Считается, что лорд Кельвин сказал, что в физике нет ничего нового. Его реальная точка зрения была противоположной.
 |
| Фото: bigthink.com |
Когда девятнадцатый век подошел к концу, физикам можно было бы простить надежду на то, что они смогут все понять. Вселенная, согласно этой предварительной картине, состоит из частиц, которые перемещаются полями.
Идея полей, заполняющих пространство, возникла в 1800-х годах. Ранее Исаак Ньютон представил прекрасную и убедительную теорию движения и гравитации, а Пьер-Симон Лаплас показал, как мы можем переформулировать эту теорию в терминах гравитационного поля, простирающегося между каждым объектом во Вселенной. Поле — это просто нечто, имеющее значение в каждой точке пространства. Значением может быть простое число, вектор или что-то более сложное, но любое поле существует повсюду в пространстве.
Но если вас заботила только гравитация, поле казалось необязательным — точку зрения, которую вы могли выбрать или нет, в зависимости от ваших предпочтений. В равной степени нормально было думать, как это делал Ньютон, непосредственно с точки зрения силы, создаваемой на один объект гравитационным притяжением других, без каких-либо растяжек между ними.
Ситуация изменилась в девятнадцатом веке, когда физики приступили к изучению электричества и магнетизма. Электрически заряженные объекты оказывают друг на друга силы, которые естественно объяснить наличием натянутого между ними электрического поля. Эксперименты Майкла Фарадея показали, что движущийся магнит может индуцировать электрический ток в проводе, фактически не касаясь его, указывая на существование отдельного магнитного поля, а Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить эти два вида полей в единое, создав теорию электромагнетизма. опубликована в 1873 году. Это был огромный триумф объединения, объясняющий разнообразный набор электрических и магнитных явлений в единой компактной теории. «Уравнения Максвелла» до сих пор сбивают с толку студентов-физиков.
Одним из триумфальных следствий теории Максвелла было понимание природы света. Свет — это не отдельный вид вещества, а волна, распространяющаяся в электрическом и магнитном полях, также известная как электромагнитное излучение. Мы думаем об электромагнетизме как о «силе», и это так, но Максвелл учил нас, что поля, несущие силы, могут вибрировать, а в случае электрических и магнитных полей эти вибрации и есть то, что мы воспринимаем как свет. Кванты света — это частицы, называемые фотонами, поэтому мы иногда говорим: «Фотоны несут электромагнитную силу». Но на данный момент мы все еще думаем классически.
Возьмем одну заряженную частицу, например электрон. Если оставить его в покое, его будет окружать электрическое поле с силовыми линиями, направленными к электрону. Сила будет уменьшаться по закону обратных квадратов, как и в ньютоновской гравитации.
Если мы переместим электрон, произойдут две вещи: во-первых, движущийся заряд создает не только электрическое, но и магнитное поле. Во-вторых, существующее электрическое поле изменит свою ориентацию в пространстве так, чтобы оно по-прежнему было направлено на частицу. И вместе эти два эффекта (малое магнитное поле, небольшое отклонение существующего электрического поля) распространяются наружу, как волны от камешка, брошенного в пруд.
Максвелл обнаружил, что скорость этой ряби равна скорости света, потому что это свет. Свет любой длины волны, от радио до рентгеновских лучей и гамма-лучей, представляет собой распространяющуюся вибрацию в электрическом и магнитном полях. Почти весь свет, который вы сейчас видите вокруг себя, возникает из-за заряженной частицы, которая где-то колеблется, будь то нить накаливания лампочки или поверхность Солнца.
Одновременно в девятнадцатом веке стала ясна и роль частиц. Химики во главе с Джоном Дальтоном отстаивали идею о том, что материя состоит из отдельных атомов, причем каждому химическому элементу соответствует один конкретный вид атомов. Физики с опозданием поняли, что поняли, что представление о газах как о совокупности прыгающих атомов может объяснить такие вещи, как температура, давление и энтропия.
Но термин атом, заимствованный из древнегреческого представления о неделимой элементарной единице материи, оказался несколько преждевременным. Хотя современные атомы являются строительными блоками химических элементов, они не являются неделимыми. Краткий обзор с деталями, которые будут добавлены позже: Атомы состоят из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, окруженного вращающимися по орбитам электронами. Протоны имеют положительный электрический заряд, нейтроны — нулевой заряд, а электроны — отрицательный заряд. Мы можем создать нейтральный атом, если у нас будет равное количество протонов и электронов, поскольку их электрические заряды будут компенсировать друг друга.
Сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны сами состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые удерживаются вместе глюонами, но в начале 1900-х годов на это не было и намека.
Шон Кэрролл
Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, при этом нейтроны лишь немного тяжелее, но электроны намного легче, примерно 1/1800 массы протона. Таким образом, большая часть массы человека или другого макроскопического объекта состоит из протонов и нейтронов. Легкие электроны более способны передвигаться и поэтому отвечают за химические реакции, а также за поток электричества. Сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны сами состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые удерживаются вместе глюонами, но в начале 1900-х годов на это не было и намека.
Эта картина атомов складывалась постепенно. Электроны были открыты в 1897 году британским физиком Дж. Дж. Томпсоном, который измерил их заряд и установил, что они намного легче атомов. Итак, каким-то образом в атоме должно быть два компонента: легкий, отрицательно заряженный электрон и более тяжелый, положительно заряженный фрагмент. Несколько лет спустя Томпсон предложил картину, в которой крошечные электроны плавают внутри большего, положительно заряженного объема. Это стало называться «моделью сливового пудинга», в которой роль слив играли электроны.
Модель сливового пудинга процветала недолго. Знаменитый эксперимент Эрнеста Резерфорда, Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена выстрелил альфа-частицами (теперь известными как ядра атомов гелия) в тонкий лист золотой фольги. Ожидалось, что они в основном пройдут насквозь, слегка отклонив свои траектории, если им случится пройти прямо через атом и взаимодействовать с электронами (сливы) или диффузной положительно заряженной каплей (пудинг). Электроны слишком легки, чтобы нарушить траектории альфа-частиц, а рассеянный положительный заряд будет слишком рассеянным, чтобы иметь большой эффект.
Но произошло следующее: хотя большинство частиц действительно пронеслись сквозь него без изменений, некоторые отскочили под дикими углами, даже прямо назад. Это могло произойти только в том случае, если бы было что-то тяжелое и существенное, от чего могли бы оторваться частицы. В 1911 году Резерфорд правильно объяснил этот результат, предположив, что положительный заряд сконцентрирован в массивном центральном ядре. Когда приближающейся альфа-частице посчастливилось попасть прямо в маленькое, но тяжелое ядро, она отклонилась под острым углом, что и наблюдалось. В 1920 году Резерфорд предположил существование протонов (которые были всего лишь ядрами водорода, поэтому они уже были открыты), а в 1921 году он выдвинул теорию существования нейтронов (которые в конечном итоге были открыты в 1932 году).
Другие физики, начиная с самого Максвелла, признавали, что известное поведение совокупностей частиц и волн не всегда соответствует нашим классическим ожиданиям.
Шон Кэрролл
«Пока всё хорошо», — думает наш воображаемый физик конца века. Материя состоит из частиц, частицы взаимодействуют посредством сил, и эти силы переносятся полями. Весь механизм будет работать в соответствии с правилами, установленными в рамках классической физики. Для частиц это довольно знакомо: мы указываем положения и импульсы всех частиц, а затем используем один из наших классических методов (законы Ньютона или их эквиваленты) для описания их динамики. Поля работают по существу таким же образом, за исключением того, что «положение» поля — это его значение в каждой точке пространства, а его «импульс» — это то, насколько быстро оно меняется в каждой точке. Общая классическая картина применима в любом случае.
Подозрение, что физика близка к тому, чтобы быть полностью раскрытой, не было совершенно необоснованным. Альберт Майкельсон на открытии новой физической лаборатории в Чикагском университете в 1894 году заявил: «Кажется вероятным, что большинство великих основополагающих принципов [физики] прочно установлены».
Он был совершенно неправ.
Но он тоже был в меньшинстве. Другие физики, начиная с самого Максвелла, признавали, что известное поведение совокупностей частиц и волн не всегда соответствует нашим классическим ожиданиям. Уильям Томсон, лорд Кельвин, часто становится жертвой неверно приписываемой цитаты: «Сейчас в физике невозможно открыть ничего нового. Остаётся только всё более и более точные измерения». Его реальная точка зрения была противоположной. В лекции 1900 года Томсон подчеркнул наличие двух «облаков», нависших над физикой, одно из которых в конечном итоге должно было быть рассеяно формулировкой теории относительности, а другое — теорией квантовой механики.
No comments:
Post a Comment