Атомы и электроны - Матвей Бронштейн

До XIX столетия среди физиков господствовало мнение, что теплота есть какое-то невесомое вещество - «теплород»,-которое может соединяться с обычными веществами. Нагретое тело, согласно этой точке зрения,- это такое, в котором много теплорода; при охлаждении тела теплород и з него уходит. Это широко распространенное представление о вещественности тепла было опровергнуто, как только физики стали изучать связь между теплотой и движением. Наличие этой связи очевидно: при трении, которым сопровождается движение, возникает тепло,- этим издавна пользовались для добывания огня народы, стоящие на низких ступенях культуры,- с другой же стороны, теплота, выделяющаяся при сжигании угля в топке парового котла, является основной причиной возникающего в паровой машине движения поршня в цилиндре, махового колеса, шатуна и т. д.

В 1798 году некий Бенджамин Томпсон, американец, авантюрист, прежде сражавшийся на стороне Англии во время войны за независимость Соединенных Штатов, а затем поступивший на службу к баварскому королю, от которого, он получил титул графа Румфорда, наблюдал в мюнхенском арсенале сверление пушечных жерл. Сверление сопровождалось выделением очень большого количества тепла. Когда Румфорд погружал просверливаемую металлическую болванку вместе с работающим в ней сверлом в воду, то вода через два с половиной часа начинала кипеть. Пораженный этим огромным выделением тепла, Румфорд подробно исследовал все условия, при которых тепло возникает. Оказалось, что если просверлить в болванке жерло острым сверлом, а затем заменить его тупым сверлом, которое уже не может отделять от металла стружки, но все же поворачивается с большим трением, то дальнейшее вращение сверла позволяет извлечь из болванки любое количество тепла - стоит только вращать сверло достаточно долго. Это было несовместимо с представлением о вещественности тепла: если бы теплота была веществом («теплородом»), то из данной болванки нельзя было бы извлечь больше тепла, чем в ней в действительности содержалось. Поэтому Румфорд решил, что теплота не вещество, а движение. Теплота - это движение невидимых глазу атомов, из которых состоит любое вещество. Нагреть какое-нибудь тело - это значит привести его атомы в более быстрое движение, чем то, в котором они находились раньше. Охладить тело - значит замедлить движение атомов. Так возникла механическая теория тепла (термодинамика), получившая свое окончательное обоснование уже только в последней четверти XIX века - в работах Людвига Больцмана и Уилларда Гиббса, которые доказали, что все законы тепловых явлений могут быть выведены теоретически, если применять теоремы механики к движению невидимых глазу атомов. Это был такой же триумф атомистической теории, как и тот, который ей доставили работы Дальтона в химии: не только химические, но и физические явления легко объяснялись с помощью предположения, что все тела состоят из мельчайших, невидимых глазу атомов.

И все же атомистической теории в это время (к концу XIX столетия) еще не хватало многого. Представление об атомах все еще не было достаточно конкретным. Пусть мы знаем, что существуют такие-то и такие-то атомы - атомы кислорода, железа, фосфора, серы и т. д.,- но много ли мы знаем о самих этих атомах? Мы можем только сравнивать их друг с другом, можем говорить, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода, а масса атома серы в два раза превышает массу атома кислорода, но о каждом из этих атомов в отдельности мы ничего не можем сказать. Мы не можем сказать, какова масса атома водорода и каковы его размеры; мы знаем, что капелька воды состоит из молекул Н2O, но не можем сказать, из скольких молекул, и т. д. И постепенно у многих начинало складываться впечатление, что этого мы так-таки никогда и не узнаем и что ничего, кроме отношений химических элементов друг к другу, в природе нет, а те атомы - атомы водорода, кислорода, азота, которые Дальтон так ясно представлял себе и рисовал на бумаге в виде кружочков,- те атомы являются чистейшей фантазией - мы никогда не сумеем их взвесить, измерить и понять их настоящие свойства. Жесточайшим нападкам подвергалась атомистическая теория со стороны многих философов. Артур Шопенгауэр утверждал в своем сочинении «Мир как воля и представление», что химические атомы Берцелиуса являются лишь формой выражения тех относительных количеств, в которых вещества вступают друг с другом в химические соединения; поэтому следует считать атомы, по существу, лишь арифметическими понятиями, лишь «расчетными единицами» (Rechenpfennige). В другом сочинении - «О философии естествознания» - он бранит химиков, называя их «невежественными аптекарями, занимающими профессорские кафедры», и говорит, что они «с таким детским самомнением и с такой уверенностью толкуют об эфире и его колебаниях, об атомах и о прочих глупостях, как если бы они все это видели и трогали руками». В конце XIX столетия возникла целая школа физиков и философов, которая осуждала все попытки атомистической теории проникнуть во внутренний механизм явлений: эти философы признавали достойным изучения только непосредственное ощущение предметов внешнего мира и отвергали всякие стремления объяснять их наблюдаемые свойства (их цвет, твердость, температуру и т. п.) при помощи атомов, которые настолько малы, что наши органы чувств не могут их наблюдать непосредственно. (Уничтожающую критику учений этой философской школы можно найти в книге В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм».) Выдающиеся представители этой школы (Мах, Дюгем, Оствальд) выставляли против теории атомов те же самые возражения, какие в свое время выставил Шопенгауэр. Все они единодушно сходились в том, что «атомистической теории следовало бы уже давно истлеть в пыли библиотек», как выразился Вильгельм Оствальд в своих лекциях по философии природы, которые он читал в Лейпцигском университете летом 1901 года.

Но сторонников атомистической теории не смущали злые нападки философов. Они упорно стремились найти убедительные доказательства реальности атомов. Увидеть атом, взвесить его, измерить его размеры - вот что стало заветной мечтой атомистов. Но как это сделать, если атомы настолько малы, что ускользают не только от наших невооруженных органов чувств, но и от самых усовершенствованных микроскопов! Жигмонди и Зидентопф построили и усовершенствовали так называемый «ультрамикроскоп», позволяющий обнаружить в коллоидном растворе золота золотые частички, масса которых чуть ли не в миллиард раз меньше грамма. Но в том же растворе присутствуют и более мелкие частички золота - значит, атом золота весит еще меньше. Каким же образом можно взвесить атом? Не следует ли отказаться от этой задачи, признать ее принципиально неразрешимой? Если мы признаем эту задачу принципиально неразрешимой, т. е. если мы признаем атомы принципиально ненаблюдаемыми, то тогда Оствальд и компания окажутся нравы, потому что принципиально ненаблюдаемое не может служить объектом изучения в физике и должно считаться лишь результатом неправильного образования понятий. Вот почему атомисты не хотели примириться с таким решением вопроса и не захотели утверждать, что «атомы существуют, но их наблюдать, взвесить и измерить никогда не удастся». Если бы они это утверждали, то это означало бы капитуляцию перед философами, считавшими, что книги по атомистической теории должны сгнить в пыли библиотек.

И в конце концов атом действительно удалось взвесить. Этому помогло одно странное явление, которое было открыто еще в первой половине XIX века и на которое физики в свое время не обратили должного внимания. Это явление называется броуновским движением.

В 1828 году знаменитый английский ботаник Роберт Броун проделал одно в высшей степени интересное наблюдение. Испытывая только что присланный ему новый усовершенствованный микроскоп с ахроматическим объективом, Роберт Броун вздумал рассмотреть с помощью этого микроскопа ничтожную каплю жидкости, содержащейся в крохотных зернышках пыльцы растений. В такой жидкости всегда имеется большое количество микроскопических твердых частиц. Как удивлен был Броун, когда увидел, что эти частицы не остаются на месте, а движутся, движутся непрерывно, точно исполняя какой-то фантастический танец! Когда в поле зрения микроскопа было видно много таких частиц, то получалось такое же впечатление, как от тучи каких-то мельчайших мошек. Твердые частицы микроскопических размеров, находящиеся в жидкости, движутся, как если бы они были живыми, и, действительно, у наблюдателя остается именно такое впечатление. Но уже Роберт Броун, который первым наблюдал это хаотическое движение микроскопических частиц, получившее свое название от его имени, пришел к другому заключению: частицы движутся не потому, что они живые. Частицы мертвого вещества, обладающие такими же размерами, тоже должны совершать аналогичное движение, если только они окружены со всех сторон жидкостью. Так утверждал Броун, и это было полностью подтверждено многочисленными последующими наблюдениями.