Спектр электромагнитного излучения
Несмотря на эти эпохальные открытия, в основе физики всё еще лежала механика Ньютона. Сам Максвелл пробовал объяснить результаты своих исследований механистически, считая поле механически напряженным состоянием эфира — очень легкой среды, заполняющей всё пространство; а электромагнитные волны — ее упругими колебаниями. Это было естественно, поскольку в волнах обычно видели колебания какой-либо среды: на поверхности воды — водной, в звуковых волнах — воздушной и т. д. Максвелл одновременно использовал несколько механистических объяснений своих открытий, явно не принимая ни одного всерьез. Видимо, он интуитивно чувствовал, хотя и не говорил прямо, что главное в его теории — понятие поля, а не механистические модели. И только Эйнштейн четко признал этот факт через 50 лет, заявив, что никакого эфира не существует, а электромагнитные поля — отдельные физические явления, которые могут перемещаться в пустом пространстве и не могут быть объяснены механистически.
Итак, в начале XX в. физика располагала двумя признанными теориями, каждая из которых относилась к своим природным явлениям: механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Но ньютоновская модель уже не была единственной основой физики.
Первые три десятилетия XX в. радикально изменили ситуацию в физике. Одновременное появление теории относительности и теории атома потрясли представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, твердых элементарных частицах, строгой причинной обусловленности всех физических явлений и абсолютной объективности познания природы. Эти старые идеи не могли быть распространены на новые территории, которые осваивала физика.
У истоков современной физики находится великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. В двух своих статьях, опубликованных в 1905 г., он изложил две революционные концепции. Первая стала основой специальной теории относительности; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу квантовой теории, имевшей дело с атомами. Последняя в окончательном виде сформировалась спустя 20 лет благодаря совместным усилиям группы физиков. А теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Его научные труды увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.
Эйнштейн был твердо уверен, что природе изначально присуща гармония, и в своей работе на протяжении всей жизни руководствовался желанием найти универсальную основу физики. Первым шагом было объединение двух самостоятельных теорий классической физики — электродинамики и механики. Эйнштейн сделал это в рамках специальной теории относительности. Она дополнила систему классической физики, но одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о пространстве и времени и разрушила одно из оснований ньютоновского мировоззрения.
Согласно теории относительности, пространство не трехмерно, а время не существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный пространственно-временной континуум. В теории относительности мы никогда не можем говорить о пространстве отдельно от времени и наоборот. Более того, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывают на разную их последовательность. В этом случае два события, одновременные для одного наблюдателя, для другого будут протекать в определенной последовательности. И все измерения, включающие пространство и время, становятся относительными. И время, и пространство оказываются элементами языка, который использует человек для описания наблюдаемых явлений.
Понятия времени и пространства настолько важны для познания природы, что их корректировка влечет изменение общего подхода к описанию ее явлений. Самое важное следствие этого — осознание того, что масса представляет собой одну из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = mc2, где с — скорость света.
Константа с фундаментальна для теории относительности. Всегда, когда описываются физические явления, при которых действуют скорости, близкие к ней, необходимо учитывать теорию относительности. Особенно это касается электромагнитных колебаний, одним из которых является свет и которые привели Эйнштейна к созданию его теории.
В 1915 г. Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, в отличие от специальной, включала гравитацию, т. е. взаимное притяжение всех тел, обладающих массой. Специальная теория была подтверждена множеством экспериментов, а общая еще не нашла окончательного подтверждения[51]. И все же это наиболее широко признанная, последовательная и изящная теорией гравитации, которая часто применяется в астрофизике и космологии, а также для описания Вселенной в целом.
Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна «искривлять» время и пространство. В искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двумерная евклидова геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат так: отложить метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. А на поверхности шара эти правила не действуют (рис. 4). Теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство искривляется под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.
Рис. 4. Изображение квадрата на плоскости и на шаре
Пространство вокруг таких тел — планет, звезд и т. д. — искривлено, а степень искривления зависит от массы тела. Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества воздействует и на время. Поэтому в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, а понятие «пустого пространства» теряет смысл.
Классическая же физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня возможен, но лишь по отношению к так называемой зоне средних измерений, т. е. в области нашего повседневного опыта, где классическая физика по-прежнему полезна. Оба представления — о пустом пространстве и твердых материальных телах — настолько укоренились в нашем мышлении, что нам трудно представить себе физическую реальность, где они неприменимы. И всё же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас мыслить иначе. Выражение «пустое пространство» утратило смысл в астрофизике и космологии — науках о Вселенной, а понятие твердого тела было уничтожено атомной физикой — наукой о бесконечно малом.
В начале XX в. было обнаружено несколько явлений, связанных со структурой атома и необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей — нового вида излучения, быстро нашедшего применение в медицине. Но это не единственный вид излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны и другие, испускаемые атомами радиоактивных веществ. Явление радиоактивности дало доказательства составной природы атомов, продемонстрировав, что те не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы других элементов.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для глубокого проникновения в тайны природы, что было невозможно ранее. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд[52] обнаружил, что альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутренней структуры атома. Атомы подвергались обстрелу альфа-частицами, а по траекториям их «отскока» после столкновения можно было делать выводы о том, как устроен атом.
В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц ученые увидели невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Они были привязаны к ядрам электрической силой. Непросто представить себе микроскопические атомы — настолько далеки они от наших обычных макроскопических представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представьте апельсин, увеличенный до размеров земного шара. Тогда атомы увеличились бы до размеров вишен. Мириады соприкасающихся вишен, упакованные в шар размером с Землю, — такова увеличенная картина атомов, из которых состоит апельсин.
Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но гораздо больше ядра, находящегося в его центре. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Чтобы лицезреть его, нам нужно было бы увеличить атом до размеров купола собора Святого Петра в Риме. Тогда ядро было бы величиной с крупицу соли, а электроны — с пылинки.
Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что химические свойства элемента зависят от числа электронов. Сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу химических элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, а также соответствующее число электронов к «оболочке». Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, и вся химия сегодня может быть представлена на основе законов атомной физики.