Бомбы. Вскоре после начала Второй Мировой войны ученый нелегально эмигрировал из оккупированной нацистами дании в США, где участвовал в манхэттенском проекте по разработке ядерного оружия.

После войны ученый выдвинул идею «открытого мира», считая, что без этого человечество не сможет справиться с ядерной угрозой. Его сын Оге Нильс Бор (Aage Niels Bohr) (р. 1922) также был удостоен Нобелевской премии по физике (1975) — за работу по исследованию структуры атомного ядра.

Озоновая дыра

Когда в южном полушарии весна, озоновый слой над Южным полюсом истончается

 

1852 • КИСЛОТНЫЙ ДОЖДЬ

1863 • ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

1985 • ОЗОНОВАЯ ДЫРА

Прежде всего следует уяснить: озоновая дыра, вопреки своему названию, — это не брешь в атмосфере. Молекула озона отличается от обычной молекулы кислорода тем, что состоит не из двух, а из трех атомов кислорода, соединенных друг с другом. В атмосфере озон сконцентрирован в так называемом озоновом слое, на высоте примерно 30 км в пределах стратосферы. В этом слое происходит поглощение ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, — иначе солнечная радиация могла бы нанести большой вред жизни на поверхности Земли. Поэтому любая угроза озоновому слою заслуживает самого серьезного отношения. В 1985 году британские ученые, работавшие на Южном полюсе, обнаружили, что во время антарктической весны уровень озона в атмосфере там значительно ниже нормы. Ежегодно в одно и то же время количество озона уменьшалось — иногда в большей степени, иногда в меньшей. Подобные, но не столь ярко выраженные озоновые дыры появлялись также над Северным полюсом во время арктической весны.

В последующие годы ученые выяснили, отчего появляется озоновая дыра. Когда солнце прячется и начинается долгая полярная ночь, происходит резкое падение температуры, и образуются высокие стратосферные облака, содержащие кристаллики льда. Появление этих кристалликов вызывает серию сложных химических реакций, приводящих к накоплению молекулярного хлора (молекула хлора состоит из двух соединенных атомов хлора). Когда появляется солнце и начинается антарктическая весна, под действием ультрафиолетовых лучей происходит разрыв внутримолекулярных связей, и в атмосферу устремляется поток атомов хлора. Эти атомы выступают в роли катализаторов реакций превращения озона в простой кислород, протекающих по следующей двойной схеме:

 

С1 + 0₃ — С10 + 0₂

 

и

 

С10 + О — С1 + 0_п

 

В результате этих реакций молекулы озона (0₃) превращаются в молекулы кислорода (0₂), причем исходные атомы хлора остаются в свободном состоянии и снова участвуют в этом процессе (каждая молекула хлора разрушает миллион молекул озона до того, как они удалятся из атмосферы под действием других химических реакций). Вследствие этой цепочки превращений озон начинает исчезать из атмосферы над Антарктидой, образуя озоновую дыру. Однако вскоре с потеплением антарктические вихри разрушаются, свежий воздух (содержащий новый озон) устремляется в этот район, и дыра исчезает.

В 1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою, и промышленно развитые страны договорились о сокращении, а в конечном итоге и о прекращении производства хлорированных и фторированных углеводородов (хлорфторуглеродов, ХФУ) — химических веществ, разрушающих озоновый слой. К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято решение о полном их уничтожении к 1996 году. Сегодня ученые верят, что лет через пятьдесят озоновый слой восстановится полностью.

 

Онтогенез повторяет филогенез

Зародыш в своем развитии проходит весь путь эволюции своего вида

 

ЛАМАРКИЗМ

ПАРВИНИЗМ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

ОНТОГЕНЕЗ ПОВТОРЯЕТ ФИЛОГЕНЕЗ

ТРИЕПИНЫЙ МОЗГ

В XIX веке ученые, изучавшие внутриутробное развитие человеческого эмбриона, заметили, что в первые месяцы жизни он обладает поразительным сходством с другими позвоночными. Например, в месячном возрасте у человеческого эмбриона в области шеи заметны щели, во всех отношениях похожие на зачаточные жабры. Позднее зародыш имеет сходство с земноводными, затем с птицами и наконец с другими млекопитающими. Это сходство привело к появлению приведенного выше изречения, сделанного немецким натуралистом Эрнстом Геккелем (Ernst Haeckel, 1834-1919) в его книге «Решето вселенной», опубликованной в 1899 году. Имеется в виду, что онтогенез живого существа (развитие индивида) повторяет путь филогенеза (развития типа, класса или вида — см. система классификации линнея). Так, человеческий эмбрион сначала похож на эмбрион рыбы, затем рептилии и так далее до тех пор, пока не проявится его принадлежность к роду людей. Такова одна из этих идей — ясных, красивых, разумных и в корне неверных.

На самом деле у человеческого зародыша никогда не бывает жабр или каких-либо других придатков, которые ему следовало бы в соответствии с этой концепцией иметь на той или иной стадии развития. Появляющиеся жаброподобные щели называются вторая жаберная дуга. У рыб эти образования действительно развиваются в жабры, но у человека они служат предшественниками частей головы и шеи. Точно так же, как теория эволюции предполагает не то, что человек произошел от приматов, а то, что он имеет с ними общего предка. Так и эмбриология утверждает не то, что человеческий зародыш в своем развитии проходит все ступени эволюции, а просто то, что в нем развиваются другие органы из тех же зародышевых клеток. (Идея о том, что «онтогенез повторяет филогенез», чем-то напоминает столь же неверную теорию триединого мозга.)

Удивительно, но несмотря на то, что эта идея, которая удостоилась даже статуса закона биогенетики, была опровергнута почти сразу после того, как была выдвинута, она тем не менее смогла просуществовать до наших дней (ее даже можно найти еще в некоторых учебниках!). Между онтогенезом и филогенезом действительно есть связь, но нет эмбриологического повторения. К очевидным вещам иногда полезно относиться скептически!

 

Опыт

Дэвиссона— Джермера

Электрон может проявлять свойства не только частицы, но и волны

•

1924 • СООТНОШЕНИЕ ДЕ БРОЙЛЯ

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

1927 • ПРИНЦИП

ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ

1927 • ОПЫт дзвиссОНА—

джермера

Согласно принципу дополнительности частицы в рамках квантовой механики могут проявлять волновые свойства, а волны — корпускулярные. Электрон, например, традиционно представляли себе в виде отрицательно заряженного миниатюрного шарика, однако в 1924 году Луи де Бройль (см. соотношение де бройля) показал, что любую частицу, обладающую импульсом р можно представить в виде волны, длина которой (X) равна:

X = h/p,

где h постоянная планка.

Естественно, ученые сразу же стали проверять эту гипотезу, и самым естественным методом проверки оказались попытки обнаружить волновую дифракцию электронов. Однако успехом эти попытки увенчались лишь в 1927 году благодаря классическим опытам, поставленным американцами Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером и независимо от них англичанином Джорджем Томсоном.

Американские экспериментаторы в качестве источника свободных электронов использовали раскаленную нить, помещенную в вакуумную камеру. Полученный направленный пучок быстрых электронов они рассеивали на кристалле. В итоге им удалось обнаружить интерференционные пики интенсивности рассеянных электронов, первый из которых приходился на угол рассеяния около 65°.

То есть фактически они воспроизвели эксперимент по рассеянию рентгеновских лучей (приведший к открытию их дифракции на кристаллах и выводу закона брэгга), используя вместо рентгеновского луча сфокусированный поток электронов. По сути, каждый атом кристалла, согласно принципу гюйгенса, является источником вторичных волн и они взаимно усиливаются в результате интерференции между ними при рассеянии под определенными углами, когда фазы интерферирующих вторичных волн совпадают. И Дэвиссону с Джермером удалось найти такой угол максимума числа рассеянных электронов. Рассчитав по этому углу и импульсу электронов длину волны, ученые выяснили, что она в точности совпадает с длиной волны, предсказываемой соотношением де бройля. Так была доказана гипотеза о наличии у элементарных частиц волновых свойств.

Поработав на протяжении своей долгой жизни в целом ряде университетов и промышленных лабораторий, Клинтон Дэвиссон завершил свою карьеру в Университете штата Вирджиния. Когда я там работал преподавателем, мне выделили его бывший кабинет. На видном месте на стене была вывешена пожелтевшая таблица периодической системы Менделеева 1954 года издания, когда-то принадлежавшая этому выдающемуся ученому. Когда я переходил на мое нынешнее место работы, я также не стал снимать ее со стены, посчитав ее культурно-историческим достоянием. Хочется надеяться, что она все еще там!

 

КЛИНТОН ДЖОЗЕФ дэвиссон

(Clinton Joseph Davisson, 18811958) — американский физик. Родился в г. Блумингтон, штат Иллинойс. Окончил Чикагский университет, докторскую степень получил в 1911 году в Принстоне. Работал в Кавендишской лаборатории в Англии ассистентом Дж. Дж. Томсона (первооткрывателя электрона), в 1917 году перешел в лабораторию компании Western Electric (ныне Lucent Technologies) в Нью-Йорке, где первое время исследовал излучение электронов металлами, и проработал там до 1946 года. Совместно с Лестером Халбертом Джермером (Lester Halbert Germer, 1896-1971) сделал открытие волновых свойств электрона при рассеянии пучка электронов на монокристалле. За свою работу разделил Нобелевскую премию по физике за 1937 год с Джорджем Томсоном (George Thomson, 1892-1975), сыном Дж. Дж. Томсона, который независимо от американских ученых в том же 1927 году экспериментально открыл дифракцию электронов в Англии.

Опыт Май-кельсона— Морли

Чтобы

распространяться в пространстве, свет не нуждается в «светоносном эфире»

 

1807 • ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

ОПЫТ

1905, 1916

МАЙКЕЛЬСОНА— МОРЛИ

ТЕОРИЯ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Трудно представить себе абсолютную пустоту — полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений максвелла, предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.

В 1887 году два американских физика — Альберт Май-кельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется

 

 

надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхрони-зацию двух лучей (запаздывание одного луча относительно другого; см. интерференция).

Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак, эфирного ветра, а стало быть и эфира не существует.

В отсутствие эфирного ветра и эфира как такового стал очевиден неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (подразумевающей некую абсолютную систему отсчета) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета), что и привело в итоге к появлению теории относительности. Опыт Майкельсона—Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона—Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится.

 

АЛЬБЕРТ АБРАХАМ МАЙКЕЛЬСОН

(Albert Abraham Michelson, 18521931) — американский физик, немец по национальности (на снимке). Родился в местечке Стрельно (ныне Стшельно) на территории современной Польши (в те годы входившей в состав Российской империи). В возрасте двух лет вместе с родителями эмигрировал в США. Вырос в Калифорнии в эпоху знаменитой «золотой лихорадки», однако отец будущего ученого занимался не поисками золота, а мелкооптовой торговлей в городах, охваченных этим недугом. Поступил в Академию ВМФ США по особой рекомендации некоего конгрессмена от своего штата, был принят на действительную службу, прошел полный курс строевой подготовки, после чего был назначен преподавателем физики. Благодаря этому у него появилась возможность заниматься оптикой и, в частности, строительством прибора для определения скорости света. После выхода в отставку с действительной службы в 1881 году стал преподавателем Школы прикладных наук им. Кейса (Case School of Applied Sciences) в Кливленде, штат Огайо, где и продолжил свои исследования. В 1907 году Майкельсон был

Удостоен Нобелевской премии по физике «за создание прецизионных оптических инструментов и за выполненные с их помощью исследования», а именно, за точное определение длины стандартного метра и скорости света в вакууме.

ЭДВАРД УИЛЬЯМС МОРЛИ (Edward Williams Morley, 1838-1923) — американский физик и химик. Родился в Ньюарке, штат Нью-Джерси в семье церковнослужителя-конгрегациона-листа. По причине слабого здоровья школу не посещал, а учился дома, причем отец готовил его к продолжению служения церкви, однако мальчик предпочел естественные науки и занялся изучением химии и природоведения. В конце концов из него получился непревзойденный экспериментатор. Именно Морли удалось с непревзойденной точностью определить удельные массы водорода и кислорода в составе чистой воды. Когда же судьба свела его с Альбертом Майкельсоном, его навыки экспериментатора оказались просто незаменимыми, и теперь имена двух этих ученых неразрывно связаны благодаря их знаменитому опыту.

Опыт

Милликена

Заряд электрона

приблизительно

равен

1,6 х 10^-19 кулонов

 

1851 ^ ПРЕДЕЛЬНАЯ

СКОРОСТЬ ПАДЕНИЯ

•

1897 ^ ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

АТОМ БОРА

ОПЫТ МИЛЛИКЕНА

После открытия электрона ученые прекрасно осознали, что эта частица является фундаментальной составляющей всего материального мира. Соответственно, встал вопрос об изучении и измерении ее свойств. Первое прецизионное измерение электрического заряда электрона — заслуга Роберта Милликена. Его экспериментальная установка представляла собой большой и емкий плоский конденсатор из двух металлических пластин с камерой между ними. На обкладки конденсатора Милликен подавал постоянное напряжение от мощной батареи, создавая на них высокую разность потенциалов, а между обкладками помещал мелко распыленные капли — сначала воды, а затем масла, которое, как выяснилось, ведет себя в электростатическом поле значительно устойчивее, а главное, испаряется гораздо медленнее. Сначала Милликен измерил предельную скорость падения капель — то есть скорость, при которой сила земного притяжения, действующая на капли, уравновешивается силой сопротивления воздуха. По этой скорости ученый определил объем и массу капель аэрозольной взвеси. После этого он распылил идентичный аэрозоль в присутствии электростатического поля, то есть при подключенной батарее. В этом случае масляные капли оставались в подвешенном состоянии достаточно долго, поскольку силы гравитационного притяжения Земли уравновешивались силами электростатического отталкивания между каплями аэрозоля.

Причина, по которой капли масляного аэрозоля электризуются, банальна: это простой электростатический заряд, подобный тому, который накапливается, скажем, на белье, которое мы достаем из сушильной центрифуги. В результате того, что ткань трется о ткань — он возникает в результате трения капель о воздух, заполняющий камеру. Однако из-за микроскопического размера масляных капель в камере они не могут получить большого заряда, а величина заряда капель будет кратна единичному заряду электрона. Значит, постепенно понижая внешнее напряжение, мы будем наблюдать, как капли масла периодически «выпадают в осадок», и по градациям шкалы напряжения, при которых осаждается очередная порция аэрозоля, мы можем судить об абсолютной величине единичного заряда, поскольку дробного заряда наэлектризованные капли нести на себе не могут.

Кроме того, Милликен облучал масляную взвесь рентгеновскими лучами и дополнительно ионизировал ее органические молекулы, чтобы повысить их электризацию и продлить время экспериментального наблюдения, одновременно повышая напряжение в камере, и делал так многократно для уточнения полученных данных. Наконец, накопив достаточно экспериментальных данных для статистической обработки, Милликен вычислил величину единичного заряда и опубликовал полученные результаты, которые содержали максимально точно для тех лет рассчитанный заряд электрона.

 

Опыт Милликена был крайне трудоемок. Ученому приходилось, в частности, постоянно измерять и учитывать влажность воздуха и атмосферное давление — и так на протяжении всех пяти лет непрерывного наблюдения за своей установкой. Наградой за титанический труд стала Нобелевская премия по физике за 1923 год, присужденная Милликену за публикацию 1913 года. Интересно, что при всей кажущейся простоте камеры Милликена она не стала музейным экспонатом. Уже в 1960-е годы, когда появилась гипотеза кварков (см. стандартная модель), были построены современные усовершенствованные установки, работающие по вышеописанному принципу, на которых ученые безуспешно искали свободные кварки. Поскольку обнаружить таковые не удалось (кварки различных типов должны иметь электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона), это послужило дополнительным подтверждением теории, согласно которой кварки в свободном виде в современной природе не встречаются и всегда находятся в связанном состоянии внутри других элементарных частиц.

 

роберт зндрус милликен

(Robert Andrews Millikan, 18681953) — американский физик. Родился в г. Моррисон, штат Иллинойс, в семье священника-конг-регационалиста и учительницы приходской женской школы. Окончив Оберлинский колледж в Огайо, некоторое время преподавал греческий язык и по совместительству физику в начальной школе. Увлекшись последней, поступил на физический факультет Колумбийского университета, после окончания которого прошел годичную практику в ведущих лабораториях Европы, а затем был зачислен в преподавательский штат Чикагского университета. Там он получил всеобщее признание как авторитетный педагог (в частности, долгие годы по его учебникам преподавали физику в американских школах). Там же, в Чикаго, он и проводил на протяжении ряда лет свой знаменитый опыт, позволивший впервые определить с достаточной точностью заряд электрона и

Выдвинувший Милликена в первые ряды представителей американской науки. В то же время ученый занимался активной общественной деятельностью и в какой-то мере способствовал формированию нового облика социально активного интеллектуала в сознании массового читателя.

В годы Первой мировой войны в звании полковника Милликен возглавлял войска связи США. Ученый много времени уделял организации научно-исследовательских учреждений и в 1921 году фактически возглавил только что созданный Калифорнийский технологический институт в Пасадене. При этом Милликен не оставлял и исследовательской деятельности, будучи одним из пионеров физики космических лучей. В итоге он стал олицетворенным символом своего поколения ученых, продолжив традиции англичан Джона Тиндаля и Майкла Фарадея, и предвосхитил появление таких выдающихся ученых-популяризаторов, как Карл Саган.

Опыт

Резерфорда

Атом состоит из компактного и массивного положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него