Самые необычные модели в истории физики

Вся история физики состоит из того, что после изучения некого явления ученые пытаются придумать адекватную модель для его описания. К сожалению, на это накладывает отпечаток развитие науки к тому периоду, когда изобретают модель. Поэтому некоторые модели кажутся наивными, а некоторое просто поражают воображение своей странностью. Но тем не менее надо всегда уважительно относиться к любым попыткам, так как за ними стоят месяцы и годы работы великих ученых своего времени.

1. Теория эфира

Земля несется сквозь эфир

Загадочная первоматерия, волновавшая целые поколения физиков, настолько живуча, что даже сейчас, когда прошло немало лет с момента опровержения данной теории, существует немало лжеученых, которые верят в ее реальность.

Уже древнегреческие философы, в попытках объяснить устройство мира, вводили некое вещество, которое заполняло космос. Космос тогда, конечно, понимали совсем по-другому. А между тем идея такого вещества оказалась плодотворной, и уже в XVII веке Декарт разработал вполне осмысленную теорию. В ней эфир помогал объяснить распространение тепла и света, но при этом не мешал движению твердых тел. Физики того времени не могли вообразить себе других механизмов распространения света. Нужна была среда, и в качестве этой среды выбрали эфир.

Наука не стояла на месте, Ньютон и Гюйгенс спорили о природе света, Кулон и Ампер закладывали основы теории электричества и магнетизма, а эфир ловко обходил все препятствия и продолжал оставаться важной составляющей любой теории. В какой-то момент вопрос о том, что же представляет собой эфир, стал особенно важен. Создание теории электромагнетизма Максвелла стало не только важнейшим событием в науке XIX века, но и продлило жизнь эфира еще на небольшой срок. Гений Максвелла был вынужден опираться на эфир, хотя уже он подчеркивал, что это всего лишь удобная аналогия. В физике уже формируется понятие электромагнитного поля, которому не требуется вещество для перемещения в пространстве. Конец теории эфира не за горами.

Гвоздь в крышку гроба эфира вогнал знаменитый опыт Майкельсона и Морли. Задолго до этого опыта было показано, что если эфир существует, то при движение в нем тел, часть его все-таки увлекается, создавая так называемый эфирный ветер. Для того, чтобы зафиксировать его, был необходим весьма точный прибор. Таким прибором стал интерферометр. С его помощью удалось доказать, что скорость света никак не зависит от движения Земли относительно эфира. Ознакомиться с сутью опыта людям не обладающим выдающимися знаниями физики можно в книге замечательного американского физика и популяризатора науки Ричарда Фейнмана «Фейнмановские лекции по физике. Том 2». Осталось лишь добавить, что из всей этой истории с опровержением эфира впоследствии выросло целое направление современной науки, известное под названием Специальная Теория Относительности. Но это уже совсем другая история.

2. Пудинговая модель атома

Найди семь отличий

Она же модель атома Томсона, наверняка вы слышали о ней в школе. Почему-то принято считать, что данная модель наивна. Но надо понимать, что в те времена ученые только-только приблизились к тому, чтобы экспериментально проникнуть в тайны материи. Попытки предсказать, что же там внутри, были довольно разнообразны. И до появления планетарной модели именно модель пудинга с изюмом считалась одной из наиболее известных.

Томсон предположил, что атом — это заряженная положительно субстанция в которую вкраплены отрицательные частички. Отсюда и название модели. На самом деле, с точки зрения физики, в этой модели многое было просчитано. Силы гравитации в связке с электромагнитными силами придавали устойчивость данной незамысловатой конструкции. Ученые вовсю фантазировали, каким-образом распределен «изюм» в атоме. И пришли к выводу о кольцевых орбитах. С помощью этой модели Томсон даже пытался объяснить некоторые сложные эксперименты.

Но сказка продолжалась недолго. Опыт по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге положил конец этой модели. Результаты данного эксперимента кричали о том, что между положительными и отрицательными частицами должно быть пустое пространство. Это было совершенно не похоже на картинку пудинга без пустот внутри. И на смену этой модели пришла планетарная модель атома.

3. Геоцентрическая система

И все-таки она вертится

Сколько же копий было сломано в своем время вокруг споров о месте Земли в космосе. Ну не могли древние философы помыслить, что Земля не является центром всего, а всего лишь вращается вокруг Солнца, как заурядное космическое тело. И вот на протяжении античной истории и большей части средневековья бытовало мнение, что Земля — центр мироздания, вокруг которого вращаются небесные тела, наподобие Луны. Однако, если для философов такая концепция была хороша, то для астрономов она являлась той еще головной болью.

Астрономия была достаточно хорошо развита в то время. И хотя до появления небесной механики и законов Ньютона было еще далеко, древние наблюдатели ночного неба пытались рассчитать движение тел в космосе. Можно легко себе представить с какими проблемами они сталкивались, исходя из неверной исходной модели. Воистину, на какие только ухищрения не шли бедные астрономы объясняя движение планет и Луны. К примеру, весьма популярна была теория эпициклов. Согласно ей, каждая планета помимо движения вокруг Земли также успевала сделать малый круг (эпицикл), чей центр двигался по большой орбите (деферент).

К счастью, наступил момент, когда эта теория ушла в небытие. Да, это произошло не сразу. Создателю гелиоцентрической системы, Николаю Копернику, было суждено встретиться с немалым противодействием религии, как и его последователям. Но шли годы и данная модель окончательно закрепилась в научных кругах. Хотя, как и у теории эфира, у теории геоцентризма до сих пор есть последователи.

4. Демон Максвелла

Демон за работой

В физике существует ряд фундаментальных законов, один из них — это второе начало термодинамики. Мы не будем гнаться за точным определением в этой статье и попытаемся объяснить на пальцах. Представьте себе два тела с разной температурой, вопрос заключается в том, возможно ли передать тепло от менее нагретого тела к более нагретому? Да, наверное, можно построить хитрую машину, которая это осуществит, но если мы изолируем эти два тела, то законы природы будут работать в обратную сторону. Говорят, что система будет стремиться к состоянию с наибольшим «хаосом», в нашем случае, молекулы вещества будут хаотично перемешаны и установится постоянная температура. Холодное тело нагреется, а горячее остынет. Тишь и благодать.

Известный британский физик Джеймс Максвелл придумал своеобразный мысленный эксперимент (да, это не совсем модель, но тем не менее), который должен был указать на некий парадокс, связанный со вторым началом. Итак, перед нами два ящика с воздухом. Можно представить себе воздух, как набор большого числа шариков-молекул. Чем быстрее движется такой шарик, тем выше температура воздуха в ящике. В данный момент у нас все спокойно, в обоих ящиках достаточно много как быстрых шаров, так и медленных. Но ящики соединены перегородкой, которую можно убрать. Впрочем. это ничего не изменит, температура-то в ящиках одинаковая.

И вот тут то на арену выходит хитроумное, микроскопическое существо — демон Максвелла! Чем же он примечателен? Его задача состоит в том, чтобы убирать и мгновенно возвращать заслонку в некоторые моменты времени. Шарики постоянно налетают на нее и когда она убрана, они перелетают в соседний ящик. Демон желает, чтобы все быстрые шарики оказались в одном ящике, а все медленные в другом. Поэтому он все время следит за ситуацией в нашей системе, чтобы когда неосмотрительная быстрая молекула полетела к перегородке, он мог бы освободить ей путь. Таким образом через некое время мы получим два ящика с разной температурой. Действительно, в одном ящике будут носиться медленные молекулы, другой же будет набит их неповоротливыми собратьями.

Парадокс, конечно же, кажущийся. Чтобы реализовать такого демона, нам необходима энергия. Иначе он не сможет сортировать молекулы. Такую энергию мы можем взять лишь извне, а следовательно система не является изолированной.

Эту статью хотелось бы закончить цитатой уже упомянутого Ричарда Фейнмана:

«Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that’s not why we do it»