Читать книгу "Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо"

Итак, поиск решения наталкивался на сложности, и Томсону пришлось капитулировать. В этой дискуссии привлекает внимание различие между его мировоззрением и мировоззрением Максвелла. Последний также для наглядного представления эффектов электромагнитного поля пользовался более или менее сложными моделями, но он сразу же осознал ограничения этого подхода в части понимания взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. А Томсон так и держался за устаревший механизм - возможно, из-за того, что благодаря ему он совершил все свои открытия?

МОДЕЛИ АТОМА И РАДИОАКТИВНОСТЬ

Интерес Томсона к атомам и их структуре был очень давним. Еще в 1867 году в лекции «О вихревых атомах», прочитанной в Эдинбургском королевском обществе, он говорил:

«После того как я получил новость об удивительном открытии фон Гельмгольцем закона движения вихрей в идеальной жидкости (то есть во флюиде, полностью свободном от вязкости, или трения флюида), автор утверждает: это открытие неизбежно предполагает, что кольца фон Гельмгольца - это единственные настоящие атомы».

В то время наука постепенно принимала кинетическую теорию газов, разработанную Клаузиусом, Максвеллом и австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906), но эта теория не давала полного объяснения всем известным экспериментальным результатам. Если допустить, что газ состоит из атомов, которые движутся на некоторой скорости и сталкиваются друг с другом, этого достаточно, чтобы объяснить свойства газов. Но с практической точки зрения — хотя взаимодействие между атомами может быть описано в терминах ньютоновской механики — решение конкретных задач было невозможным из-за огромного числа атомов даже в самых небольших объемах газа. Статистическая формулировка позволила обойти этот подводный камень, однако она не объясняла другие атомные явления, такие как поглощение и испускание света на определенной длине волны.

Томсону подобное ограничение совсем не нравилось, поэтому он добавил в теорию свои вихревые атомы и попытался понять, какими должны быть их свойства и механизмы взаимодействия между собой и с электромагнитными полями, включая свет. У него в руках была новая кинетическая теория газов. Ученый наглядно представил свои атомы как тороидальные структуры, которые не могли ни появляться, ни исчезать, они сталкивались друг с другом и могли вибрировать с определенной частотой, что позволяло объяснить характерные эффекты, наблюдаемые в спектроскопии. Следовательно, атомы и электромагнитные поля могли быть объяснены в чисто динамических терминах, но с аналитическими сложностями, «значительными, но далекими от непреодолимых с учетом современного состояния математической науки». Привлекательность этой точки зрения для Томсона была несомненной: термодинамика, электромагнетизм и свойства материи — все это опирается на механику, науку обо всем. Но через некоторое время ему пришлось отказаться от своей модели, поскольку он выяснил, что, в противоположность его изначальным предположениям, вихревые атомы нестабильны.

Томсон с ассистентом в саду его дома в Нетерхолле во время одного из экспериментов.

Вторая жена ученого, Фрэнсис Анна Блэнди.

Томсон во время своего последнего занятия в Университете Глазго в 1899 году.

Еще один повод для беспокойства добавила радиоактивность: сначала, в 1895 году, открытие икс-лучей немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845-1923), а затем, в 1897-м, открытие электрона Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940). Снова пытаясь придерживаться динамической структуры эфира, герой нашей книги посчитал, что икс-лучи можно объяснить, если предположить продольные колебания самой среды, а это противоречило теории Максвелла (вспомним, что электромагнитные волны поперечные). Но иллюзия длилась недолго - столько, сколько понадобилось, чтобы понять: странное рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение большей энергии, чем видимый свет и ультрафиолет.

Томсон вернулся к характерному для себя способу мышления. В 1902 году он представил работу, в которой возродил старую теорию немецкого ученого Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802): в 1759 году последний утверждал, что электричество - настолько уникальный флюид, что его избыток приводит к положительному заряду, а недостаток - к отрицательному. Предположение Томсона было следующим:

«Флюид Эпинуса состоит из чрезвычайно маленьких и похожих друг на друга атомов, которые я называю электрионами, они намного меньше, чем атомы весомой материи, и свободно проникают в пространство, занятое этими атомами большего размера, и так же свободно - в пространство, не занятое ими. Как и в теории Эпинуса, у нас должно быть взаимное отталкивание между электрионами, взаимное отталкивание между атомами независимо от электрионов, а также взаимное притяжение между электрионами и атомами без электрионов».

Число электрионов, которые имеются у обычного атома, наряду с законами работы сил, задействованных в потере или получении атомами электрионов, объясняло разнообразие химических элементов с различными свойствами, представленное в периодической таблице элементов, которая была введена в 1869 году Дмитрием Менделеевым (1834-1907) и немецким химиком Юлиусом Лотаром фон Мейером (1830-1895) год спустя. Эта теория, построенная на основе простых компонентов, была слишком сложной.

Через некоторое время после открытия электрона Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, основанную на сферической структуре с положительным зарядом, в которую были вставлены в необходимом положении для поддержания равновесия системы электроны: их количество было таким, чтобы уравновешивать заряд атома. Лорд Кельвин изменил эту модель, предположив, что частицы электричества движутся по концентрическим сферам. В 1903 году японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) предложил атом, образованный большой сферой с положительным зарядом, вокруг которой по круговым траекториям вращаются электроны. В 1911 году эксперименты новозеландского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937) показали, что атомная геометрия Нагаоки верна, но пришлось подождать датского физика Нильса Бора (18851962), который в 1911 году своей доквантовой моделью атома обозначил начало пути к окончательному решению, которое вылилось в развитие квантовой механики.

Несмотря на весь скептицизм Томсона по отношению к новой физике, нет сомнений в том, что ученый до конца своей жизни вел борьбу за понимание механизмов физических явлений, как бы они ни выглядели. Исследователь говорил:

«Так же как великие достижения в математике были осуществлены на основе желания найти решение задач, которые имели очень практический характер для математической науки, в физической науке многие великие достижения, которые были сделаны с начала мира до настоящего времени, были вызваны серьезным желанием изменить знание о свойствах материи ради какой-то полезной для человечества цели».