Частицы и волны

Проф. Г ПОКРОВСКИЙ

Предельная скорость, достигнутая человеком, составляет в настоящее время около 700 км в час. Это — рекорд скорости самолета. Представьте, что при такой скорости самолет ударяется о какое-либо препятствие, например о скалу. Всякому конечно ясно, что при таком ударе даже самая прочная конструкция будет разрушена. Вероятно, еще очень долгое время техника не сможет создать самолеты, автомобили и другие конструкции, которые могли бы выдерживать удары при такой большой или даже меньших скоростях без полного разрушения или серьезных повреждений. Действительно, если допустить, что вес самолета равен 3 т, скорость его — 700 км в час и расстояние, на которое самолет врезывается в скалу, —1 м, то сила удара составит чудовищную величину в  5700 т.

В природе однако существуют такие тела, которые не разрушаются даже ударами, относительно гораздо более сильными. При этом тела эти могут без малейшего повреждения испытывать в секунду миллионы подобных ударов. Прочность получается изумительная. Еще более изумительно то, что таких тел в природе огромное количество, они повсюду окружают нас. Между тем мы не только не можем использовать устройство этих тел для нашей техники, но обычно даже и не замечаем их.

Все дело в том, что эти тела очень малы. Речь идет о молекулах и атомах, из которых состоят все тела.

Молекулы и атомы находятся в состоянии непрерывного движения и все время сталкиваются друг с другом. При этом сила ударов, отнесенная к соответствующей массе молекул и атомов, может значительно превосходить рассмотренную нами выше силу удара самолета о скалу.

Еще удивительнее покажется эта прочность, если принять во внимание само строение атома. Но переходя к вопросу о строении атома, необходимо учесть один чрезвычайно важный момент. Атом, как известно, весьма мал. Когда мы от больших вещей переходим к малым, то мы обыкновенно не считаемся с тем, что самые свойства материи весьма зависят от размеров. Между тем у атома существуют особенности, которых никак не может быть у привычных нам по своему размеру предметов. Однако подойти сразу к пониманию этих особенностей чрезвычайно трудно. Дело в том, что вполне ясно понять какую-либо конструкцию можно только при наглядном чертеже, рисунке или еще лучше модели. И вот как раз ни точного чертежа, ни тем более модели атома сделать нельзя. Происходит это вовсе не оттого, что мы недостаточно хорошо знаем строение атома, а оттого, что у атома есть свойства, которые в принципе на большой модели осуществить нельзя. Поэтому приходится ограничиваться при разговоре об атомах только приблизительной картиной. Но эта приблизительная картина может быть нам весьма полезной, особенно для начала. Поняв в ней главное, можно потом уже без затруднений перейти и к тонкостям.

Схема атома водорода, предложенная Бором

Итак переходим к той картине атома, которая была впервые предложена датским физиком Нильсом Бором в 1913 г. Атом по Бору представляет собою нечто, напоминающее солнечную систему. В простейшем случае в атоме водорода мы имеем центральное ядро, вокруг которого вращается на расстоянии около 0,00000001 см электрон. При этом расстояние от ядра до электрона при всей своей малости все же почти в 10 000 раз превосходит размеры ядра. Поэтому в атоме очень пусто. Веществом заполнена там в сущности очень малая часть всего пространства. Во всяком случае одному человеку на Красной площади в Москве гораздо более тесно, чем электрону и ядру в атоме.

При такой пустоте становится особенно загадочной необычайная прочность атома. Эта загадочность еще увеличится, если доказать, что атом — вообще очень неустойчивая конструкция. А доказать это весьма легко. Действительно, чем удерживается электрон в атоме? На электрон действует электрическая сила притяжения к ядру. Известно, что эта сила тем больше, чем меньше квадрат расстояния между электроном и ядром. Поэтому при приближении электрона к ядру сила, его притягивающая, быстро возрастает.

Что же удерживает электрон от падения на ядро? Ответ на этот вопрос мы получим, если вспомним, что электрон вращается вокруг ядра.

При таком движении возникает центробежная сила, стремящаяся удалить электрон от ядра. Когда атом находится в устойчивом состоянии, то одна сила как раз уравновешивает другую. Но нарушить это равновесие очень легко. Известно, что центробежная сила (при прочих равных условиях) тем больше, чем больше радиус круга, по которому происходит движение. Поэтому достаточно на ничтожную долю увеличить радиус вращения электрона, и центробежная сила возрастет, а сила электрического притяжения, наоборот, как сказано раньше, уменьшится.

В результате этого электрон улетит из атома. Наоборот, при толчке внутрь станет преобладать притяжение, и электрон рухнет на ядро. Таким образом получается, что атом не только недостаточно прочен, но не удовлетворяет самым элементарным требованиям устойчивости. Вместе с тем модель Бора прекрасно объясняет многие другие особенности атомов и поэтому ее отвергнуть нельзя. Итак остается искать причины прочности атома в каких-то новых, пока не затронутых нами свойствах электрона. Для этого отклонимся немного в сторону.

При движении парохода возникает сложная система волн

Представим себе пароход, идущий по спокойной воде. При движении парохода возникает сложная система волн. На образование этих волн тратится главная часть работы механизмов судна. Если вслед за первым пароходом будет двигаться второй, то при некотором определенном расстоянии между ними второй пароход может использовать часть энергии, затраченной первым на образование волн. Для этого нужно только, чтобы нос заднего судна приходился бы на месте долины между волнами, а корма на гребне волны.

Второй пароход использует энергию первого, затраченную на образование волн

Разные причины мешают извлечь на практике из этого значительные удобства. Однако все же бывают случаи, когда такое использование энергии имеет место. Всем, вероятно, известно, что журавли при перелетах на значительные расстояния движутся в определенном порядке. Они летят в строю, имеющем форму клина. При этом полную энергию на преодоление сопротивления воздуха затрачивает только головная птица, остальные же, используя частично получившиеся в воздухе волны, экономят свои силы.

Птицы, следующие за головной, используют энергию образованных ею воздушных волн

Примеры эти показывают, что движение тел в воде и в воздухе, т. е. в какой-то материальной среде, сопровождается волнами. Если считать, что электрон движется в совершенной пустоте, то это утверждение очевидно к нему неприменимо. Однако это не совсем правильно. «Пустота», находящаяся в атоме между ядром и электроном, может считаться пустотой лишь постольку, поскольку в ней не может быть каких-либо других атомов. Эта «пустота» передает силы взаимодействия электронов с ядром и электронов друг с другом. Она является носительницей так называемого электромагнитного силового поля и целого ряда других процессов. Поэтому мы должны считать, что это «пустое» пространство не вполне пусто, а заполнено какой-то материей. К этой материи нельзя, правда, применять наши обычные представления о веществе, состоящем из атомов или молекул, но все же она существует вполне реально.

Схема волнового кольца в атоме водорода

Двигаясь в такой среде, электрон сопровождается системой волн. Если электрон движется вокруг ядра, то он, совершив один полный оборот, должен встретить волны, оставленные им самим при предыдущем пробеге по этому месту. В зависимости от своей скорости и длины того пути, который он совершает вокруг ядра, электрон может встретить свои волны или в таком состоянии, что они будут помогать его движению, или в состоянии, мешающем движению. В первом случае электрон может, затратив раз работу на образование волнового кольца, двигаться по такому кольцу неопределенно долго. Во втором случае он потеряет часть своей энергии и уменьшит скорость. В результате этого центробежная сила уменьшится. Электрон притянется ближе к ядру и в конце концов попадает на такой круговой путь (орбиту), на котором образуется устойчивое волновое кольцо. Избыток же энергии уйдет от атома в пространство в виде группы волн. Устойчивых электронных орбит в каждом атоме может быть много. Попав на любую из них, электрон оказывает всем внешним воздействиям огромное сопротивление.

В образовании описанного волнового кольца и скрывается причина необычайной прочности атома. Таким образом принцип, использованный природой в конструкции атома, очень своеобразен. Он не может быть использован при движении больших тел, потому что описанного вида волны весьма слабы в случае больших тел и в силу этого совершенно не замечаются нами. Это происходит потому, что при увеличении размеров тела пространство, захватываемое волнами, обычно не выходит за пределы объема большого тела. Поэтому волны снаружи не заметны.

Движение электрона сопровождается образованием волн

Однако нужно заметить, что описанное волновое кольцо не является абсолютно прочным. При нагревании тела, когда его атомы начинают все быстрее и быстрее двигаться и сила их ударов растет, могут быть случаи, при которых электрон соскочит со своей орбиты и попадет на другую. При таком перескоке может затратиться энергия удара на увеличение волнового кольца. При этом, как сказано, освобожденная энергия улетит в пространство в виде группы волн. Чем сильнее нагрето тело, тем больше таких групп волн будет выбрасываться в пространство. Вот эти группы волн в целом и будут образовывать то, что называется потоком лучистой энергии. При известных условиях лучистая энергия, попадая в глаз, производит впечатление света.

Каждая такая группа волн, взятая отдельно, обладает самостоятельностью и может рассматриваться тоже как некоторая частица, называемая «квантой». Обычно общая энергия кванты и ее масса много меньше массы электрона. Зато волновые свойства у кванты выражены чрезвычайно рельефно.

При движении электрона (а покоящихся электронов в природе не наблюдается) мы имеем всегда и волны и некоторую их вызывающую и связанную с ними частицу (в данном случае электрон). Если двигается целый атом или молекула, то свойства частицы заметно преобладают над свойствами волны. Наконец при движении тел привычных нам размеров описанные волны становятся совсем незаметными.

Таким образом чем меньше частицы, тем заметнее сопровождающие их волны. На конце длинного ряда частиц различных размеров следует поместить кванты лучистой энергии, у которых собственно имеется только группа волн, а движущаяся с ними частица отсутствует или по крайней мере в громадном большинстве случаев совершенно не заметна.

Правда, автору настоящей статьи удалось установить явление, которое указывает на то, что даже и у кванты кроме волн есть ничтожная, но чрезвычайно быстро движущаяся частица. Но ввиду того, что это явление стоит пока совсем особняком и мало изучено, каких-либо окончательных выводов из него делать не следует.

Открытие электронных волн сыграло значительную роль в различных областях науки. Наибольший, пожалуй, интерес представляет применение волновой картины для объяснения строения молекул.

Как известно, молекула, т. е. мельчайшая частица какого-либо химически сложного вещества построена из нескольких атомов. Теоретически и практически бывает весьма важно подсчитать на основе физических законов, как именно могут соединяться атомы в молекулы. При помощи такого подсчета можно находить новые вещества независимо от случайностей опыта и наперед рассчитывать их особенности подобно тому, как инженер рассчитывает новые виды машин и сооружений.

Рассмотрим для примера простейший случай — молекулу водорода. Известно, что водород состоит при обычных температурных условиях из двуатомных молекул. Опрашивается, как построена молекула водорода и что именно соединяет в ней оба атома вместе.

Объясняется это очень просто. Мы видели раньше, что электрон создает в атоме волновое кольцо. Таким кольцом может воспользоваться для своего движения также и электрон другого атома. Таким образом у двух атомов возникает общее волновое кольцо. Оба электрона идут по этому кольцу, а ядра располагаются на оси кольца, на некотором расстоянии друг от друга. Величина этого расстояния получается как раз такой, при которой взаимное отталкивание ядер компенсируется притяжением их к электронам. Таким образом стремление воспользоваться одним общим волновым кольцом связывает электроны двух атомов вместе и образует молекулу водорода.

Схема молекулы водорода. Два электрона движутся по одному волновому кольцу

Таким же путем получаются и другие атомы, только в этом случае картина распределения волн оказывается значительно сложнее.

Итак мы видим, что углубляясь в строение материи, мы не только открываем новые составные части вещества. Мы видим, что уменьшение размеров приводит к появлению и преобладанию таких процессов, которые нам совершенно неизвестны на больших телах.

Это свидетельствует о многообразии форм материи, о переходе количества в качество и заставляет нас при изучении мира не только накапливать опытные данные, строить теории, но и переделывать и развивать свое сознание.

Открытие волновых свойств материи, сделанное в 1924 г. французом де-Бройлем и разработанное Шредингером, Гейзенбергом и другими, имеет особенно большое значение для расширения наших представлений о природе материи и развития диалектической философии.