Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Объяснив процесс горения, но все еще не поняв до конца природу тепла, Лавуазье предположил существование нового вещества – теплорода. Согласно его теории, передача тепла от горячего объекта к холодному осуществлялась в форме потока теплорода. Учитывая, что общая масса на входе и на выходе любой реакции остается неизменной, Лавуазье заключил, что теплород не имеет массы, а его общее количество в Природе является константой. За этой теорией последовало множество объяснений разнообразных явлений с участием тепла. Несмотря на кажущуюся логичность, все они были ложными. К примеру, горячий чай якобы остывает, потому что теплород, имеющий более высокую концентрацию в теплом воздухе, медленно оттекает из более теплых областей пространства в более холодные (то есть из горячей жидкости в более прохладный воздух вокруг чашки). Теплород был своего рода эфиром, способным двигаться, не имеющим веса, но удобным для объяснения многих природных явлений.

Первым человеком, поставившим под сомнение гипотезу о теплороде, был граф Румфорд, лоялист из Нью-Гемпшира, по биографии которого можно было бы снять неплохой эпический фильм. После отъезда из Соединенных Штатов он занимал множество должностей, и в том числе был специалистом по артиллерийским боеприпасам в Баварии. В его обязанности входило надзирать за тем, как создаются пушки. Когда в цилиндрической металлической заготовке огромным сверлом проделывалось дуло, для уменьшения жара от трения использовалась вода. Румфорд заметил, что в процессе сверления тепло никогда не оттекало от металла, а вода постоянно кипела. В 1798 году он записал: «Если изолированное тело или система тел может создавать нечто без ограничений, это нечто не является материальной субстанцией».[108] Далее он предположил, что тепло возникает не из-за потока теплорода, но из-за трения между сверлом и металлом. Итак, заключил он, тепло – это производная движения, а не вещество. Несмотря на то что научное сообщество не сразу приняло его идеи, эксперимент Румфорда посеял зерно сомнений. Возможно, тепло действительно было не веществом, а свойством вещества.

Второму и куда более опасному испытанию гипотеза о теплороде подверглась со стороны Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840-х годах провел серию детально проработанных экспериментов, чтобы определить, как механическая работа может приводить к повышению температуры. Джоуль опустил в бочку с водой вращающиеся лопасти, чтобы точно определить количество механической работы, необходимой для того, чтобы поднять температуру воды на 1 градус по Фаренгейту. С помощью полученных результатов он смог объяснить процесс сохранения и передачи энергии, ответственный за нагревание и охлаждение веществ. По мере того как лопасти заставляют воду двигаться, ее молекулы разгоняются и набирают скорость. Увеличение скорости ведет к повышению температуры, как и предполагал Уотерстоун. Джоуль был знаком с работами Джона Херэпэта и Джеймса Уотерстоуна о микроскопической теории газов, а его учителем был сам Джон Дальтон, главный приверженец атомистической теории, который еще в начале XIX века предположил, что химические реакции происходят в результате обмена атомами между веществами. Например, олово могло соединиться с одним или двумя атомами кислорода и массы полученных смесей отражали бы количество кислорода в каждой из них. Дальтон считал, что каждый элемент имеет собственные атомы, которые не распадаются в ходе химических реакций. Кроме того, атомы различных элементов могли связываться друг с другом, образуя комплексы, которые мы сегодня называем молекулами.

В период между зарождением микроскопической теории газов и атомистическим объяснением химических реакций, разработанным Дальтоном, представление о том, что материя имеет корпускулярную структуру, постепенно набирало вес. Взлет и падение флогистона и теплорода в качестве объяснений процесса горения и тепла ярко иллюстрируют процессы, происходящие в науке. По мере того как ученые пытаются объяснить природные явления, они создают все новые и новые гипотезы и готовы яростно их защищать. Так и должно быть, учитывая, что чем более убедительной является идея, тем больше чувств она вызывает у своих создателей и последователей. Однако научные гипотезы должны постоянно подвергаться эмпирической проверке, поэтому они остаются в силе ровно до тех пор, пока не будут опровергнуты или ограничены. Объяснение может казаться достаточным для описания данных («сохранения фактов», как говорил Платон), даже если по сути оно неверно. Эпициклы были совершенно искусственным понятием, но описывали движение небесных светил с достаточной точностью. Флогистон и теплород были далеки от реальной физики, но хорошо объясняли горение и существование тепла. Способность науки добиваться все более и более точных описаний физической реальности основывается на нашем умении проверять верность предположений со все возрастающей точностью. Если движение к большей точности блокируется или прерывается, научный прогресс останавливается. Исследования расширяют границы Острова знаний (а иногда и, наоборот, отодвигают их назад). То, что в океане неведомого вокруг него нет ни одного маяка, чтобы указать нам путь, делает научный поиск одновременно и сложнее, и интереснее. И нет лучшего примера этого поиска, чем изучение света и его туманной природы.

Мы создания света, этого таинственного и странного явления, которое и сегодня остается загадкой для многих из нас.

Свет, который мы получаем от Солнца, представляет собой совокупность множества электромагнитных волн, каждая из которых имеет свою длину. Небольшая видимая часть этого множества, спектр от красного до фиолетового цвета, состоит из волн длиной от 400 до 650 миллиардных долей метра (нанометров). Длина волны – это расстояние между двумя ее последовательно идущими гребнями. Соответственно, когда мы говорим о коротких волнах, мы имеем в виду, что их гребни расположены плотно. В длинных же волнах дистанция между двумя гребнями больше.

По сути, все мы продукты эволюции, происходившей на нашей планете в течение четырех миллиардов лет под ярким солнечным светом. Солнце, поверхность которого имеет температуру около 5500 градусов Цельсия, в соответствии с неформальной классификацией звезд считается желтым карликом и испускает большую часть света в желто-зеленом спектре. На самом деле поверхность Солнца белая, а желтоватый цвет, который мы видим с Земли, объясняется рассеиванием синих частот при прохождении солнечного света через атмосферу. В дневные часы Солнце кажется нам очень ярким, потому что свет отражается от молекул азота и кислорода в воздухе. Этим же объясняется и голубой цвет неба: воздух гораздо эффективнее рассеивает короткие волны, чем длинные, а синий имеет меньшую длину волны, чем красный или желтый. Если посмотреть на небо в сторону от Солнца, мы увидим ту часть солнечного света, которая рассеивается лучше всего, то есть синий и немного белого цвета.[109] Учитывая, что размеры молекул воздуха в тысячи раз меньше стандартной длины волны, можно понять, почему синий цвет рассеивается лучше всего. Желтый и красный цвета с большой длиной волны прокатываются по воздуху, как волны по каменистому берегу, не замечая мелких преград на своем пути. На закате солнечный свет падает на Землю по касательной, и ему требуется больше времени на прохождение через атмосферу. Поэтому большая часть синего цвета рассеивается еще до того, как свет достигнет низкой высоты. В результате мы видим больше красного и оранжевого, чем синего и зеленого. В пасмурные дни капли воды и кристаллики льда, из которых состоят облака, рассеивают все волны, из которых состоит солнечный свет, равномерно, и в результате он приобретает белесый цвет.