Evrenin başlangıcı atomlar ve boşluktur. “Yalnızca atomlar ve boşluk…” (Demokritos)

ATOMLAR

Peki kuantum mekaniği nedir? Kuantum mekaniği, atomik nesnelerin ve olayların yapısı ve özelliklerinin bilimidir.

Bu tanımdaki her şey doğrudur ama içine giren kavramları açıklayana kadar faydasız olduğu ortadadır. Nitekim: örneğin "atom nesnelerinin özellikleri", yani atomlar ne anlama geliyor?

Diyelim ki olgun bir karpuzdan bahsediyorsak, böyle bir soru ortaya çıkmaz - özellikleri tamamen beş duyumuz tarafından belirlenir: yuvarlaktır, ağırdır, suludur, tazelik kokar ve bıçağın altında çıtırdayarak bölünür. Peki ya atomlar (bu arada, bu karpuz bunlardan oluşuyor)? Sonuçta doğrudan görülemez veya dokunulamazlar. Bu, hiç atom olmadığı anlamına gelmez; yalnızca bunların özelliklerinin, bütün bir karpuzun özelliklerinden tamamen farklı olduğunu gösterir.

Artık atomların gerçekliğinin, Dünyanın Güneş etrafındaki hareketinden daha az açık olduğunu düşünen çok az insan kaldı. Hemen hemen herkesin bu kavramla ilgili küçük ve bölünmez bir şey olduğuna dair sezgisel bir fikri vardır. Peki modern fizik "atom" kavramına nasıl bir anlam yüklüyor? Bu kavram nasıl ortaya çıktı, eskiler bundan ne anladı, daha sonra nasıl gelişti ve neden bu spekülatif şemayı gerçek içerikle dolduran yalnızca kuantum mekaniği oldu?

Demokritos, atom fikrinin yaratıcısı olarak kabul edilir, ancak tarih aynı zamanda öğretmeni Leucippus'tan ve daha az güvenle, çağımızdan kısa bir süre önce yaşayan ve yaklaşık olarak aynı şeyi öğreten eski Hint filozofu Kanada'dan da bahseder. (“Kanada”, Sanskritçe'den tercüme edildiğinde “atom yiyen” anlamına gelir.) Kanada'ya göre, maddenin sonsuz bölünebilirliği saçmadır, çünkü bu durumda hardal tohumu bir dağa eşittir, çünkü “... sonsuzluk her zaman eşittir. sonsuzluğa." Kanada'nın öğrettiğine göre doğadaki en küçük parçacık, güneş ışığı ışınındaki bir toz zerresidir; altı atomdan oluşur ve her ikisi de "Tanrı'nın iradesiyle veya başka bir şeyle" çiftler halinde birbirine bağlanır.

Demokritos'un kendisi hakkında çok az şey biliyoruz. Akdeniz'in Trakya kıyısındaki Abdera'da doğduğu biliniyor: Leucippus'un yanı sıra Keldani ve Pers büyücülerle çalıştı, çok seyahat etti ve çok şey biliyordu; yaklaşık yüz yıl ve MÖ 370'te yaşadı. e. kendisine derinden saygı duyan doğduğu şehrin vatandaşları tarafından kamu pahasına gömüldü. Daha sonraki nesil sanatçılar Demokritos'u uzun boylu, kısa sakallı, beyaz bir chiton ve çıplak ayaklarında sandaletler giyen biri olarak tasvir ettiler.

Efsaneye göre Demokritos bir gün deniz kenarında bir taşın üzerinde oturuyor, elinde bir elma tutuyor ve şöyle düşünüyordu: “Şimdi bu elmayı ikiye bölersem, elimde yarım elma kalır; daha sonra bu yarımı tekrar ikiye bölersem elmanın dörtte biri kalır; ama bu bölmeye devam edersem elimde her zaman 1/8, 1/16 vb. kısım kalacak mı? elma? Yoksa bir noktada bir sonraki bölünme, kalan kısmın artık elma özelliklerini taşımamasına yol açacak mı?” Daha sonra Demokritos'un şüphesinin (hemen hemen her tarafsız şüphe gibi) bir miktar doğruluk içerdiği ortaya çıktı. Filozof, olgun bir düşünmenin ardından bu tür bir bölünmenin bir sınırı olduğu sonucuna vardı ve bu son, zaten bölünemez olan parçacık adını verdi. atom ve sonuçlarını “Büyük Diacosmos” kitabında özetledi. Dinleyin, bu iki bin yıldan fazla bir süre önce yazılmıştı!

“Evrenin başlangıcı atomlar ve boşluktur; geri kalan her şey yalnızca görüşte vardır. Sayısız dünya var ve bunların zaman içinde bir başlangıcı ve sonu var. Ve hiçbir şey yokluktan doğmaz, hiçbir şey yokluğa dönüşmez. Ve atomlar boyut ve sayı olarak sayısızdır, ancak evrenin etrafında hızla dönerler, bir kasırga gibi dönerler ve böylece karmaşık olan her şey doğar: ateş, su, hava, toprak. Gerçek şu ki ikincisi belirli atomların bileşikleridir. Atomlar hiçbir etkiye maruz kalmaz ve sertlikleri nedeniyle değişmezler.”

Demokritos bu ifadeleri kanıtlayamadı; kendi sözüne güvenmeyi önerdi. Ama ona inanmadılar ve her şeyden önce onun büyük çağdaşı Aristoteles ona inanmadı. Demokritos öldüğünde Büyük İskender'in gelecekteki öğretmeni Aristoteles 14 yaşındaydı. En iyi zamanlarında zayıftı, kısaydı, zarifti ve ona duyulan saygı çoğu zaman tüm makul sınırların ötesine geçiyordu. Bunun elbette nedenleri vardı: Sonuçta o dönemin tüm bilgisine sahipti.

Aristoteles bunun tersini öğretti: Bir elmayı bölme süreci, en azından prensipte süresiz olarak devam ettirilebilir. Bu öğreti egemen oldu, Demokritos yüzyıllarca unutuldu ve eserleri özenle yok edildi.

Böyle bir seçim için eskileri suçlamanın hiçbir anlamı yok - onlar için her iki sistem de eşit derecede makul ve kabul edilebilirdi: bilimlerinin amacını pratik uygulamalarda değil (onlardan utanıyorlardı), bu anlamı elde etmek için spekülasyondan yararlanmakta görüyorlardı. Dünyadaki uyumun her tam felsefesidir.

Büyük otoritenin yanılsamalarından kurtulmak iki bin yıl sürdü. 17. yüzyılda fizik bilimi ilk kez ortaya çıktı ve çok geçmeden eski doğa felsefesinin yerini aldı. Bu yeni bilim saf spekülasyona değil, deneyime ve matematiğe dayanıyordu. Çeliğin çevreleyen doğası çalışmak: kolay değil gözlemlemek, hipotezleri test etmek için bilinçli deneyler yapmak ve bu testin sonuçlarını sayılar halinde yazmaktır. Aristoteles'in düşüncesi böyle bir teste dayanamadı, ancak Demokritos'un hipotezi dayandı, ancak daha sonra göreceğimiz gibi orijinal biçiminden neredeyse hiçbir şey kalmadı.

Yirmi asırlık unutuluştan sonra, atom fikri Fransız filozof ve eğitimci Pierre Gassendi (1592-1655) tarafından yeniden canlandırıldı ve bunun için kilise tarafından zulme uğradı: Orta Çağ gelenekleri sadece hipotezlere değil, aynı zamanda genel kabul görmüş dogmalarla çelişiyorsa bilimin katı gerçekleri. Bununla birlikte atom hipotezi o zamanın tüm ileri bilim adamları tarafından kabul edildi. Newton bile meşhur "Ben hipotez kurmuyorum" sloganıyla buna inandı ve bunu "Optik"in üçüncü cildinin sonunda kendi tarzında sundu.

Ancak atomlarla ilgili hipotez deneylerle doğrulanıncaya kadar, tüm çekiciliğine rağmen yalnızca bir hipotez olarak kaldı.

Aristoteles'in değil Demokritos'un haklı olduğuna dair ilk açık kanıt İskoç botanikçi Robert Brown (1773-1858) tarafından keşfedildi. 1827'de zaten British Museum'un botanik bölümünün yaşlı bir yöneticisiydi. Gençliğinde dört yıl boyunca Avustralya çevresinde keşif gezileri yaptı ve yaklaşık 4 bin bitki türünü geri getirdi. Yirmi yıl sonra hâlâ keşif gezisinin koleksiyonlarını inceliyordu. 1827 yazında Brown, en küçük bitki poleninin bilinmeyen bir kuvvetin etkisi altında suda rastgele hareket ettiğini fark etti. Hemen, başlığı o rahat çağın oldukça karakteristik özelliği olan bir makale yayınladı: “Bitki poleninin içerdiği parçacıklar üzerinde Haziran, Temmuz ve Ağustos 1827'de yapılan mikroskobik gözlemlerin kısa bir açıklaması; ve organik ve inorganik cisimlerdeki aktif moleküllerin varlığı hakkında."

Başlangıçta yaşadığı deneyim kafa karıştırıcıydı. Bu şaşkınlık, Brown'un kendisi tarafından daha da kötüleştirildi ve bu fenomeni, sözde organik moleküllerde var olan belirli bir "canlı güç" ile açıklamaya çalıştı. Doğal olarak “Brown hareketinin” bu kadar basit bir açıklaması bilim adamlarını tatmin etmedi ve onu incelemek için yeni girişimlerde bulundular. Bunlar arasında Hollandalı Carbonel (1880) ve Fransız Goon (1888) özellikle çok şey yaptı. Dikkatli deneyler yaptılar ve Brown hareketinin dış etkenlere bağlı olmadığını buldular: yılın saati ve günü, tuzların eklenmesi, polen türü ve “... geceleri bir köyde eşit derecede iyi gözlemlenir ve gündüzleri ağır arabaların geçtiği kalabalık bir caddenin yakınında.”

İlk başta garip hareketin gereken ilgiyi çekmediğini söylemek gerekir. Çoğu fizikçi bunu hiç bilmiyordu ve bilenler, bu olgunun güneş ışınındaki toz taneciklerinin hareketine benzer olduğuna inanarak bunun ilginç olmadığını düşündüler. Muhtemelen sadece kırk yıl sonra, bitki poleninin mikroskopla görülebilen rastgele hareketlerinin küçük, görünmez sıvı parçacıklarının rastgele şoklarından kaynaklandığı fikri ilk kez şekillendi. Gong'un çalışmasından sonra neredeyse herkes buna ikna oldu. ve atom hipotezi pek çok takipçi kazandı.

Elbette Brown'dan önce bile birçok insan tüm cisimlerin atomlardan oluştuğuna inanıyordu. Onlara göre atomların bazı özellikleri daha fazla araştırma yapılmaksızın açıktı. Aslında doğadaki tüm cisimler, aralarındaki büyük farklılıklara rağmen bir ağırlık ve boyuta sahiptir. Açıkçası, atomlarının da ağırlık ve boyuta sahip olması gerekir. Manchester şehrinde mütevazı bir matematik ve doğa felsefesi öğretmeni ve yaklaşık yüz yıl boyunca kimyanın gelişimini belirleyen büyük bir bilim adamı olan John Dalton'un (1766-1844) mantığının dayandığı bu özelliklerdi.

Atomculuğun destekçilerinin hemen bir sorusu vardı: Demokritos'un iddia ettiği gibi cisimlerin çeşitliliği aynı çeşit atomlar anlamına gelmiyor mu? Bunun yanlış olduğu ortaya çıktı. Kimyasal reaksiyonları ayrıntılı olarak inceleyen John Dalton, 1808'de ilk kez kimyasal element kavramını açıkça formüle etti: Element aynı cins atomlardan oluşan maddedir.

Çok fazla unsurun olmadığı ortaya çıktı: o zamanlar yaklaşık 40 tanesi biliniyordu (şimdi 104). Diğer tüm maddeler moleküllerden, yani çeşitli atom kombinasyonlarından oluşur. Elementlerin atomları da birbirinden farklıdır. Bu farklılıklardan biri oldukça hızlı bir şekilde bulundu: bunun bir atomun kütlesi olduğu ortaya çıktı. En hafif gaz olan hidrojenin atom ağırlığını bir olarak alarak geri kalan elementlerin atom ağırlığını onun aracılığıyla ifade edebildik. Bu birimlerde oksijenin atom ağırlığı 16, demir - 56 vb. Sayılar atom bilimine ilk kez böyle girdi - olağanüstü önem taşıyan bir olay.

Ancak daha önce olduğu gibi atomların mutlak boyutları ve kütleleri hakkında hiçbir şey bilinmiyordu.

Atomun boyutunu tahmin etmeye yönelik ilk bilimsel girişimlerden biri Mikhail Vasilyevich Lomonosov'a (1711-1765) aittir. 1742 yılında usta kuyumcuların santimetrenin on binde biri (10-4 cm) kalınlığında altın levha açabildiğini, dolayısıyla altın atomlarının bu değeri aşmasının mümkün olmadığını fark etti. 1777 yılında Benjamin Franklin (1706-1790), sakin suyun yüzeyine dökülen bir kaşık dolusu yağın (hacmi yaklaşık 5 cm3) 0,2 hektar yani 2 bin metrekare alana yayıldığını fark etti. . m veya 2 10 7 cm2.

Açıkçası, bu durumda molekülün çapı

d = (5 cm3)/(2 10 7 cm2) = 2,5 10 -7 (yani santimetrenin on milyonda ikisi) değerini aşamaz.

Ancak atomların büyüklüğünü ve kütlesini tahmin etmeye yönelik ilk başarılı girişim, Viyana Üniversitesi'nde fizik öğretmeni olan Joseph Loschmidt'in (1821-1895) çalışması olarak değerlendirilmelidir. 1865 yılında tüm atomların boyutlarının yaklaşık olarak aynı ve 10-8 cm'ye eşit olduğunu, bir hidrojen atomunun ağırlığının ise yalnızca 10-24 gr olduğunu buldu.

Burada bu kadar küçük miktarlarla ilk kez karşılaşıyoruz ve bunları kavrayacak yeterli beceriye sahip değiliz. En fazla şunu söyleyebiliriz: Saç kadar ince ya da tüy kadar hafif. Ancak saçın kalınlığı (10-2 cm), en büyük atomdan milyon kat daha fazladır ve kuş tüyü yastık zaten ağır ve oldukça gerçek bir şeydir. Sağduyu ile bu sayıların küçüklüğü arasındaki boşluğu bir şekilde doldurmak için genellikle karşılaştırmaya başvuruyorlar.

Hikayeye başladığımız “karpuz atomu” ile 1 cm çapındaki bir kirazı alıp aynı anda büyütürsek, kiraz dünya büyüklüğüne ulaştığı anda “karpuz” ortaya çıkar. atom” hem ağırlık hem de boyut olarak iyi bir karpuza benzemeye başlayacak.

Bununla birlikte, bu tür karşılaştırmaların göreceli değeri görünüşte çok küçüktür, çünkü bu kadar küçük nesneler için boyut kavramı birincil anlamını yitirir. Bu nedenle, bu tür sayıları en başından görsel olarak hayal etme girişimlerinden vazgeçmek daha iyidir. Aşırı küçük olmalarına rağmen, bu sayılar keyfi değildir: Bu atomlardan oluşan maddelerin özelliklerinin tamamen aynı olması için atomlara atanması gereken şeyin tam olarak bu kadar küçük çaplar ve kütleler olduğunu anlamak önemlidir. onları doğada gözlemlediğimiz gibi.

Loschmidt bu sayıları gazların karşılıklı difüzyonunu, yani temas halinde karışma yeteneklerini inceleyerek elde etti. (Hepimiz bu fenomene çok aşinayız, ancak genellikle biçilmiş çim kokusuyla aniden durduğumuzda bunu hatırlamayız.) Loschmidt, moleküler kinetik hipotez - gazların yalnızca moleküllerden değil aynı zamanda moleküllerden oluştuğu varsayımı hareketli moleküller. Gazların kinetik teorisinin formüllerini kullanarak, gazdaki moleküller arasındaki ortalama mesafeyi de belirledi: bu mesafenin, atomların çapından yaklaşık 10 kat daha büyük olduğu ortaya çıktı.

Bir gaz sıvıya dönüştürülürse hacmi yaklaşık bin kat azalacak, yani atomlar arasındaki mesafeler 10 kat azalacaktır. Bu, bir sıvıda ve bir katıda atomların birbirine yakın olarak sıkıştırıldığı anlamına gelir. Aynı zamanda hareket etmeyi de bırakmıyorlar - sadece hareketleri artık kısıtlı ve gaz moleküllerinin hareket yasalarından farklı yasalara uyuyor.

Zaten bundan, eski Yunanlıların zihnindeki atomların, bilimin nispeten yakın zamanlarda atomlarda gördüklerinden ne kadar farklı olduğunu ve zamanımızın biliminin atom veya temel parçacık kavramına ne koyduğunu görüyoruz. 18. yüzyılın bilimi için. Atomlar aynı, homojen, mekanik yasalarına göre hareket eden nokta kütlelerdir. Yunan atomizminin sisteminde modern "kimyasal özellikler" ve "reaktivite" kavramları mevcut olamazdı. Modern fizikokimyanın dayandığı maddenin yapısı veya yapısı teorisinin eski form anlayışıyla hiçbir ortak yanı yoktur ve "kimyasal bağ" kavramı Yunan bilim adamı için sonsuza kadar anlaşılmaz kalacaktır. Yani atomlar - sonsuz bir boşlukta sonsuza dek hareket eden formlar - tüm eski atomculuğun ortak temelidir.
Antik Yunanistan'daki ilk atom teorisinin yaratıcıları, Trakya'nın Abdera limanının yerlisi olan Leucippus (MÖ 5. yüzyılın başı) ve Demokritos (yaklaşık MÖ 460 - 370) olarak kabul edilir. Demokritos bu öğretiyi geliştirdi ve bilginin tüm alanlarına genişletti. Birçok antik Yunan filozofu için Demokritos, hayatın tüm nimetlerine karşı bencil olmayan hakikat arayışını tercih eden bir bilim adamı, teorisyen ve araştırmacının modeliydi. Hayatı bizim için sayısız hikaye ve efsaneden bilinmektedir. Bu efsanelerden biri, filozofun, görünmez atomların hareketlerini inceleyen zihinsel dikkatinin, dış dünyanın aldatıcı vizyonları tarafından dağılmaması için kendini kör ettiğini söylüyor. Demokritos çok seyahat etti, çeşitli konularda bilgi edindi, geometri, tıp, astronomi ve gramer alanlarında araştırmalar yaptı. “Küçük Diakosmos” adlı eserini M.Ö. 420 yılında tamamladı. e. Burada atomistik öğretinin temelleri, dünyanın ve Dünyanın kökeni teorileriyle bağlantılı olarak özetlendi. Demokritos, fiziksel olayları açıklayan ilkeler olarak üç temel varsayımı (atomlar, boşluk ve hareket) kabul etti. Demokritos'a göre artık bunun neden böyle olduğunu ve başka türlü olmadığını soramazsınız. Tıpkı geometride bazı kanıtlanamaz aksiyomları kabul ettiğimiz gibi, onlardan çok sayıda teorem çıkarabilmek için bu ilkeleri de kabul etmeliyiz.
“Evrenin başlangıcı atomlar ve boşluktur... - daha sonraki Yunan yazarlardan biri Demokritos'un öğretilerini bize bu şekilde aktarıyor. - Ve hiçbir şey yokluktan doğmaz, hiçbir şey yokluğa çökmez. Ve atomlar büyüklük ve çeşitlilik bakımından sayısızdır; bir kasırga gibi dönerek evrende hızla ilerlerler ve böylece karmaşık olan her şey doğar: ateş, su, hava, toprak.”1 Romalı yazar Cicero, Demokritos'un "vücudun sağlamlığı nedeniyle bölünmez" olan atomlarının, üstü, altı, ortası, ucu ve kenarı olmayan sonsuz boş uzayda koştuğunu ve atomların hızla hareket ettiğini söylüyor. öyle bir şekilde ki, çarpışmalar sonucunda birbirlerine yapışırlar ve var olan ve hissedilen her şey buradan kaynaklanır. Atomların bu hareketinin başlangıcının olmadığı, sonsuza kadar var olacağı düşünülmelidir.”
Bu öğreti sonuçta dünyada olup biten her şeyin kolayca açıklanabileceği bir şema sağlamalıdır. Ancak bunun için atomların hareketindeki tüm belirsizliği ve rastlantısallığı dışlamak gerekiyordu. Aksi takdirde atomların hareketlerinden şu veya bu olayı çıkarmak (açıklamak) mümkün olmayacaktır. Demokritos, atomların hareketi kaotik olsa da, bu kaosta atomun hareketindeki değişikliğin tek bir nedeninin olduğuna, onun başka bir atomla çarpışmasına inanıyordu. Ve eğer bir atomun izlediği yol izlenebilseydi ve bu tür çarpışmalardan kaynaklanan tüm hareketler bilinebilseydi, o zaman dünyada olacak her şeyi tahmin etmek kolay olurdu. Dolayısıyla dünyada tesadüfi hiçbir şey olamaz ve herhangi bir "inanılmaz" olayın gerekli koşulluluğunun izini sürebiliriz. Nitekim “Abdera şehrinin belli bir sakini, o sırada uçan bir kartalın başına kaplumbağa düşürmesi nedeniyle öldüğünde, Demokritos bu olayın kaza olduğunu inkar etmişti. Mahkumun tam o anda evi terk etmesi gerektiğini, kartalın falanca bir anda acıkıp av aramaya başlaması gerektiğini, üstelik batan güneşin de gerekli olduğunu söyledi. yoldan geçen birinin kel kafasını aydınlattı ve yansıması, kel kafayı taş sanan ve kaplumbağayı kabuğunu kırmak için fırlatan uçan bir kartalın gözlerine düştü.
Bu sistem dünyada olabilecek her olayı açıklıyordu. Bu nedenle Demokritos, "Pers tahtını kendisine ele geçirmektense nedensel bir açıklama bulmayı tercih edeceğini" söylüyor. Kendi hedeflerinden herhangi birinin peşinden gitmeyen, ancak insan hedefleri hakkında hiçbir şey bilmeyen kör kader dünyayı yönetiyor. Daha sonraki düşünürlerin kafasını karıştıran şey kesinlikle budur ve diğer atomcuların bu sonuçtan nasıl kaçındıklarını ileride göreceğiz.
Görünür tesadüflerin görünmez zorunluluğun sonucu ve tezahürü olması gibi, Demokritos'a göre duyusal izlenimlerin çeşitliliği de atomların birleşimi doktrini temelinde açıklanabilir. Gerçek şu ki atomun kendisi ne sıcak ne de soğuktur, renksiz ve tatsızdır. Tat, koku, ses, atomların şekline ve dizilişine bağlıdır. Onlar
bir şeyden yayılan atomlarla insan vücudundaki atomların etkileşiminin sonucudur. Aristoteles'in öğrencisi Theophrastus şöyle diyor: "Her zevke bir biçim atfeden Demokritos, tatlı tadın yuvarlak ve büyük boyutlu olduğunu, ekşi tadın ise büyük, kaba, çokgen ve yuvarlak olmadığını düşünüyor. Keskin tat - ismine sadıktır - kendisini oluşturan atomların şekli bakımından keskindir, köşeli, bükülmüş, dar ve yuvarlak değildir. Buruk tat - yuvarlak, ince, köşeli ve çarpık. Tuzlu tadı köşeli, büyük, kavisli ve ikizkenardır. Acı yuvarlaktır, pürüzsüzdür, eğridir ve boyutu küçüktür. Yağ dar, yuvarlak ve küçüktür.”
Çeşitli niteliklere yol açan, çeşitli kombinasyonlardaki atomların şeklinin özellikleridir. Küçük, yuvarlak, kolayca hareket edebilen ateş atomları her yere nüfuz eder, her şeyi ayırır, parçalara ayırır (ve böylece insan vücudunda yakıcı acılara neden olur). Dünyanın büyük, ağır ve köşeli atomları aktif değildir, yoğundur ve kolayca tek bir yığın halinde birbirine yapışır. Atomlar genel olarak kavisli, çapa şeklinde, kancalı, içbükey, dışbükey vb. olabilir.
“Demokritos'a göre atomlar, şekillerinin yanı sıra, E ve Ш harfleri (Ш harfi E'den 90° döndürülerek elde edilir) gibi konum veya dönüş bakımından ve aşağıdaki gibi sıra veya karşılıklı düzenleme açısından da farklılık gösterir. AB ve BA. Şekil, konum ve düzen, atomların gerçek cisimlerin karmaşık yapılarında birleştirilmesiyle elde edilebilecek nesnelerin çeşitli şekillerinin üç ana kaynağıdır. Atomları harflerle karşılaştırmak, atomlardan çok sayıda gerçek cismin oluşmasını, az sayıda bölünmez harften kelime ve metinlerin (örneğin trajedi veya komedi) oluşturulmasıyla oluşması çok doğru, derin ve anlaşılır bir karşılaştırmadır; atomistler tarafından temel fikirlerini açıklamak için sıklıkla alıntı yapılır. Romalı atomcu Lucretius bunu en güzel şekilde “Şeylerin Doğası Üzerine” adlı şiirinde dile getiriyor:
Yani şiirlerimizde gördüğünüz gibi sürekli olarak birçok kelime aynı türden birçok harften oluşuyor,
Ama hem şiirler hem de sözler, sizin de kabul edeceğiniz gibi, hem anlam hem de ses bakımından birbirinden farklıdır.
Sadece sırayı değiştirerek harflerin ne kadar güçlü olduğunu görüyorsunuz.
İlk ilkelere gelince, onlardan çeşitli şeylerin ortaya çıkması için daha da fazla imkânları vardır.
Böylece Demokritos, atom-harflerin yardımıyla doğanın kitabını okumaya çalışır. Çok sayıda atom varsa ve bunlar yoğun bir şekilde dizilmişse, ağır ve yoğun bir cisim ortaya çıkar; seyrek olarak düzenlenmiş atomlar hafif ve yumuşak bir gövde oluşturur. Atomların seyrekleşmesi ısınma olarak algılanır; yoğunlaşma ise soğuma olarak algılanır.
Demokritos dört temel basit rengi kabul eder: beyaz, siyah, kırmızı ve yeşil; bunların birleşimi başka herhangi bir renk ve gölgeyi üretebilir. Her basit renk homojen atomlara karşılık geldiğinden, bir cismin renk kompozisyonunun analizi, spektral analizimize benzer şekilde, bir cismin atomik kompozisyonunu analiz etmenin bir yolu olarak kullanılabilir.
Güneş, Ay, Dünya gibi cisimler bir kez oluştuktan sonra oldukça uzun süre var olabilir ve birbirlerine etki edebilir. Böylece Demokritos'a göre güneş ısısı, toprak nemi ve alüvyonun birleşiminden fermantasyon ve çürüme başladı, bunun sonucunda ilk bitkiler ve ardından canlı organizmalar oluştu.
Demokritos'un atom hipotezinin yardımıyla yalnızca yaşamı değil, aynı zamanda ruhu, zihni ve hatta en genel, en kalıcı ve en kalıcı olanı olarak düşündüğü tanrıları da açıklamayı düşündüğünü gösteren çeşitli kanıtlar vardır. güzel atom birikimleri.
Atomistik öğreti temelinde dünyanın ilk resmi bu şekilde ortaya çıkıyor; olaylar ve fenomenlerin sürekli hareket eden desenli dokusunun bir resmi, kesinlikle katı ve değişmez olanın sonsuz dönüşünde, iç içe geçmesinde, birleşiminde ve ayrılmasında katlanan ve karmaşık bir şekilde değişen. , geometrik olarak doğru gövdeler. Lucretius'un anlattığı gibi, kar tanelerinin sonsuz desenlerini, güneş ışınındaki toz parçacıklarının titreşmesini anımsatan bir resim:
Bakın: ne zaman bir güneş ışığı evimize girip ışınlarıyla karanlığı delip geçse, boşlukta titreşen, ışığın ışıltılı parlaklığında ileri geri koşan birçok küçük cisim göreceksiniz; Sanki sonsuz bir mücadele içindeymiş gibi savaşlarda ve savaşlarda savaşırlar, Barışı bilmeden aniden müfrezeler halinde savaşlara koşarlar, Ya birleşirler ya da ayrı ayrı sürekli tekrar dağılırlar. Bundan, şeylerin İlk Prensiplerinin uçsuz bucaksız boşlukta ne kadar yorulmadan hareket ettiğini anlayabilirsiniz. Böylece küçük şeyler, büyük şeylerin anlaşılmasına yardımcı olur ve onların anlaşılmasının yollarını çizer.
Ancak bu sadece şiirsel bir imgeden daha fazlasıdır. Bu resim, fiziksel mekanizması itibarıyla, bildiğimiz gibi Brown hareketinin bir resmidir ve çok benzer bir deney yardımıyla 19. yüzyılda atomun gerçekliğini kanıtladılar. Deneyimin özünün Lucretius için zaten açık olması dikkat çekicidir:
Şunu bilin: Bu evrensel gezinti başlangıçtan gelir, eşyanın ilk ilkeleri önce harekete geçer,
Onları en küçük kombinasyonlarından oluşan bedenler takip ediyor. Birincil güçlere ve ilkelere göre yakın olanlar, Onlardan gizlenen dürtüleri alarak çabalamaya başlarlar, Kendileri hareket etmeye başlarlar, sonra daha büyük bedenleri zorlarlar, Böylece başlangıçtan başlayarak hareket yavaş yavaş duygularımıza dokunur. Güneş ışığında hareket eden, geldiği şoklar algılanamaz olmasına rağmen, toz zerreleri halinde de Bize görünür hale gelir.
Her ne kadar Demokritos'ta böyle bir anlayış bulamasak da o, güneş ışınındaki toz parçacıklarının hareketinin bir resmini de veriyor.
Demokritos için atomu anlamada bir noktanın çok önemli olduğunu hatırlarsınız: Atom ideal geometrik şekle sahip bir cisimdir.

(Demokritos).

Filozof Abdera'lı Demokritos, Eleatik ve Herakleitosçu bakış açılarını uzlaştırdı. İki görüşün sentezini gerçekleştirdi. Herakleitos gibi o da dünyadaki her şeyin hareket halinde olduğuna, değiştiğine ve parçalara bölündüğüne inanıyordu, ancak Eleatikleri takip ederek yalnızca bölünmez ve değişmez olanın Varlık yoluyla var olabileceğine inanıyordu. Sonuçta Varlık, kavramın kendisinden çıkan ezeli ve ebedidir ve ezeli olan bölünemez, çünkü parçalardan oluşan şey her zaman mevcut değildir (parçalar bir aradaysa vardır, ancak ayrılmışlarsa olmaz). var olmak). Demokritos her şeyin parçalardan oluştuğuna inanırdı, ama her parça da parçalardan oluşur ve böylece her şey istenildiği sürece bölünür.

Ama eğer bölünme sonsuza dek mümkünse, her şey parçalardan oluşuyorsa ve bölünebilirse, o zaman Varlık ne denebilir? Bölünebilen şey ezeli değildir ama her şey bölünebilir, yani her şey ezeli değildir, Varlık ancak ezeli olabilir, dolayısıyla hiç yoktur. Ancak kavramın kendisinden de anlaşıldığı gibi Varlık var olmaktan başka bir şey yapamaz. Bu nedenle her şeyin sonsuza kadar değil, belli bir sınıra kadar bölündüğünü, bunun ötesinde bölünmenin imkansız olduğunu varsaymak gerekir. Başka bir deyişle, çok küçük de olsa, daha da bölünemeyen belli bir parçacık var. Bölünemez olduğu için yok edilemez çünkü parçalanabileceği parçalardan oluşmaz. Bu nedenle ebediyen var olur ve Varlığın gerçek temelidir, onun taşıyıcısıdır ve Varlığın kendisini temsil eder. Yunanca temettü kulağa “tomos” gibi geliyor. Yunancadaki negatif parçacık “a”dır. Bu nedenle bölünmez olan “atomos” veya “atom”dur. Bu kelime, gördüğümüz gibi, ilk kez Demokritos tarafından kullanılmış ve iki bin yıldır tüm Batı dillerinde varlığını sürdürmektedir.

Elbette modern anlamda atom kesinlikle Demokritos'un atomu değildir. Günümüzde bu terim, maddenin çok küçük ama hiçbir şekilde bölünmez olmayan bir unsurunu ifade etmektedir: Atomun temel parçacıklardan oluştuğunu ve karmaşık bir yapıya sahip olduğunu biliyoruz. Demokritos'a göre atom zorunlu olarak bölünemez ve dolayısıyla ebedidir, gerçek Varlık olarak kabul edilebilecek bir şeydir. Sonuçta atomun tek özelliği her zaman var olmasıdır. Olmak istese de bunu yapamazdı. Atom (bölünmez), değişmeyen varoluşa, Varlığa mahkûmdur. Demokritos, her şeyin değişmez temeli olan atom (evrenin ebedi, bölünmez ve değişmez parçacığı) hakkındaki öğretisinde Elea filozoflarının görüşünü paylaşır.

Ancak Herakleitos'u takip ederek dünyanın sürekli değiştiğine inanıyordu. Demokritos'un iddia ettiği gibi sonsuz sayıda atom olduğundan, boşlukta hareket ederler ve çarpışarak birleşirler, bir süre birlikte var olurlar, sonra yeni çarpışmaların etkisi altında ayrılırlar ve birbirleriyle etkileşime girerek tekrar hareket ederler. Atomların bağlantısı, şeylerin doğuşuna, ayrılmasına, onların ölümüne yol açar. Böylece tüm nesneler ortaya çıkar ve yok edilir ve dünya sonsuz hareketi ve değişimi temsil eder. Her şey tamamen farklıdır, ancak aynı zamanda genel olarak aynı şeydir çünkü aynı atomlardan oluşurlar. Dünyanın çeşitliliği tek bir temele indirgenmiştir; boşlukta hareket eden atomlar. Tıpkı evrenin çeşitliliğinin arkasında olduğu gibi, Thales'te de tek bir prensip vardır - su ve Anaximenes'te - hava, Pisagor'da - sayı, Demokritos'ta - atomlar. Aynı malzemeden yapılmış şeyler neden birbirinden farklıdır? Çünkü onları oluşturan atomlar her şeyde farklı ve farklı oranlarda birleşmişlerdir.

Herhangi bir nesne, bölünemeyen parçacıkların yalnızca geçici bir birleşimidir ve yalnızca bir arada oldukları sürece var olurlar. Şeyler ya vardır ya da yoktur ve bu nedenle gerçek Varlık değildirler, başka bir deyişle, genel olarak mevcut değildirler, yalnızca onları oluşturan şey vardır - bir dizi değişmeyen atom. Aynı şekilde eşyanın özellikleri de geçici olarak vardır; hiçbir şey yoktur ve onun özellikleri de yoktur. Dolayısıyla onlar da genel olarak mevcut değiller çünkü bunlar yalnızca atomik kombinasyonların ürünleridir. Demokritos, etrafımızda gördüğümüz her şeyin aslında gerçek gerçeklik olmadığını söylüyor. Bizi çevreleyen özgün olmayan dünyanın arkasında, atomlardan ve boşluklardan oluşan gerçek ama görünmez bir dünya var. O gerçekten var olandır ve duyusal olarak algıladığımız her şey sadece onun yaratımıdır ve dolayısıyla geçicidir, hayalettir, seraptır, yanılsamadır. Abdera düşünürü, dağlar yok, gök cisimleri yok, su yok, toprak yok, hava yok, bitki ve hayvanlar yok, soğuk yok, sıcak yok, tatlı yok, tuzlu yok, beyaz yok, yeşil yok, hiçbir şey yok diyor. hepsi, ama bize öyle geliyor ki tüm bunlar var. Yalnızca atomlar ve boşluk benzersiz ve gerçekten var olur.

Demokritos'un atomistik dünya resmini göstermek için bir benzetme yapalım. Herkes güzel sanat türlerinden birinin - mozaiklerin çok iyi farkındadır: bir dizi renkli cam parçasından veya yongadan bir desen, süs veya başka, çeşitli kombinasyonlar oluşturabilirsiniz. Onlardan bir çeşit resim yapalım, sonra onu parçalayalım, başka bir resim yapalım, vb. Bütün bu çizimler gerçekten var mı? Hayır, onlar mevcut değil, sadece bir olasılık. Peki gerçekte ne var? Yalnızca bu mozaik cam parçaları seti ve daha fazlası değil! Aynı şekilde Demokritos'a göre evren, eşyalar ve onların özellikleri değil, yalnızca atomların toplamından ibarettir ve tek gerçeklik budur.



BİRİNCİ BÖLÜM

Atomlar - Işınlar - Kuantum

“Kuantum mekaniği nedir?” Çok az kişi anlamlı bir şekilde cevap verebilir. Diğer herkes kuantum mekaniğinin çok zor bir bilim olduğuna inanıyor. Belki bu doğru değildir, ancak bu tür bir güvenin kök salmasının bir nedeni vardır. Kuantum mekaniğinin mantığı aslında basittir, ancak buna alışmak için öncelikle ilk bakışta birbiriyle ilgisi olmayan birkaç kavrama hakim olmanız gerekir. Bu kavramlar hemen tutarlı bir sisteme dönüşmez, ancak uzun süreli karşılaştırma ve derinlemesine düşünme sonrasında oluşur.

Bu zaman ve çaba gerektirir.

Kuantum mekaniği hakkında sadece "...mikrodünyanın gizemli ülkesinin asırlık bilmecesini çözdüğünü" ve ayrıca "...tüm dünya görüşümüzü altüst ettiğini" biliyorsanız, onun hakkında da bu kadarını biliyorsunuz demektir. Turistlerin yabancı bir ülkeyi tanımaları, kültürünü ve dilini öğrenmeden orada seyahat etmeleri gibi: Etrafta acelesi olan, gülen, ellerini sallayan insanları görürler, ancak hareketlerinin amacı turistler tarafından bilinmez ve onların neşesi anlaşılmaz. Sonuç olarak, gezginlerin hafızasında yalnızca yabancı bir dildeki reklamların parlak noktaları kalıyor.

Kuantum mekaniği zengin ve derin bir kültüre sahip geniş bir alan. Ancak ona aşina olmak için dilini öğrenmeniz gerekir. Bu dil benzersizdir ancak özünde herhangi bir yabancı dilden farklı değildir. Herhangi bir dil gibi, tek bir irade çabasıyla bu dilde de ustalaşılamaz; bir sisteme ihtiyaç vardır. Başlangıç ​​olarak, sadece birkaç yaygın kavramı hatırlamanız ve gramer yapılarının titizliği konusunda gerçekten endişelenmeden onlardan basit ifadeler oluşturmaya çalışmanız gerekir. Dilde ustalaşmanın kolaylığı ve güveni ancak daha sonra gelecektir; bu da saf bilginin doyumunu ve neşesini beraberinde getirir.

Muhtemelen, hemen hemen herkes için kuantum mekaniği çalışması, tuzun suda çözünmesi sürecine benzer: ilk başta, bir bardağa atılan küçük kristaller iz bırakmadan kaybolur, ancak sonra bir an gelir, böylece başka bir kristal atmanın yeterli olduğu ortaya çıkar. Bu küçük tohumun yerine çözeltiden yavaş yavaş büyük bir kristal büyümeye başlar.

Aşağıda kuantum mekaniğinin kökenlerini, fikirlerini ve bulgularını izleyeceğiz, kavram ve görüntü sistemini açıklayacağız ve son olarak uygulamalardan bahsedeceğiz. Ama önce, bilincimizde başlangıç ​​kavramlarının birkaç kristalini eritmeli, o birkaç gerekli kelimeyi özümsemeliyiz, bunlar olmadan tek bir anlamlı "kuantum cümlesi" oluşturmamız imkansızdır. Bazen yorucu olabiliyor. Ancak uzaya uçmadan önce bile koşmanız, çömelmeniz ve bir santrifüj üzerinde dönmeniz gerekir ve bu en romantik aktivite olmaktan uzaktır. Ünlü fizyolog Sechenov, "Bir kasın gelişmesi için yorulması gerekir" diye tekrarlamayı severdi. Yorulmanın bir kez daha yasaklanmış olması, aramanın heyecanını, keşfetmenin sevincini ve özünde sadece kuantum mekaniğini değil, tüm bilimi yaratan önemli ayrıntılara olan o özverili ilgiyi anlayamaz.

Bütün bunlar, elbette, okuyucuyu yolculuğun başında zorluklarla korkutmak için değil, kendiniz karar vermek için söyleniyor: sonuçta, bir kişinin yutulduktan sonra ertesi sabah uyandığı haplar yok. fizik profesörü. Başlamak için tüm atom fiziğinin altında yatan üç fikri anlayacağız: atomlar, ışınlar, kuantumlar.

ATOMLAR

Peki kuantum mekaniği nedir? Kuantum mekaniği, atomik nesnelerin ve olayların yapısı ve özelliklerinin bilimidir.

Bu tanımdaki her şey doğrudur ama içine giren kavramları açıklayana kadar faydasız olduğu ortadadır. Nitekim: örneğin "atom nesnelerinin özellikleri", yani atomlar ne anlama geliyor?

Diyelim ki olgun bir karpuzdan bahsediyorsak, böyle bir soru ortaya çıkmaz - özellikleri tamamen beş duyumuz tarafından belirlenir: yuvarlaktır, ağırdır, suludur, tazelik kokar ve bıçağın altında çıtırdayarak bölünür. Peki ya atomlar (bu arada, bu karpuz bunlardan oluşuyor)? Sonuçta doğrudan görülemez veya dokunulamazlar. Bu, hiç atom olmadığı anlamına gelmez; yalnızca bunların özelliklerinin, bütün bir karpuzun özelliklerinden tamamen farklı olduğunu gösterir.

Artık atomların gerçekliğinin, Dünyanın Güneş etrafındaki hareketinden daha az açık olduğunu düşünen çok az insan kaldı. Hemen hemen herkesin bu kavramla ilgili küçük ve bölünmez bir şey olduğuna dair sezgisel bir fikri vardır. Peki modern fizik "atom" kavramına nasıl bir anlam yüklüyor? Bu kavram nasıl ortaya çıktı, eskiler bundan ne anladı, daha sonra nasıl gelişti ve neden bu spekülatif şemayı gerçek içerikle dolduran yalnızca kuantum mekaniği oldu?

Demokritos, atom fikrinin yaratıcısı olarak kabul edilir, ancak tarih aynı zamanda öğretmeni Leucippus'tan ve daha az güvenle, çağımızdan kısa bir süre önce yaşayan ve yaklaşık olarak aynı şeyi öğreten eski Hint filozofu Kanada'dan da bahseder. (“Kanada”, Sanskritçe'den tercüme edildiğinde “atom yiyen” anlamına gelir.) Kanada'ya göre, maddenin sonsuz bölünebilirliği saçmadır, çünkü bu durumda hardal tohumu bir dağa eşittir, çünkü “... sonsuzluk her zaman eşittir. sonsuzluğa." Kanada'nın öğrettiğine göre doğadaki en küçük parçacık, güneş ışığı ışınındaki bir toz zerresidir; altı atomdan oluşur ve her ikisi de "Tanrı'nın iradesiyle veya başka bir şeyle" çiftler halinde birbirine bağlanır.

Demokritos'un kendisi hakkında çok az şey biliyoruz. Akdeniz'in Trakya kıyısındaki Abdera'da doğduğu biliniyor: Leucippus'un yanı sıra Keldani ve Pers büyücülerle çalıştı, çok seyahat etti ve çok şey biliyordu; yaklaşık yüz yıl ve MÖ 370'te yaşadı. e. kendisine derinden saygı duyan doğduğu şehrin vatandaşları tarafından kamu pahasına gömüldü. Daha sonraki nesil sanatçılar Demokritos'u uzun boylu, kısa sakallı, beyaz bir chiton ve çıplak ayaklarında sandaletler giyen biri olarak tasvir ettiler.

Efsaneye göre Demokritos bir gün deniz kenarında bir taşın üzerinde oturuyor, elinde bir elma tutuyor ve şöyle düşünüyordu: “Şimdi bu elmayı ikiye bölersem, elimde yarım elma kalır; daha sonra bu yarımı tekrar ikiye bölersem elmanın dörtte biri kalır; ama bu bölmeye devam edersem elimde her zaman 1/8, 1/16 vb. kısım kalacak mı? elma? Yoksa bir noktada bir sonraki bölünme, kalan kısmın artık elma özelliklerini taşımamasına yol açacak mı?” Daha sonra Demokritos'un şüphesinin (hemen hemen her tarafsız şüphe gibi) bir miktar doğruluk içerdiği ortaya çıktı. Filozof, olgun bir düşünmenin ardından bu tür bir bölünmenin bir sınırı olduğu sonucuna vardı ve bu son, zaten bölünemez olan parçacık adını verdi. atom ve sonuçlarını “Büyük Diacosmos” kitabında özetledi. Dinleyin, bu iki bin yıldan fazla bir süre önce yazılmıştı!

“Evrenin başlangıcı atomlar ve boşluktur; geri kalan her şey yalnızca görüşte vardır. Sayısız dünya var ve bunların zaman içinde bir başlangıcı ve sonu var. Ve hiçbir şey yokluktan doğmaz, hiçbir şey yokluğa dönüşmez. Ve atomlar boyut ve sayı olarak sayısızdır, ancak evrenin etrafında hızla dönerler, bir kasırga gibi dönerler ve böylece karmaşık olan her şey doğar: ateş, su, hava, toprak. Gerçek şu ki ikincisi belirli atomların bileşikleridir. Atomlar hiçbir etkiye maruz kalmaz ve sertlikleri nedeniyle değişmezler.”

Demokritos bu ifadeleri kanıtlayamadı; kendi sözüne güvenmeyi önerdi. Ama ona inanmadılar ve her şeyden önce onun büyük çağdaşı Aristoteles ona inanmadı. Demokritos öldüğünde Büyük İskender'in gelecekteki öğretmeni Aristoteles 14 yaşındaydı. En iyi zamanlarında zayıftı, kısaydı, zarifti ve ona duyulan saygı çoğu zaman tüm makul sınırların ötesine geçiyordu. Bunun elbette nedenleri vardı: Sonuçta o dönemin tüm bilgisine sahipti.

Aristoteles bunun tersini öğretti: Bir elmayı bölme süreci, en azından prensipte süresiz olarak devam ettirilebilir. Bu öğreti egemen oldu, Demokritos yüzyıllarca unutuldu ve eserleri özenle yok edildi.

Böyle bir seçim için eskileri suçlamanın hiçbir anlamı yok - onlar için her iki sistem de eşit derecede makul ve kabul edilebilirdi: bilimlerinin amacını pratik uygulamalarda değil (onlardan utanıyorlardı), bu anlamı elde etmek için spekülasyondan yararlanmakta görüyorlardı. Dünyadaki uyumun her tam felsefesidir.

Büyük otoritenin yanılsamalarından kurtulmak iki bin yıl sürdü. 17. yüzyılda fizik bilimi ilk kez ortaya çıktı ve çok geçmeden eski doğa felsefesinin yerini aldı. Bu yeni bilim saf spekülasyona değil, deneyime ve matematiğe dayanıyordu. Çeliğin çevreleyen doğası çalışmak: kolay değil gözlemlemek, hipotezleri test etmek için bilinçli deneyler yapmak ve bu testin sonuçlarını sayılar halinde yazmaktır. Aristoteles'in düşüncesi böyle bir teste dayanamadı, ancak Demokritos'un hipotezi dayandı, ancak daha sonra göreceğimiz gibi orijinal biçiminden neredeyse hiçbir şey kalmadı.

Yirmi asırlık unutuluştan sonra, atom fikri Fransız filozof ve eğitimci Pierre Gassendi (1592-1655) tarafından yeniden canlandırıldı ve bunun için kilise tarafından zulme uğradı: Orta Çağ gelenekleri sadece hipotezlere değil, aynı zamanda genel kabul görmüş dogmalarla çelişiyorsa bilimin katı gerçekleri. Bununla birlikte atom hipotezi o zamanın tüm ileri bilim adamları tarafından kabul edildi. Newton bile meşhur "Ben hipotez kurmuyorum" sloganıyla buna inandı ve bunu "Optik"in üçüncü cildinin sonunda kendi tarzında sundu.

Ancak atomlarla ilgili hipotez deneylerle doğrulanıncaya kadar, tüm çekiciliğine rağmen yalnızca bir hipotez olarak kaldı.

Aristoteles'in değil Demokritos'un haklı olduğuna dair ilk açık kanıt İskoç botanikçi Robert Brown (1773-1858) tarafından keşfedildi. 1827'de zaten British Museum'un botanik bölümünün yaşlı bir yöneticisiydi. Gençliğinde dört yıl boyunca Avustralya çevresinde keşif gezileri yaptı ve yaklaşık 4 bin bitki türünü geri getirdi. Yirmi yıl sonra hâlâ keşif gezisinin koleksiyonlarını inceliyordu. 1827 yazında Brown, en küçük bitki poleninin bilinmeyen bir kuvvetin etkisi altında suda rastgele hareket ettiğini fark etti. Hemen, başlığı o rahat çağın oldukça karakteristik özelliği olan bir makale yayınladı: “Bitki poleninin içerdiği parçacıklar üzerinde Haziran, Temmuz ve Ağustos 1827'de yapılan mikroskobik gözlemlerin kısa bir açıklaması; ve organik ve inorganik cisimlerdeki aktif moleküllerin varlığı hakkında."

Başlangıçta yaşadığı deneyim kafa karıştırıcıydı. Bu şaşkınlık, Brown'un kendisi tarafından daha da kötüleştirildi ve bu fenomeni, sözde organik moleküllerde var olan belirli bir "canlı güç" ile açıklamaya çalıştı. Doğal olarak “Brown hareketinin” bu kadar basit bir açıklaması bilim adamlarını tatmin etmedi ve onu incelemek için yeni girişimlerde bulundular. Bunlar arasında Hollandalı Carbonel (1880) ve Fransız Goon (1888) özellikle çok şey yaptı. Dikkatli deneyler yaptılar ve Brown hareketinin dış etkenlere bağlı olmadığını buldular: yılın saati ve günü, tuzların eklenmesi, polen türü ve “... geceleri bir köyde eşit derecede iyi gözlemlenir ve gündüzleri ağır arabaların geçtiği kalabalık bir caddenin yakınında.”

İlk başta garip hareketin gereken ilgiyi çekmediğini söylemek gerekir. Çoğu fizikçi bunu hiç bilmiyordu ve bilenler, bu olgunun güneş ışınındaki toz taneciklerinin hareketine benzer olduğuna inanarak bunun ilginç olmadığını düşündüler. Muhtemelen sadece kırk yıl sonra, bitki poleninin mikroskopla görülebilen rastgele hareketlerinin küçük, görünmez sıvı parçacıklarının rastgele şoklarından kaynaklandığı fikri ilk kez şekillendi. Gong'un çalışmasından sonra neredeyse herkes buna ikna oldu. ve atom hipotezi pek çok takipçi kazandı.

Elbette Brown'dan önce bile birçok insan tüm cisimlerin atomlardan oluştuğuna inanıyordu. Onlara göre atomların bazı özellikleri daha fazla araştırma yapılmaksızın açıktı. Aslında doğadaki tüm cisimler, aralarındaki büyük farklılıklara rağmen bir ağırlık ve boyuta sahiptir. Açıkçası, atomlarının da ağırlık ve boyuta sahip olması gerekir. Manchester şehrinde mütevazı bir matematik ve doğa felsefesi öğretmeni ve yaklaşık yüz yıl boyunca kimyanın gelişimini belirleyen büyük bir bilim adamı olan John Dalton'un (1766-1844) mantığının dayandığı bu özelliklerdi.

Atomculuğun destekçilerinin hemen bir sorusu vardı: Demokritos'un iddia ettiği gibi cisimlerin çeşitliliği aynı çeşit atomlar anlamına gelmiyor mu? Bunun yanlış olduğu ortaya çıktı. Kimyasal reaksiyonları ayrıntılı olarak inceleyen John Dalton, 1808'de ilk kez kimyasal element kavramını açıkça formüle etti: Element aynı cins atomlardan oluşan maddedir.

Çok fazla unsurun olmadığı ortaya çıktı: o zamanlar yaklaşık 40 tanesi biliniyordu (şimdi 104). Diğer tüm maddeler moleküllerden, yani çeşitli atom kombinasyonlarından oluşur. Elementlerin atomları da birbirinden farklıdır. Bu farklılıklardan biri oldukça hızlı bir şekilde bulundu: bunun bir atomun kütlesi olduğu ortaya çıktı. En hafif gaz olan hidrojenin atom ağırlığını bir olarak alarak geri kalan elementlerin atom ağırlığını onun aracılığıyla ifade edebildik. Bu birimlerde oksijenin atom ağırlığı 16, demir - 56 vb. Sayılar atom bilimine ilk kez böyle girdi - olağanüstü önem taşıyan bir olay.

Ancak daha önce olduğu gibi atomların mutlak boyutları ve kütleleri hakkında hiçbir şey bilinmiyordu.

Atomun boyutunu tahmin etmeye yönelik ilk bilimsel girişimlerden biri Mikhail Vasilyevich Lomonosov'a (1711-1765) aittir. 1742 yılında usta kuyumcuların santimetrenin on binde biri (10-4 cm) kalınlığında altın levha açabildiğini, dolayısıyla altın atomlarının bu değeri aşmasının mümkün olmadığını fark etti. 1777 yılında Benjamin Franklin (1706-1790), sakin suyun yüzeyine dökülen bir kaşık dolusu yağın (hacmi yaklaşık 5 cm3) 0,2 hektar yani 2 bin metrekare alana yayıldığını fark etti. . m veya 2 10 7 cm2.

Açıkçası, bu durumda molekülün çapı

d = (5 cm3)/(2 10 7 cm2) = 2,5 10 -7 (yani santimetrenin on milyonda ikisi) değerini aşamaz.

Ancak atomların büyüklüğünü ve kütlesini tahmin etmeye yönelik ilk başarılı girişim, Viyana Üniversitesi'nde fizik öğretmeni olan Joseph Loschmidt'in (1821-1895) çalışması olarak değerlendirilmelidir. 1865 yılında tüm atomların boyutlarının yaklaşık olarak aynı ve 10-8 cm'ye eşit olduğunu, bir hidrojen atomunun ağırlığının ise yalnızca 10-24 gr olduğunu buldu.

Burada bu kadar küçük miktarlarla ilk kez karşılaşıyoruz ve bunları kavrayacak yeterli beceriye sahip değiliz. En fazla şunu söyleyebiliriz: Saç kadar ince ya da tüy kadar hafif. Ancak saçın kalınlığı (10-2 cm), en büyük atomdan milyon kat daha fazladır ve kuş tüyü yastık zaten ağır ve oldukça gerçek bir şeydir. Sağduyu ile bu sayıların küçüklüğü arasındaki boşluğu bir şekilde doldurmak için genellikle karşılaştırmaya başvuruyorlar.

Hikayeye başladığımız “karpuz atomu” ile 1 cm çapındaki bir kirazı alıp aynı anda büyütürsek, kiraz dünya büyüklüğüne ulaştığı anda “karpuz” ortaya çıkar. atom” hem ağırlık hem de boyut olarak iyi bir karpuza benzemeye başlayacak.

Bununla birlikte, bu tür karşılaştırmaların göreceli değeri görünüşte çok küçüktür, çünkü bu kadar küçük nesneler için boyut kavramı birincil anlamını yitirir. Bu nedenle, bu tür sayıları en başından görsel olarak hayal etme girişimlerinden vazgeçmek daha iyidir. Aşırı küçük olmalarına rağmen, bu sayılar keyfi değildir: Bu atomlardan oluşan maddelerin özelliklerinin tamamen aynı olması için atomlara atanması gereken şeyin tam olarak bu kadar küçük çaplar ve kütleler olduğunu anlamak önemlidir. onları doğada gözlemlediğimiz gibi.

Loschmidt bu sayıları gazların karşılıklı difüzyonunu, yani temas halinde karışma yeteneklerini inceleyerek elde etti. (Hepimiz bu fenomene çok aşinayız, ancak genellikle biçilmiş çim kokusuyla aniden durduğumuzda bunu hatırlamayız.) Loschmidt, moleküler kinetik hipotez - gazların yalnızca moleküllerden değil aynı zamanda moleküllerden oluştuğu varsayımı hareketli moleküller. Gazların kinetik teorisinin formüllerini kullanarak, gazdaki moleküller arasındaki ortalama mesafeyi de belirledi: bu mesafenin, atomların çapından yaklaşık 10 kat daha büyük olduğu ortaya çıktı.

Bir gaz sıvıya dönüştürülürse hacmi yaklaşık bin kat azalacak, yani atomlar arasındaki mesafeler 10 kat azalacaktır. Bu, bir sıvıda ve bir katıda atomların birbirine yakın olarak sıkıştırıldığı anlamına gelir. Aynı zamanda hareket etmeyi de bırakmıyorlar - sadece hareketleri artık kısıtlı ve gaz moleküllerinin hareket yasalarından farklı yasalara uyuyor.

IŞINLAR

Demir, herhangi bir madde gibi atomlardan oluşur. Hurda demirin bir ucu fırına konursa doğal olarak ısınmaya başlayacaktır. Kinetik teori açısından bu, demir atomlarının daha hızlı hareket etmeye başlayacağı anlamına gelir (bu, levyenin diğer ucuna parmaklarınızla dokunarak tespit edilebilir). Yani ısı, hareket eden atomların enerjisidir. Ancak hepsi bu değil.

Hurdayı ısıtırken çarpıcı bir olay gözlemliyoruz: Fırındaki sıcaklık arttıkça, renkısıtılmış demir: kiraz kırmızısından göz kamaştırıcı beyaza. Üstelik artık sadece levyeye dokunmakla kalmıyor, aynı zamanda yaklaşıyorsunuz. Yalnızca atomların hareketi fikrini kullanırsak, ikincisi artık anlaşılmaz değildir; Aslında hurdaya dokunmadık, demir atomları elimize çarpmadı - neden ısındık?

Burada ilk defa başta uyardığımız bir durumla karşı karşıyayız. İlk bakışta atom fikriyle hiçbir ilgisi olmayan yeni bir kavramı tanıtmamız gerekiyor. Bu kavram radyasyon.

Diyoruz ki: Güneş ışınları açıklığı aydınlattı. Bu, ışığın radyasyon olduğu anlamına gelir. Ama şunu da söylüyoruz: Güneş ışınlarının tadını çıkarın. Sonuç olarak ısı ışınlar şeklinde de yayılabilir. Genel olarak radyasyonla her zaman uğraşırız: Ateşin yanında oturduğumuzda, gün batımına baktığımızda, alıcının ayar düğmesini çevirdiğimizde veya göğüs röntgeni çektiğimizde. Her türlü radyasyon: ısı, ışık, radyo dalgaları ve x-ışınları - çeşitli belirtiler aynı elektromanyetik radyasyon. Bununla birlikte, radyasyon türleri arasında yalnızca niteliksel ve öznel olarak değil, aynı zamanda kesinlikle niceliksel olarak da ayrım yapıyoruz. Hangi temelde? Elektromanyetik radyasyonda bunların birçoğu vardır, ancak şu anda bizim için özellikle önemli olan bir tanesi dalga doğasıdır.

Muhtemelen bin bir ders kitabında dalganın özellikleri bizim şimdi yapacağımızdan daha iyi ve daha detaylı anlatılıyor. Ancak yine de bunları, saygın akademik yabancı sözcük sözlüklerinin bile tamamen anlaşılır günlük sözcükler içermesi nedeniyle hatırlayacağız.

“Dalga” fizikteki en gerekli kelimelerden biridir.

Herkes bunu farklı hayal ediyor: Biri gölete atılan bir taşın dalgalarını hemen görüyor, diğeri sinüs dalgasını görüyor. Sinüzoid çizmek daha kolay olduğundan onu kullanacağız. Bu şematik dalganın dört özelliği vardır: genlik A, dalga boyu λ, frekans ν ve yayılma hızı v.

Bir dalganın genliği onun en büyük yüksekliğidir. Dalga boyunun ne olduğu şekilden açıkça görülmektedir. Görünüşe göre yayılma hızı herhangi bir özel açıklama gerektirmiyor. Frekansın ne olduğunu bulmak için bir dalganın hareketini bir saniye boyunca takip edelim.

Bu süre zarfında v santimetrelik bir yol kat edecektir (yani hızı v cm/sn'dir). Bu segmente kaç dalga boyunun sığdığını sayarak dalganın (veya radyasyonun) frekansını bulacağız: ν = v/λ.

Dalgaların en önemli özelliği yetenekleridir. müdahale etmek. Özü nedir?

Şu olasılığı göz önünde bulundurun: Bir bezelyeyi duvara kuvvetlice fırlatırsınız, böylece bezelye ondan oldukça uzağa sıçrar. Diyelim ki 1 saniyede duvarın bir santimetre karesine çarpacak şekilde eşit şekilde fırlatmayı başarabilirsiniz. 8 bezelye düştü. Şimdi zihinsel olarak sizinle duvar arasında herhangi bir yerde 1 cm2'lik bir alan seçin ve her iki yönde de içinden geçen bezelye sayısını sayın. Her zaman 16'ya eşit olacağı açıktır.

Bir dalga duvardan yansırsa ne olur?

Bir sonraki sayfadaki şekle dikkatlice bakalım: İlk başta dalga hiçbir engelle karşılaşmadan sağa doğru yayılır (A); daha sonra duvara ulaşır ve yansıtılır (B); ancak iki ayrı dalgayı değil, her iki dalganın eklenmesinin sonucunu göreceğiz: doğrudan ve yansıyan. Sonuç, dalganın duvarla (B) nasıl temas ettiğine bağlıdır. Bazen o kadar kötü düşer ki kendi kendine söner (G, D). Girişim adı verilen, bir dalganın bu kendini iptal etme yeteneğidir. Bu özelliği sayesinde bir dalga her zaman parçacık akışından açıkça ayırt edilebilir.

Dalgayı parçacıklardan ayıran bir diğer özelliği ise kırınım veya basitçe söylemek gerekirse, bir dalganın bir parçacığın açıkça yapamayacağı bir köşe etrafında bükülme yeteneği. (Sadece engelin boyutunun dalga boyuyla karşılaştırılabilir olması gerektiğine dikkat çekiyoruz. Ve bir şey daha: eğer engel küçükse, o zaman kırınım sayesinde dalga ikiye bölünebilir, her iki taraftan etrafından dolaşabilir ve tekrar katlanarak, düz bir çizgi ve yansıyan dalgayı eklerken olduğu gibi kendi kendini söndürür.)

Böylece, X-ışınları ve diğer radyasyon türlerindeki girişim ve kırınımları keşfettikten sonra, bunların hepsinin dalga olduğunu, yalnızca farklı uzunluklarda olduklarını tespit ettiler. Radyasyonun dalga boyu, elektromanyetik radyasyon türlerini niceliksel olarak ayırt etmemizi sağlayan ana özelliktir.

Radyo dalgaları en uzun uzunluğa sahiptir: birkaç kilometreden birkaç santimetreye kadar.

Isı ışınları için daha kısadır - 1 cm'den 10-2 cm'ye kadar.

Görünür ışığın dalga boyları daha da kısadır; yaklaşık 4 10 5 - 8 10 -5 cm.

X ışınlarının en kısa dalga boyları 10 -7 -10 -9 cm'dir.

Tüm bu radyasyon türleri aynı hızda yayılır - ışığın hızı c = 3 10 10 cm/sn.

Buradan ν = c/λ formülünü kullanarak her bir radyasyon türünün frekansını hesaplamak çok kolaydır. Açıkçası, X-ışınları için bu en büyük, radyo dalgaları için ise en küçük olacaktır.

Tabii ki, herhangi bir radyasyonun şekilde gösterilen bir sinüzoid olmadığını, ancak fiziksel süreç Neyse ki, temel özellikleri (örneğin periyodiklik) bu kadar basit modellerin dilinde ifade edilebilir.

Her radyasyon türünün kendine has özellikleri vardır. Şimdilik bizim için en önemli ve tanıdık olan radyasyon türüne, yani güneş radyasyonuna odaklanalım. Ve herhangi bir radyasyon türüyle aynı yasalara uyduğu için, gelecekte bu, kuantum mekaniği tarihinde çok önemli olduğu ortaya çıkan termal radyasyon yasalarını anlamamıza yardımcı olacaktır.

Güneşin tadını çıkardığınızda muhtemelen ışınlarının hangi dalgalardan oluştuğunu düşünmezsiniz. Ancak bazen kendinize neden dağlarda güneş yanığı olduğunu ve akşamları neden bronzlaşamadığınızı soruyorsunuz. ROM Isaac Newton (1643-1727) güneşin fazla olmadığı İngiltere'de yaşadı ama yine de güneş ışığının nelerden oluştuğunu düşündü. Praglı tıp profesörü Markus Marzi'nin ardından artık her okul çocuğunun aşina olduğu bir deney gerçekleştirdi. Güneş ışınını bir prizmadan geçirdikten sonra duvarın arkasında bir gökkuşağı keşfetti; güneş ışınının spektrumu.

Gökkuşağı spektrumunun her rengi kendi güneş radyasyonu dalgasına karşılık gelir: en uzun olanı kırmızıdır - 7 10 -5 cm; yeşil için - 5 10 -5; mor için - 4 10 -5. Görünür ışınlara ek olarak, elbette güneş spektrumunda başka ışınlar da vardır; özellikle kızılötesi ışınlar (dalga boyları kırmızı olanlardan bile daha uzundur) ve ultraviyole ışınlar (dalga boyları mor olanlardan daha kısadır). Sonuç olarak, ultraviyole ışınlarının frekansı en yüksek, kızılötesi ışınları ise en azdır.

Radyasyon spektrumundaki farklı renklerin göreceli parlaklığı aynı değildir ve yayan cismin sıcaklığına bağlıdır: örneğin, güneş radyasyonu en çok sarı ışınları içerir. Böylece herhangi bir radyasyonun spektrumu, öncelikle içinde hangi ışınların olduğunu ve ikinci olarak bunlardan kaç tane olduğunu gösterir.

Dünya atmosferinden geçen bir güneş ışını, spektral bileşimini değiştirir, çünkü güneş spektrumunun farklı ışınları, özellikle de ultraviyole ışınlar, atmosfer tarafından farklı şekilde emilir. Dağda daha az hava tabakası vardır, ultraviyole ışınlarının payı daha fazladır ve bu nedenle orada vadiye göre daha hızlı güneş yanığına maruz kalabilirsiniz.

Ve bu gerçeğin kendisi iyi bilinmesine rağmen, daha fazla tartışmak için şu önemli ayrıntıyı yine de hatırladık: Güneş yanığının nedeni yeşil veya kırmızı değil, ultraviyole ışınlardır. Ancak yanmak için her halükarda biraz enerji harcamanız gerekir. Sonuç olarak, en yüksek frekanstaki dalgalar en fazla enerjiyi taşır - kızılötesi değil, ultraviyole (her ne kadar termal olarak adlandırılsalar da). Bu çok önemli bir sonuçtur.

Yani her cisim, şu anda 10-8 cm çapında ve 10-24 gramdan 20-22 grama kadar farklı ağırlıklarda toplar olarak hayal ettiğimiz atomlardan oluşur. Çok hızlı hareket ederler, salınırlar ve birbirleriyle çarpışırlar. Vücut sıcaklığının artmasıyla hareketlerinin hızı artar. Atomların bu termal hareketi tamamen yeni bir olguya yol açmaktadır: özellikleri henüz bilinmeyen termal radyasyon.

Bunları tanımak için fırında ısıtılan hurda demire dönelim. Fırın ne kadar sıcak olursa hurda o kadar fazla ısı yayar. Elbette bu gerçek her zaman biliniyordu, ancak miktar yasasını teorik olarak yalnızca Joseph Stefan (1835-1893) 1879'da deneysel olarak ve Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) kurdu. Artan sıcaklıkla birlikte, yayılan ısının toplam miktarının, mutlak vücut sıcaklığının dördüncü kuvveti gibi çok hızlı arttığı ortaya çıktı.

Daha önce Rus hamamlarında yapıldığı gibi fırına hurda yerine parke taşı koyarsanız ne olur? Radyasyon enerjisi hurda demirden farklı mı olacak? 1859'da Gustav Robert Kirchhoff, her iki durumda da fırın sıcaklığının aynı olması durumunda bunun gerçekleşmeyeceğini kanıtladı. Daha da fazlasını kanıtladı, ancak bunu anlamak için hikayeyi yarıda kesmeniz ve ısınan vücuttan gelen radyasyon akışına daha yakından bakmanız gerekiyor.

Tıpkı güneş ışığı gibi bu akış da tek biçimli değildir. Herhangi bir termal radyasyon, öncelikle farklı dalga boylarındaki ışınlardan oluşur ve ikincisi, bunların toplam radyasyon akışına katkısı farklıdır. Bu özelliklerin her ikisini de biliyorsak, bildiğimizi iddia edebiliriz. spektral bileşim radyasyon.

Toplam radyasyon akışında ν frekanslı radyasyonun payının T sıcaklığına bağlı olduğunu vurgulamak için genellikle aşağıdaki formül yazılır: U = U (ν, T).

Elbette vücudun sıcaklığını değiştirirsek, termal radyasyonun spektral bileşimi de değişecektir. Bu değişimin niceliksel yasaları 1893 yılında Wilhelm Wien (1864-1928) tarafından oluşturulmuştur.

Ancak aynı sıcaklıkta bile farklı cisimler farklı ışık yayar. Örneğin çelik ve taş topları karanlıkta aynı anda ısıtırsanız bunu doğrulamak kolaydır. Ancak çok geçmeden, eğer katı toplar yerine içi boş toplar ısıtılırsa ve radyasyon duvarlarındaki küçük bir delikten gözlemlenirse, bu radyasyonun spektral bileşiminin artık topun maddesine bağlı olmadığı keşfedildi. Bu spektruma denir siyah cisim spektrumu.

Bu biraz alışılmadık ismin kökenini anlamak kolaydır. Topu ısıtmadığınızı, aksine dışarıdan aydınlattığınızı hayal edin. Topun malzemesi ne olursa olsun önünüzde daima bir kara delik göreceksiniz. Çünkü boşluğa giren tüm ışınlar defalarca oraya yansır ve neredeyse hiç dışarı çıkmaz.

Tamamen siyah bir gövdenin gerçek hayattaki bir örneği, geleneksel veya daha da iyisi açık ocaklı bir fırındır. Bu arada, açık ocaklı bir fırının içine baktıysanız, muhtemelen ilginç bir fenomeni fark etmişsinizdir: açıklığından eşit bir ışık akıyor ve bu, fırının içinde bulunan nesnelerin ayrıntılarını görmenize izin vermiyor. Radyasyon bilgimiz artık bu gerçeği anlamamızı sağlıyor.

Güneşte eşit büyüklükteki iki topu (taş ve çelik) ayırt etmek çok kolaydır - çok farklı parlarlar: çelik top, taştan çok daha fazla ışın yansıtır. Eğer bu toplar karanlıkta ısıtılırsa taş topun çelik toptan daha fazla radyasyon yaydığını doğrulamak zor değildir. (Bu arada, banyolarda parke taşlarını ısıtmanın çelik çubuklar yerine parke taşlarını ısıtmanın daha karlı olmasının nedenlerinden biri de budur.)

Bu toplar, yalnızca kendilerini ısıtıp yaymakla kalmayıp aynı zamanda diğer cisimlerin radyasyonunu emip yansıttıkları açık ocaklı bir fırına atılırsa, o zaman göreceğiz (tabii ki, toplardan önce fırının içine bakarsak) eriyik) tamamen aynı iki top. Neden? Evet, çünkü bir taş top daha fazla "kendi" ışınını yayarsa, o zaman daha fazla "yabancıyı" emer ve çelik bir top daha az "kendi" ışınını yayar, ancak daha fazla "yabancıyı" yansıtır. Bu nedenle, her iki "toptan" ışınların ("bizim" ve "yabancı") toplam akışı aynıdır ve bu nedenle yalnızca birbirlerinden değil, içinde bulundukları fırının duvarlarından bile ayırt edilemezler;

Kirchhoff tarafından 1759'da oluşturulan bu katı yasaydı: Cisimlerin yayma gücünün soğurma kapasitelerine oranı evrensel bir fonksiyondur: U = U (ν, T), cisimlerin doğasından bağımsızdır. Spektral fonksiyon U=U (ν, T) (buna aynı zamanda denir) termal radyasyonun özellikleri hakkında hemen hemen tüm bilgileri içerir. Özellikle ısıtılan bir cismin rengi, en çok yayılan dalgalara göre belirlenir.

U = U (ν, T) fonksiyonunun önemi Kirchhoff'un zamanında hemen anlaşıldı, ancak 40 yıl boyunca termal radyasyonla ilgili tüm deneyleri doğru şekilde tanımlayacak bir formül bulmak mümkün olmadı. Ancak bu girişimler hiçbir zaman sona ermedi: Görünüşe göre mutlak arayışı insan zihni için her zaman çekici olmuştur.

Hikayemizde Max Planck'ın (1858-1947) fizikte yaptığı devrimin eşiğine geldik. Ancak özünü açıklamadan önce, termal radyasyonun bir zamanlar bahsettiğimiz bir özelliğine bir kez daha dikkat çekelim: ısıtıldığında cisimlerin renginin değişmesi.

Vücut sıcaklığı düşükken ışın yayar ancak parlamaz, yani sadece gözle görülmeyen termal ve kızılötesi dalgalar yayar. Sıcaklık yükseldikçe vücut parlamaya başlar: önce kırmızı, sonra turuncu, sarı vb. Örneğin en çok sarı ışınlar 6 bin santigrat derecede yayılır. Bu arada, bu kritere dayanarak bunun tam olarak Güneş yüzeyinin sıcaklığı olduğu tespit edildi.

Lütfen unutmayın: Güneş yanığı durumunda radyasyonun frekansı arttıkça daha fazla enerji açığa çıkar. Peki bu durumda? Vücudu ısıtmak için ne kadar çok enerji harcarsak, yayılan dalgaların frekansı da o kadar yüksek olur. Araç, Frekans ile radyasyon enerjisi arasında bir tür ilişki vardır.

KUANTA

Geçen yüzyılın sonunda Max Planck kara cisim spektrumu için evrensel bir formül arıyordu. Bu konuda nasıl bir mantık yürütmeliydi? Termal radyasyon sadece atomların hareketiyle üretilmez, aynı zamanda enerjiyi de beraberinde taşıdığı için onları da etkiler. Böyle bir karşılıklı etkinin bir sonucu olarak, tamamen siyah bir gövdenin içinde termal denge kurulur: Atomlar dışarıdan ne kadar ısı alırsa, aynı miktarda enerji de radyasyon yoluyla onlardan uzaklaşır. Maddenin kinetik teorisinden, Ecal atomlarının ortalama titreşim enerjisinin mutlak sıcaklık T ile orantılı olduğunu biliyordu: E coll = k T, burada k = 1,38 · 10 · 16 erg/derece Boltzmann sabiti olarak adlandırılan bir orantı faktörüdür.

Şimdi unutmayın: Radyasyonun enerjisi frekansıyla birlikte artar. Planck da elbette bunu biliyordu. Ama nasıl büyüyor? En basit şeyi varsaydı: E'nin yaydığı radyasyon enerjisi frekansıyla orantılı: E iz = h ν, burada h başka bir orantı faktörüdür. (Bu fikir o kadar basittir ki kanıtlanamaz ve daha basit kavramlarla açıklanamaz. Ancak parlak düşüncelere işaret eden de tam olarak bu klasik basitliktir.) Bunu varsayarak Max Planck U = U (ν, T) spektral fonksiyonunun formülünü tahmin etti. ). Evet, doğru tahmin ettim. Ama her şeyin bu kadar basit olduğunu düşünmeyin; Planck iki yıl boyunca formülüyle uğraştı.

19 Ekim 1900'de Alman Fizik Derneği'nin bir sonraki toplantısı gerçekleşti; burada deneyciler Rubens ve Kurlbaum siyah cisim spektrumunun yeni, daha doğru ölçümleri hakkında rapor verdiler. Raporun ardından deneycilerin hiçbir teorinin sonuçlarını açıklayamayacağından şikayet ettiği bir tartışma gerçekleşti. Planck kendi formülünü kullanmalarını önerdi. Aynı gece Rubens, ölçümlerini Planck'ın formülüyle karşılaştırdı ve bu formülün tamamen siyah bir cismin spektrumunu en küçük ayrıntısına kadar doğru şekilde tanımladığına ikna oldu. Ertesi sabah meslektaşı ve yakın arkadaşı Planck'ı bu konuda bilgilendirdi ve başarısından dolayı onu tebrik etti.

Ancak Planck bir teorisyendi ve bu nedenle teorilerin yalnızca nihai sonuçlarına değil, aynı zamanda onların içsel mükemmelliğine de değer veriyordu. Üstelik yeni bir doğa kanunu keşfettiğini henüz bilmiyordu ve bunun daha önce bilinenlerden çıkarılabileceğine inanıyordu. Bu nedenle, maddenin kinetik teorisi ve termodinamiğin basit önermelerine dayanarak radyasyon yasasını teorik olarak doğrulamaya çalıştı. Bunu iki ay süren sürekli çalışma ve aşırı çaba izledi. Başardı. Ama ne pahasına olursa olsun!

Hesaplamalar sırasında radyasyonun kısımlar halinde yayıldığını (veya kuantum), değeri kısa bir süre önce tahmin ettiği E = h ν ile tamamen aynı formülle belirlenir. Bu durumda - ve yalnızca bu durumda - emisyon spektrumu için doğru formülü elde etmek mümkün oldu.

E = h ν ilişkisi mantıksal olarak kanıtlanamaz, tıpkı evrensel çekim yasasının kanıtlanamaması gibi. Onlar var; dünya böyle işliyor. Üstelik diğer doğa olaylarını da ancak bunları kabul ederek ve kullanarak açıklayabiliriz. Tamamen siyah bir cismin spektrumu da öyle.

Planck'ın varsayımı biçimsel olarak son derece açık ve basitti, ancak özünde önceki tüm fizik deneyimleriyle ve yılların gelişmiş sezgileriyle çelişiyordu. Unutmayın, radyasyonun bir dalga süreci olduğunu defalarca vurguladık. Ve eğer öyleyse, o zaman bu süreçteki enerji, porsiyonlar halinde değil, kuantum olarak sürekli olarak aktarılmalıdır. Planck bu indirgenemez çelişkinin herkesten daha fazla farkındaydı. Ünlü formülünü elde ettiğinde 42 yaşındaydı ama neredeyse hayatının geri kalanında yarattığı teorinin mantıksal kusurlarından muzdaripti. Sonraki nesil fizikçiler için bu duygu köreldi: Nihai sonucu zaten biliyorlardı ve yeni bir şekilde düşünmeyi öğrendiler.

Ancak Planck klasik fizik gelenekleri içinde büyümüştü ve tamamen onun katı, rahat dünyasına aitti. Ve şu şekilde ortaya çıktı: Radyasyon teorisinde uzun zamandır devam eden bir gizemi çözerek, tüm klasik fiziğin mantıksal düzenini ihlal etti. "Aslında bu çok özel sorunun çözümü çok yüksek bir maliyetle sağlanmıyor mu?" Max Planck için bu büyük bir şoktu. Daha sonra Planck, Nobel Ödülü'nü alırken yaptığı konuşmada, kendisi için kuantumun gerçekliğini kabul etmenin "...tüm nedensel bağlantıların sürekliliğinin ihlali" anlamına geldiğini hatırlattı.

Ancak çok daha sonra, 1927'de yeni bir bilim - kuantum mekaniği - burada hiçbir çelişki olmadığını açıkladı. Ancak o zaman henüz çok uzakta.

14 Aralık 1900'de Alman Fizik Derneği'nin toplantı salonunda yeni bir bilim doğdu: kuantum doktrini. Sıradan bir fizik profesörü Max Karl Ernst Ludwig Planck, kuru ve ayrıntılı bir şekilde küçük bir izleyici kitlesine çok özel bir rapor okudu: "Normal spektrumda enerji dağılımı yasası teorisi üzerine."

O gün anın büyüklüğünü anlayan çok az kişi vardı: Kötü hava koşulları ya da teorinin mantıksal çelişkileri muhtemelen izleyiciyi daha çok meşgul ediyordu. Tanıma daha sonra geldi. Daha sonra Planck sabiti h'nin tüm atom dünyası için anlamını anladılar. Çok küçük olduğu ortaya çıktı: h = 6,62 · 10 -27 erg sn, ama atom olgusu dünyasının kapısını açtı. Ve her zaman, tanıdık ve klasik dünyadan sıradışı ve kuantum dünyasına geçmek istediğimizde, bu dar kapıdan geçmek zorundayız.

KUANTUMUN ETRAFINDA

DEMOKRİTOS'UN ELMASI

Atomlar hakkında hâlâ çok az şey biliyoruz ama bu bilgi bile Demokritos'un problemini çözmeye yetiyor: Bir elmayı art arda bölerek "atomuna" ulaşmak ne kadar sürer?

Demokritos'un elinde yaklaşık on santimetre çapında büyük bir elma olduğunu varsayalım. O halde hacmi yaklaşık olarak

V = 10 3 cm3 ve her bölmede yarıya iner, böylece n'inci bölmeden sonra hacmi V n şuna eşit olur:

V n = V/2 2 = 10 3 /10 0,3 n = 10 3-0,3 n.

Loschmidt'in tahminine göre bir atomun hacmi yaklaşık olarak (10 -8 cm)3 = 10 -24 cm3'tür. Bölünme, Vn hacmi atomun hacmine eşit olduğunda, yani 10 3-0,3n = 10 -24 koşulu altında sona erecektir.

Buradan n=90 olduğunu, yani 90. adımda Demokritos'un amacına ulaşmış olacağını bulmak kolaydır. O kadar da değil, değil mi?

Aynı anda düşündüğünü ve bu nedenle elmayı yavaş yavaş böldüğünü de hesaba katsak bile, o zaman bile yarım saat onun için yeterli olurdu.

ISAAC NEWTON ATOMLAR HAKKINDA

“Tanrının maddeyi ilk kez katı, masif, katı, delinmez, hareket eden parçacıklar biçiminde, bu boyut ve şekillerde ve başka özelliklerde ve yaratma amacına en iyi hizmet edecek şekilde uzaya göre yaratmış olması bana muhtemel görünüyor. ve bu en basit parçacıkların, katı olduklarından, onlardan oluşan diğer cisimlerle kıyaslanamaz derecede daha güçlü oldukları; o kadar güçlü ki asla yıpranmıyor veya parçalanmıyor; Tanrı'nın yaratılışın ilk gününde yarattığı şeyi hiçbir sıradan güç bölemez..."

"Bana öyle geliyor ki, bu parçacıklar yalnızca atalet özelliğine ve bu kuvvetlerden doğal olarak kaynaklanan pasif hareket yasalarına sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda yerçekimi gibi belirli çalışma prensiplerine göre hareket ediyorlar ve bunlar da yerçekiminin nedeni. cisimlerin uyarılması ve birleşmesi. Ben bu ilkeleri, şeylerin belirli biçimlerinden sonuçlar çıkardığı varsayılan okült nitelikler olarak değil, bu şeylerin varoluşunun bağlı olduğu genel doğa yasaları olarak görüyorum; Sebepleri henüz keşfedilmemiş olsa da, bunların güvenilirliği olgular yoluyla bizim için açıktır. Yalnızca nitelikler ortadadır ama nedenleri bilinmemektedir.”

KUANTUM ÜZERİNDE PLANK

Max Planck, 2 Haziran 1920'de Stockholm'deki İsveç Bilimler Akademisi'nde Nobel Ödülü'nü alırken "Kuantum Teorisinin Ortaya Çıkışı ve Kademeli Gelişimi" konulu bir konuşma yaptı. İşte ondan birkaç alıntı.

“Uçurumun üzerinden bir köprü kurma yönünde ortaya çıkan tüm girişimlerin çöküşü, kısa sürede tüm şüpheleri ortadan kaldırdı: ya eylemin kuantumu hayali bir miktardı - o zaman radyasyon yasasının tüm türetilmesi temelde bir yanılsamaydı ve basitçe bir formül oyunuydu. içerikten yoksundu ya da bu yasanın türetilmesi doğru fiziksel düşünceye dayanıyordu - o zaman eylem kuantumunun fizikte temel bir rol oynaması gerekiyordu, sonra onun ortaya çıkışı tamamen yeni, şimdiye kadar duyulmamış, bir müdahale gerektiriyor gibi görünen bir şeyin habercisiydi. Newton ve Leibniz'in sonsuz küçükler analizinin tüm nedensel bağlantıların sürekliliği varsayımına dayanmasından bu yana dayanan fiziksel düşüncemizin temellerinin dönüşümü ... "

“...Bugün bize anlaşılmaz görünen şey, bir gün daha yüksek bir bakış açısından özellikle basit ve uyumlu görünecek. Ancak bu hedefe ulaşılmadan önce, eylemin kuantumu sorunu araştırmacıların düşüncelerini teşvik etmeyi ve beslemeyi bırakmayacak ve çözümünde ortaya çıkan zorluklar ne kadar büyük olursa, tüm düşüncelerimizin genişlemesi ve derinleşmesi açısından o kadar önemli olacaktır. fiziksel bilgi.”

Planck, keşfinin öneminin çok iyi farkındaydı (oğluna şöyle dedi: "Bugün Newton kadar önemli bir keşif yaptım"), ama asla bunun reklamını yapmadı. Muhtemelen Planck'ın "ne yaptığını açıkça bilmediği" şeklindeki yanlış kanı kök salmasının nedeni budur. Nobel konuşmasından yukarıdaki alıntılar bu yanılgıyı bir kez daha çürütüyor.

Monolog ve diyalogdan oluşan bir hikaye

Bayanlar ve Baylar! Bildiğiniz gibi 1911'de Rutherford atomun yapısına ilişkin tutarlı bir teori öne sürdü. Ancak ondan iki buçuk bin yıl önce Demokritos şunu duyurdu: Tüm Evrende yalnızca atomlar ve boşluk var. Duyularımızın kontrolü dışında atomların "girdapları", küçük bir kum tanesinden galaksilere kadar etrafımızdaki her şeyin ortaya çıkmasına neden olur.

Bugün şunu söyleyebiliriz: Parlak Yunan haklıydı. Atom doktrini meslektaşlarımızın çalışmalarında bir kez daha parlak bir şekilde doğrulandı ve onay, en az beklendiği bir alanda bulundu. Sözde “atomik hafıza”dan bahsediyoruz.

Bir kişi bazen “geçmiş yaşamının” anılarını nereden edinir? Derin bilgiyle, hayal gücüyle açıklanamayan bu kadar detayı neden anlatabiliyor? Bu tuhaflıklar ancak atomların kendilerine ait bir “hafızaya” sahip olduklarının kabul edilmesiyle açıklanabilir.

Ve bugün Demokritos'tan sonra tekrarlayacağız: Evrende yalnızca atomlar sonsuzdur. Kararlı hafif elementler binlerce yıl yaşar, bileşiklere az çok uzun bir süre girerler, ancak sonunda her zaman yeniden serbest kalırlar. Bu nedenle, herhangi birimizin bedenini oluşturan sayısız atom arasında, Amerika'nın keşfinde veya Sistine Şapeli'nin yaratılışında mevcut olan parçacıklar olabilir. Ancak tüm bunlar, Columbus'a veya Michelangelo'ya "ait" olan atomları herhangi birimizin içimizde taşıyabileceği anlamına geliyor!

Bu gerçeği “atom hafızasına” bağlarsak çok ilginç sonuçlar ortaya çıkıyor. Aslında Michelangelo'nun parlak beynini oluşturan atomlar, onun yeteneği hakkındaki bilgileri "hatırlarsa", belli bir miktarda tekrar toplanarak yeni bir deha doğuracaklar.

Son gelişmeler sayesinde bu hipotezi doğrulayabiliyoruz. Laboratuvarımızda oluşturulan teknoloji, herhangi bir atomu, yapısını biraz değiştirerek "etiketlememize" olanak tanıyor. Bu, çekirdeğin veya elektron kabuklarının stabilitesini etkilemez, ancak atom, özel bir detektör kullanılarak tespit edilebilecek bir "işaret" haline gelir. Ve "etiketli" atomlar tek bir yerde ne kadar çok toplanırsa sinyal de o kadar güçlü olur. Ve bu atomları "elde eden" kişinin yetenekli olma ihtimali de o kadar yüksektir.

Bugün zaman ölçeğinde görkemli bir deneyimin temelini atacağız. Uzak torunlarımız tarafından tamamlanacak.

Sahnede bulunan Bay Schlesser, deney için kanını vererek bize yardım etmeyi nezaketle kabul etti... Evet, kolunuzu yukarı kaldırın. Gençliğine rağmen çağımızın müzik dehası olarak ün kazandığını hepimiz biliyoruz.

Test tüpünü yayıcının altına yerleştireceğiz... Burada güvenilir koruma var, arka plan artmayacak. Otuz saniye lütfen. Başlangıç!

Tam dört yüz yıl sonra arayış başlayacak. Dedektörlerin yardımıyla bugün etiketlediğimiz atomların çoğunu vücutlarında bulunduran insanlar bulunacak. Ve o zaman eminim ki “atomik hafıza” hipotezi doğrulanacaktır.

Bu odanın penceresi nehre bakmaktadır. Şimdi “etiketli” kanı suya dökeceğiz. Ve zaman atomları yeniden bir araya getirip gelecekte bir deha yaratsın!

- Sinyal burada çok daha güçlü. Bu taraftan, bulvarın uzak ucuna.

-Yemek mi?..

-Zorlu. Bulvarın üzerinden yürüyün.

-Hala güçleniyor.

-Ver bana...

-Eğil.

-Burada oturma yeri yok.

- Orada, çatıda yapabilirsin.

-Oturmak?

-Evet, şu çatıda. Gitmiş.

- Bir dahi için iyi bir yer değil. Dengesiz ruh?

-Görelim.

–Sinyal neredeyse maksimuma ulaştı.

-Şimdi yoldan geçenlerin arasına bakacağız. Alıcıyı onlara doğrultun. Birer birer.

-Kahretsin! Bu?! Öyle olamaz!

-Ekipman yalan mı söylüyor?

– Yedek dedektörü açın.

-Aynısı. Ama bu...

-Ne bakıyorsun? Ve ayrıca zeka... vücut... iyi görünüyorlar... Profesyonellere... sıradan adama bir iki bardak ikram etmek ister misiniz? Utangaç olmayın.

-Müzisyen değil misin?

-BEN? Allah korusun... Ben bir şairim. Önceki.

-Şiir mi yazdın?

-Evet hâlâ enstitüde. Henüz değil... Genel olarak uzun süredir. Peki eski şair sağlığınızı içmeli mi?

-Teşekkür ederim... Bir asırdır... Cömertliğinizi asla unutmayacağım... beyler.

-Hadi gidelim.

-Yani deney başarısız mı oldu? Teori yanlış mı?

– Sonuçta evrende sadece atomlar ve boşluklar mı var?

-Şey... Biliyorsunuz atom aynı zamanda en fazla boşluğu da barındırıyor.