Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Последующие шесть лет принесли Гофштадтеру новые успехи: керн был обнаружен и в нейтронах. А в 1961 году все эти работы отмечены высшей наградой Шведской академии наук — Нобелевской премией.

Так был сделан как бы еще один — четвертый — шаг в глубь материи, в область, ограниченную размером 10-14 сантиметра.

Обозревая пройденные ступени, легко впасть в тот же грех примитивизма, который даже умных людей заставлял подозревать, что на Солнце и на электронах живут разумные существа. «Ага, — могут сказать иные, — дальнейший прогресс физики микрочастиц предельно ясен. За четвертой ступенькой начнется пятая — внутри керна обнаружат какую-то еще меньшую сердцевину; потом шаг шестой — находка сердцевины сердцевины керна; и так далее без конца…»

В действительности все гораздо сложнее.

Существуют определенные свидетельства тому, что дальнейшее дробление вещества на части становится невозможным и практически и теоретически. Более глубокое «упрощение» материи если и возможно, то уже не в результате уменьшения размеров. Гениальная догадка В. И. Ленина о неисчерпаемости материи в наши дни у физиков вызывает совсем не геометрические ассоциации.

Мы не будем подробнее говорить об этом. Скажем лишь, что «масштабный эффект» может проявить себя и не при резких изменениях размеров. Эффекты теории относительности, например, проявляют себя лишь при очень высоких скоростях (приближающихся к скорости света, то есть к 300 тысячам км/сек), а также при очень больших массах. Размеры тел для теории относительности совершенно безразличны: ее законы применимы к электронам в той же степени, как и к звездам-гигантам.

Масштабные эффекты для тел очень маленьких размеров интересуют в первую очередь раздел современной физики, называющийся квантовой механикой.

Но прежде чем говорить о квантовой механике, нам надо поговорить о другом разделе физики: о мерах, точнее, об учении о мерах, или о метрологии (от греческих «метрон» — «мера» и «логос» — «слово», «мысль», «понятие»). Ведь чем тоньше мир, тем, чтобы его познать, человеку трудней его измерить. А измерять его тем более необходимо, что он далек от обычной человеческой жизни. Так легко неверно его представить («по-своему» — антропоморфно). В тонких областях материи измерения играют особенно большую роль.

Три бесконечности учения о мерах

Старинная арабская миля равна 4000 локтей, локоть — 8 кулакам, кулак — 4 пальцам, палец — 6 ячменным зернам, толщина ячменного зерна — ушестеренной толщине волоса с ослиной морды. Измерения показывают, что толщина волоса с ослиной морды равна примерно 0,4 мм.

Какими приблизительными мерками пользовались люди в прошлые времена! И видно, особых неудобств от этого не испытывали.

Технический прогресс и проникновение науки в прежде недоступные области природы потребовали увеличить точность измерений. Так как к тому же возникла необходимость устранить путаницу при переводе мер, принятых в одной части света, в меры, принятые в другой части света (и тем, в частности, положить конец хаосу в международной торговле, вызываемому использованием различных систем мер), то поступили так: в 1875 году созвали международную конференцию по введению единых мер и весов. На конференции присутствовали представители тридцати различных стран, в том числе — представители России.

Эталоном массы приняли, как мы уже говорили, килограмм, а за эталон длины договорились принять метр — одну сорокамиллионную часть парижского меридиана. Изготовили высоконадежный платиново-иридиевый сплав, понаделали из него брусков и на каждом штрихами отложили метр. Потом по жребию разыграли эти ценные бруски, кому какой достанется. Россия получила копию метра № 28.

Шло время, двигались вперед наука, техника и экономика, и вот ученые пришли к выводу, что принятый ими эталон длины недостаточно точен. В 1960 году на 11 генеральной конференции по мерам и весам было принято решение определять меры длины по оранжевой линии изотопа (разновидности) криптона.

В СССР и других странах появился новый эталон длины — «световой метр», — куда более точный, чем метр из драгоценного металла. Точность измерений длины повысилась в десять раз.

Уже из этого примера видна «первая бесконечность», к которой стремится метрология — наука о мерах: бесконечное увеличение точности измерений.

«Вторая бесконечность» метрологии — это возрастание значения точных измерений для людей.

Сотрудники научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева в Ленинграде убеждены, что их наука — самая необходимая людям, что без нее человечество станет беспомощным, как малое дитя. Понять ленинградцев можно. Из-за отсутствия точных измерений в машины, сооружения, механизмы закладываются лишние материалы, не оправданные соображениями прочности, бесполезно тратятся многие тонны дорогих материалов.

Ленинградцы подсчитали, что внедрение новейших методов измерения длины, разработанных в их институте, даст только на предприятиях страны, создающих точные станки, 26 миллионов рублей годовой экономии.

«Третья бесконечность», к которой будет, возможно, вечно тянуться метрология, — это безграничное увеличение перечня измеряемых величин.

В 1970 году на Земле насчитывалось примерно 250 эталонов. Это значит, что столько к этому времени имелось единиц меры, сравнивая с которой неизвестную величину, эту, последнюю, можно измерять, превращать в известную.

А разве количество таких единиц меры может когда-нибудь установиться окончательно?

Только сравнительно недавно люди научились объективно оценивать цвет. Не за горами время, когда нам придется (и мы этому научимся) измерять вкусы, запахи и многое, многое другое.

В мире квантов

26 февраля 1888 года в лаборатории Московского университета произошло событие большой важности: профессор Александр Григорьевич Столетов направил луч света на металлическую пластинку, которой оканчивалась незамкнутая электрическая цепь, и вдруг с изумлением увидел, что цепь замкнулась: прибор показал наличие тока. Свет породил электричество!

Это было загадочно и непонятно. Какая существует связь между двумя столь разнородными, с точки зрения науки того времени, областями явлений, как оптика и электричество? Почему возникает ток?

Тогда на этот вопрос ни один человек в мире не мог бы дать удовлетворительного ответа: никто не знал, что электрический ток есть эффект движения электронов (сами электроны были открыты только после смерти Столетова), а если бы это и знали, то как объяснили бы, что свет может выбивать электроны?

Выбить нечто из недр вещества можно лишь, если обстрелять его какими-то частицами-«пульками», достаточно мелкими, чтобы проникнуть в плотную среду, и достаточно энергичными, чтобы произвести там изменения. Правда, если электроны находятся в избытке на поверхности металлической пластинки, то выбить их может и падающая на эту поверхность волна. Но это представление совершенно несовместимо с количественными законами открытого Столетовым явления, и, значит, волной нельзя объяснить столетовского эффекта.

Когда-то свет считали волнами в чистом виде. Полагали, что свет есть волнообразное явление, протекающее в некой среде — эфире. Физический же объект, обладающий свойствами волны, как думали прежде, не может одновременно обладать и корпускулярными, иначе говоря — вещественными, свойствами, свойствами частиц вещества. Такие свойства, как говорят ученые, комплементарны, то есть дополнительны друг к другу и взаимно исключают одно другое. В мире привычных масштабов летящий снаряд — только тело, корпускула, и не может быть волной; производимый им в воздухе процесс — только волна, которая, наоборот, не может быть корпускулой. Поэтому по аналогии считали, что и свет, бесспорно обладая волновыми свойствами, не мог одновременно состоять из частиц.

Но почему же все-таки в опыте Столетова появлялся ток?

17 мая 1899 года другой профессор Московского университета, Петр Николаевич Лебедев, сделал сообщение в Лозанне (Швейцария) о результатах своих первых исследований давления света. Тонкими и изящными опытами он доказал существование светового давления, теоретически предсказанного англичанином Джемсом Максвеллом, и даже вычислил его величину, несмотря на ее ничтожно малое значение: 0,00038 грамма на квадратный метр черной поверхности. Этим он наглядно доказал материальность света.

Быть может, открытие Лебедева объясняло загадку Столетова? Нет, давление могут производить и волны; поэтому наличие его еще не давало убедительного доказательства существования у света корпускулярных свойств.