Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

Поэтому в двадцатых-тридцатых годах нашего века был неизбежен переход максвелловой и лоренцевой теорий в новые, квантовые формы. Дирак в 1927 году, а затем Гейзенберг и Паули в 1929 году опубликовали статьи с описанием квантовой теории электромагнитного поля, где нет места непрерывности, где все величины меняются скачками и которая в случае больших объектов и расстояний переходит в старую теорию Максвелла.

Новая теория смогла объяснить ряд тонких эффектов, происходящих в микромире.

Но она внесла и много новых трудностей. Теперь оказалось, что невозможно точно измерить электромагнитное поле в точно указанной точке пространства!

Осталось в квантовой теории и прежнее противоречие лоренцевой электронной теории: энергия точечного электрона осталась бесконечной! Хитроумные способы избежать этого в рамках квантовой электродинамики привели к другому абсурду к частице, обладающей бесконечной отрицательной массой!

Это - одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не "два облачка на чистом небе законченной теоретической физики", о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие "атмосферные явления": неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти "два облачка". Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом - именно в противоречиях и "нелепостях" квантовой теории - ключ к новым открытиям в физике.

Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.

Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.

Ничто не может быть ошибочней этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.

Нильс Бор писал:

"Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл. Но мы все, я думаю, согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным способом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленное поле применения, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют. Их применение существенно ограничивается случаями, в которых, учитывая существование кванта действия, невозможно рассматривать наблюдаемые явления, как независимые от приборов, применяемых для их наблюдения".

И далее:

"...язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена".

В поисках вечного движения

Во времена оккупации Нидерландов наполеоновскими армиями на одном из судоходных каналов в центре Лейдена взорвался французский корабль, груженный боеприпасами. Взрывом были сметены все постройки на обоих берегах канала. Шли годы. Развалины превратились в заросший бурьяном пустырь, который лейденцы называли "руинами". В восьмидесятых годах прошлого века сюда пришли строители, и скоро на левом берегу канала поднялось светлое трехэтажное здание Лейденского университета.

Из всех возможных тем для исследований предпочтение в университете отдавалось темам физическим. Отчасти это объяснялось тем, что здесь работали крупные физики: Лоренц (вспомните "преобразования Лоренца" - фундамент теории относительности А. Эйнштейна) и Ван дер Ваальс ("Силы Ван дер Ваальса"). Особенного развития физические исследования достигли при Гейке Камерлинг-Оннесе, по сути дела, превратившем весь университет во всемирно известную Лейденскую лабораторию низких температур, позже названную его именем.

Оставив в стороне, по существу, все другие области физики, Лейденский университет сконцентрировал свод усилия лишь на низких температурах. Исследователи этого участка науки понимали, что одной одержимости мало, что новый океан не покорится без надежных мореплавательных средств и дельных штурманов. Поэтому в 1901 году Камерлинг-Оннес основал в своей лаборатории "Лейденскую школу инструментальщиков", где готовили высококвалифицированный технический персонал и рабочих для лаборатории.

Эта школа выпустила тысячи настоящих мастеров, которые буквально расхватывались научными лабораториями и крупными предприятиями. Многие питомцы Лейденской школы инструментальщиков разбрелись по свету, но большинство осталось в Лейдене, и, в частности, в университетской лаборатории, обеспечив своими золотыми руками успех нового дела.

Мы привыкли уже к масштабным физическим исследованиям. Физики обладают сейчас сложным и дорогим оборудованием, как, например, серпуховский и дубненский синхрофазотроны, ракеты, спутники, специальные подводные лодки, самолеты и корабли. Избалованному машинами-вычислителями и уникальной техникой современному ученому трудно даже представить обычную физическую лабораторию начала века. Даже именитая Кембриджская лаборатория Резерфорда была до двадцатых - тридцатых годов "сургучно-веревочной".

Поэтому, быть может, нам труднее, чем современникам Оннеса, оценить его открытие: он одним из первых понял необходимость капитального переоборудования лабораторий. И не только понял, но и сумел осуществить свои идеи на практике.

Техническое преимущество Оннеса дало себя знать довольно быстро. Все газы ожижены, и более того, большинство доведено до твердого состояния. Лишь гелий не поддается ученым. Уже раздаются голоса о том, не занимает ли этот газ в мире какого-либо особого положения и поэтому не сжижается.

Оннес не сдается, он упорно совершенствует аппаратуру. Каждый новый градус холода дается с неимоверным трудом. Холодильные машины работают по нескольку суток. Достигнута температура 20 градусов абсолютной шкалы... 15 градусов... 10 градусов... Гелий - все тот же, кажется, нисколько не склонен к сжижению. 5 градусов... Гелий остается газообразным.

Более десятка лет прошло с начала опытов...

4,2 градуса...

Гейке Камерлинг-Оннес.

В дьюаровском сосуде появляется небольшое облачко тумана. Это блестящий признак - ведь все остальные газы и пары, которые вследствие нечистоты опыта могли бы остаться в сосуде, уже смерзлись и недвижно застыли где-то на стенках. В сосуде только один-единственный гелий, туман может быть образован лишь им. Значит, в гелии уже образовались центры конденсации, и он начинает превращаться в жидкость! Температура снижается еще немного. Эксперимент продолжается. В конце восемнадцатого часа эксперимента в сосуде возникает какой-то вихрь, бурление, и вот уже сосуд наполнен чуть ли не до краев кипящей жидкостью, настолько прозрачной, что увидеть ее почти невозможно.

Эта жидкость кажется невесомой, почти несуществующей. А может, и нет вовсе ее - жидкости, за которой Камерлинг-Оннес охотился долгие годы?

В глазах ученого помутилось. Десять лет и восемнадцать часов эксперимента, внезапное волнение при виде капель тумана и этой легчайшей волнующейся жидкости подкосили его. Оннеса в бессознательном состоянии отвезли домой. Лишь через несколько месяцев упорнейший человек смог снова вернуться к своим приборам, к письменному столу, к своим экспериментам.

Три года прошло с того дня, когда 10 июля 1908 года Гейке Камерлинг-Оннес получил первые капли жидкого гелия. Теперь можно было проводить любые измерения, любые" исследования свойств веществ при столь низких температурах. Можно, например, изучить свойства веществ при температурах жидкого гелия и указать, насколько хорошо они согласуются с той или иной физической теорией.

И Оннес с головой окунается в эти измерения. Он бесконечно проверяет других и себя, публикует в научном журнале лаборатории груды цифр, являющихся всевозможными физическими данными и константами.

Опубликованы изотермы газов при низких температурах, таблицы и кривые теплоемкостей газов и твердых тел, таблицы удельных электрических сопротивлений. Оннес измерил удельные электрические сопротивления большинства хороших электропроводников (медь, алюминий, серебро), приступил к исследованию сопротивления твердой (конечно, твердой - ведь температура всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля!) ртути, которая считалась хорошим проводником электричества. И вот тут-то его ожидал сюрприз, да еще какой!