Приключения великих уравнений - Карцев Владимир Петрович (читаем книги онлайн бесплатно без регистрации txt) 📗
Модель понравилась всем. Но Лоренцу она понравиться не могла. Ведь с появлением этой модели атома любимое детище Лоренца — его электронная теория — должна была неминуемо погибнуть.
Электрон, вращающийся вокруг ядра, излучает электромагнитные волны. Теряет энергию. Меньше осталось энергии — меньше радиус орбиты. Излучение продолжается. Энергии еще меньше. Радиус все уменьшается.
Электрон падает на ядро.
Модель атома Резерфорда невозможна!
Если права электронная теория, невозможна.
Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому. И новую горечь сердцу Лоренца.
Драму разделяли многие. С одной стороны, электронная теория существует и хорошо соответствует почти всем наблюдаемым фактам. С другой стороны, существует невозможный по электронной теории атом Резерфорда.
Как примирить электронную теорию с атомом Резерфорда?
Свела концы с концами модель атома Бора. Бору было 25 лет. Он был неизвестен, ничем ранее не прославлен.
Но он был учеником Резерфорда. Решение его было лобовое. Раз атом Резерфорда существует, значит, электроны, кружась вокруг ядра, энергии не излучают! Но это происходит не на любой орбите. Есть орбиты привилегированные — на них излучения нет. Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон в соответствии с теорией Лоренца излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами. Это, впрочем, уже не удивляло. Если заряд может изменяться лишь порциями, почему не может меняться порциями и энергия?
Модель атома Бора сразу же укрепилась — исследования показали, что радиусы орбит в атомах строго совпадают с предсказаниями на основе боровских представлений.
Но модель атома Бора была, конечно, монстром — над стройным телом классически прекрасной электронной теории высилась абстрактная голова квантовых скачков.
Этот монстр существует до сих пор, хотя всем ясно, что его должно сменить нечто более гармоничное. Ведь, сказав «квант», «устойчивая орбита», мы не приблизились к решению проблемы.
А почему квант?
А почему устойчивая орбита?
Почему нельзя в соответствии с новыми теориями узнать, где находится электрон, если известна его скорость, и наоборот?
Каковы размеры электрона? Подсчитано, что он во всяком случае в миллион раз меньше атома. Может быть, он — точка, вовсе не имеет размеров? Определенно ист. Тогда его энергия была бы бесконечно большой, что абсурдно.
Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой — что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает.
«Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?»
* * *
Жолио-Кюри как-то заметил: «Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии». Это полностью относится к эксперименту Майкельсона, не подтвердившему взглядов Лоренца, но явившемуся толчком к созданию теории относительности. За свой эксперимент Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике.
* * *
Его последние годы были отравлены противоречиями, которые, как ему казалось, были неразрешимы. Беседуя с известным советским физиком А. Ф. Иоффе, он мрачно сказал:
«Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным».
К тому же — злополучный ветер. Эфирный ветер.
У Лоренца эфир был неподвижен. Когда тело двигалось, на его поверхности должен был ощущаться эфирный ветер. Например, на поверхности Земли этот ветер должен быть просто ураганной силы — известно, что Земля путешествует в мировом пространстве с громадной скоростью!
А если так, то электронную теорию Лоренца можно проверить экспериментально.
Это сделал в 1880 году двадцативосьмилетний преподаватель военной академии в Аннаполисе (США) черноволосый красавец Альберт Майкельсон. Он изобрел простой прибор — интерферометр, с помощью которого на базе тонких оптических явлений можно было очень точно измерить скорость света. Майкельсон решил проверить на своем десятидолларовом приборе правильность идеи о неподвижном эфире.
Он послал один луч света в направлении движения Земли, другой — под прямым углом к нему. Пробежав равное расстояние, лучи должны были вернуться. Если бы движения Земли в эфире не существовало, лучи должны были бы прийти обратно в одно и то же время.
Если же луч, посланный в направлении движения Земли, придет позже, то гипотеза неподвижного эфира верна.
Результат, опубликованный в 1881 году, был отрицателен: никакой разницы между скоростью лучей обнаружено не было. Это был, как выразился Джон Бернал, «величайший из всех отрицательных результатов в истории физики».
Лоренц сразу же усмотрел в эксперименте Майкельсона бомбу с тикающим часовым механизмом, способную в любой момент разнести на атомы ставшую классической электронную теорию. Другие физики тоже скоро это поняли и всеми силами старались совместить отрицательный результат эксперимента с «эфирным ветром».
Сразу же родилась гипотеза «частичного увлечения» эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней «эфирным хвостом», то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение ее и эфира заметить невозможно. Такие же «эфирные хвостики» приличествующего размера волочатся за любым телом.
К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Во-первых, эфир, так сказать, «разжижался» — нечто твердое, как сталь, превращалось в нечто, подобное студню. Сразу же возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Кроме того, в качестве заплат нужно было бы придумывать новые теории, объясняющие, как происходят явления в эфире неподвижном, увлеченном и частично увлеченном.
Эта теория явно уводила в сторону. А другая теория была совершенно безумной. Ее придерживался английский физик Фитцджеральд. Он был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно — всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах метры, линейки, эталоны. Каждый «бывший» сантиметр становится немного короче. Претерпевала деформацию и шкала прибора Майкельсона. Поэтому-то с его помощью и не удалось заметить движения относительно эфира.
Лоренц заинтересовался теорией — она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый «парадокс близнецов», заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности, — один из братьев, отправившийся путешествовать чуть не со световой скоростью, быстро вернувшись, застает брата дряхлым стариком!)
Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых «преобразованиях Лоренца».
Он не мог представить себе, что все «эфирные загадки», которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Дело в том, что лучшим способом избавиться от них был «способ колумбова яйца» — нужно было совсем отказаться от эфира.
Это смог сделать лишь Эйнштейн. Но здесь начинается уже отдельная громадная тема, выходящая за рамки книги.
Из противоречий электронной теории Лоренца родилась теория относительности Эйнштейна. Перестройка в знаниях произошла очень быстро — со времени открытия электромагнитных волн прошло всего 20 лет.
