Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Предложение Клаузиуса нашло отклик среди молодых ученых. Особо следует выделить работу британца Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который сделал важное уточнение. Максвелл считал, что не только средняя скорость атомов влияет на температуру и давление газа, но также и его распределение скоростей, то есть число атомов, которые в определенный момент имеют скорость выше или ниже средней. Статьи Клаузиуса и Максвелла вызвали крупную дискуссию о справедливости кинетической теории газов и дали толчок научной карьере другой значительной фигуры в физике, австрийца Людвига Больцмана(1844-1906).

Чтобы обеспечить физическим смыслом формулу Максвелла, Больцман сосредоточился на изменении давления газа в зависимости от высоты. Если газ состоит из атомов с различными скоростями, они должны меняться соответственно с высотой из-за воздействия гравитации. Больцман рассчитал этот эффект, следуя распределению скоростей Максвелла, и выяснил, что он совпадает с изменением давления, наблюдаемого у газа. Так Больцману удалось связать атомный эффект (изменение гравитации для каждого из атомов, а с ним и изменение скоростей) с макроскопическим эффектом (изменением давления). Кроме того, Больцман сделал еще один шаг в кинетической теории, включив в нее не только линейные скорости атомов, но также и их вибрации, что следовало учитывать при объяснении макроскопических величин газов. Больцман опубликовал эту работу в возрасте 24 лет, и она обеспечила ему международное признание, в том числе со стороны самого Максвелла. С тех пор формула распределения скоростей газа известна как формула Максвелла — Больцмана.

Проблема, которую Больцман обозначил и развил, связана с формулой распределения скоростей атомов газа. Звучит она так: как возможно то, что отдельные (полностью произвольные и хаотичные) движения каждого из атомов газа поддерживают распределение скоростей, которое всегда соответствует формуле Максвелла — Больцмана? В гипотетическом идеальном мире проблема имеет решение. Надо всего лишь иметь уравнения движения каждого атома и их положений в определенный момент. Однако любой объем газа, каким бы маленьким он ни был, содержит миллионы миллионов атомов, так что задачу невозможно решить. Следовательно, описать газ на основе атомов, из которых он состоит, можно только с помощью статистической математики.

Вместо того чтобы пытаться понять, что произойдет с каждым из атомов, Больцман сосредоточился на поведении атомов с определенным направлением и скоростью в заданный момент времени. Нужно было оценить возможные столкновения атомов и с учетом этого вычислить среднее значение для всех групп атомов. Так австрийскому физику удалось обосновать уравнение распределения скоростей, о котором Максвелл интуитивно догадался и которое он сам изменил. Самым значимым результатом Больцмана была констатация того, что пока отдельные атомы следуют законам Ньютона о движении, постоянное изменение отдельных скоростей несовместимо с появлением состояний макроскопического равновесия. Значит, в газе в состоянии равновесия (при постоянных температуре и давлении) скрывается неистовая и внешне беспорядочная деятельность. Законы Ньютона о движениях отдельных тел, таким образом, объясняли давление и температуру газов — величин, которые относятся к большим скоплениям атомов. Это настоящая симфония в исполнении атомов под управлением законов Ньютона.

Как в химии, так и в статистической физике предполагалось, что атомы реальны, а если это не так, по крайней мере они представляют собой модель, обладающую высокой объяснительной силой. Однако в конце XIX века само существование атомов все еще не было неоспоримым фактом. И именно в таком контексте появилась первая субатомная частица; то есть в то время как некоторые ученые сомневались в реальности атомов, другие исследователи уже осмеливались говорить о гораздо меньших частицах — электронах. Так же как и атомы, электроны не были «открыты» с помощью более мощных микроскопов, они возникли на научной сцене в результате попыток лучше понять электричество, и только через некоторое время стало ясно, что они являются общими составляющими всех атомов.

Ученый, имя которого связывают с открытием электрона, — Джозеф Джон Томсон (1856-1940), преподаватель экспериментальной физики и директор Кавендишской лаборатории в Кембридже с 1884 по 1919 год. За те 35 лет его лаборатория прославилась на весь мир, физики со всех стран приезжали сюда, чтобы стать передовыми исследователями. Секрет успеха был не столько в установках и технических средствах, сколько в интеллектуальной свободе, которую Томсон предоставлял своим сотрудникам. В Кавендише проводились всевозможные физические эксперименты, если только они не требовали чрезвычайных вложений (Томсон был известен своей скупостью). Британский ученый предлагал своим исследователям значительные идеи, а те были вольны принять их или нет, также они сами могли решать, каким способом реализовать эти идеи. Методика Томсона как педагога заключалась в том, чтобы предоставлять свободу действия.

Кроме управления лабораторией ученый занимался исследованием электрических разрядов газов. Выбор данной темы — пример того, как первые шаги в науке влияют на последующую карьеру ученых. Еще в Манчестере Томсон заинтересовался составом материи и структурой эфира.

Что такое эфир? Или, точнее, чем был эфир? В Англии XIX века физики восстановили это старое представление: мир «заполнен», иначе как передавались бы силы, особенно электрические? Вопрос нетривиален, хотя существование эфира так же являлось неочевидным. Эфир должен был быть достаточно тугим, чтобы передавать электромагнитные силы, но в то же время достаточно гибким, чтобы не оказывать сопротивления движению твердых тел. В то же время он должен был быть очень легким, поскольку не удалось измерить его массу. Противоречиво ли это понятие? Сегодня физики полагают, что так, но еще в XIX веке казалось абсурдом рассуждать о силах между удаленными телами, не имеющими посредника. Эфир не только позволял объяснить электрические силы: считалось, что с учетом его особенных характеристик, возможно, он объяснит связь с миром духов, телепатию и так далее. Следует помнить, что во второй половине XIX века буржуазия Англии и США была увлечена оккультными силами. Благодаря трансатлантическому кабелю стала возможной телеграфная связь между двумя странами, и этот контекст способствовал расцвету спиритизма. Считалось, что наука может и должна объяснить все, включая телепатические и спиритические явления. Так, в 1882 году группа преподавателей и студентов Кембриджа и ряда университетов основала в Лондоне Общество психических исследований, существующее до сих пор. Среди физиков того времени, участников этой организации, были лорд Рэлей, бывший директор Кавендишской лаборатории, и Уильям Крукс, который наряду с Дж. Дж. Томсоном являлся крупным специалистом в изучении электрических разрядов газов. Сам Томсон заинтересовался этой темой и участвовал в научных сеансах спиритизма и телепатии, «научных» в том смысле, что зал, где проводились такие сеансы, был полон приборов, измеряющих электричество и магнетизм, которые должны были зафиксировать потоки энергии.

"Сеанс гипноза", полотно кисти Ричарда Борга, 1887 год (Национальный музей в Стокгольме).

В Кембридже он стал специалистом по новым теориям об электричестве и магнетизме, которые Максвелл развил в своем «Трактате» Максвелл объединил два явления, до тех пор считавшиеся различными, — электрические и магнитные силы. Он также предположил, что электрические разряды в газах могут быть хорошей отправной точкой для понимания сил электромагнитных и сил, обеспечивающих целостность атомов. Они могли способствовать постижению связи между атомами и эфиром и, следовательно, лучшему пониманию обеих материй. Максвелл не успел развить свою идею, в возрасте 48 лет он скоропостижно скончался. В течение последних пяти лет он возглавлял Кавендишскую лабораторию, и Томсон, его преемник, оказался морально обязанным завершить эту работу.

Разряды в газах обычно наблюдаются во флуоресцентных трубках: стеклянная колба заполняется определенным газом при низком давлении, разница электрических потенциалов в газе дает внезапное лучеиспускание, которое исчезает при отсутствии разницы потенциалов. Хотя сегодня мы привыкли к свечению флуоресцентных ламп, и оно даже раздражает нас своим мерцанием, более 100 лет назад это явление обладало ореолом таинственности. В зависимости от типа используемого газа (и при изменении давления газа, электрического потенциала или формы стеклянной трубки) цвет разряда может варьироваться. В темноте это свечение захватывало воображение и ученых и публики — не только из-за красоты, но и из-за спиритической притягательности.