Концепции современного естествознания

Нестационарная Вселенная Фридмана

Вселенная Эйнштейна была замкнутой гиперсферой - безграничной, но конечной. Безграничной в том смысле, что путешествующий в ней луч света никогда не упрётся в препятствие, но конечной, имеющей определённый размер. Но в такой Вселенной возникает общее тяготение, стремящееся собрать все массы в единую точку - проблема, которую осознал ещё Ньютон. Чтобы все массы не упали в общую кучу, Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, космологический член Л (лямбда большое). Кардинальные изменения в неё внёс Александр Фридман - советский метеоролог. Этот странный любитель работал в области космологии в 1922-1924 гг. Он указал Эйнштейну на то, что его Л-член - совершенно лишняя конструкция. Эйнштейн вынужден был признать свою ошибку - Л-член был типичной логической конструкцией ad hoc. Если Вселенной угодно падать внутрь самой себя - пусть падает. Так появилась концепция нестационарной Вселенной. Фридман рассмотрел несколько моделей нестационарной Вселенной. Модель пульсирующей Вселенной предполагает, что Вселенная равномерно расширяется под воздействием какого-то внутреннего импульса, но силы тяготения постоянно тормозят это расширение и, в конце концов, Вселенная станет сжиматься до приобретения нового импульса. Так камень, брошенный вверх, движется, постоянно теряя скорость, и начинает падать вниз. Другая модель предполагает, что несмотря на постоянное торможение гравитацией, Вселенная будет расширяться вечно. Так камень, брошенный со скоростью, превышающей вторую космическую, будет вечно терять скорость под влиянием тяготения Земли, но будет и вечно от неё удаляться. Фридман скончался от воспаления лёгких в возрасте 37 лет в 1925 г., за три года до того, как американец Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется - звёзды удаляются от нас тем быстрее, чем дальше они находятся, по закону Хаббла - V = HR, где R - расстояние до звезды, V скорость удаления звезды, H - постоянная Хаббла.

Эффект Доплера, красное смещение и доказательства расширения Вселенной

Как можно измерить расстояние до звезды и скорость её удаления? Хаббл нашёл особый класс звёзд - цефеиды. Это огромные пульсирующие звёзды, такие большие, что их можно различать даже в ближайших галактиках (доказательство факта наличия других галактик также принадлежит Хабблу). Все цефеиды светят приблизительно одинаково - как по яркости, так и по спектру излучения. Зная это, можно определить расстояние до цефеиды - чем она тусклее, тем дальше (интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния до источника). Чем быстрее удаляется звезда, тем более длинными кажутся наблюдателю электромагнитные волны, которые она излучает. Этот феномен известен также как эффект Доплера, который справедлив и для звуковых волн - визг нападающего должен быть выше, чем рёв убегающего. Самые длинные световые волны, которые различает глаз человека - красные, следовательно, чем быстрее улетает звезда, тем её свет становится краснее. Итак, по интенсивности блеска цефеид определяем расстояние до звезды, по красному смещению - её скорость и, оценив разлёт многих звёзд, сможем проследить общую закономерность расширения Вселенной. Уравнение Хаббла преподносит нам удивительный гносеологический сюрприз. Дело в том, что скорость разлёта звёзд не может превышать скорости света - а, следовательно, ограничено и расстояние до звёзд - если V=c, то R=c/H. Последнее выражение определяет так называемый ”горизонт видимости”. Сюрприз заключается в том, что познать можно только участок Вселенной, ограниченный ”горизонтом видимости”. Сама Вселенная или Метагалактика, значительно больше. Есть участки Вселенной, о которых мы никогда ничего не узнаем - световой или любой другой сигнал никогда уже не придёт оттуда, скорость разлёта участков Метагалактики не позволит ему догнать Землю. Есть нечто, о чем невозможно знать ничего, кроме того, что оно существует.

В связи с расширением Вселенной возникает вопрос: по какой модели она расширяется, каково будущее Вселенной? Полного ответа пока нет - необходимо сосчитать всю массу во Вселенной, чтобы численно определить тормозящие силы тяготения. Но большинство исследователей склоняются к мысли о том, что Вселенная будет расширяться вечно. Легче говорить о прошлом. Если мы знаем текущий объём Вселенной и закономерность её расширения, легко просчитать этот процесс назад. Тогда получится, что переместившись на 13 млрд. лет в прошлоё, обнаружим Вселенную, сжавшуюся в точку. Итак, 13 млрд. лет назад произошёл Большой Взрыв и Вселенная началась. Представить себе наблюдателя, находящегося вне Вселенной и рассматривающего её возникновение - невозможно. До Большого Взрыва не было ни пространства, ни времени, следовательно, не могло быть времени и до Взрыва. Отчего ничего взорвалось? По-правде говоря, и на этот вопрос нет удовлетворительного ответа. Физики говорят о некоей сингулярной точке, в которой находилась Вселенная в начальный момент её истории, и процессы её зарождения называют сингулярными процессами. Такое красивое слово, как сингулярность (лат. singularis - отдельный, одиночный, единственный в своем роде, исключительный) завораживает дилетантов, но говорить пока можно о доказательствах факта самого Большого Взрыва и о непроверяемых гипотезах о его причинах. Ясно одно - в начале времён Вселенная была настолько малой, что полностью управлялась квантовыми законами.

Концепция большого взрыва

Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце. В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А. Д. Линде.В 1948 г. Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность -- бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы - это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Атомизм в химии XIX в.

Атомная теория впервые возникает в Древней Греции. Её прародителями являются Левкипп и Демокрит. До нас не дошло ни строчки их трудов, известны только комментарии их учения. По этим комментариям мы знаем основной тезис первых атомистов - «нет ничего, кроме атомов и пустого пространства». «Атом» в целом - «недробимый», нечто, неподверженное дальнейшему делению. Древнегреческий атомизм на протяжении двух тысячелетий существовал без существенных изменений. Это учение не являлось каноническим, церковью не поддерживалось и не отрицалось. Новое качество и новую аргументацию атомистическое учение приобретает в XIX в. Атомизм развивали химики, а у физиков отношение к атомам было скептическим. Особенно энергично отрицали атомную структуру вещества эмпириокритики во главе с Э. Махом. Нельзя сказать, что физики были едины - в XIX в. развивалась молекулярная теория газов и создавали её такие замечательные теоретики, как Максвелл, Гиббс, Больцман. Химия как наука возникает во второй половине XVIII в. в первую очередь благодаря трудам А. Лавуазье. Основной теоретический базис, который отделил химию от алхимии - признание неизменяемости, «непревращаемости» химических элементов. Лавуазье обосновал существование 33 элементов (в их числе свет и теплород), которые, вступая в соединение друг с другом, образуют всё разнообразие природных веществ. Дальнейшее развитие химии в этом направлении шло по пути уточнения списка элементов, но без изменения концептуальной базы. В 1799 г. Пруст постулирует «Закон постоянства состава веществ» или «закон Пруста». Если в борщ положить немножко больше или немножко меньше свёклы, он останется борщом. По аналогии с этим можно ожидать, что если при образовании воды ввести больше или меньше водорода, получится вода (может быть, чуть гуще или жиже). Новорожденная химия того времени дебатировала подобные вопросы.

Но «закон Пруста» утверждает, что вода всегда одинакова и избыток водорода просто не превратится в воду. Следующим шагом, приведшим к атомному учению, был «закон кратных отношений» Дальтона (это уже самое начало XIX в.). В углекислом газе на весовую единицу углерода ровно в 2 раза больше кислорода, чем в угарном газе. Сейчас мы запишем их формулы как СО2 и СО, что означает, что с одним атомом углерода связаны, соответственно, два и один атома кислорода. Дальтон так и объяснил, почему в ряду окислов весовые соотношения меняются как целые числа - сложные вещества состоят из целого числа атомов каждого элемента. Углерод присоединяет один, два, но не «пи пополам» атомов кислорода. Итак, атомная теория из умозрительных рассуждений превращается в нечто, подтверждающееся химическими наблюдениями, и кладётся в основу теоретического аппарата химии: Дальтон публикует капитальный труд «Атомная химия». Далее Авогадро оперирует понятием «молекула». Поскольку при реакциях в газовой фазе относительные объемы исходных веществ и продуктов реакции относятся как целые числа, следует считать, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (не атомов!). Если два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяных паров (разумеется при той же температуре и том же давлении), то это неслучайно - при таком соотношении объёмов каждая молекула кислорода и две молекулы водорода дают две молекулы воды.

К середине XIX в. расширился как круг элементов, так и объём знаний об их свойствах. К этому времени Франкланд ввёл в химию понятие «сродство», которое количественно выражалось в числе атомов водорода, которое может присоединить или заместить данный элемент. У кислорода, например, две единицы сродства, азота - три, углерода - четыре. Это то же самое, что нынешнее понятие «валентность». Купер разработал метод составления структурных формул. Пользуясь структурными формулами, Кекуле и Бутлеров положили начало современной органической химии. Для физика XIX в. атом является ненаблюдаемой сущностью. Он требует физические характеристики атома: вес, размеры, координаты в пространстве и т.д.

Открытие радиоактивности

В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб - это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике. Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826-1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.

Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет - зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом, который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, - писал он, - то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев - обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена.

Открытие электрона

А в следующем, 1897 г. Д. Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон. Мало кому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директором Кавендишевской лаборатории при Кембриджском университете - учреждении, где великие открытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым Директором Кавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым - лорд Рэлей, третьим - Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрический ток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаем воздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будем уже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.

Светится в данном случае разреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то около отрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение. Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень (экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает из отрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку и заставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, это волны эфира, а может - частицы вещества, «чистого электричества». Та же неопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существует и для лучей Рентгена. Томсону удаётся отклонить катодные лучи в электрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы. Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремя параметрами - скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения в магнитном поле - функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решить их невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы к заряду, m/q.

Пропускаем через раствор или расплав определённое количество электричества q и получаем на электроде определённую массу вещества m, - в электролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принято называть ионами. Хотя ион - такая же ненаблюдаемая сущность, как и атом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика - отношение массы к заряду.

Однако m/q даже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частиц катодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента) с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистого электричества» с аномально малой массой.

Лучше выбрать последний вариант - во-первых, m/q частиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил), т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела и того же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не может быть измерена лабораторными весами - и для объяснения этого феномена сверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название для гипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. - «электрон».

Томсон пошёл дальше второго варианта - он решил, что электроны - это кусочки атома, такой штучки, от которой нельзя отрезать кусочек по определению.

Теория радиоактивности Резерфорда-Содди

В 1898 г. супруги Кюри открывают радий, а Резерфорду удаётся расщепить радиоактивные лучи Беккереля. Самое удивительное в явлении радиоактивности - постоянное выделение энергии. Самое непонятное - откуда она возникает? Радий - исключительно радиоактивный элемент. Чуть позже Пьер Кюри подсчитал, что радий выделяет за час около 80 кал. энергии. С одной стороны, эмпириокритики с удовлетворением констатируют, что рухнул ещё один фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. С другой стороны, ежели каждый час грамм радия выделяет 80 кал. … много-много, сколько угодно много часов… а если всю эту энергию вытащить из него разом - вот это будет плюх! Русский символист А. Белый писал в стихах «И мир взорвётся атомною бомбой!». Физики тщетно пытались объяснить, что атомная бомба невозможна, никакими физическими действиями - нагреванием, давлением, электротоком и т. д. нельзя изменить равномерность истечения энергии из радия. Во-вторых, все вопросы, связанные со строением атомов, долгое время будут решаться через радий. Тот, кто владеет радием, владеет ключами к внутреннему миру атомов. Но ключ оказался у Эрнста Резерфорда. Он, во-первых, был исключительно силён и крепок физически, во-вторых, вышел из самого дальнего уголка Британской империи - деревеньки Пунгареху в Новой Зеландии, а в-третьих, сам был университетом (в том числе и нашим, советским); последнее следует понимать так: он создал международную школу атомной физики.

Сам же Резерфорд являлся учеником Дж. Дж. Томсона - самым блестящим. В 1898 г. Резерфорд является аспирантом Томсона. В сильном магнитном и электрическом поле Резерфорд разделяет истекающий из радиоактивного препарата «луч Беккереля» на поток положительно заряженных частиц - б-излучение и поток отрицательных частиц - в-излучение. в-частицы оказались электронами Томсона, а массивные б-частицы были чем-то совершенно новым. После окончания аспирантуры молодой доктор философии Резерфорд едет преподавать в Канаду, в Мак-Гилльский университет, куда в это же время судьба занесла другого выпускника Кэмбриджского университета - химика Ф. Содди. Молодой профессор-физик и лаборант-химик объединили свои усилия в работе над торием. Торий - тоже радиоактивный элемент, но активность его очень слабая, ниже активности урана, не говоря уже о радии. Молодым учёным удалось выделить из препаратов тория вещество под названием «торий-Х», впоследствии оказавшееся изотопом радия. Это было серьёзное открытие, не несущее, однако, ничего необычайного: радий и полоний тоже были выделены как примесь урана.

Очищенный от тория-Х препарат тория терял свою радиоактивность. Неожиданностью оказалось другое: лишённый тория-Х «чистый» торий через некоторое время опять содержал примесь тория-Х. И тогда было произнесено запретное слово: «Трансмутация!». Трансмутация - это алхимический термин, означающий превращение одного элемента в другой. В 1903 г. Резерфорд и Содди опубликовали серию статей, в которых они изложили теорию радиоактивности. С последующими дополнениями она может быть изложена так: радиоактивность есть акт, сопровождающий превращение одного элемента в другой. В процессе радиоактивного распада атомов выделяется огромное количество энергии. в процессе превращения атомов одного элемента в другой выделяются б- или в-частицы. В результате в-распада появляется элемент, следующий за исходным в таблице Менделеева, при б-распаде возникает элемент, стоящий на две клетки левее исходного. каждый радиоактивный элемент характеризуется своим, строго постоянным временем полураспада. Например, для урана это 4,5 млрд. лет, для тория - 14 млрд. лет, изотопа радия, выделенного Кюри - 1 600 лет. За создание теории радиоактивности и открытие явления трансмутации Резерфорду была присуждена нобелевская премия по химии (1908; несмотря на выдающиеся открытия, Резерфорд, член всех академий мира, так и не стал нобелевским лауреатом по физике; Содди получил Нобелевскую премию по химии в 1921 г. за достижения в исследовании изотопов).

Теория броуновского движения как доказательство атомной структуры вещества

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7