Вихревая теория атома была попыткой Уильяма Томсона (позднее Лорд Кельвин) в 19-м веке объяснить, почему недавно открытые химиками атомы представлены лишь в относительно небольшом количестве разновидностей, но в очень больших количествах каждого вида. Основанная на идее стабильных, завязанных в узлы вихрей в эфире, она оставила важное математическое наследие.

Описание

Вихревая теория атома основывалась на наблюдении, что стабильный вихрь может быть создан в жидкости, придав ему форму кольца. Такие вихри могли бы существовать в светоносном эфире, гипотетической жидкости, которая, как тогда считалось, пронизывает всё пространство. В вихревой теории атома химический атом моделируется таким вихрем в эфире.

В центре такого вихря могут образовываться узлы, что породило гипотезу о соответствии каждого химического элемента определённому типу узла. Простой тороидальный вихрь, представленный круговым «тривиальным узлом» 01, считался соответствующим водороду. Поскольку многие элементы ещё не были открыты, следующий узел, трилистник 31, считался соответствующим углероду.

История

Между 1870 и 1890 годами вихревая теория атома, предполагавшая, что атом является вихрем в эфире, пользовалась популярностью среди британских физиков и математиков. Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, первым высказал предположение, что атомы могут быть вихрями в эфире, пронизывающем пространство. Впоследствии около 25 учёных написали по этой теме примерно 60 научных работ.

Истоки В семнадцатом веке Рене Декарт разработал теорию вихревого движения, чтобы объяснить такие явления, как распространение света во всех направлениях и движение планет по круговым орбитам. Он полагал, что вакуума не существует, и любой движущийся объект должен занимать место, оставленное другим движущимся объектом. Он пришел к выводу, что круговая цепь таких объектов, постоянно замещающих друг друга, сделает такое движение возможным. Таким образом, любое движение представляло собой бесконечные круговые вихри на всех уровнях. Однако модель Декарта состояла из крошечных вращающихся частиц, а не из строго непрерывной среды, как в вихревой теории атомов.

Герман Гельмгольц, занимаясь гидродинамикой идеальных жидкостей, в середине XIX века пришел к выводу, что ядро вихря, подобное глазу урагана, представляет собой нитевидный жгут, и в идеальной жидкости без трения такие жгуты могут образовывать замкнутые кольца. Гельмгольц также показал, что вихри оказывают силовое воздействие друг на друга, причём эти силы аналогичны магнитным силам между электрическими проводами. Однако Гельмгольц не установил связи между этими открытиями и теориями строения материи.

За прошедшее время химик Джон Дальтон разработал свою атомную теорию материи. Оставалось лишь объединить эти два направления исследований.

Уильям Томсон (лорд Кельвин) Уильям Томсон, впоследствии известный как лорд Кельвин, заинтересовался теорией химических элементов Дальтона, по которой атомы существовали лишь в нескольких формах, но в огромных количествах. Его вдохновили открытия Гельмгольца, и он рассудил, что эфир, пронизывающая всё пространство гипотетическая субстанция, должен быть способен поддерживать такие стабильные вихри. Согласно теоремам Гельмгольца, эти вихри соответствовали бы различным видами узлов. Томсон предположил, что каждый тип узла может представлять атом отдельного химического элемента. Он также высказал предположение, что множество узлов могут объединяться в молекулы с несколько меньшей стабильностью.

Он опубликовал статью «On Vortex Atoms» («О вихревых атомах») в Трудах Эдинбургского королевского общества в 1867 году.

Питер Тэйт

Коллега Томсона Питер Гатри Тэйт увлёкся вихревой теорией атома и предпринял новаторское исследование узлов, создав систематическую классификацию узлов с числом пересечений до 10, в надежде таким образом систематизировать различные элементы.

Джозеф Джон Томсон Джозеф Джон Томсон принял этот вызов в своей магистерской диссертации 1883 года под названием Трактат о движении вихревых колец. В ней Томсон разработал математическое описание движений атомов Уильяма Томсона и Питера Тейта.

Когда Томсон позже открыл электрон (за что получил Нобелевскую премию), он отказался от своей гипотезы «туманного атома», основанной на вихревой атомной теории, в пользу своей пу́динговой модели а́тома.

Падение теории К 1883 году Уильям Томсон начал понимать, что теория не может объяснить всё, на что он надеялся. Она не могла объяснить инерцию или гравитацию, а что ещё хуже, кольцо Гельмгольца оказалось в конечном итоге нестабильным. Даже свойства кристаллов, а также электрических и химических сил не поддавались объяснению в рамках этой модели. Тем не менее, в эпоху, когда появлялось всё больше доказательств атомной теории и не существовало жизнеспособных альтернатив, теория вихрей пользовалась большим влиянием.

Наследие Работа Тейта заложила основу для развития ветви топологии, известной как теория узлов, при этом Дж. Дж. Томсон внёс некоторые ранние математические достижения. Вихревая теория не увенчалась успехом как модель атома, но теоретическое развитие этой теории оказало долгосрочное влияние на теоретическую гидродинамику. В 1961 году, вдохновлённый устремлениями и результатами Кельвина, Тони Скирм ввёл солитоны для построения модели нуклонов. Эти солитоны представляли собой топологически устойчивые вихри «пионной жидкости» и впоследствии были названы скирмионами.

См. также Петлевая квантовая гравитация , вихреподобная магнитная квазичастица Квантовый вихрь, квантованный поток циркуляции

элементарных частиц

Примечания

Литература

Новое издание: ISBN=0-543-95696-2

Категория:Устаревшие теории в физике Категория:Теория узлов