Тем не менее идеи Херэпета и Уотерстона не погибли: они решающим образом повлияли на работы Джеймса Прескотта Джоуля (1818—1889), который в 1851 г. впервые оценил скорость молекул газа. Она оказалась неожиданно большой: например, молекулы водорода при комнатной температуре движутся со скоростью 1800 м/с — вдвое быстрее артиллерийского снаряда.
В дальнейшем развитие кинетической теории материи пошло быстрее: ее переоткрыли Крёниг (1856 г.) и Клаузиус (1857 г.), развили почти до современного состояния Максвелл (1860 г.) и Больцман (1878 г.) Но уже десять лет спустя она вновь «вышла из моды», работам Больцмана «больше удивлялись, чем признавали их», его самого называли «последней опорой атомистики», да и сам он с грустью признавал: «Я последний, кто отрицает возможность построения любой иной картины мира, кроме атомической». Эта новая волна недоверия проникла в учебники и научные статьи. Например, в известном учебнике П. Г. Тэта (1885 г.) читаем: «Твердый атом... живет (в виде невероятной, но все еще не опровергнутой гипотезы) и поднесь... Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя непрерывна, то есть не состоит из частиц с промежутками». И даже в 1898 г. в одном из научных журналов писали, что «теория кинетическая так же ошибочна, как и механическая теория гравитации».
Однако лавина открытий начала XX века смела без следа эти запоздалые сомнения, и с тех пор кинетическая теория — одна из осноеных наук о строении материи, с помощью которой объяснили теплоемкость и теплопроводность твердых тел, упругость и вязкость газов к многое другое.
Михаил Васильевич Ломоносов
Первый русский ученый Михайло Васильевич Ломоносов родился 8 ноября 1711 г. в далекой северной деревне Дени-совке на одном из островов Северной Двины вблизи города Холмогоры. Зимой 1731 г., двадцати лет от роду, он пришел с обозом в Москву и только здесь начал учиться. 4 апреля 1765 г. он умер русским академиком и почетным членом академий Стокгольмской и Болонской.
Мощь натуры, широта интересов, сила творческого гения — все поражает в Ломоносове. Он был первым, кто начал читать научные лекции на русском языке. Для этого необходимо было разработать научную терминологию — и он создал ее. Он написал первый русский учебник по минералогии и заложил основы современного русского стихосложения; руководил составлением карты России и писал сочинения «О размножении и сохранении Российского народа»; создавал мозаичные картины из приготовленных им самим цветных стекол и снаряжал экспедицию для отыскания морского пути в Индию вдоль северного берега России; изготовлял инструменты для морской навигации и построил первую химическую лабораторию в России.
В 1755 г. при активном участии Ломоносова в Москве был открыт первый русский университет, названный впоследствии его именем.
Естественнонаучные взгляды Ломоносова стояли на уровне века, а зачастую и впереди него. Он был последовательным сторонником атомистики и столь же непримиримым противником теплорода. За 40 лет до Лавуазье Ломоносов систематически использовал весы в химических исследованиях, знаменитый опыт с прокаливанием металлов в запаянных ретортах он осуществил на 17 лет раньше Лавуазье и за 30 лет до Гершеля открыл атмосферу на Венере.
Ему приходилось нелегко: в то время Россия была феодальной неграмотной страной и занятия наукой не считались в ней почетным делом. Ломоносов был вынужден искать покровителей при дворе, заниматься множеством не относящихся к науке дел, но своим ученикам внушал: «Что может быть приятнее и полезнее потомству, чем физико-химические опыты, проделанные в свободное от более важных дел время».
Причину тепла и холода Ломоносов видел «во взаимном движении нечувствительных физических частичек». В 1744 г. он представил Петербургской академии наук диссертацию «Размышления о причине тепла и холода».
В протоколах Академии об этой работе сохранился отзыв, в котором сказано, что «адъюнкт Ломоносов слишком рано принялся за сочинение диссертаций». Низкая культура тогдашней Петербургской академии и прогрессирующая в дальнейшем изоляция России привели к тому, что научные труды Ломоносова не оказали влияния на последующее развитие мировой науки. Они были забыты, и в течение полутора столетий даже на родине о нем помнили почти исключительно как о придворном поэте. Лишь позже, к двухсотлетию со дня его рождения, постепенно извлекли из архивов научные труды Ломоносова и оценили величие этого воистину российского таланта.
ГЛАВА 3
Ганеша
Примерно половину знаний о внешнем мире человек приобретает в возрасте до пяти лет. В последующие десять лет он узнает о мире почти все и свои дальнейшие познания о нем (за исключением специальных) пополняет очень медленно. Быть может, потому, что к этому времени он уже успевает приобрести взрослую привычку — узнавая что-либо новое, обязательно спрашивать: «А для чего это?» При знакомстве с квантовой физикой эта вредная привычка очень мешает, потому что на первых порах не ясны ни суть атомных явлений, ни их относительная важность в общей картине. В этой ситуации надо поступать подобно детям, которые учатся говорить. Вначале они слышат непонятные им звуки, затем бессмысленно перебирают и повторяют слова и, наконец, замечают, что между ними существуют логические связи. Постепенно они убеждаются, что сами по себе слова часто ничего не означают, но иногда обретают неожиданный смысл, если произнести их в определенном порядке. Конечно, пройдет немало времени, пока они научатся улавливать самые тонкие оттенки мыслей и настроений за простыми сочетаниями обыденных слов. По существу, только тогда дети и становятся взрослыми.
В этой главе мы узнаем довольно много новых фактов об атомах, волнах и квантах. Быть может, выбор фактов и та уверенность, с которой мы будем их толковать, покажутся вначале не очень обоснованными — как ребенку поступки взрослого человека. Но с этим ничего нельзя поделать. Узнавая впервые непривычную реальность атомной физики, все мы поневоле становимся похожими на детей, вступающих в новый для них мир. Без фактов — нет науки. И чтобы наилучшим образом усвоить их — станем на время детьми, которые всегда больше знают, чем понимают.
* Конец прошлого и начало нашего века часто называют героическим периодом физики. Это было время, когда каждый год приносил неожиданные открытия, фундаментальность которых очевидна даже сейчас, более полувека спустя. Одно из таких открытий связано все с той же трубкой Крукса.
8 ноября 1895 г. в лаборатории университета в Вюрцбурге Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923), изучая катодные лучи, обнаружил новое излучение, которое возникало в том месте анода, куда падал пучок электронов. Свойства этого излучения были пугающе необычны: оно без труда пронизывало человеческое тело и даже закрытые дверцы сейфов.
Одного этого открытия было бы достаточно, чтобы нарушить привычный рабочий распорядок многих лабораторий мира. Но эпоха открытий только начиналась. Несколько месяцев спустя, в марте 1896 г., Антуан Анри Беккерель (1852—1908) открыл новый тип излучения, еще более странный: оно возникало самопроизвольно в куске урановой руды. Последующие опыты показали, что оно состояло из электронов, гамма-квантов и положительно заряженных частиц, которые Резерфорд назвал а-частицами.
Некоторые вещества (например, ZnS) начинали светиться, если на них попадал пучок а-частиц. Это позволило все тому же Уильяму Круксу в 1903 г. изобрести спинтарископ — прибор, который позволял видеть вспышки от единичных а-частиц, попадавших на экран из сернистого цинка.
Теперь эти два открытия хорошо известны, но мы о них все-таки напомнили, ибо без них история атома была бы все-таки неполной.
