Непрекъсната и атомна структура на материята
"Непрекъсната и атомна структура на материята"
Историята на въпроса за структурата на материята е една от най-ярките илюстрации на марксистката концепция за науката.
Какъв е първообразът на материята: вода или пясък? Ето как поставят въпроса гръцките мислители. Когато разглеждаме стъклото, камъка, метала, те ни се струват напълно запълващи обема, който заемат. Взаимната непроницаемост, хомогенност, непрекъснатост са основните свойства на тази част от пространството, която е заета от материя. Непрекъснатостта на материята е първоначалният принцип за разбиране на света. Върху него е изграден и математическият анализ на природните явления – диференциалното смятане. Хидродинамиката и теорията на еластичността, разработени през 18-ти и 19-ти век, дадоха хармонична теория за непрекъснатостта на твърдите и течните тела. Въз основа на техния модел е изградена теорията на звука, светлината и електромагнитните вълни, теорията на електричеството и магнетизма. До края на XIX век. физиката на материята и физиката на етера бяха представени като теории, описващи непрекъснато запълнено пространство, способно да се свива на някои места и да се разширява на други, предизвиквайки движението и взаимодействието на отделните му части. Идеята за приемственост и еволюция намери израз в добре известната поговорка: „Природата не познава скокове“.
Останаха обаче области, където упорито се поддържаха атомните идеи - това е учението за газовете и химията. Бернули и Ломоносов през 18 век. обясни, въз основа на концепцията за газа като набор от движещи се частици, основните закони за влиянието на налягането и температурата върху обема на газа.
Всъщност, за разлика от твърдите тела, газовете показват най-голяма взаимна пропускливост, делимост, непонятна в рамките на концепцията за непрекъснатост на материята. През втората половина на 19 век кинетичната теориягазовете е широко разработен в трудовете на Максуел и Болцман, но не е оказал голямо влияние върху физиката като цяло. Тук едно еластично твърдо тяло и феноменологична енергия доминираха до такава степен, че „най-последователният представител на атомизма, Болцман, в пристъп на меланхолия се обеси през 1906 г., когато идеите му вече бяха близо до победа.
Първата четвърт на 20-ти век, напротив, е ерата на неразделното господство на атомизма. Теорията на Айнщайн за Брауновото движение през 1905 г. и нейното блестящо потвърждение от Перин през 1907 г., откритието през 1895 г. на рентгеновите лъчи, което привлече вниманието към преминаването на електричество през разредени газове поради движението на електрони и йони, електролиза, радиоактивни лъчи - всичко това даде толкова много доказателства за атомната природа на материята, че нямаше съмнение за нейната грануларност. Радиоактивното вещество излъчва алфа частици, всяка от които можем да маркираме по светкавицата, която предизвиква, когато удари флуоресцентен екран, по разряда, причинен в брояча на Гайгер, по следите от водни капчици, които оставя, когато преминава през газ, пренаситен с водна пара. Същите алфа частици, преминавайки през тънкото стъкло на запечатана тръба, създават газ в нея - хелий, който е известен както в течно, така и в твърдо състояние. Все още ли е възможно да се съмняваме, че този хелий се състои от онези частици-атоми, от които е получен, или че радиоактивното вещество съдържа частиците, които излъчва? Всички показания са съгласни: повече от 20 начина за определяне на броя на атомите в едно тяло водят до едни и същи резултати - има 2,7 10 19 молекули в 1 cm 3 въздух при нормално налягане.
През 1912 г. откритието на Лауе завършва окончателната победа на атомизма. В типично твърдо тяло - кристал - открити рентгенови лъчипериодична атомна структура. Вече не само знаем колко атома има в тялото, но и директно виждаме тяхното разположение. И така, всички тела са изградени от атоми.
Един електрон трябва да има размер от порядъка на 2 10 -13 cm, а ядрата на различни атоми - от 10 -13 за водорода до 10 -12 за по-тежките елементи. Целият атом като цяло има размери около 10 -8 см. Ядрото и няколко десетки електрони около него заемат само незначителни части от обема, предоставен на атома - 10 -5 части по размер и 10 -15 по обем. И така, атомът е празнота, в която малки частици се движат на огромни разстояния. Чистият планински въздух е много по-наситен с твърди прахови частици, отколкото най-плътното тяло с материя - ядра и електрони.
Изглеждаше, че атомизмът най-накрая победи. Приемствеността произтичаше от грубостта на нашите методи за наблюдение на природата. По-фините инструменти за измерване разбиват твърдо тяло на атоми, а атомите на електрони и протони, свързани помежду си само чрез силови полета и динамични взаимодействия. Всеки синтез на непрекъснатост и прекъсване, съчетаването на тези две концепции за материята изглеждаше невъзможно, тъй като преди това, въз основа на теорията на Максуел, изглеждаше, че теорията за непрекъснатото електромагнитно поле е окончателно установена. И все пак през последните 5 години вълновата теория на материята и квантовата механика стигнаха до истински синтез. Твърдите граници на електронната топка изчезнаха: електронът, подобно на протона, се разми в пулсираща безформена маса, която непрекъснато изчезваше. Острата индивидуалност на всеки електрон беше заменена от разглеждането на атомна система или дори на цял кристал като цяло. Невъзможно е да се проследи пътя на отделен електрон, да се определи дали той принадлежи към едно или друго атомно ядро в даден момент. В една молекула валентните електрони обграждат исвързват отделни атоми. Строго погледнато, няма празнота нито вътре в телата, нито дори между телата. От една страна, това е такава приемственост, за която не са мечтали дори по времето на гърците, стр. през 19 век. От друга страна, имаме атомна картина на света, простираща се в дълбините на атомното ядро.
Още от самото начало на 20в. обаче признаци на атомната структура на светлината започнаха да се появяват отново. Те са представени от същия Айнщайн през 1905 г. Едновременно със своята теория на относителността той лишава от реално съдържание световния етер като среда за разпространение на светлинни вълни. И тогава се опитах да създам теория за радиацията, състояща се от отделни кванти - фотони.
Обаче, както вълновата теория на светлината не можеше да обясни явленията на излъчване и абсорбция (фотоелектричен ефект, фотохимия, луминесценция), където се проявява атомарността на светлината, така и теорията на фотоните не беше в състояние да обхване разпространението на светлината (интерференция, дифракция, дисперсия). Психологически ситуацията беше различна от тази по въпроса за структурата на материята. Там беше победата на атомизма, тук - неразрешимо противоречие на противоположните свойства на светлината. Но най-дълбоките мислители, които не са свикнали с диалектическия метод на мислене, смятат това противоречие за задънена улица, за позорен провал на науката. Създателят на електронната теория Лоренц, формулирайки безнадеждността на ситуацията, може само да съжалява, че не е умрял, преди тя да бъде разкрита с пълна сила.
Междувременно отчаяният Болцман пренебрегва вече готовата победа на своите идеи. Той умира, когато квантовата теория вече се развива и през 1905 г. е открито молекулярното движение. През 1924 г., когато Лоренц смята, че теоретичната физика е в задънена улица, е представена дисертацията на де Бройл, формулираща вълновата механика, а на следващата година Хайзенберг дава нова форма на квантовата механика. Спорът ескалира дограници, доведе до синтеза на нова квантова механика, където поглъщането и излъчването на светлина в определени порции не противоречи, а напротив, следва от периодичната, вълнова природа на светлината.
Още по-забележително е, че противоречивите свойства на светлината и противоречивите свойства на материята са се слели в един общ синтез. Както движението на тялото, така и светлинният лъч бяха обяснени по същия начин в това ново разбиране. Много е щастливо, но далеч не е случайно, че опитът се доближи до теорията и я подсили. При дифракцията на електрони, протони и тежки атоми ние ясно виждаме вълновата природа на движението на материята, а в космическите лъчи атомната теория на светлината се проявява с такава яснота, че дълго време беше невъзможно дори да се намери критерий за разграничаване на потока от частици от потока на фотоните.
Едва достигнали този синтез, ние вече виждаме нови противоречия от неговата висота и вече търсим пътища към нов синтез. Тези пътища ни водят до атомното ядро - централният проблем на физиката през следващите години. Наред с това има още много работа за овладяване на постигнатия синтез, за използването му за теорията на твърдите и течни тела, за управление на хода на химичните процеси и т.н.
Поглеждайки назад, любопитно е да се отбележи, че електромагнитната теория за светлината, която представлява първата гледна точка в противоречието на непрекъснатостта и атомарността на светлината, в даден момент е била синтез, който обединява двете противоположни теории за светлината, съществували по това време. Единият твърди, че трептенията в поляризиран лъч светлина възникват в равнината на поляризация, другият вярва, че трептенията са перпендикулярни на тази равнина. Електромагнитната теория обединява тези на пръв поглед несъвместими противоречия. Трептенията на магнитния вектор лежат в равнината на поляризация, електрическият - перпендикулярно на нея. Един проблем беше разрешен, възникна нов.