Объясняя мир. Истоки современной науки - Стивен Вайнберг

Как и в электричестве и магнетизме, прогресс в изучении природы вещества начался с количественных измерений, в данном случае – с измерения веса веществ, участвующих в химических реакциях. Ключевой фигурой в этой химической революции был богатый француз Антуан Лавуазье. В конце XVIII в. он выделил кислород и водород как отдельные элементы, доказал, что вода является их соединением, что воздух состоит из смеси элементов и что огонь возникает при соединении других элементов с кислородом. Также на основе этих измерений немного позже Джон Дальтон обнаружил, что вес, при котором элементы вступают в химические реакции, можно определить, приняв гипотезу о том, что чистые химические компоненты, такие как вода и соль, состоят из огромного числа частиц (позже названных молекулами), которые, в свою очередь, состоят из определенного числа атомов чистых элементов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В следующие два десятилетия химики выделили множество элементов, некоторые из которых были хорошо знакомы, – углерод, сера, недрагоценные металлы; о других (хлор, кальций, натрий) узнали только тогда. Земля, огонь, воздух и вода не вошли в этот список. В первой половине XIX в. были разработаны правильные формулы для молекул таких веществ, как соль и вода, что позволило вычислить соотношение масс атомов различных элементов из измерений веса веществ, участвующих в химической реакции.

Атомистическая теория вещества приобрела большой успех, когда Максвелл и Людвиг Больцман доказали, что тепло можно понимать как энергию, распределенную среди огромного количества атомов и молекул. Этот шаг к обобщению встретил сопротивление среди физиков, в том числе и Пьера Дюэма, который сомневался в существовании атомов и считал, что термодинамика является не менее фундаментальным разделом науки, чем механика Ньютона и электродинамика Максвелла. Но вскоре после начала XX в. несколько экспериментов убедили практически всех в том, что атомы действительно существуют. Одна серия экспериментов, проведенных Дж. Томсоном, Робертом Милликеном и другими, показала, что электрический заряд приобретается и теряется как величина, кратная элементарному заряду, то есть заряду электрона, частицы, которая была открыта Томсоном в 1897 г. В 1905 г. Альберт Эйнштейн интерпретировал хаотичное броуновское движение мелких частиц в жидкости как столкновения этих частиц с отдельными молекулами жидкости. Эту интерпретацию подтвердили эксперименты Жана Перрена. В ответ на эксперименты Томсона и Перрена химик Вильгельм Оствальд, который ранее был скептически настроен относительно атомов, в 1908 г. выразил свое изменившееся мнение в заявлении, своими корнями уходящем еще в учения Демокрита и Левкиппа: «Теперь я убежден, что недавно мы стали свидетелями экспериментального доказательства того, что природа вещества имеет дискретный или зернистый характер, чего атомистическая гипотеза пыталась добиться впустую сотни и даже тысячи лет»{287}.

Но что такое атомы? Великим шагом к ответу на этот вопрос стали эксперименты Эрнеста Резерфорда в лаборатории Манчестерского университета, которые в 1911 г. доказали, что вся масса атома золота сконцентрирована в маленьком тяжелом положительно заряженном ядре атома, вокруг которого обращаются более легкие отрицательно заряженные электроны. Электроны ответственны за процессы, происходящие в рамках обычной химии, в то время как изменения в ядре вызывают выделение большого количества энергии, связанной с явлением радиоактивности.

Это вызвало новый вопрос: что удерживает обращающиеся по орбитам внутри атома электроны от потери энергии через излучение и мешает им упасть по спиралям на свои ядра? По идее, не только не должно было существовать стабильных атомов; частоты излучения этих маленьких атомных катастроф сформировали бы непрерывный спектр, что противоречит наблюдениям, в соответствии с которыми атомы могут выделять и поглощать излучение только на определенных дискретных частотах, которые можно увидеть как яркие или темные линии в спектрах газов. Что определяет эти особые частоты?

Ответы были найдены в первые три десятилетия XX в. с развитием квантовой механики – самого радикального направления теоретической физики после работ Ньютона. Как предполагает ее название, квантовая механика требует квантования (что означает – дискретности, нарезки элементарными кусочками) энергий различных физических систем. В 1913 г. Нильс Бор предположил, что атом может существовать только в состоянии определенных энергий, и вывел правила расчета этих энергий для простейших атомов. Еще в 1905 г., использовав более раннюю работу Макса Планка, Эйнштейн уже предполагал, что энергия света передается квантами – частицами, которые позже были названы фотонами. Каждый фотон обладает энергией, пропорциональной частоте света. Как объяснил Бор, когда атом теряет энергию, испуская единичный фотон, энергия данного фотона должна быть равна разности энергий между первоначальным и окончательным состояниями атома – требование, благодаря которому частота этого фотона становится фиксированной. Всегда существует атомное состояние наиболее низкой энергии, при котором атом не может излучать и, следовательно, стабилен.

Вслед за этими первыми шагами в 1920-е гг. стали развиваться общие правила квантовой механики, которые могут быть приложимы к любой физической системе. В основном этой работой занимались Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Паскуаль Йордан, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак и Макс Борн. Энергии разрешенных атомных состояний можно рассчитать, решив уравнение Шрёдингера. Это уравнение того общего математического типа, который уже появлялся при изучении звуковых и световых волн. Так же как струна музыкального инструмента может производить только те тона, для которых длина струны кратна целому числу половинок длин волны, так и Шрёдингер нашел, что доступные энергетические уровни атома исчерпываются теми, для которых волна, вычисляемая в уравнении Шрёдингера, целиком укладывается вокруг атома без разрывов непрерывности. Но, как это первым определил Бор, речь не идет о волнах давления или электромагнитных полях, а о волнах вероятности – частица, скорее всего, будет находиться около точки, где волновая функция наиболее велика.

Квантовая механика не только решила проблему стабильности атомов и природы спектральных линий, она также ввела химию в общий строй физики. Если знать электрические силы, действующие между электронами и ядрами атомов, то можно применить уравнение Шрёдингера к молекулам точно так же, как к атомам, и вычислить энергии их различных состояний. Таким образом, стало возможно определить, какие молекулы стабильны и какие химические реакции в принципе возможны с точки зрения энергии. В 1929 г. Дирак с ликованием заявлял: «Основные физические законы, необходимые для математических теорий большей части физики и всей химии, теперь полностью известны…»{288}