Дж. Дж. Томсон писал: «Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попытки объяснить расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях». Томсон измерил отношение заряда частиц, составляющих катодные лучи, к их массе и нашел, что этот заряд совпадает с зарядом, переносимым при электролизе. Измерения показали, что масса частицы катодных лучей меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Теперь мы знаем, что масса электрона в 1840 раз меньше массы протона — ядра атома водорода.

Томсон понял, что явления, открытые Круксом, свидетельствуют о делимости атомов. Из любого атома под действием электрического поля, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла можно вырвать одинаковые частицы, несущие одинаковый отрицательный заряд. Томсон говорил об электронах — это они давали о себе знать в трубке Гитторфа, это их наблюдали Крукс и Перрен. Так, одновременно, был открыт электрон и подтверждена атомная структура вещества путем отказа от многовекового представления о неделимых атомах. Атомы существуют, но они делимы!

Воображение Лоренца заработало с новой силой. Перед ним было добытое Максвеллом знание о том, что Вселенная пропитана электромагнитным полем, и теперь он знал, что частицами, взаимодействующими с этим полем, являются электроны. Как они взаимосвязаны друг с другом, то есть какова структура Вселенной, ее плоть и кровь? Лоренц угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы электричества, входящие в состав нейтральных атомов. Сочетание электрических зарядов, связанных с веществом, и электромагнитного поля образует все многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение зарядов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение зарядов.

Электромагнитная теория Фарадея — Максвелла — Лоренца стала на твердую почву. Теория поля слилась воедино с представлением об атомной структуре вещества. Еще один раздел классической физики казался полностью завершенным. Но недаром говорят: в науке каждый решенный вопрос ставит новые нерешенные проблемы.

Разгорелся спор о применимости уравнений Максвелла к движущимся телам, — ведь они были созданы для неподвижной среды. Особенно горячие дискуссии возникли между Лоренцем и Герцем. Таковы противоречия творчества — Лоренц, сделавший новаторское дополнение к теории Максвелла, не верил в самостоятельную сущность электромагнитных волн. Он верил в эфир и считал свет колебаниями волн эфира. В теории Лоренца эфир неподвижен, и сквозь него движутся все тела, нейтральные или заряженные частицы вещества… Эфир выступает как нечто неподвижное, абсолютное, сродни Ньютонову абсолютному пространству. Возникает искушение считать, что принцип относительности Галилея тут не работает и неподвижный эфир может служить надежной базой для определения абсолютного движения в пространстве.

С этим был не согласен Герц, замечательный экспериментатор, которому посчастливилось через двенадцать лет после создания Максвеллом его теории обнаружить реальное существование электромагнитных волн. Герц был не только экспериментатором. Как теоретик он исходил из того, что электромагнитные процессы в движущихся телах подчиняются тем же законам, что и в неподвижных. Тем самым он распространял принцип относительности Галилея с механических явлений в область электромагнитных процессов. Но он тоже верил в эфир. Чтобы удовлетворить принципу относительности, Герц предположил, что эфир, заключенный внутри тел, принимает участие в их движении. Но ему самому было ясно, что это предположение является вымыслом того сорта, с которым боролся Ньютон. Сразу понадобилась новая гипотеза, чтобы связать части эфира, движущиеся с телами, с остальным неподвижным эфиром. Каждое движущееся тело, подобно ложке, перемещающейся сквозь кисель, должно было тянуть за собой «эфирный хвост».

Кто же прав? Положение усугубляется тем, что Лоренца подводят его же уравнения. Они преподносят Лоренцу сюрприз. Вычисляя скорость света в движущейся среде, он приходит к неожиданному результату: решение уравнений таково, как будто эфир, заключенный внутри тела, следует за его движением. Лоренц написал свои уравнения, предполагая, что эфир всегда неподвижен, а решения уравнений показали, что он должен частично увлекаться движущимися телами. Получается парадоксальное положение: уравнения Лоренца не удовлетворяют принципу относительности, но их решения с большой точностью удовлетворяют ему!

Так это началось. В теории Герца скорость света в движущихся и покоящихся средах одинакова. В теории Лоренца она различна. В спор вмешался сам Максвелл. Незадолго перед смертью он указал на опыт, который мог бы стать арбитром. Его письмо редактору журнала «Нейчур» было опубликовано в 1886 году, уже после смерти автора. Максвелл писал: можно, хотя чрезвычайно трудно, определить из опыта скорость движения Земли сквозь эфир, подобно тому, как можно определить скорость корабля, измеряя скорость звука. Имеется в виду, конечно, что скорость звука измеряется на палубе, где воздух не участвует в движении корабля, а не в каюте, где такие измерения не позволяют узнать ничего, в соответствии с принципом относительности Галилея.

Этот спор воспламенил молодого офицера Военно-морского флота США Майкельсона. Он решил провести опыт, предложенный Максвеллом. После двухлетней морской службы он начинает преподавать физику и химию в Военно-морской академии в Аннаполисе. У него мало опыта и знаний. Он едет учиться в Европу. В Берлинском университете в лаборатории великого Гельмгольца Майкельсон знакомится с посмертной статьей Максвелла и приступает к опытам. Его цель — поймать эфирный ветер. Он строит соответствующую установку — но… эфирного ветра не обнаруживает…

Лоренца очень занимает этот опыт. В соответствии с его теорией результат должен быть положительным, ведь Земля перемещается в недвижимом эфире, и приборы должны обнаружить, как эфир «обдувает» Землю. Лоренц проверяет расчеты молодого физика и обнаруживает в них ошибку. Измеряемая величина должна быть вдвое меньшей, чем ожидал Майкельсон. Вопрос остается открытым…

Проходят шесть лет. Майкельсон не забыл своего намерения. Он готовится к более решительному наступлению на эфирный ветер. Теперь он не один. Вернувшись из Европы, он преподает в Кливленде, штат Огайо, и дружит с Мор-ли, преподавателем химии из соседнего университета. По-разному коротают время их коллеги. Майкельсон же, нарядный, безупречно выбритый, и Морли, рассеянный, небрежный в одежде, с рыжей щетиной на щеках, спускаются в подвал лаборатории, где и проводят все свободное время.

Тут смонтирован прибор для обнаружения эфирного ветра. Их опыт (1887 год) одна из поворотных точек в судьбе физики, хотя достичь цели не удалось — эфир не был обнаружен. Вот как пишет современный ученый о значении этого опыта: «Никогда раньше в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта «неудача» сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки».

Как встретили ученые весть о неудаче Майкельсона и Морли? Австрийский физик Мах немедленно заявил, что представление об эфире надо отбросить, он не верит в абсолютное движение через эфир. Одни ученые его поддержали, другие метали громы и молнии. Начались споры — есть ли эфирный ветер или его нет, может быть, эфир следует за Землей и потому необнаружим. Решающим голосом никто из ученых тогда не обладал. Возникла парадоксальная ситуация. Один-единственный опыт свидетельствовал против всех остальных, возможно, он свидетельствовал в пользу Герца против теории Лоренца. Все остальные опыты соответствовали теории Лоренца.