Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

В начале XX в. возникло предположение, что наблюдаемый эффект связан с толчками, которые частицы пыльцы получают в результате движения гораздо меньших молекул воды.

Математический гений Эйнштейна позволил ему проанализировать модель, в которой крупный объект подвергается соударениям со значительно меньшими его объектами, движущимися случайным образом. Он доказал, что такая модель точно предсказывает наблюдаемое поведение. Представим себе каток, в центре которого лежит большая хоккейная шайба, а затем введем целую систему маленьких шайб, скользящих в случайных направлениях с определенными скоростями. Маленькие шайбы будут время от времени сталкиваться с большой, вынуждая ее двигаться в некотором направлении. Тонкость состояла в определении числа маленьких шайб и их относительных размеров, необходимых для получения наблюдаемого поведения большой шайбы.

Успешное воспроизведение движения пыльцы математической моделью, разработанной Эйнштейном, стало сокрушительным ударом для всех тех, кто считал, что жидкость, подобная воде, представляет собой сплошную субстанцию. Любому, кто еще верил в Аристотелево видение материи, было бы чрезвычайно трудно предложить столь же убедительное объяснение.

Вычисления позволили оценить, насколько малы молекулы воды по сравнению с частицами пыльцы, которые они толкают. Хотя тем самым было получено убедительное доказательство того, что материя состоит из дискретных частей, вопрос о возможности дальнейшего бесконечного деления таких частей на еще меньшие части оставался открытым.

И действительно, неделимые атомы оказались вовсе не неделимыми, когда были открыты еще меньшие составные части, образующие, например, атомы углерода или кислорода. На следующем, более глубоком, уровне оказалось, что атом собран из еще меньших «шайб», называемых электронами, протонами и нейтронами, причем первые из них были обнаружены еще за несколько лет до революционного теоретического открытия Эйнштейна.

Разборка атома

Вот как работает наука: у нас есть модель Вселенной, которой мы можем придерживаться до тех пор, пока не обнаружится нечто, что в нее не встраивается, нечто новое, что, по-видимому, нельзя объяснить при помощи имеющейся модели. Понимание того, что атом может быть составлен из еще меньших частей, возникло из экспериментов, обнаруживших существование чего-то, похожего на частицы, но гораздо меньшего, чем атомы, составляющие периодическую систему.

Эти мельчайшие, подобные частицам объекты возникли в экспериментах, которые проводил в конце XIX в. британский физик Дж. Дж. Томсон, пытаясь понять природу электричества. Он изучал электропроводность газов. В его ранних экспериментах использовалась стеклянная трубка, на обоих концах которой было установлено по электроду. При приложении к электродам высокого напряжения между ними возникал электрический ток. Странным было то, что этот ток можно было увидеть, так как между электродами появлялась световая дуга.

Еще более странные вещи произошли, когда Томсон полностью удалил из трубки газ и приложил напряжение к вакууму. Световая дуга исчезла. Но, к его удивлению, стекло на одном из концов трубки стало флюоресцировать. Когда в трубку вставили металлический крест, в центре светящегося флюоресцирующего пятна появилась крестообразная тень.

Тень появилась напротив отрицательно заряженного электрода, также называемого катодом. Самое правдоподобное объяснение состояло в том, что катод испускает какие-то лучи, которые взаимодействуют с материей – будь то газ, содержащийся в трубке, или, в случае вакуума, стекло самой трубки – и заставляют ее светиться.

Эти «катодные лучи» вели себя довольно загадочно. Выяснилось, что они проникают сквозь тонкие листки золотой фольги, помещенные на их пути. Могут ли они быть неким волновым явлением, подобным свету? Другие полагали, что они состоят из отрицательно заряженных частиц, выталкиваемых отрицательным и притягиваемых положительным электродом. Но как такие частицы могут проходить сквозь твердое золото?

Испущенные из катода электроны соударяются с противоположной стенкой, вызывая флюоресценцию стекла

Томсон считал, что если речь действительно идет об отрицательно заряженных частицах, то он сможет изменить траекторию их полета в трубке, поместив ее в магнитное поле. Немецкий физик Генрих Герц уже пытался это сделать и потерпел неудачу, но Герц недостаточно хорошо откачал из трубки газ, что и привело к искажению результатов эксперимента. Когда газ откачали, все получилось так, как рассчитывал Томсон. К лучам приложили магнитное поле, и тень действительно сдвинулась. Магнит изгибал катодные лучи.

Но самый удивительный результат был получен, когда Томсон произвел математический расчет предполагаемой массы таких заряженных частиц. При приложении силы к массе, в соответствии с законами движения Ньютона, степень ее смещения зависит от массы. Поэтому степень отклонения лучей, вызываемого магнитным полем, содержит в себе информацию о массе предполагаемых частиц.

Результат вычислений зависит еще и от заряда частицы, и, измерив его в отдельном эксперименте, Томсон смог вычислить ее массу. Результат был поразительным. Масса частицы была почти в 2000 раз меньше массы атома водорода, самого маленького из атомов периодической системы.

То, что такие частицы, по-видимому, вылетали из металла, из которого был изготовлен электрод, заставило предположить, что они представляют собой составные части атома. Атом все-таки оказался делимым. В нем нашлись меньшие части. Их назвали электронами (от древнегреческого слова ἤλεκτρον, обозначающего янтарь, то есть первое вещество, в котором был найден электрический заряд).

Открытие того факта, что атомы содержат еще меньшие составные части, потрясло мировоззрение многих ученых. Вот что случилось после одной из лекций, на которых Томсон рассказывал о своих результатах:

Много времени спустя один известный физик, бывший на моей лекции, признался, что думал тогда, будто я их разыгрываю.

Следующий уровень

Даже когда Томсон использовал катод из другого металла, масса испускаемых им частиц не изменилась. Казалось, что такие частицы являются составляющими всех атомов. Сначала предположили, что атом водорода, масса которого в 2000 раз больше массы электрона, должен состоять из 2000 таких электронов. Но атом гелия приблизительно в 2 раза тяжелее атома водорода. Почему же число электронов перескакивает с 2000 на 4000, а между этими числами ничего нет? Целочисленные отношения масс атомов периодической системы были одной из причин считать, что они имеют действительно атомарную природу. Как же объяснить такие ступенчатые изменения массы? Кроме того, атомы электрически нейтральны. Существуют ли другие частицы, заряд которых уравновешивает отрицательный заряд электронов? Можно ли заставить атомы испускать положительно заряженные частицы, содержащиеся в них в дополнение к отрицательно заряженным электронам?

На самом деле экспериментальные свидетельства испускания лучей положительно заряженных частиц, вылетающих в противоположном направлении, существовали. Такие лучи было значительно труднее отклонить при помощи магнитного поля, что заставляло предположить, что эти частицы массивнее электронов. В этом случае интересная особенность заключалась в том, что масса таких частиц, по-видимому, изменялась в зависимости от того, каким газом была заполнена трубка. В случае водорода их масса была приблизительно равна массе исходного атома. Казалось, что у атомов водорода, содержащегося в трубке, отбирали электроны, причем оставались крупные положительно заряженные частицы, притягивавшиеся к противоположному электроду.

Томсону удалось добиться аналогичного эффекта в других газах – гелии, азоте, кислороде. Массы были равны произведениям целых чисел на массу положительно заряженных частиц, полученных из атомов водорода. Снова получалась атомная гармония. И тем не менее не было никаких оснований полагать, что существует множество типов положительно заряженных частиц, соответствующих множеству типов атомов. Томсон предложил модель атома, известную под названием «пудинга с изюмом». Положительно заряженная часть атома, более массивная, чем отрицательно заряженные электроны, образует «пудинг», занимающий большую часть объема атома, а электроны соответствуют маленьким изюминкам, расположенным внутри пудинга.

Затем наступила эпоха бомбардировки атомов, которая в конце концов привела к созданию самого мощного из существующих ускорителей – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН[38]. Честь открытия протона, частицы-кирпичика, из которого построены все положительно заряженные частицы, исследовавшиеся Томсоном, обычно приписывают британскому физику Эрнесту Резерфорду, родившемуся в Новой Зеландии.