Айзек Азимов - О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики
Какова же точная величина h? Планк выяснил, что она чрезвычайно мала: 0,0000000000000000000000000066256 эрг-сек, или 6,6256 х 10-27 эрг-сек.
Попробую продемонстрировать более наглядно, насколько она мала. Человеческое тело в среднем потребляет и расходует 2500 ккал в день. 2500 ккал = 2 500 000 кал.
Поэтому для человека 1 калория — величина очень маленькая, равная 1/2 500 000 дневных запасов каждого из нас. Это количество энергии, содержащееся в 1/113 000 унции сахара.
А теперь представьте, что перед вами книга весом 1 фунт. Вам необходимо поднять ее и поставить па полку, находящуюся на высоте 3 фута от пола. Для этого потребуется затратить энергию, равную приблизительно 1 калории.
Представьте, что величина постоянной Планка была бы другого порядка — например, 1 кал-сек. Тогда наша Вселенная стала бы воистину странным местом. Для того чтобы поднять книгу, вам пришлось бы ждать, пока будет накоплено достаточное количество энергии для создания кванта гигантских размеров, необходимого для столь масштабного действия. Когда же энергия накопится, книга внезапно окажется в грех футах от пола.
1 кал-сек = 41 850 000 эрг-сек, и, поскольку постоянная Планка составляют ничтожную долю одной эрг-секунды,
1 кал-сек = 6 385 400 000 000 000 000 000 000 000 000 000 h = 6,3854 х 1033 h. Иначе говоря, в 1 калории-секунде содержится невероятное количество постоянных Планка.
Следовательно, любое действие, и такое, как подъем 1-фунтовой книги, выполняется при помощи бесчисленного количества шажков. Но они такие маленькие, что все движение неотличимо от беспрерывного скольжения.
Когда Планк в 1900 году впервые представил общественности свою квантовую теорию, она почти не вызвала к себе интереса. Квант был воспринят как понятие придуманное, так сказать, возникшее из воздуха. Даже сам Планк пребывал в сомнении, но не но поводу формулы, описывающей излучение черного тела, которая отлично работала. Он сомневался в своем детище — кванте, эту формулу объяснявшем.
А затем наступил 1905 год, и 26-летний физик-теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал сразу пять научных работ, каждой из которых было достаточно, чтобы завоевать ему славу звезды первой величины на небосводе физической науки.
В двух работах он разработал теоретические основы «броуновского движения» и случайно создал механизм определения действительных размеров атомов.
Третья работа была посвящена «фотоэлектрическому эффекту». В ней было ясно показано, что, хотя классическая физика не в состоянии его объяснить, с этим делом прекрасно справляется квантовая теория Планка.
Последнее вызвало откровенное недоумение в среде физиков. Планк ввел понятие кванта исключительно для того, чтобы описать излучение абсолютно черного тела, а оказалось, что его теория заодно объясняет и фотоэлектрический эффект, то есть нечто совершенно другое! А раз кванты оказались уместны в двух различных областях, вполне вероятно, что они действительно существуют.
(Четвертая и пятая работы Эйнштейна предлагали новый взгляд на Вселенную, который мы теперь называем «Специальной теорией относительности». Именно в них он впервые привел формулу e = mc2. См. главу 13.)
Работы по относительности были продолжены, и в 1915 году появилась общая теория относительности, благодаря которой имя Эйнштейна известно далеко за пределами мира физики. Забавно, но Нобелевской премии (которую ученый получил в 1921 году) он был удостоен не за теорию относительности, а за работы но фотоэлектрическому эффекту.
Величина h настолько мала, что в повседневной жизни мы вполне можем ею пренебречь. В масштабных событиях, происходящих ежедневно, потоки энергии могут считаться непрерывными. В первом приближении.
Однако, если мы имеем дело с небольшими изменениями энергии, квантовые шаги, посредством которых эти изменения происходят, становятся больше. Так, лестница, состоящая из ступенек высотой 1 мм и глубиной 3 мм, для человека ростом (1 футов покажется просто шероховатой наклонной плоскостью. А если человек имеет рост муравья, каждая из этих ступенек станет для него серьезным препятствием, на преодоление которого потребуется затратить изрядное усилие. А для человека, уменьшившегося до размеров бактерии, они станут непреодолимыми горами.
Точно так же, когда мы пытаемся проникнуть во внутренний мир атома, квантовые ступеньки становятся гигантскими. Об атомной физике невозможно говорить в терминах физики классической. Даже в первом приближении.
Первым ученым, осознавшим это, был датский физик Нильс Бор. В 1913 году Бор доказал, что, если электрон поглощает энергию, он должен поглотить сразу целый квант, причем для электрона квант это много. Поэтому после этого он резко меняет свое отношение к остальной части атома.
Бор изобразил электрон вращающимся вокруг атомного ядра но фиксированной орбите. Поглотив квант энергии, он неожиданно оказывается на орбите, расположенной дальше от ядра, причем это перемещение рядовое, без промежуточных этапов.
Поскольку, по Бору, электрон мог двигаться только но определенным орбитам, атом мог поглотить только кванты определенного размера, достаточно большие, чтобы электрон переместился с одной допустимой орбиты па другую. Если же электроны перемещаются в обратном направлении, они излучают энергию квантами. Причем частота излучения определяется размером кванта, который испускается при переходе электрона с одной орбиты на другую.
Так получила разумное объяснение паука спектроскопия. Люди начали понимать, почему каждый элемент (состоящий из атомов одного типа, имеющих один тип энергетических взаимоотношений между электронами этого атома) испускает излучение только определенных частот, будучи раскаленным. Они также поняли, почему вещество, способное поглощать излучение определенных частот, может также испускать излучение тех же частот при других условиях.
Короче говоря, Кирхгоф затронул проблему, но его эмпирические выводы получили теоретическое объяснение много позже.
Первая модель атома, предложенная Бором, была очень простой. Но он не прекращал своих исследований, которые позже были продолжены его последователями, и постепенно представление об атоме менялось, модель также становилась более сложной. Появилась возможность точнее объяснить данные, полученные опытным путем. В 1926 году австриец Эрвин Шредингер создал математический аппарат, способный описать. движение частиц внутри атома на основе квантовой теории. Его работа получила название квантовой механики, в противоположность существовавшей классической механике, основанной на трех законах Ньютона. Именно квантовая механика является основой современной физики.
Глава 15 ПРИВЕТСТВУЮ ТЕБЯ, НЕЗНАКОМЕЦ
В науке, как и везде, существует мода. Проведите необыкновенно успешный эксперимент, и у вас появится дюжина подражателей раньше, чем вы успеете об этом подумать.
Взять хотя бы химический элемент ксенон, открытый в 1898 году Уильямом Рамзаем и Моррисом Уильямом Траверсом. Как и другие элементы этой группы, он был изолирован от жидкого воздуха. О присутствии этих элементов в воздухе никто не подозревал на протяжении века, в течение которого велось активное исследование химического состава воздуха. Исследователи были немало удивлены, обнаружив странного незнакомца. Кстати, название ксенон произошло от греческого слова странный, не знакомый.
Ксенон принадлежит к группе элементов, называемых инертными газами (по причине их химической инертности). Их также называют редкими газами (они редко встречаются) или благородными газами (обособленное положение, которое они занимают по причине своей химической инертности, может показаться признаком особой значительности).
Ксенон — самый редкий из стабильных инертных газов и самый редкий из всех устойчивых химических элементов на Земле. Ксенон встречается только в атмосфере, где составляет 5,3 весовых единиц на миллион. Наша атмосфера весит 5 500 000 000 000 000 (5,5 квадриллионов) тонн, — это означает, что запас ксенона на планете 30 000 000 000 (30 миллиардов) тонн. На первый взгляд это много, но выделить атомы ксенона из огромного количества остальных составляющих частей атмосферы — весьма сложная задача. Поэтому ксенон не является обычным элементом и никогда таким не станет.
Да и в химических лабораториях ксенон вовсе не популярен. Его химические и физические свойства были определены, но что с ними делать дальше? Уже будучи открытым, ксенон долгое время оставался чужаком в семье химических элементов.
Но затем в 1962 году было объявлено о проведении необычного эксперимента с участием ксенона. И с тех пор ни одни из номеров специальных химических журналов не обходится без статей о ксеноне.
Что же произошло?
Вы ждете быстрого и краткого ответа? Тогда вы плохо меня знаете. Я, как всегда, выберу свой любимый кружной путь и начну с того, что ксенон является газом.
