Но и против волновой теории имелись возражения. Как известно, волны обтекают препятствия, а луч света, распространяясь по прямой линии, обтекать препятствия не может. Если на пути луча поместить непрозрачное тело с резкой границей, то его тень будет иметь резкую границу. Однако при более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаружилось, что на границах резких теней можно разглядеть участки освещенности, которые выглядят, как перемежающиеся светлые и темные полоски. Это явление было названо дифракцией света (лат. diffractus – разломанный, или рассеянный, разбросанный). Оно показало, что свет все же огибает препятствия, как и водяные волны, хотя мы этого не можем наблюдать невооруженным глазом. Открытие дифракции подтвердило идею Гюйгенса о том, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу. Однако авторитет Ньютона был настолько велик, что его корпускулярная теория все же стала господствующей даже несмотря на ее малые возможности что-либо объяснить относительно света. В науке, как и в любом другом виде духовной деятельности, все новое не сразу заменяет собой старое каким бы хорошим это новое ни было. Более того, если одни идеи высказал авторитетный (то есть – всем известный и всеми уважаемый) человек, а другие, которые намного лучше первых, высказал какой-нибудь неизвестный деятель, как правило, все доверяют более первому, чем второму.
Волновая теория света была выдвинута вновь в 19 веке английским ученым Томасом Юнгом. Он дал объяснение явлению, при котором свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Это явление было названо интерференцией света (лат. inter – между и ferens – переносящий). Оно заключается в том, что при наложении друг на друга двух волн таким образом, что гребень одной из них совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга. Вот почему при добавлении света к свету может возникать темнота. Интерференция подтвердила волновую теорию света.
Другой областью природы, где механистическое объяснение оказалось неэффективным, было электричество или – область электромагнитных явлений.
Задолго до появления классического естествознания люди заметили, что некоторые тела (например, кусочки янтаря), потертые о шерсть, временно способны притягивать к себе мелкие предметы, т. е. в течение некоторого срока обладают магнитными свойствами. Позже такие тела стали называть электрически заряженными, или наэлектризованными. Наверняка каждый в школьные годы, во время скучных уроков, развлекал себя любопытным экспериментом: когда к мелким кусочкам бумаги, лежащим на парте, подносится пластмассовая линейка, предварительно потертая об волосы (наэлектризованная), то происходит нечто удивительное – маленькие бумажки, как живые, подпрыгивают и налепляются на линейку.
Магнитную способность электрически заряженных тел невозможно объяснить механистически, ведь взаимодействие между наэлектризованным телом и мелкими предметами происходит через пустое (!) пространство, а механическое взаимодействие обязательно предполагает какой-то непосредственный контакт между объектами. Таким образом, вокруг физических тел, находящихся в электрическом состоянии существует особая среда, которую невозможно наблюдать зрительно или воспринимать с помощью осязания или других органов чувств, но которая фиксируется приборами и имеет определенные физические свойства. Причем эту среду никак нельзя назвать веществом. Она была названа полем или, правильнее, – электромагнитным полем. Английский ученый 19 века Майкл Фарадей предположил, что электричество и свет, одинаково не поддающиеся механистическому объяснению, возможно, имеют единую физическую природу: свет – это не что иное, как разновидность электромагнитного поля, а вернее, – его колебания. Или, говоря иначе, свет – это колебания (волны) не частиц вещества (корпускул), а особой невещественной (то есть – в которой нет никакого вещества) физической среды – поля
Это предположение было теоретически обосновано в 60-е гг. 19 в. английским ученым Джеймсом Максвеллом и экспериментально подтверждено в 80-е гг. 19 в. немецким ученым Генрихом Герцем. Раньше и в науке, и в философии считалось, что материя – это вещество в различных его состояниях, что материя – это тела и частицы. В 19 веке было установлено, что материя – это не только вещество, а вернее, – что она может существовать не только в виде вещества, но еще – и в виде поля. Вещество и поле, таким образом, – это две различные формы материи. К такому выводу подошло классическое естествознание в эпоху своего расцвета. Оно также установило основные различия между ними.
1. Вещество – обладает корпускулярной природой, а поле – волновой, то есть вещество состоит из частиц (или тел) и поэтому прерывно (в нем есть промежутки или пустоты), а поле не из каких частиц не состоит и поэтому непрерывно.
2. Вещество обладает массой, а поле невесомо.
3. Вещество мало проницаемо (можно, напеример, пройти сквозь пар, но труднее пройти сквозь воду и совсем невозможно – сквозь каменную стену), а поле, наоборот, проницаемо полностью (оно повсюду нас окружает, а мы даже не замечаем его существования).
4. Скорость распространения поля равна скорости света – это самая большая из всех известных и возможных скоростей (300000 километров в секунду), а скорость движения частиц вещества в сотни раз меньше.
В 19 веке считалось, что вещество и поле – это два противоположных или взаимоисключающих вида материи. Однако в результате крупных открытий в физике в конце позапрошлого и начале прошлого столетий обнаружилось, что физический мир един, и нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, – волновыми. Эту удивительную особенность материи назвали корпускулярно-волновым дуализмом.
Термин дуализм происходит от латинского слова duo – два и обозначает одновременное наличие у чего-либо двух, как правило, противоположных и вроде бы несовместимых качеств.
Для пояснения приведем пример: человек – это единое существо, но у него есть физическое тело или организм, как у любого животного, но также есть то, что мы часто называем душой (независимо от того, верим мы в существование бессмертной души или нет), то есть – психика, или разум, или мышление, или духовный мир. Физическое тело и мыслящий разум – это совершенно различные и даже противоположные объекты, однако человек невозможен без одновременного наличия того и другого. Следовательно, мы можем сказать, что он характеризуется дуальностью или – дуализмом тела и разума. Так и материя, по современным представлениям, характеризуется дуализмом корпускулярной и волновой природы. Однако в макромире волновые свойства, или проявления ничтожно малы, в силу чего их возможно не принимать в расчет, рассматривая макротела как объекты корпускулярной природы. Зато в микромире волновые свойства объектов становятся вполне сопоставимыми с их корпускулярными свойствами, т. е. корпускулярно-волновой дуализм, которым, в принципе, характеризуется материя, в полной мере проявляется только в микромире.
3. Первые модели атома
До конца 19 века в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц – молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из еще более мелких частиц – атомов. Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы, считалось в науке прошлых столетий, – это последний предел делимости вещества. Они представляют собой простейшие, мельчайшие и неделимые частицы, которые лежат в основе любого физического тела. Кроме того, если они неделимы, значит также постоянны и неизменны. Само вещество может меняться или превращаться как угодно благодаря всевозможным атомным взаимодействиям. Сами же атомы пребывают всегда в одном и том же состоянии. Будучи неделимой вечной мировой основой, они не могут распадаться на части, рождаться, исчезать, переходить в другие формы и т. д. Слово «атом», которое переводится с греческого как неделимый, было впервые употреблено древним философом Демокритом. Его идеи об атомах как последнем пределе вещества с небольшими изменениями существовали более двух тысяч лет. Они легли в основу механицизма классического естествознания, были в нем развиты и продолжены. В конце 19 века эти представления доживали свои последние дни. Открытия в физике, сделанные на рубеже 19 и 20 столетий разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.
В самом конце 19 века английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нем существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро – положительно заряженная частица, размер которой (10–12 см или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см или одна десятимиллионная часть миллиметра). Ядро меньше атома в 10 000 раз, но в нем почти полностью сосредоточена вся атомная масса. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других в результате ядерных излучений. Это явление, впервые открытое французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получило название радиоактивности (лат. radiare – испускать лучи и activus – деятельный).
Эти открытия убедительно показали, что атомы – это не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определенное устройство. Одним из первых попытался выяснить строение атома Томсон. С его точки зрения атом представляет собой положительно заряженную массу, в которую вкраплены электроны, подобно тому, как изюм вкраплен в булку. Причем положительный заряд атома равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, в силу чего атом электрически нейтрален. Здесь необходимо сказать, что поскольку атом вследствие своих малых размеров (приблизительно одна десятимиллионная часть миллиметра) недоступен никакому непосредственному наблюдению (даже с помощью сложнейших приборов), то о его устройстве можно говорить только умозрительно. Умозрительная картина или модель атома, описывающая его структуру (строение), предложенная Томсоном, стала условно называться «булка с изюмом».