световые - поперечны - это колебания твердой несжимаемой среды, похожей по свойствам на металл.
Эта среда - эфир. Эфир оптический.
Эфир объяснял все, или почти все. Никакой дискретности, никаких ньютоновских корпускул. Одна непрерывность.
Непрерывные волны.
Континуум.
Но оптика, по Максвеллу, - частный случай электромагнетизма. Вся оптика приводится к уравнениям Максвелла.
Эфир был необходим Максвеллу. Но этот эфир был незаметен. Мимо него нельзя было двигаться. Эфир Максвелла двигался вместе с телами. Он мог увлекаться движущимися телами.
И это, казалось, прекрасно доказывали опыты француза Ипполита Физо. Движущиеся струи воды увлекали за собой свет.
Лоренц ввел в теорию Максвелла электрон. Он пустил его в максвеллов эфир, предварительно закрепив эфир на месте. Эфир стал недвижимым, но в нем двигались электроны. Поперечные колебания эфира по-прежнему были и светом и другими электромагнитными волнами.
Свойства среды свелись, таким образом, к свойствам электронов и эфира вместе, стали некоторой статистически усредненной в некотором объеме величиной. Если раньше диэлектрическая и магнитная проницаемость среды были исходными величинами, то теперь они стали производными. Проводимость - тоже не исходное свойство среды - она тоже может быть получена усреднением.
Получился бульон, вкус которого зависел от усреднения свойств частичек мяса и воды.
Раньше мир представлял собой безбрежный океан электромагнитных волн. Теперь все многообразие мира свелось к взаимодействию полей и электронов. Это было интереснейшее достижение теоретической физики - продвижение вперед при отступлении назад. "В предлагаемой мной гипотезе, - писал Лоренц, - есть в некотором смысле возврат к старой теории электричества Вебера и Гельмгольца...". Напомним, что основным в "старых теориях" приверженцев дальнодействия было взаимодействие зарядов, восходящее к закону Кулона. Великая спираль развития сделала еще один виток и вернулась к зарядам, но уже взаимодействующим с полем и через поле. Появилась возможность вывести множество полезных формул.
Например, формулы связи показателя преломления среды с ее плотностью (формула Лоренца-Лоренца; Лоренц-второй - датский однофамилец Лоренца, одновременно с ним открывший этот закон).
Появилась возможность многое объяснить. Например, зависимость электропроводности вещества от его теплопроводности, эффект Холла. Появилась возможность предсказать новые явления.
Из электронной теории Лоренца следовало, что спектральные линии вещества, помещенного в магнитное поле, должны раздваиваться. Некоторое время подтвердить явление не удавалось. Не удавалось до тех пор, пока в 1896 году у друга и коллеги Лоренца по Лейденскому университету - у Гейке Камерлинг-Оннеса не случились неприятности с пожарной инспекцией.
Кто-то донес в магистрат, что в низкотемпературной лаборатории Оннеса, где ожижались газы, скопилось много водорода, и она вот-вот взлетит на воздух. Лабораторию пришлось закрыть, а сотрудников усадить за другие дела. Один из них - Питер Зееман, пользуясь случаем, стал внимательно исследовать спектры веществ, излучающих в сильных магнитных полях.
Когда благодаря большому дипломатическому таланту Гейке Камерлинг-Оннеса лаборатория была вновь открыта, Зееман уже доказал, что спектральные линии раздваиваются; явление было названо "эффектом Зеемана". За открытие его Зееману и Лоренцу была присуждена Нобелевская премия.
Открытие Зеемана было для электронной теории тем же, чем были для теории Максвелла опыты Герца и Лебедева.
Зееман подтвердил правильность электронной теории открытием явления, этой теорией предсказанного. Так Герц открыл несколько лет назад явление, предсказанное Максвеллом.
Электронная теория Лоренца получила право на жизнь.
Жизнь теории была славной и тяжелой. Славной потому, что с ее помощью были сделаны великие открытия. Тяжелой потому, что она в любой момент могла быть отвергнута. Червь, впущенный в яблоко, грозил сделать его полностью несъедобным. Особенно ясным это стало после двух событий.
Одно произошло в Кембридже, другое - за океаном.
Первое событие - появление резерфордовской модели атома. Оно было неожиданным. Резерфорд писал:
"Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен - за исключением того единственного случая, когда Вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы сосредоточена в ничтожно малом ядре".
Вместо "пудинга с изюмом" - модели атома Дж. Дж. Томпсона, где электроны изюминами были вкраплены в громадное ядро - появился атом Резерфорда маленькая планетная система с очень маленьким ядром и вращающимися вокруг него на чудовищных (в атомном масштабе) расстояниях электронами.
Модель понравилась всем. Но Лоренцу она понравиться не могла. Ведь с появлением этой модели атома любимое детище Лоренца - его электронная теория должна была неминуемо погибнуть.
Электрон, вращающийся вокруг ядра, излучает электромагнитные волны. Теряет энергию. Меньше осталось энергии - меньше радиус орбиты. Излучение продолжается. Энергии еще меньше. Радиус все уменьшается. Электрон падает на ядро.
Модель атома Резерфорда невозможна!
Если права электронная теория, невозможна.
Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому. И новую горечь сердцу Лоренца.
Драму разделяли многие. С одной стороны, электронная теория существует я хорошо соответствует почти всем наблюдаемым фактам. С другой стороны, существует невозможный по электронной теории атом Резерфорда.
Как примирить электронную теорию с атомом Резер-форда?
Свела концы с концами модель атома Бора. Бору было двадцать пять лет. Он был неизвестен, ничем ранее не прославлен. Но он был учеником Резерфорда. Решение его было лобовое. Раз атом Резерфорда существует, значит, электроны, кружась вокруг ядра, энергии не излучают! Но это происходит не на любой орбите. Есть орбиты привилегированные - на них излучения нет. Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон, в соответствии с теорией Лоренца, излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами. Это, впрочем, уже не удивляло. Если заряд может изменяться лишь порциями, почему не может меняться порциями и энергия?
Модель атома Бора сразу же укрепилась - исследования показали, что радиусы орбит в атомах строго совпадают с предсказаниями на основе боровских представлений.
Но модель атома Бора была, конечно, монстром - над стройным телом классически прекрасной электронной теории высилась абстрактная голова квантовых скачков.
Этот монстр существует до сих пор, хотя всем ясно, что его должно сменить нечто более гармоничное. Ведь сказав "квант", "устойчивая орбита", мы не приблизились к решению проблемы.
А почему квант?
А почему устойчивая орбита?
Почему нельзя, в соответствии с новыми теориями, узнать, где находится электрон, если известна его скорость, и наоборот?
Каковы размеры электрона? Подсчитано, что он, во всяком случае, в миллион раз меньше атома. Может быть, он - точка, вовсе не имеет размеров? Определенно - нет. Тогда его энергия была бы бесконечно большой, что абсурдно.
Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой - что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает.
"Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?".
Его последние годы были отравлены противоречиями, которые, как ему казалось, были неразрешимы. Беседуя с известным советским физиком А. Ф. Иоффе, он мрачно сказал:
"Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным".
К тому же - злополучный ветер. Эфирный ветер. У Лоренца эфир был неподвижен. Когда тело двигалось, на его поверхности должен был ощущаться эфирный ветер. Например, на поверхности Земли этот ветер должен быть просто ураганной силы - известно, что Земля путешествует в мировом пространстве с громадной скоростью!
А если так, то электронную теорию Лоренца можно проверить экспериментально.
Жолио-Кюри как-то заметил: "Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии". Это полностью относится к эксперименту Майкельсона, не подтвердившему взглядов Лоренца, но явившегося толчком к созданию теории относительности. За свой эксперимент Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике.
Это сделал в 1880 году двадцативосьмилетний преподаватель военной академии в Аннаполисе (США) черноволосый красавец Альберт Майкельсон. Он изобрел простой прибор - интерферометр, с помощью которого на базе тонких оптических явлений можно было очень точно измерить скорость света. Майкельсон решил проверить на своем десятидолларовом приборе правильность идеи о неподвижном эфире. / Он послал один луч света в направлении движения Земли, другой - под прямым углом к нему. Пробежав равное расстояние, лучи должны были вернуться. Если бы движения Земли в эфире не существовало, лучи должны были бы прийти обратно в одно и то же время.
Если же луч, посланный в направлении движения Земли, придет позже, то гипотеза неподвижного эфира верна.
Результат, опубликованный в 1881 году, был отрицателен: никакой разницы между скоростью лучей обнаружено не было. Это был, как выразился Джон Бернал, "величайший из всех отрицательных результатов а истории физики".
Лоренц сразу же усмотрел в эксперименте Майкельсона бомбу с тикающим часовым механизмом, способную в любой момент разнести на атомы ставшую классической электронную теорию. Другие физики тоже скоро это поняли и всеми силами старались совместить отрицательный результат эксперимента с "эфирным ветром".
Сразу же родилась гипотеза "частичного увлечения" эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней "эфирным хвостом", то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение ее и эфира заметить невозможно. Такие же "эфирные хвостики", приличествующего размера, волочатся за любым телом.
К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Во-первых, эфир, так сказать, "разжигался" - из нечто, твердого, как сталь, он превратился в нечто, подобное студню. Сразу же возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Кроме того, в качестве заплат нужно было бы придумывать новые теории, объясняющие, как происходят явления в эфире неподвижном, увлеченном и частично увлеченном.
Эта теория явно уводила в сторону. А другая теория была совершенно безумной. Ее придерживался английский физик Фитцджеральд. Он был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно - всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах метры, линейки, эталоны. Каждый "бывший" сантиметр становится немного короче. Претерпевал деформацию и прибор Майкельсона. Поэтому-то с его помощью и не удалось заметить движения относительно эфира.
Лоренц заинтересовался теорией - она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый "парадокс близнецов", заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности, - один из братьев, отправившийся путешествовать чуть не со световой скоростью, быстро вернувшись, застает брата дряхлым стариком!)
Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых "преобразованиях Лоренца".
Он не мог представить себе, что все "эфирные загадки", которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Дело в том, что лучшим способом избавиться от них был "способ колумбова яйца" - нужно было совсем отказаться от эфира.
Это смог сделать лишь Эйнштейн. Но здесь начинается уже отдельная громадная тема, выходящая за рамки книги.
Из противоречий электронной теории Лоренца родилась теория относительности Эйнштейна. Перестройка в знаниях человечества произошла очень быстро - со времени открытия электромагнитных волн прошло всего лишь двадцать лет. По этому поводу уместно прозвучат строчки английского поэта XVII века Донна из его "Анатомии мира" (1611 г.!):
Так много новостей за двадцать лет
И в сфере звезд и в облике планет.
На атомы вселенная крошится,
Все связи рвутся, все в куски дробится,
Основы расшатались, и сейчас
Все стало относительно для нас.
Трудно перечесть те грандиозные последствия, которые имело введение в физический обиход электронной теории Лоренца.
Мы уже сказали о том, что несоответствие ее с экспериментом Майкельсона привело к созданию теории относительности.
Несоответствие ее с "атомом Резерфорда" привело к "атому Бора", к введению в атомную теорию квантов.
Противоречие червя с яблоком, электрона и электромагнитной теории привело к попытке создать "электромагнитный мир", в котором электроны тоже были заменены электромагнитными волнами. Затем оказалось, что мир свести к одному лишь электромагнитному полю невозможно - в мире оказались и другие поля, не сводимые к электромагнитному: гравитационное, волновое поле электрона и т. п. Попытка создать "единую теорию поля", в которой все эти поля были бы объединены, не увенчалась успехом даже у Эйнштейна, работавшего над проблемой более тридцати лет. Тем не менее "электромагнитный мир" был полезен - он привел Дж. Дж. Томпсона, а затем и Эйнштейна к представлению о том, что прибавление телу энергии эквивалентно некоторому увеличению его массы, к "электромагнитной массе электрона" (вот откуда взялось знаменитое !).
Мы уже не говорим о том, что с помощью электронной теории были проведены сотни тысяч правильных расчетов, сделано и объяснено не одно открытие.
Что ж, электронная теория хорошо послужила.
Впрочем, почему - послужила?
Электронная теория используется до сих пор.
Так же, как и уравнение Максвелла. Никакие, даже самые великие открытия не способны поколебать теорий, если они правильно отражают процессы, происходящие в мире.
В крайнем случае, новая теория включает старые правильные теории как крайние или частные случаи.
Так случилось с электронной теорией и уравнениями Максвелла.
Бурное развитие квантовой физики в начале нашего века натолкнуло на мысль, что максвелловы уравнения не применимы в микромире, где необычайно малы изучаемые объекты.
Простая и естественная картина непрерывного изменения электромагнитных полей, описываемая уравнениями Максвелла, здесь не может считаться полной. Ведь энергия в соответствии с гипотезой Планка должна в микромире меняться не непрерывно, а квантами, порциями!
Поэтому в двадцатых-тридцатых годах нашего века был неизбежен переход максвелловой и лоренцевой теорий в новые, квантовые формы. Дирак в 1927 году, а затем Гейзенберг и Паули в 1929 году опубликовали статьи с описанием квантовой теории электромагнитного поля, где нет места непрерывности, где все величины меняются скачками и которая в случае больших объектов и расстояний переходит в старую теорию Максвелла.
Новая теория смогла объяснить ряд тонких эффектов, происходящих в микромире.
Но она внесла и много новых трудностей. Теперь оказалось, что невозможно точно измерить электромагнитное поле в точно указанной точке пространства!
Осталось в квантовой теории и прежнее противоречие лоренцевой электронной теории: энергия точечного электрона осталась бесконечной! Хитроумные способы избежать этого в рамках квантовой электродинамики привели к другому абсурду к частице, обладающей бесконечной отрицательной массой!
Это - одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не "два облачка на чистом небе законченной теоретической физики", о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие "атмосферные явления": неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти "два облачка". Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом - именно в противоречиях и "нелепостях" квантовой теории - ключ к новым открытиям в физике.
Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.
Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.
Ничто не может быть ошибочней этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.
Нильс Бор писал:
"Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл. Но мы все, я думаю, согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным способом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленное поле применения, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют. Их применение существенно ограничивается случаями, в которых, учитывая существование кванта действия, невозможно рассматривать наблюдаемые явления, как независимые от приборов, применяемых для их наблюдения".
И далее:
"...язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена".
В поисках вечного движения
Во времена оккупации Нидерландов наполеоновскими армиями на одном из судоходных каналов в центре Лейдена взорвался французский корабль, груженный боеприпасами. Взрывом были сметены все постройки на обоих берегах канала. Шли годы. Развалины превратились в заросший бурьяном пустырь, который лейденцы называли "руинами". В восьмидесятых годах прошлого века сюда пришли строители, и скоро на левом берегу канала поднялось светлое трехэтажное здание Лейденского университета.
Из всех возможных тем для исследований предпочтение в университете отдавалось темам физическим. Отчасти это объяснялось тем, что здесь работали крупные физики: Лоренц (вспомните "преобразования Лоренца" - фундамент теории относительности А. Эйнштейна) и Ван дер Ваальс ("Силы Ван дер Ваальса"). Особенного развития физические исследования достигли при Гейке Камерлинг-Оннесе, по сути дела, превратившем весь университет во всемирно известную Лейденскую лабораторию низких температур, позже названную его именем.