Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Примечательно, что во второй статье 1909 года Эйнштейн снова рассмотрел флуктуации импульса, возникающие вследствие давления света. Однако в этот раз он не только рассмотрел зеркало и свет, но и добавил в ящик идеальный газ. Результат был точно таким же. Возможно, ему нужно было убедиться в этом замечательном результате. Он заключил:

«Поэтому, на мой взгляд, следующая стадия развития теоретической физики даст нам теорию света, которую можно понимать как что-то вроде синтеза волновой и [корпускулярной] теорий света».

В своем чрезвычайно смелом намерении Эйнштейн был абсолютно одинок. Планк по-прежнему был не в ладах со следствиями своей собственной теории, и следующая большая волна на область квантового накатилась лишь в 1913 году. Соединение волн и частиц в рамках того, что станут называть квантовой механикой, окончательно произошло в 1925 году. Но, как мы увидим, этот вариант «слияния» привел Эйнштейна к разрыву всех отношений с областью физики, к которой он однажды проложил путь.

Тонкий намек на сомнения Эйнштейна в правильности квантовых представлений уже дал о себе знать в 1917 году, когда он завершил три наиболее впечатляющие публикации по квантовой теории света. Мы обсудим это подробнее, но сперва нам нужно посмотреть на следующую большую волну в квантовой теории и то, как она навсегда изменила наши представления об атоме.

Установление реальности атомов было длинным и сложным процессом. Тем не менее теоретическая работа Эйнштейна 1905 года и последовавшие за ней в 1909 году эксперименты Перрена (см. часть 3) утвердили существование атома раз и навсегда. Казалось, что путешествие подошло к концу, но на самом деле это было только начало.

Всемогущий атом считался фундаментальной частицей вещества, самым основным строительным блоком. Поэтому предполагали, что атом неделим (ведь слово «атом» это и означает). Однако начали появляться свидетельства, что атом сам состоит из фундаментальных элементов, наделяющих его внутренней структурой, которая при определенных условиях все-таки «делима».

В 30-е годы XIX века внутрь атома бегло заглянул в своей работе Майкл Фарадей (1791–1867), чьи эксперименты в области электрохимии привели его к размышлениям о составе атома:

«…Если мы примем атомную теорию или формулировки, тогда атомы тел, одинаковые друг по отношению к другу в обычных химических реакциях, имеют равные количества электричества, связанные с каждым из них по природе».

Но в 30-х годах XIX века было достаточно трудно выступать за атомы, не говоря уже о рассмотрении самих атомов как имеющих внутреннюю структуру, которая порождает «электричество», как рассуждал Фарадей:

«Но я вынужден признать, что завидую понятию атома, и хотя очень легко говорить об атомах, довольно трудно сформировать ясное представление об их природе, особенно когда рассматриваются сложные тела».

То есть он обратился к «более приемлемой» концепции электричества как невесомой жидкости, отказавшись от возможности существования электрически заряженных частиц, связанных с атомами. В следующий раз внутрь атома заглянули спустя десятилетия.

В 1895 году Вильгельм Рентген (1845–1923) открыл новый тип излучения, который он назвал «X-лучами» (X указывает на неизвестную природу излучения). Хоть он и не смог определить физический механизм, лежащий за их порождением, но обнаружил, что эти лучи обладают замечательной способностью проникать практически во все, что попадается им на пути, включая части тела, что – как мы сейчас знаем – допускает возможность сделать снимок чьих-либо костей.

Это открытие многих удивило. В 1896 году, следуя предчувствию, что определенные соединения урана могут тоже излучать X-лучи, Анри Беккерель (1852–1908) обнаружил, что соль урана, уранилсульфат калия, на самом деле испускает X-лучи. Своевременное открытие для Марии Кюри (1867–1934), искавшей тему для докторской диссертации. Ее работа с солями урана выявила, что уровень радиоактивности прямо пропорционален количеству чистого урана в образце.

Более того, она выдвинула гипотезу, что X-лучи идут прямо из атома урана, тем самым указывая на внутреннюю структуру атома. Это было по-прежнему догадками, но великое открытие внутренних частей атома ждало всего лишь за углом.

Джозеф Джон (Дж. Дж.) Томсон (1856–1940) проводил опыты с катодной лучевой трубкой, которая в то время была довольно популярным прибором. Это стеклянная трубка, из которой выкачан почти весь воздух, или другой газ, с двумя металлическими электродами на концах. При подключении источника высокого напряжения к каждому электроду трубки создается поток электричества, выходящий из одного электрода (катода) к другому (аноду). Если давление газа внутри трубки будет достаточно низким, он будет светиться; катодная лучевая трубка – предшественник современных неоновых вывесок и ламп дневного света. Если понизить давление газа еще больше, то свечение исчезнет, но поток электричества останется. Хотя само течение невидимо, оно проявляется свечением, возникающим в результате столкновения потока со стеклом. Более того, предмет, размещенный внутри трубки перед катодом, будет «отбрасывать тень» на светящееся стекло. Природа этого потока электричества какое-то время интересовала многих.

В 1897 году Томсон показал, что этот поток состоит из отрицательно заряженных частиц, которые были намного мельче, чем самый маленький атом (атом водорода), позднее их стали называть электронами. Электроны освобождаются из атомов металла, из которого сделан катод. Кстати, в современных вариантах лучевых трубок катод нагревается до таких высоких температур, что электроны становятся свободными, фактически «испаряясь» (это явление называется термоэлектронной эмиссией). Газ внутри трубки служит для прохода этих электронов почти так же, как электропровод в повседневных бытовых приборах, например кофеварках, телевизорах или электроплитках. Проводимость возникает за счет того, что электрон передается от одного атома к другому.

В работе Томсона основной находкой было то, что, независимо от металла, используемого для катода, или газа в трубке, отношение заряда электрона к массе было одинаковым для всех атомов. Это открытие убедило его, что электроны одинаковы для всех атомов. Они одинаковы не только для всех атомов данного типа, или элемента, но и независимо от элемента. Томсон обнаружил первую субатомную частицу. Рассуждая об этом, он сказал:

«Во-первых, немногие верили в существование этих тел, меньших, чем атомы [то есть электронов]. Много позже уважаемый физик, присутствовавший на моей лекции в Королевском институте, даже сказал мне, что думал обо мне, что я “разыгрываю слушателей”. Я не был удивлен, поскольку приходил к этому объяснению моих опытов с большим нежеланием, и только после того, как я убедился, что такого объяснения не избежать, я опубликовал свою веру в существование тел, меньших, чем атомы».

Томсон не остановился на достигнутом, хотя он с полным правом мог. Убежденный в том, что по крайней мере часть внутренней структуры всех атомов состоит из электронов, он принялся за построение модели атома, как и многие другие до него (включая Дальтона). Однако, в отличие от других, Томсон первым включил электроны в свою модель. Как ему было известно, хорошая модель должна, по крайней мере, объяснять электрическую нейтральность атома и массу.