Открытие Менделеева долгое время оставалось для ученых непонятным, пока десятилетия спустя на арену не вышла квантовая механика. Повторяющиеся блоки в периодической таблице свидетельствуют о том, что «атом» Демокрита не такой уж «неделимый».
Каждый атом - это целый мир, в котором механика Ньютона уже не действует. Действуют особые законы, которые устанавливают иерархию атомных состояний, подобную иерархии прав наследования королевского престола. Как при монархии первенцы имеют больше прав на престол, чем их братья, так и в периодической системе - одним элементам квантовая механика позволяет занять место в таблице Менделеева прежде других.
Атом иногда сравнивают с Солнечной системой. Хотя это довольно грубое сравнение (планеты не квантовые объекты), у этих двух систем есть две общие черты. Во-первых, и там и там есть центральное тело (так называемое атомное ядро и Солнце соответственно), а во-вторых, в обеих системах действуют силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния. Из «закона обратных квадратов» следует, что если увеличить расстояние между парой тел в два раза, сила взаимодействия упадет в четыре раза, если расстояние утроить, сила ослабнет девятикратно и т. д. Физики поняли, что систему, где действует закон обратных квадратов, легко сделать стабильной. Напоминает добротный электронный собачий поводок: тот дает свободно ходить вокруг дома, но сбежать с ним не получится.
Одни ученые, такие как Бойль, Дальтон и Менделеев, посвятили свою жизнь поиску частей, из которых состоит наш мир, а другие в это время пытались открыть и понять те невидимые силы, что заставляют тела взаимодействовать и переходить друг в друга. Сэр Исаак Ньютон, чей день рождения в 1642 г. пришелся на Рождество, обладал редким талантом улавливать связи в природе и угадывать законы, управляющие ее поведением. Сформулированные Ньютоном законы механики превратили физическую науку из пестрого набора отрывочных фактов в стройную систему, обладающую невиданной доселе предсказательной силой. Они дают описание того, как силы - сближающие и удаляющие - направляют все тела в мире по присущему им пути.
Если задать положения и скорости системы тел и учесть все до единой силы, действующие на них, законы Ньютона однозначно предскажут, что с этой системой случится потом. В отсутствие внешних сил или же если все силы уравновешивают друг друга, покоящееся тело будет и дальше оставаться в покое, а движущиеся тела будут продолжать двигаться с постоянной скоростью, по
Как известно, Ньютон показал, что гравитация - универсальная сила, действующая между любыми массивными телами. Луна, Международная космическая станция или крошка хлеба, сброшенная с закусочного столика своенравным муравьем, - все они притягиваются к Земле. Чем больше у тел массы, тем сильнее между ними сила притяжения. Таким образом, в физике масса играет двоякую роль: характеризует силу тяготения и определяет величину ускорения. Из-за этого она полностью исчезает из уравнения, определяющего ускорение под действием силы тяжести. Другими словами, когда тела притягиваются, например, к Земле, они ускоряются одинаково независимо от массы. Если бы не свистящий в ушах воздух, (вымерший) водный слон и мышь, соревнующиеся в прыжках с 10-метровой вышки, вошли бы в воду одновременно. Тот факт, что гравитационное ускорение тела не зависит от его массы, ставит гравитацию на особое место среди сил природы.
Силы притяжения - хорошее средство, с помощью которого можно собирать большие системы из маленьких, во всяком случае, в астрономических масштабах. Возьмите медленно блуждающие тут и там комочки, подождите, пока сила притяжения возьмет свое, и вы увидите, как они начинают скучиваться (если, конечно, нет более мощных сил отталкивания). Притяжение естественным образом объясняет, как материя может собираться из более мелких частей. Неудивительно, что Ньютон выбрал атомизм. Он считал, что из крошечных корпускул состоит не только материя, но и свет.
В своем трактате об оптике Ньютон писал: «При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении»9.
Вера Ньютона в то, что это Бог придумал атомы, отражает его глубоко религиозные взгляды на происхождение мироздания. Великий ученый считал, что только бессмертное существо способно сконструировать, запустить и время от времени регулировать в остальном механическую Вселенную. Пример Ньютона наряду с не менее набожным Бойлем показывает, как атомизм и религия могли уживаться в одном человеке.
Из работ Ньютона следовало, что Солнечная система управляется силами тяготения. Они выходят на передний план на астрономических масштабах, но вот чтобы удерживать вместе атомы, гравитация слишком слаба. В связанном состоянии атомы существуют благодаря электростатической силе, представляющей собой частный случай электромагнитного взаимодействия. В то время как сила тяжести определяется массой, электростатическое притяжение или отталкивание действует на тела, обладающие электрическим зарядом - особой физической характеристикой.
Знаменитый американский государственный деятель Бенджамин Франклин, живший в XVIII в., первым стал разделять электрические заряды на положительные и отрицательные. Под влиянием трудов Франклина и Ньютона британский естествоиспытатель Джозеф Пристли предположил, что электростатическая сила, как и сила тяготения, подчиняется закону обратных квадратов, только роль массы играет заряд. В отличие от гравитационных сил, которые всегда являются силами притяжения, электростатические могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию. В 80-х гг. XVIII в. эти гипотезы были подтверждены на опыте французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном, чье имя и носит сегодня закон электростатического взаимодействия.
Помимо электростатической силы есть еще одна сила, которая тоже может быть силой притяжения или отталкивания, - магнетизм. Аналогом положительных и отрицательных электрических зарядов здесь являются северный и южный полюса магнита. Древним был известен магнитный железняк, и они знали, что если подвесить кусочек магнитной руды в воздухе, то он выстроится вдоль направления север-юг. Само слово «магнетизм» происходит от греческого названия этой руды, а «электричеству» дал начало янтарь, по-гречески «электрон», ведь именно этот материал легко электризуется.
Ньютону в его модели силы представлялись своего рода невидимыми канатами, тянущимися через пространство между телами и связывающими их. Мальчик в церкви, стоящий внизу, тоже, дергая за тонкую веревку, заставляет звонить подвешенный в башне колокол. Эту концепцию называют действием на расстоянии. В каком-то смысле это продолжение идей Демокрита об атомах, движущихся в абсолютной пустоте. Два тела почему-то «чувствуют» друг друга, хотя между ними нет никакой среды, через которую могло бы передаваться взаимодействие.
Британскому физику Майклу Фарадею (1791-1867) идея о действии на расстоянии была интуитивно непонятна. Поэтому он предложил концепцию электрических и магнитных полей, своеобразных посредников, способных переносить электрические и магнитные силы. Поле можно себе представлять в виде океана, заполняющего собой все пространство. Тогда заряд в электрическом поле или магнитный полюс в магнитном - это все равно что пароход, вокруг которого бурлит вода, заставляя мелкие катера отклоняться от курса. Допустим, вы отплыли от калифорнийского побережья на лодке, и вдруг вас начинает шатать из стороны в сторону. Первое, что придет вам в голову: сюда идет большое судно - это от него волны. Так и у заряда с магнитом: они чувствуют возмущение электрического или магнитного поля, произведенное другими зарядами или магнитами.
Ребенок, играющий с бруском магнита в освещаемой электрическими лампами комнате, вряд ли догадается, что у этих двух явлений много общего. Между тем Фарадей, датский физик Ганс Христиан Эрстед и другие ученые XIX столетия экспериментально доказали, что электричество может вызывать
