Концепция дискретности и квантовая механика

Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучению свойств и особенностей пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами. К ним относят электроны, протоны, нейтроны и подобные им объекты, которые часто называют также атомными частицами. Они образуют невидимый нами микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного, окружающего нас макромира. Планеты, звезды, галактики, кометы, квазары и другие небесные тела образуют мегамир.

Переходя к изучению свойств и закономерностей микромира, необходимо сразу же отказаться от привычных представлений, которые навязаны предметами и явлениями знакомого нам макромира. Конечно, сделать это нелегко, ибо весь наш опыт и представления возникли и опираются на наблюдения обычных тел, да и сами мы являемся макрообъектами. Поэтому требуются немалые усилия, чтобы преодолеть наш прежний опыт при изучении микрообъектов. В этих целях для описания поведения микрообъектов широко используются абстракции и математические методы исследования.

В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения в конце концов привели к возникновению новой квантовой механики, в построение и обоснование которой значительный вклад внесли Э. Шрёдингер (1887-1961), В. Гейзенберг (1901-1976), М. Борн (1882-1970). В самом начале эта механика была названа волновой в противоположность обычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоя-

щие из корпускул, или частиц. В дальнейшем за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой механики.

6.1. Дискретность физических величин и открытие кванта энергии

В классической физике вплоть до начала XX в. господствовало представление, что величины, с которыми она имеет дело, имеют непрерывный характер. Открытие М. Планком дискретного характера излучения и поглощения энергии коренным образом изменило господствующее представление о непрерывном характере физических процессов. Изучая процесс излучения абсолютно черного тела, Планк, чтобы согласовать свои расчеты с результатами эксперимента, вынужден был вопреки своим представлениям допустить, что энергия излучается отдельными, дискретными порциями. Наименьшую дискретную единицу энергии он назвал квантом, величина которой равна: E=hv, где h обозначает фундаментальную постоянную величину, получившую впоследствии название постоянной Планка, a v — частоту излучения энергии. Квант энергии обладает импульсом, величина которого определяется формулой: р =mw, где т обозначает массу, a w — скорость.

Открытие кванта энергии нашло неожиданное подтверждение в открытии фотоэффекта, которое подвергло сомнению утвердившуюся в оптике теорию о свете как разновидности электромагнитных колебаний. Таким образом, в учении о свете мы ясно прослеживаем смену дискретных представлений, когда свет рассматривали как поток отдельных корпускул, сначала представлениями волновыми, непрерывными, а впоследствии — снова дискретными. Однако при этом происходит не простое отрицание прежних теорий новыми, а качественное их преобразование, в результате чего новые теории включают в свой состав позитивные моменты прежних теорий. Так, например, волновая теория света, опирающаяся на понятие непрерывности, не отбросила целиком корпускулярную теорию, основанную на идее дискретности, а стала рассматривать ее как частный, предельный случай. В еще большей мере это относится к квантовой теории света, в которой такие дискретные величины, как квант света и импульс, рассматриваются во взаимосвязи с величинами непрерывными, волновыми, какими являются частота и длина волны. Эта особенность находит воплощение в самом выражении энергии светового кванта через ее частоту: E=hv. Этот процесс развития научных представлений о свете посредством отрицания прежних дискретных представлений непрерывными, а непрерывных дискретными в философской литера-

туре часто рассматривается как один из примеров диалектического отрицания, известного как «отрицание отрицания» в развитии научного познания.

Для нас важно обратить внимание на то, как в процессе развития науки величины и свойства, казавшиеся раньше непрерывными, со временем становятся дискретными, или прерывными. Возникновение квантовой физики служит тому убедительным примером.

6.2. Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома

Гипотеза об атомах как последних неделимых частицах вещества впервые возникла, как известно, в Древней Греции. Впоследствии она была возрождена в европейской науке для объяснения множества вновь открытых эмпирических законов в физике и химии. Такие законы, как закон Бойля—Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел в физике, закон Дальтона о постоянстве состава веществ в химии и различные другие, лишь устанавливают необходимую связь между наблюдаемыми свойствами тел, но не объясняют, почему такая связь существует. В самом деле, закон Бойля—Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не раскрывает причину такой зависимости. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но этот эмпирический закон теплового расширения тел не объясняет, почему происходит такое расширение.

Очевидно, что для подобного объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим законам. В отличие от эмпирических законов теоретические законы содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в молекулярно-кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие эмпирические законы. Действительно, чтобы ответить на вопрос: почему объем газа увеличивается вдвое, когда его давление уменьшается во столько же раз, мы представляем себе газ, состоящий из огромного числа атомов или молекул, движущихся беспорядочно в разных направлениях и с разной скоростью. Непосредственно наблюдаемое и измеряемое уменьшение давления газа мы истолковываем как увеличение свободного пробега составляющих его атомов или молекул,

вследствие чего возрастает объем, занимаемый газом. Аналогично этому расширение тел при нагревании объясняют увеличением средней скорости движущихся молекул.

Таким образом, свойства наблюдаемых нами тел и законов их поведения объясняются с помощью простых свойств невидимых атомов и молекул. При этом свойства более сложных образований, какими являются молекулы, объясняются также с помощью атомов, так что атомы оказываются последними, далее неразложимыми частицами вещества, или химических элементов. Поэтому атом в химии обычно рассматривают как наименьшую часть вещества или, точнее, определяют как химический элемент.

Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей явлений окружающего мира к более простым свойствам вряд ли могла оказаться успешной. Ведь на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике в конце XIX — начале XX в. привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить прежде всего обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают особые радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге — в свинец. Именно так истолковали радиоактивные превращения английские физики Э. Резерфорд (1871— 1937) и Ф. Содди (1877—1956). Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными и неделимыми кирпичиками мироздания. Поэтому после этих открытий были предприняты многочисленные попытки понять и объяснить строение и структуру атома.

В 1913 г. Э. Резерфорд, исследуя действие на атомы альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части — ядре, так как вдали от него альфа-частицы проходят беспрепятственно. Напротив, небольшое число частиц резко меняет свое направление, когда проходит вблизи центральной его части. Это побудило Резерфорда предположить, что положительно заряженные альфа-частицы отталкиваются от ядра, несущего, по-видимому, также положительный заряд.

Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного положительно заряженного ядра по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Сами электроны были открыты в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном, который предложил первую модель строения