Возвращение чародея, стр. 39
Масштабные эффекты для тел очень маленьких размеров интересуют в первую очередь раздел современной физики, называющийся квантовой механикой.
Но прежде чем говорить о квантовой механике, нам надо поговорить о другом разделе физики: о мерах, точнее, об учении о мерах, или о метрологии (от греческих «метрон» — «мера» и «логос» — «слово», «мысль», «понятие»). Ведь чем тоньше мир, тем, чтобы его познать, человеку трудней его измерить. А измерять его тем более необходимо, что он далек от обычной человеческой жизни. Так легко неверно его представить («по-своему» — антропоморфно). В тонких областях материи измерения играют особенно большую роль.
Три бесконечности учения о мерах
Старинная арабская миля равна 4000 локтей, локоть — 8 кулакам, кулак — 4 пальцам, палец — 6 ячменным зернам, толщина ячменного зерна — ушестеренной толщине волоса с ослиной морды. Измерения показывают, что толщина волоса с ослиной морды равна примерно 0,4 мм.
Какими приблизительными мерками пользовались люди в прошлые времена! И видно, особых неудобств от этого не испытывали.
Технический прогресс и проникновение науки в прежде недоступные области природы потребовали увеличить точность измерений. Так как к тому же возникла необходимость устранить путаницу при переводе мер, принятых в одной части света, в меры, принятые в другой части света (и тем, в частности, положить конец хаосу в международной торговле, вызываемому использованием различных систем мер), то поступили так: в 1875 году созвали международную конференцию по введению единых мер и весов. На конференции присутствовали представители тридцати различных стран, в том числе — представители России.
Эталоном массы приняли, как мы уже говорили, килограмм, а за эталон длины договорились принять метр — одну сорокамиллионную часть парижского меридиана. Изготовили высоконадежный платиново-иридиевый сплав, понаделали из него брусков и на каждом штрихами отложили метр. Потом по жребию разыграли эти ценные бруски, кому какой достанется. Россия получила копию метра № 28.
Шло время, двигались вперед наука, техника и экономика, и вот ученые пришли к выводу, что принятый ими эталон длины недостаточно точен. В 1960 году на 11 генеральной конференции по мерам и весам было принято решение определять меры длины по оранжевой линии изотопа (разновидности) криптона.
В СССР и других странах появился новый эталон длины — «световой метр», — куда более точный, чем метр из драгоценного металла. Точность измерений длины повысилась в десять раз.
Уже из этого примера видна «первая бесконечность», к которой стремится метрология — наука о мерах: бесконечное увеличение точности измерений.
«Вторая бесконечность» метрологии — это возрастание значения точных измерений для людей.
Сотрудники научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева в Ленинграде убеждены, что их наука — самая необходимая людям, что без нее человечество станет беспомощным, как малое дитя. Понять ленинградцев можно. Из-за отсутствия точных измерений в машины, сооружения, механизмы закладываются лишние материалы, не оправданные соображениями прочности, бесполезно тратятся многие тонны дорогих материалов.
Ленинградцы подсчитали, что внедрение новейших методов измерения длины, разработанных в их институте, даст только на предприятиях страны, создающих точные станки, 26 миллионов рублей годовой экономии.
«Третья бесконечность», к которой будет, возможно, вечно тянуться метрология, — это безграничное увеличение перечня измеряемых величин.
В 1970 году на Земле насчитывалось примерно 250 эталонов. Это значит, что столько к этому времени имелось единиц меры, сравнивая с которой неизвестную величину, эту, последнюю, можно измерять, превращать в известную.
А разве количество таких единиц меры может когда-нибудь установиться окончательно?
Только сравнительно недавно люди научились объективно оценивать цвет. Не за горами время, когда нам придется (и мы этому научимся) измерять вкусы, запахи и многое, многое другое.
В мире квантов
26 февраля 1888 года в лаборатории Московского университета произошло событие большой важности: профессор Александр Григорьевич Столетов направил луч света на металлическую пластинку, которой оканчивалась незамкнутая электрическая цепь, и вдруг с изумлением увидел, что цепь замкнулась: прибор показал наличие тока. Свет породил электричество!
Это было загадочно и непонятно. Какая существует связь между двумя столь разнородными, с точки зрения науки того времени, областями явлений, как оптика и электричество? Почему возникает ток?
Тогда на этот вопрос ни один человек в мире не мог бы дать удовлетворительного ответа: никто не знал, что электрический ток есть эффект движения электронов (сами электроны были открыты только после смерти Столетова), а если бы это и знали, то как объяснили бы, что свет может выбивать электроны?
Выбить нечто из недр вещества можно лишь, если обстрелять его какими-то частицами-«пульками», достаточно мелкими, чтобы проникнуть в плотную среду, и достаточно энергичными, чтобы произвести там изменения. Правда, если электроны находятся в избытке на поверхности металлической пластинки, то выбить их может и падающая на эту поверхность волна. Но это представление совершенно несовместимо с количественными законами открытого Столетовым явления, и, значит, волной нельзя объяснить столетовского эффекта.
Когда-то свет считали волнами в чистом виде. Полагали, что свет есть волнообразное явление, протекающее в некой среде — эфире. Физический же объект, обладающий свойствами волны, как думали прежде, не может одновременно обладать и корпускулярными, иначе говоря — вещественными, свойствами, свойствами частиц вещества. Такие свойства, как говорят ученые, комплементарны, то есть дополнительны друг к другу и взаимно исключают одно другое. В мире привычных масштабов летящий снаряд — только тело, корпускула, и не может быть волной; производимый им в воздухе процесс — только волна, которая, наоборот, не может быть корпускулой. Поэтому по аналогии считали, что и свет, бесспорно обладая волновыми свойствами, не мог одновременно состоять из частиц.
Но почему же все-таки в опыте Столетова появлялся ток?
17 мая 1899 года другой профессор Московского университета, Петр Николаевич Лебедев, сделал сообщение в Лозанне (Швейцария) о результатах своих первых исследований давления света. Тонкими и изящными опытами он доказал существование светового давления, теоретически предсказанного англичанином Джемсом Максвеллом, и даже вычислил его величину, несмотря на ее ничтожно малое значение: 0,00038 грамма на квадратный метр черной поверхности. Этим он наглядно доказал материальность света.
Быть может, открытие Лебедева объясняло загадку Столетова? Нет, давление могут производить и волны; поэтому наличие его еще не давало убедительного доказательства существования у света корпускулярных свойств.
Ответ на загадку пришел чуть позднее — в 1900 году — в связи с работами немецкого физика Макса Планка. Он принял, что энергия, подобно веществу, не является непрерывной, а состоит как бы из «атомов». Но энергия не существует независимо от материи, она лишь свойство материи (точнее, мера свойства материи). Следовательно, если есть «атомы энергии», то в каком-то смысле есть и атомы особой, невещественной — «полевой» — материи, образцом которой является свет.
Конечно, все это было в высшей степени удивительно.
«Атомы энергии» и сейчас звучит для многих необычно. Понятно — атом вещества. Понятно даже — атом электричества. Ведь и в этом случае атом означает что-то «осязаемое», заполняющее пространство. Но как представить себе «атом энергии»?