Л. И. Пономарев
Под знаком кванта
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ББК 22.314
П56
УДК 530.145(023)
Рецензент
член-корреспондент АН СССР И. И. Гуревич
Пономарев Л. И.
П56 Под знаком кванта.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.— 368 с.: ил.
ISBN 5-02-014049-Х
Квантовая физика — самое выдающееся открытие XX века. Практически ни одно глубокое явление природы невозможно понять и объяснить без квантовых идей. Цель книги — познакомить читателя-неспециалиста с основными фактами квантовой физики и историей их открытия. Ярко и образно, достаточно строго, но вполне доступно автор рассказывает об эволюции идей и понятий современной физики. Предыдущее издание (М.: Сов. Россия, 1984) удостоено Диплома первой степени на Всесоюзном конкурсе общества «Знание».
Для старшеклассников; учителей, студентов и всех, кого интересуют основы науки.
1604030000-131
053(02)-89
93-89
ББК 22.314
© Издательство «Советская Россия»,
1984
© Издательство «Наука».
ISBN 5-02-014049-Х
Главная редакция физико-математической литературы, 1989, с изменениями
— Этот мир странно устроен...
— По сравнению с чем?
ОТ АВТОРА
«Настоящее колдовское исчисление»,— писал о квантовой механике Альберт Эйнштейн своему другу Мишелю Бессо в декабре 1925 г.: в то время даже для него новая механика казалась слишком сложной. Сейчас хороший студент-физик знает о квантах больше, чем все великие ученые начала века: квантовая физика стала привычной. Но она йе стала от этого менее удивительной, и каждое новое поколение исследователей отдает ей свою дань восхищения.
Квантовая физика родилась в короткий период между двумя мировыми войнами. С тех пор она изменила жизнь цивилизованных народов больше, чем любое из прежних открытий, но даже образованные люди знают о ней незаслуженно мало. Типичные представления о квантовой физике напоминают отчасти донаучное отношение человека к молнии и грому: он не понимал их природы и потому — боялся. Для многих наука об атомах и квантах навсегда присыпана пеплом атомного взрыва, а «физик-атомщик» — чем-то сродни злому волшебнику. Все это несправедливо и достойно сожаления, ибо такое предвзятое отношение мешает понять главное: квантовая физика — не просто еще одна из бесчисленных ныне наук. Это именно та наука, которая стала основой технотронной эры, привела к пересмотру философии знания, повлияла на политику целых государств. По праву науку о квантах можно сравнить лишь с такими взлетами мысли, как система Коперника, законы Ньютона, учение об электричестве. Все они стали теперь достоянием общечеловеческой культуры, и каждому современнику необходимо иметь о них хотя бы простейшие представления.
Но дело даже не в пользе или необходимости: квантовая физика — это интересно. Интересно — в самом точном смысле этого слова,— и столь же увлекательно. Именно внутренняя логика и красота учения о квантах стали побудительной причиной появления этой книги. Ее основное содержание — эволюция идей и понятий квантовой физики. Я буду считать свою работу не напрасной, если читатель поймет необходимость этого странного мира, почувствует неизбежность его квантовых химер и, наконец, примет их и признает естественными.
«Каждый школьник знаком теперь с истинами, за которые Архимед отдал бы жизнь.»
Эрнест Ренан
«Ощущение тайны — наиболее прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки.»
Альберт Эйнштейн
Истоки
ГЛАВА 1
Атомы. Волны. Кванты. Вокруг кванта
ГЛАВА 2
Спектры. Ионы. Лучистая материя. Атомы, электроны, волны.
Вокруг кванта
ГЛ АВ а з
Планетарный атом. Спектральные серии. Фотоны. Победа атомистики. Вокруг кванта
ГЛАВА 4
До Бора. Атом Бора. После Бора. Формальная модель атома. Вокруг кванта
ГЛАВА 5
Учения древних. Первые попытки. Элементы и атомы. Таблица элементов. Периодический закон. Вокруг кванта
ГЛАВА 1
Жиг-гуаша
Квантовая физика — это наука о строении и свойствах квантовых объектов и явлений.
В этом определении все верно, и тем не менее бесполезность его очевидна до тех пор, пока мы не объяснили, что означают сочетания слов «квантовое явление» и «квантовый объект».
Слово quant — квант отсутствует во всех словарях прошлого века: оно появилось лишь в начале нашего, XX века. До этого повсеместно знали слово «quantum», которое означает: «сколько», «количество», «доля», «часть», «порция». Если поставить его рядом со словами «объект» и «явление», то получится «количественное явление» или «порционный объект» — в общем, нечто несуразное, если все это понимать буквально.
Каждый, кто изучал иностранные языки, легко поймет причину такой несуразицы: словосочетания «квантовое явление», «квантовый объект», равно как и «квантовая физика»,— это идиоматические обороты, которые нельзя переводить дословно. Чтобы понять их истинный смысл, необходимо предварительно познакомиться с обычаями и культурой страны, в которой они родились.
Квантовая физика — обширная страна с богатой и глубокой культурой. Если вы знаете о ней только то, что она «...разрешила вековую загадку таинственной страны микромира», а также «перевернула все наше мировоззрение», то вам известно о ней примерно столько же, сколько туристам о незнакомой стране, культуры которой они не знают, а языка — не понимают: их память сохранит лишь яркие пятна реклам на незнакомом языке.
Язык квантовой физики своеобразен, но, в сущности, ничем не отличается от любого иностранного. Как и всякий язык, его нельзя усвоить единым усилием воли — нужна система. Для начала надо просто запомнить несколько ходовых слов и пытаться строить из них простые фразы, не очень заботясь о строгости грамматических конструкций. Лишь впоследствии придут та легкость и уверенность владения новым языком, которые приносят с собой удовлетворение и радость чистого знания.
Чтобы привыкнуть к языку и логике квантовой физики, необходимо освоить предварительно несколько понятий, на первый взгляд ничем не связанных между собой. В стройную систему они складываются не сразу, а при длительном сопоставлении и размышлении. Процесс усвоения квантовых идей можно уподобить растворению соли в воде: вначале брошенные в стакан мелкие кристаллы бесследно исчезают, но затем наступает момент, когда достаточно бросить еще один кристаллик, чтобы из этой маленькой затравки вырос большой, правильный кристалл.
В дальнейшем мы узнаем истоки, идеи и находки квантовой физики, объясним систему ее образов и, наконец, расскажем о приложениях. Но вначале мы должны растворить в своем сознании несколько кристаллов первоначальных понятий, усвоить те немногие, но необходимые слова, без которых невозможно построить ни одной осмысленной «квантовой фразы». Для начала запомним три важных понятия квантовой физики: атомы, волны, кванты — и проследим истоки их возникновения.
АТОМЫ
Сейчас мало осталось людей, для которых реальность атомов менее очевидна, чем движение Земли вокруг Солнца. Почти у каждого с этим понятием связано интуитивное представление о чем-то маленьком и неделимом. И все же, какой смысл вкладывает в понятие «атом» нынешняя физика? Как оно возникло, что понимали под этим древние, как потом развивалось и почему только квантовая механика наполнила реальным содержанием эту умозрительную схему?
