История науки Атомной эры

Олег Акимов

Биография Дж. Дж. Томсона.
Электрон: история открытия и первые теории

История открытия электрона была долгой и трудной. К нему шли многие экспериментаторы, еще больше теоретиков размышляли о нем. Однако максимальный вклад и в экспериментальную часть и теоретическую сделал английский физик Дж. Дж. Томсон. Поэтому есть смысл рассказать не только о его работе, связанной с электроном, но и коснуться его биографии. Ведь этот замечательный английский ученый является последним наиболее ярким исследователем, мыслящим исключительно конструктивно в то время, как с приходом Эйнштейна и Бора мир физики погрузился в спекулятивную схоластику, которая в течение последнего полувека сменилась фантасмагорической космогонией Стивена Хокинга. Сегодня физика умерла. Цель всякого честного преподавателя – донести до молодежи тот характер построения науки, какой он был до ее кризиса, произошедшего на рубеже XIX и XX столетия. Электрон был тем самым объектом науки, вокруг которого развернулись ожесточенные баталии. Именно потому, что физики-классики не смогли составить для себя определенный пространственно-механический образ электрона, формалисты-схоласты ввели вместо него абстрактную пси-функцию, которая до сих пор служит камнем преткновения. Итак, наш рассказ о человеке, который больше всего сделал для понимания природы электрона и после которого он попал в руки спекулянтов.

Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) родился 18 декабря 1856 году в Англии, близ Манчестера, в местечке Чэтмен (Cheetham Hill). Его отец, продавец книг, умер, когда «Дж. Дж.» – так звали его близкие – исполнилось 16 лет. Он хотел, чтобы его сын выучился на инженера. За два года до смерти отца, в 1870 году, Дж. Дж. поступил в колледж Оуэна (Owens College), основанный манчестерским купцом в 1846 году, который в последствии превратился в Манчестерский университет. В то время колледж возглавляли такие видные ученые как Рейнольдс, Осборн и Роскоу, хорошо известные англичанам. Его учитель математики, обративший внимание на незаурядные способности, посоветовал юноше продолжить изучение математики там, где когда-то учился и преподавал знаменитый геометр Исаак Ньютон. В 1876 году Дж. Дж. поступил в Тринити-колледж (Trinity College) при Кембриджском университете (Cambridge Universit). В 1880 году он получил степень бакалавра, а в 1883 – магистра математики, причем в обоих случаях с отличием.

В 1880 году была опубликована его первая научная статья, посвященная электромагнитной природе света. На следующий год появилось еще две статьи, одна из которых называлась «Об электрических и магнитных эффектах, произведенных движением наэлектризованных тел». Эта статья 1881 года положила начало электромагнитной теории массы, над которой Дж. Дж. Томсон проработал всю оставшуюся жизнь. В ней автор доказывал, что с увеличением скорости материального тела, масса его непрерывно возрастает. Такое происходит потому, что электрический заряд увлекает за собой определенное количество эфирной массы. В случае приближения скорости тела к скорости распространения электромагнитного излучения масса тела возрастает до бесконечности. Эти модельные идеи были затем трансформированы в формально-спекулятивную теорию относительности Эйнштейна.

Летом 1884 года Томсон стал членом Королевского Общества (Royal Society), а с 1915 по 1920 годы был президентом этой своеобразной Академии наук Англии.

Кэвендишская лаборатория

В том же году, 28-летний физик стал третьим (после Максвелла и Лорда Рэлея) профессором знаменитой Кэвендишской лаборатории, построенной в 1871 году по замыслу Джемса Клерка Максвелла (J. Cl. Maxwell, 1831 – 1879), который в 1874 году стал ее первым директором вплоть до своей безвременной кончины. Деньги на ее строительство в 1869 году выделил седьмой герцог Девонширский, что было с его стороны необычным поступком, так как еще никто и никогда не строил в Европе огромного трехэтажного здания с множеством просторных залов, в которых проводились самые разнообразные эксперименты. Обычно профессора проводили эксперименты в маленьких лабораториях, которые в большинстве случаев располагались в подсобных помещениях их собственных домов. Однако за строительство лаборатории по экспериментальной физике тогда высказались все крупнейшие физики Европы. Важную роль при этом сыграл Вильям Томсон (лорд Кельвин), который тогда жил и работал в Глазго. Его уговаривали возглавить строительство и прочили в директора, но он отказался переезжать в Кембридж. После одобрения сената, строительство началось под руководством его ученика и друга, Максвелла.

Джемс Клерк Максвелл
(J. Cl. Maxwell, 1831 – 1879)

Следующим за Максвеллом руководителем самой крупной лаборатории Англии был барон Джон Уильям Стрэтт, он же Лорд Рэлей (Lord Rayleigh, 1842 – 1919), много и успешно работавший главным образом в области акустики. Вместе с Максвеллом он разрабатывал теорию цветов. Они были большими друзьями. Когда Максвелл колебался при назначении его на пост главы нового подразделения университета, Стрэтт написал письмо, в котором уговаривал друга ответить согласием. «Вы должны занять этот пост, — писал Стрэтт. — Надеюсь, что в Ваших руках лаборатория университета сыграет ведущую роль в своей области. Мне кажется, что сэр Вильям Томсон не примет эту кафедру. Я говорю об этом на тот случай, если Вы, желая избежать соперничества с ним, захотите отказаться от предложения». Стрэтт уже знал, что в случае отказа Максвелла, пост руководителя лаборатории предложат ему. После смерти своего друга он действительно перешел к нему. Однако в 1884 году он прочил его Дж. Дж. Томсону.

Дж. Дж. Томсон сидит в кресле Максвелла

Любопытно, что главной особенностью первых трех руководителей кафедры экспериментальной физики было то, что они являлись, прежде всего, математиками-теоретиками и только во вторую очередь физиками-экспериментаторами. Их также объединяла одна общая черта характера: все они были прекрасными лекторами, профессиональными преподавателями, как тогда говорили, «объясняльщиками». По словам Макса Борна, Дж. Дж. Томсон «не был блестящим лектором в прямом понимании этого слова, но его лекции впечатляли кристальной ясностью, с которой он давал объяснения, а также простотой и красотой лекционных демонстраций». Лорд Рэлей о своем преемнике говорил так: «Дж. Дж. мог что-то сказать практически о любом предмете. Он был хорошим рассказчиком и хорошим слушателем; знал, как вытянуть слово из самого застенчивого члена компании... Когда Дж. Дж. расхаживал по комнате и энергично о чём-то говорил, на ум приходил образ льва, запертого в клетке». Автобиография Томсона включает много примеров, свидетельствующих, что он был мастером устного рассказа. В своих воспоминаниях он пишет о забавных историях, в которые за свою долгую жизнь попадал он сам, его друзья и коллеги.

22 января 1890 года Томсон женился на Розе Элизабет Пэджет (Rose Elisabeth Paget), врача по профессии, которая в последствии стала профессором медицины в Кембридже. До замужества Роза, как и Джозеф, работала в Кэвендишской лаборатории и была одной из первых женщин Англии, которая окончила престижный университет и целиком посвятила себя науке. У них родились двое детей – сын Джордж Пэджет Томсон (1892 – 1975) и дочь Джоан Пэджет Томсон, которая часто сопровождала отца в его поездках, в частности, в Соединенные Штаты и Канаду. Сын заслуживает отдельного разговора.

Джордж Пэджет Томсон (1892 – 1975), сын Дж. Дж. Томсона

Как и его отец, Г.П. Томсон учился в Тринити-колледже Кембриджского университета и вместе с отцом экспериментировал в Кэвендишской лаборатории. Пропуская электроны через тонкую фольгу, он обнаружил явление дифракции, что предполагало наличие у электронов волновых свойств. Позднее было обнаружено и явление интерференции при отражении электронов от плоскостей кристаллической решетки. Примечательно, что отец получил Нобелевскую премию в 1906 году за работы над разряженными газами, что, в конце концов, привело его к открытию электрона как частицы, а сын в 1937 году удостоился этого почетного приза вместе с Клинтоном Джозевом Дэвиссоном (C.J. Davisson, 1881 – 1958) за открытие электрона как волны.

На всём протяжении Первой мировой войны Дж. Дж. Томсон являлся советником правительства Великобритании по научно-техническим вопросам. После окончания войны он возглавил Тринити-колледж и оставался мастером (Master) до своей кончины (30 августа 1940). В 1919 году ему пришлось уйти с профессорской должности Кэвендишской лаборатории, чтобы всё свое время посвятить преподавательской работе. На этом поприще он ввел в процесс обучения студентов множество новаций, которые превратились, как говорится, в добрую традицию Тринити-колледжа. Одним из таких новшеств для консервативной Англии было принимать у себя в Кембридже иностранных студентов и стажеров. Здесь он не был пионером, так как в некоторых университетах континентальной Европы это уже практиковалось.

Дж. Дж. Томсон за работой в Кэвендишской лаборатории

По всеобщему признанию, Томсон был не только выдающимся теоретиком и экспериментатором, но и талантливым педагогом. 7 человек (включая его сына), которых он обучал физике, стали Нобелевскими лауреатами, 27 – членами Королевского Общества, а 80 – профессорами, работающими в 30 странах мира. У него учились датчанин Н. Бор, француз П. Ланжевен, поляк М. Смолуховский, русские физики: Н.Д. Папалекси, Г.А. Бродский, В.А. Бородовский. Однин из его студентов, Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford, 1871 – 1937), после него занял место директора Кэвендишской лаборатории. Другой прославленный его ученик, Макс Борн (Max Born, 1882 – 1970), унаследовал педагогическую практику своего учителя в части стажировки молодых исследователей. Правда, их научный подход к решению задач отличался радикальным образом. Если Томсон всю жизнь оставался сторонником классической физики, в частности, электродинамики Максвелла, то Борн воспитал целую плеяду знаменитых релятивистов и сторонников квантовой механики.

«Трактат об электричестве и магнетизме» был настольной книгой Томсона. Его последняя книга, «Новые исследования», по сути, являлись продолжением этого сочинения Максвелла. Правда, в отличие от своего предшественника, Томсон сосредоточился не на полях, а на зарядах. Экспериментальное открытие «атома электричества» (электрона) естественным образом вытекало из его исследований ионизированных газов. Не он первый стал исследовать проводимость газов под действием рентгеновских лучей, но он был тем исследователем, кто наиболее глубоко изучил это явление и наиболее полно описал его в книгах.

Дж. Дж. Томсон (1856 – 1940)

Что же сделано Дж. Дж. Томсоном как экспериментатором? Здесь нужно сказать, что когда он впервые попал в Кэвендишскую лабораторию, коллеги решили, что их новый начальник будет для них абсолютно бесполезен. «Пальцы рук Дж. Дж. были настолько неуклюжи, — вспоминает его бывший ассистент Неволл (H. F. Newall), — что я всячески старался оградить его от лабораторных установок. Но он оказался весьма полезен при планировании эксперимента, хорошо представляя ход физических процессов при проведении того или иного опыта». Ассистенты и лаборанты стали называть профессора «головой» Кэвендишской лаборатории, который своими руками мало что делал.

Один из лучших портретов Джозефа Джона Томсона

Однако в конце 1890-х годов Томсон сам много и самостоятельно экспериментировал особенно с катодными лучами, хотя этому предшествовали многочисленные опыты над разряженными газами. Так что эксперименты с катодными лучами явились продолжением его экспериментов над газами, через которые пропускался электрический разряд. В связи с этим в 1893 году Томсон писал: «Нет другой отрасли физики, которая предоставляла бы нам столь многообещающие возможности, как только проникновение в тайны электричества». В книге 1903 года «Прохождение электричества через газ» он повторяет эту мысль: «Изучение электрических свойств газов, по-видимому, представляет наиболее обещающее поле для исследования природы электричества и строения материи…» [23, с. 109].

Работая с газами, Томсон установил, что его молекулы ионизируются под действием катодных, рентгеновских и радиационных лучей. Задача состояла в изучении механизма ионизации и количественных измерений отдельных параметров ионов: масса, диффузионные свойства, величина и подвижность заряда. Томсон, Швейдлер и Таунсенд определили, что закон Ома в газах выполняется только для малых напряжений. С ростом напряжение рост тока постепенно замедляется, пока не достигнет насыщения. Однако при очень большом значении напряжения происходит лавинообразное увеличение тока. В этом случае происходит пробой газового объема, напоминающий молнию во время грозы. Исследователи Кэвендишской лаборатории определяли коэффициенты рекомбинации и диффузии ионов. Важность этих экспериментов заключалась не только в том, что они привели к открытию электрона. Здесь также отрабатывались методики управления электронными пучками с помощью электрических и магнитных полей.

Параллельно с открытием электрона, шло становление электроники — науки, тесно связанной с изобретением так называемых электронных ламп накаливания, являющихся непременным атрибутом приемника и генератора электромагнитных волн. Действие их связано с изобретением в 1879 году Томаса Эдисона (T. Edison, 1847 – 1931) трехэлектродной лампы, впервые продемонстрированной на Филадельфийской выставке 1884 года. В отличие от простой катодной трубки, в лампе накаливания катод разогревался специальной нитью накаливания. Томсон был, видимо первый, кто установил, что нагретые металлы испускают больше электричества, чем не нагретые. Оуэн Виланс Ричардсон (Owen Wilans Richardson, 1879 – 1959) продолжил изучать это явление и в 1901 году вывел термодинамическую формулу, носящую сегодня его имя и устанавливающую связь между плотностью эмиссионного тока и температурой поверхности катода. Эффект испускания электричества горячим катодом с начала 1880-х годов изучался также Эльстером, Гейтелем и Флемингом. Однако Нобелевскую премию за исследования термоэмиссии в 1929 году получил только Ричардсон.

Двадцать лет назад эту почетную награду заслужили Маркони и Браун за изобретения радио, где лампы накаливания получили широкое применение. Вот как было сделано это важнейшее инженерное открытие. В 1897 году молодой итальянский изобретатель, Гульельмо Маркони (G. Marconi, 1874 – 1937), увлекшись опытами Генри Герца (Heinrich Hertz, 1857 – 1894), но не имеющий высшего образования, сумел получить в Англии патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной, как тогда говорили, связи. Если в 1895 году он передал сигнал на расстояние 2,5 км, то в 1902 году он уже смог связать электромагнитным сигналом два континента, Америку и Европу, разделенную 3400 км. Немецкий физик, Карл Фердинанд Браун (K. F. Braun, 1850 – 1918), являющийся профессором Страсбургского университета, изобрел в 1898 году колебательный контур значительной емкости и с малым затуханием, а в 1906 году — кристаллический детектор, широко использовавшийся в первых радиоприемниках. Он также создал множество типов антенн для приема радиосигналов и других радиоустройств.

В России изобретателем радио считается Попов Александр Степанович (1859 – 1906). Действие своего радиоприемника он продемонстрировал 7 мая 1895 года (у нас в стране эта дата отмечается как День Радио) в качестве грозоотметчика. Весной 1907 года дальность радиосвязи составляла 600 метров, а уже летом этого же года она достигла 5 км. Максимальную дальность, которая была им зафиксирована в 1901 году, составляла 150 км. Здесь уместно отметить, что приемники радиосигналов появились на два десятилетия раньше генераторов. Первый передатчик незатухающих электромагнитных колебаний появился в 1915 году стараниями Армстронга, Мейсснера и Раунда. С его помощью удалось передать устойчивый радиосигнал из Парижа в Гонолулу и обратно, между которыми 8 тыс. км.

За лампой накаливания, следующим важным электронным прибором последовал триод, изобретенный в 1906 году американским инженером Ли Де Форестом (Li De Forest, 1873 – 1961). Небольшой потенциал на третьем электроде, получившим название сетка, способен управлять значительными токами, текущими между катодом анодом. Если быть точным, то управляющая сетка была впервые использована Ленардом в опытах 1902 года. Затем в связи с сеткой можно было бы назвать ряд ученых, которые изучали ее действие на величину и конфигурацию потока заряженных частиц. Вторым за Ленардом должно ситоять имя Либена, который ввел ее в электронную лампу в 1910 году, далее идут такие имена как Ван дер Бейль (1913), Лэнгмюр (1915), Гунд (1915 – 1919), Валлуари (1917) и пр. В России исследованием работы триодов в начале 1920-х годов занимался С.А. Богуславский.

Почему так много внимание отводится третьему электроду, за которым появились четвертый (у тетрода), пятый (у пентода) и т.д.? Дело в том, что введение управляющей сетки дает возможность в широких пределах менять распределение потенциалов между двумя основными электродами. Это свойство триода позволило Форесту и независимо от него Армстронгу в 1913 году создать усилитель радиосигнала, пойманного на антенну. Форест создал также ламповый детектор, получивший название диод, но не первым. Самый первый выпрямляющий диод под названием аудион сконструировал Флеминг в 1904 году; описание его работы он дал в 1905 году. С помощью диода переменный ток можно было «спрямлять», то сеть преобразовывать в постоянный.

После этих изобретений, начало которым положил всё тот же Дж. Дж. Томсон, электронная промышленность стала быстро набирать обороты. Еще при жизни этого замечательного английского ученого окружающий его мир изменился до неузнаваемости. Особо ускоренное развитие электронной и радиотехнике было подстегнуто Первой мировой войной, когда Томсон стал работать на правительство Англии. При этом не надо забывать, что все эти большие технические изменения начались с изучения катодных лучей и открытия электрона. Обычно говорят о трех сериях проведенных Томсоном опытов с катодными трубками.

Первая серия опытов касалась реакции катодных лучей на магнитное поле. Ученый обнаружил, что лучи заметно отклоняются под его воздействием. Тогда исследователь решил проверить их реакцию на электрическое поле. О тесной взаимосвязи электрического и магнитного поля тогда уже было хорошо известно. Для второй серии экспериментов он сконструировал новую трубку с более глубоким вакуумом, так как при наличии даже небольшого количества воздуха в трубке никакого отклонения луча не наблюдалось. Немецкий физик Генри и его ассистент Филипп Ленард (Philipp Lenard, 1862 – 1947), ставившие свои опыты в 1883 году, не смогли обнаружить никакого отклонение луча, когда он проходил между двумя заряженными пластинами конденсатора. Это послужило для заключения, что катодные лучи представляют собой особый вид электромагнитного излучения, продольный, в отличие от поперечных световых лучей. Между тем отклонение лучей в магнитном поле можно было легко получить, поднося к трубке постоянный магнит, что не происходило с обыкновенным электромагнитным излучением.

Как часто бывает в истории науки, здесь имеется большая неразбериха. Некоторые историки утверждают, что знаменитый английский физик и химик, сконструировавший спинтарископ и открывший элемент таллий, Уильямс Крукс (W. Crookes, 1832 – 1919), был первым, кто в 1879 году зафиксировал реакцию катодных лучей на электрическое поле. Правда это или нет, неизвестно, но известно точно, что Томсон ориентировался не на своего соотечественника, а на коллег из Германии. В конце концов, он догадался, почему Герц и Ленард потерпели неудачу с электрическим полем. Создав в катодной трубке более глубокий вакуум, Томсону удалось зарегистрировать заметное отклонение лучей, причем направление этого отклонения однозначно свидетельствовало, что знак электрического заряда электрона отрицательный.

Французские историки считается, что первым, кто определил зарядовый знак электрона, был не англичанин, а француз по имени Жан Перрен (Jean Perrin, 1870 – 1942), который сделал это еще в 1895 году. Он поместил на пути лучей металлический цилиндр, который приобрел отрицательный заряд. Немецкие историки не согласны со своими французскими коллегами и утверждают, что Перрен и Томсон только подтвердили экспериментальное открытие, сделанное их соотечественником, Евгением Гольдштейном (1850 – 1931) в 1876 году. В это же примерно время, говорят они, немецкий физик впервые ввел в оборот термин катодные лучи. Более того, Гольдштейн в 1886 году открыл каналовые лучи, имеющие противоположную направленность по сравнению с катодными. В 1898 году немецкий физик, Вильгельм Вин (W. Wien, 1864 – 1928), определил направление и величину отклонения каналовых лучей, откуда стало понятно, что они представляют собой ионы атомов газа, которые тоже излучали свет.

Уильямс Крукс (1832 – 1919),
Жан Перрен (1870 – 1942) и
Вильгельм Вин (1864 – 1928)

В связи с определением зарядового знака электрона называется также имя Кромвеля Варли (1828 – 1883), который якобы еще в 1871 году обнаружил, что частицы катодных лучей заряжены отрицательно. Кто здесь прав, разобраться трудно, но достоверно известно, что Томсон опередил всех в другом деле. В 1894 году он с помощью вращающегося зеркала определил скорость лучей, которая составила приблизительно 1/2000 часть скорости света. Данный факт вселил в него уверенность, что катодные лучи, это не разновидность света, как думали немецкие физики, а поток частиц. Он постоянно держал в голове закон эквивалентности, открытый еще Майклом Фарадеем (M. Faradey, 1791 – 1867) в 1834 году, который гласит: грамм-молекула одновалентных ионов, независимо от природы ионов, несет на себе строго определенный электрический заряд; в случае двухвалентных ионов этот заряд вдвое больше и т.д. Таким образом, думал Томсон, в природе должен существовать некий «атом электричества». В конце XIX века в Европе развернулось настоящее соревнование по его поимке. Ведущие физики Германии, Франции и Англии, боясь, что их опередят, торопились ставить эксперименты и, разумеется, в большинстве случаев действовали самостоятельно.

В общем, те или иные приспособления диктовались условиями эксперимента, но были и собственные придумки. Так, Томсон для того, чтобы лучше зафиксировать отклонение лучей в электрическом поле, нанес на один из торцов трубки фосфоресцирующее вещество. Это было важным новшеством для создания осветительных приборов, трубок Ф. Брауна, используемых в первых осциллографах, и телевизионных кинескопов, которые появились много позже. Святящиеся в катодных лучах вещество позволило ему более точно измерить величину отклонения. Понятно, что такая задача потребовала изготовление новой, более сложной катодной трубки. При измерении отношения заряда электрона к его массе Томсон нашел, что данное отношение, по крайней мере, в тысячу раз больше, чем оно наблюдалось для ионов водорода (H+).

И опять же, немцы считают, что первым, кто зафиксировал данный факт, был немец Эмиль Вихерт (Emil Wiechert, 1861 – 1928), который провел опыты и сообщив о них в печати не в середине 1897 года, а еще в январе. Об этом писал и сам Томсон в книге 1903 года «Прохождение электричества через газ»: «В январе 1897 году Вихерт опубликовал границы значений, между которыми должно лежать отношение e/m». Отношение заряда к массе у него находилось в пределах от 1,01 × 10 ⁷ до 1,55 × 10 ⁷. В 1899 году Вихерт провел уже целую серию сложных экспериментов по измерению скорости катодных лучей, которые пропускались через переменные электрические и магнитные поля.

По отклонению катодных лучей в магнитном и электростатическом поле Томсон в 1897 году определил, что e/m = 7,7 × 10 ⁶. Вихерт в 1899 году опубликовал число 1,01 × 10 ⁷. Ленард в этом же году привел два числа — 6,8 × 10 ⁶ (по методу магнитного отклонения и запаздывания в электрическом поле) и 6,39 × 10 ⁶ (по методу магнитного и электростатического отклонения). Томсон в 1899 году провел эксперименты с ультрафиолетовым светом и получил число 7,6 × 10 ⁶, а также провел эксперименты с раскаленными металлами, которые дали число 8,7 × 10 ⁶. Кауфман в 1897 году определил отношение e/m как 1,86 × 10 ⁷; в 1900 году Беккерель экспериментировал с радием и опубликовал число близкое к 10 ⁷.

В результате описанных здесь экспериментов, Томсон пришел к выводу, что катодные лучи состоят из унифицированных частиц (он их называл «corpuscles»), которые образуют субстрат атома и являются единственными его составными частями. 29 апреля 1897 года на заседании Лондонского Королевского общества он сообщил об открытии элементарного заряда. Между тем большинство ученых его времени считали атом наименьшей и неделимой единицей материи. Чтобы убедить их в существовании электронов, английский физик в 1901 году написал статью под названием «Существование тел, меньших атома». К доказательствам автора многие отнеслись скептически. Статья горячо обсуждалась не только в профессиональных кругах физиков, но и в околонаучной среде. Невероятно, думало большинство читателей, чтобы существовало нечто такое, что весило бы меньше, чем самый легкий атом водорода. Тем не менее, Томсон оказался прав, катодные лучи действительно состоят из отрицательно заряженных частиц, входящих в состав всех атомов, включая атом водорода. Удельный заряд частиц не зависел от материала катода и от сорта газа, который оставался в трубке. Кривые отклонения всех зарядов в «туманной камере» Вильсона были одинаковы.

Удивительным свойством электронов является их высокая проницаемость. На это качество впервые обратил внимание Ленард в 1893 году. Когда он проделал отверстие в электроде (окно Ленарда), катодные лучи легко вышли за пределы стеклянной трубки и рассеялись на близлежащих предметах. Это послужило толчком к постановке принципиально новых экспериментов. Появилась возможность направлять катодные лучи на любые образцы и изучать взаимодействие их с веществом. Это позволило к 1900 году Ленарду разработать теорию строения вещества и взаимодействие его с электронами. Большие возможности для изучения взаимодействия электронов и ионов с газами, парами воды и других соединений дала, конечно, камера Вильсона, изобретенная в 1912 году. Принцип ее действия основан на конденсации перенасыщенных паров в местах ионизации, возникшей вдоль трека заряженной частицы. В камере возникает что-то, напоминающее след, оставленный самолетом в небе. Однако следует помнить, что именно эксперименты Вильсона, проведенные в 1897 году в лаборатории Кэвендиша над ионами газов, послужили толчком к большой серии опытов Томсона по определению величины e/m.

Первоначально интересы Чарлза Томсона Риса Вильсона (Ch. Wilson, 1869 – 1959) лежали в области образования атмосферных облаков. Им была разработана теории, согласно которой облака возникают в местах скопления большего количества элементарных заряженных частиц и ионов: они служат причиной возникновения молний. Поскольку образование облаков в естественных условиях задача (по крайней мере, в то время) была невыполнимой, все предгрозовые условия он создал в лаборатории, в специальной камере, в которой с помощью поршневого насоса можно было резко изменять объем и давление, создавая таким образом условия для конденсации пара. Вильсон заметил, что катодные лучи и радиоактивное излучение, проходя через камеру, вызывают образование ионов, которые становятся видимыми благодаря капелькам влаги.

Так, невидимая частица сделалась видимой. Атомная физика не смогла бы сколько-нибудь успешно развиваться без этого удивительного инструмента, над усовершенствованием которого всю жизнь работал ее изобретатель, снабдив его мощной оптической и фоторегистрирующей системой. В 1909 году Томсон, под руководством которого работал Вильсон, об этом приборе писал так: «Мы должны теперь рассматривать замечательную серию исследований Ч.Т.Р. Вильсона об условии конденсации воды в обеспыленных газах, насыщенных водяным паром. Эти исследования не только значительно увеличили наши знания по исследуемой проблеме, но и открыли новый и поразительный метод исследования ионизированного газа» [23, с. 130]. К спинтарископу, позволяющему наблюдать вспышки от альфа-частиц, электрометру и ионизационной камере добавился новый прибор, за который в 1927 году Вильсон получил Нобелевскую премию.

С помощью камеры Вильсона была определена точное значение заряда электрона, а не только его отношение к массе. Порядок его был установлен по значению числа Лошмидта, постоянной Больцмана и по известному заряду грамм-молекулы одновалентного иона. Однако точная величина элементарного заряда долгое время оставалась неизвестной. Первое значение заряда, которое получил Томсон, равнялось (6,5 – 6,7) × 10 ^–10 абс. электростатических единиц (СГСЭ). В 1901 – 1902 году на усовершенствованной установке он получил величину, равную 3,4 × 10 ^–10. Вильсон, предложивший в 1903 году отличную от Томсона методику измерения, получил значение 3,1 × 10 ^–10. Измерения, проведенные Планком в 1900 году, Эренгафтом в 1907 и Робертом Эндрюсом Милликеном (R.E. Millikan, 1868 – 1953) в 1913 заметно различались. Наконец, Милликену, который много сил отдал на эти измерения, в 1940 году удалось найти число, равное 4,796 × 10 ^–10 СГСЭ, что не намного отличается от современного значения (4,803 × 10 ^–10). При этом он использовал метод парящей в электрическом поле масляной капли, несущей на своей поверхности отрицательные заряды, которые создаются только электронами.

Несколько слов о самом термине «электрон». Он был введен в оборот ирландским физиком Джонстоном Стоуни (Johnstone Stoney, 1826 – 1911) еще в 1891 году для обозначения единицы заряда, найденного в экспериментах по электролизу, когда пропускают электрический ток через химические растворы (см. Открытие радиоактивности ). Придуманным Стоуни термином стал пользоваться известный британский физик Джозеф Лармор (Joseph Larmor, 1857 – 1942), сокурсник Томсона по Кембриджу. Кстати, по успехам в учебе Лармор был первым на курсе, Томсон вторым. Первый считался более сильным математиком, чем второй, зато второй наряду с теоретическими работами в области математической физики прославился и как великий экспериментатор. Теперь, когда Томсон открыл электрон, перед обоими встала одна задача, как из электронов построить атом.

Джозеф Лармор
(Joseph Larmor, 1857 – 1942)

Пока Томсон продолжал экспериментировать Лармор предложил одну из первых теорий, касающихся движущихся элементарных зарядов. В 1894 – 1897 годах он написал ряд теоретических статей, оформившихся в 1898 году в книгу, которая была выпущена в свет в 1900 году под названием «Эфир и материя». Примерно в это же время, в 1895 году Гендрик Антон Лоренц (H.A. Lorentz, 1853 – 1928) опубликовал свою книгу «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах». Книга Лармора считалась сложной для понимания и получила гораздо меньшее распространение, чем книга Лоренца, которая без конца цитировалась, хотя поднятые в обеих книгах вопросы тесно переплетались.

Гендрик Антон Лоренц
(H.A. Lorentz, 1853 – 1928)

Лоренц придерживался эфирной теории Огюста Жан Френеля (A. J. Fresnel, 1788 – 1827), который считал, что эфир неподвижен, а все физические тела, не увлекая его, свободно парят в пространстве, подчиняясь законам механики Ньютона. Он пытался осуществить синтез новейшей теории электромагнитного поля Максвелла со старыми теориями Вильгельма Эдуарда Вебера (W.E. Weber, 1804 – 1891) и Рудольфа Юлиуса Клаузиса (R.J. Clausius, 1822 – 1888), которые рассуждали в рамках модели дальнодействия, справедливой для мира без эфира. Так как во времена Лоренца интенсивно проводились опыты с ионизированным газом, то заряженным ионам, переносчикам электричества, он отводил одно из главных мест в своей теории.

Таким образом, теория Лоренца уже опиралась на элементарные заряды как на атомы электричества, которые были введены еще английским химиком и физиком Гемфри Дэви (H. Davy, 1778 – 1829) в 1807 году в результате экспериментов с электролизом и шведским химиком Йнсом Якобом Берцелиусом (J.J. Berzellius, 1779 – 1848), изучавшим в 1810-х годах достоверность закона постоянства состава и кратных отношений полусотни новых, открытых им неорганических органических соединений. Атомарное строение электричества, как мы знаем, прекрасно почувствовал и Майкл Фарадей, когда сам занимался электролизом. Однако он не строил атомарных теорий, а теоретиков в этом отношении предупреждал: «...Я с некоторым подозрением отношусь к термину атом, так как хотя об атомах очень легко говорить, но весьма трудно составить себе ясное представление об их природе, особенно когда дело идет о сложных веществах».

Тем не менее, именно Фарадея считают автором строго доказанной количественной идеи «молекулы электричества». Данный термин использовал Максвелл, а вслед за ним и Лармор, который в соей картине мира использовал теоретические наработки, сделанные Джемсом Мак-Куллахом (J. MacCullagh, 1809 – 1847). Последний предложил теорию светоносной среды, которая обладает упругостью в отношении вращения и не оказывает никакого сопротивления другим видам деформации. Таким образом, ему удалось ввести волновое уравнение для поперечных волн, из которого выводились формулы Френеля, а его модель прекрасно сочеталась с выводами электромагнитной теории света Максвелла, ничего не слышавшим о работах Мак-Куллаха. По Френелю, Мак-Куллаху и Максвеллу скорость света определялась по одной и той же формуле: c = (μρ)^½, где μ – коэффициент, характеризующий упругость среды, а ρ – плотность среды. Вильям Томсон для теории Мак-Куллаха построил модель, собранную из гироскопов, соединенных системой тяг и шарниров, которая неплохо имитировала главные свойства эфирной среды максвелловской теории. Подобный конструктивный подход был надолго забыт с приходом формально-спекулятивных концепций ХХ века.

Следует особо отметить, что понятие атом электричества возникло почти одновременно с понятием атом вещества. Атомно-молекулярная теория зародилась в начале ХIХ века с открытием десяти количественных законов [24, с. 163]:

1. Закон эквивалентов Рихтера (1792 – 1802).
2. Закон постоянных отношений Пруста (1799 – 1806).
3. Закон кратных отношений Дальтона (1802 – 1808).
4. Закон соединения газов между собой Гей-Люссака (1805 – 1808).
5. Закон пропорциональности между плотностями газов или паров и молекулярными весами — закон Авогадро (1811).
6. Закон изоморфизма Митчерлиха (1818 – 1819).
7. Закон удельных теплоемкостей Дюлонга и Пти (1819).
8. Законы электролиза Фарадея (1834).
9. Закон постоянства количества теплоты Гесса (1840).
10. Закон атомов Канниццаро (1858).

Иеремия Вениамин Рихтер (1762 – 1807), изучая весовые соотношения оснований, кислот и солей, установил, что «кислоты и основания соединяются в определенных соотношениях независимо от своей природы, и найденные таким путем пропорции являются физическими постоянными» [24, с. 163]. На открытие Рихтера сначала мало кто обратил внимание, поскольку «в тот период химики еще не были достаточно подготовлены к восприятию такой идеи». Луи Жозеф Пруст (1755 – 1826) «установил для элементов, которые образуют друг с другом два или более соединений, закономерность, согласно которой переход от одного соединения к другому происходит не непрерывно..., а скачком. ... Пруст доказал, что элемент может соединяться с кислородом и серой в одном или немногих отношениях, но он не сумел обобщить наблюдения до конца, до постулирования закона кратных отношений» [24, с. 165]. Это сделал Джон Дальтон (J. Dalton, 1766 – 1844), который и считается родоначальником современной (в отличие от античной) атомистической теории.

Автор «Истории химии», итальянский историк Микель Джуа, сообщает, что «он не занимал никакого важного университетского поста», «читал частные лекции», «обладал большой скромностью и необычайной жаждой знаний». Помимо создания атомистической теории он занимался экспериментированием, причем не только в области химии. Так, например, он открыл у людей особый род слепоты по отношению к отдельно взятым цветам — дальтонизм. Свою хорошо продуманную теорию атомов Дальтон изложил в «Новой системе химической философии», которая вышла в 1808 году в Манчестере. Она написана вполне понятным языком, поэтому есть смысл привести отрывок из его сочинения, который цитировал Джуа, чтобы наш читатель сам смог представить ту ясную картину, которая возникла в конструктивном уме английского химика.

«Во всех химических исследованиях, — пишет Дальтон, — с полным основанием считается важной задачей определение относительного веса простых веществ, составляющих сложное. К сожалению, исследования ограничивались только этим; в действительности же из весов, пропорциональных массе атомов, можно было бы вывести относительные веса конечных частиц или атомов тел, что привело бы к установлению их числа или веса во многих других соединениях. И одна из главных задач настоящей работы состоит в том, чтобы показать важность и преимущество определения относительных весов конечных частиц как простых, так и сложных веществ, определения количество простых элементарных частиц, которые образуют сложную частицу, и количество частиц менее сложных, которые участвуют в образовании частицы более сложной.

Пусть А и В — два вещества, способные к соединению, которое может произойти в следующем порядке, начиная с самого простого, а именно:

1 атом А + 1 атом В = 1 двойному атому С;
1 атом А + 2 атома В = 1 тройному атому D;
2 атома А + 1 атом В = 1 тройному атому E;
1 атом А + 3 атома В = 1 четверному атому F;
3 атома А + 1 атом В = 1 четверному атому G;
и т.д.

Следующие общие правила можно считать путеводными во всех исследованиях по химическому синтезу:

1. Если из двух веществ может быть получено одно соединение, следует полагать при отсутствии противоречащих соображений, что оно двойное.
2. Если известно, что образуются два вещества, то можно допустить, что одно из них двойное, а другое — тройное.
3. Если получено три соединения, то одно следует рассматривать как двойное, а два других — как тройные.
4. Если получается четыре соединения, то следует полагать одно двойным, два тройными и одно четверным и т.д.
5. Двойное соединение должно быть легче, чем простая смесь его составных частей.
6. Тройное соединение должно быть легче смеси двойного соединения и элемента, которые, соединяясь, дают это тройное соединение и т.д.
7. Приведенные правила и наблюдения применимы также, если соединяются вещества, подобные С и D или D и Е и т.д.

Джон Дальтон (John Dalton, 1766-1844)

Применение этих правил к наиболее известным химическим явлениям приводит к следующим заключениям:

а) вода есть двойное соединение водорода и кислорода, и веса этих двух элементарных атомов относятся друг к другу приблизительно как 1 : 7;
б) аммиак — двойное соединение водорода и азота с относительными весами примерно 1 : 5;
в) селитряный газ [окись азота, NO] представляет собой двойное соединение азота и кислорода и веса их атомов относятся как 5 : 7; ...» [24, с. 166 – 167].

Вот те важные выводы, которые сделал Джон Дальтон, внимательно проанализировав весовые характеристики веществ, участвовавших в химических реакциях. Раз вещество атомарно, значит и электричество должно быть атомарным. На это отчетливо указывали законы электролиза Фарадея, стоящие в списке Микеля Джуа под восьмым номером. Однако мало открыть атомарные законы электричества; нужно еще ясно представлять, как выглядит этот атом. Для Лармора, как и для Мак-Куллаха, открытый Дж. Дж. Томсоном электрон – это некое эфирное завихрение. У него данная простая идея вылилась в сложную математическую теорию гидродинамического электричества.

Величину элементарного заряда, Лармор, как и Лоренц, взял из высокоточных экспериментов Фарадея по электролизу. «Ход идей..., – писал Лармор, – потребовал от нас признание атомных зарядов сущностью всех последних субатомов, или, как их можем назвать, протионов, соединение которых посредством устойчивого орбитального движения друг вокруг друга производит обычную молекулу материи, так что передача электрического заряда включает в себя передачу или обмен этих протионов между молекулами, что всегда приводит к химическому изменению, как это требовал Фарадей по экспериментальным основаниям» [23, c. 20].

Согласно динамической модели Лармора, конвенциальное движение отрицательных (левосторонних вихрей) и положительных (правосторонних вихрей) электронов образуют устойчивый атом вещества, который, однако, может скачком переходить в новое состояние под действием излучения. Внутриатомные силы имеют только электромагнитную природу. «На этой основе, – пишет автор во Введении к своей книге "Эфир и материя", – устанавливается полное формальное соответствие между молекулярными конфигурациями неподвижной материальной системой и такой же системы, находящейся в равномерном и прямолинейном движении, которое определяется квадратом отношения скорости системы к скорости излучения. Это соответствие влечет за собой в качестве следствия нулевой результат до второго порядка очень точный эксперимент Майкельсона и Морли, в котором исследовалось влияние движения Земли на оптическую интерференцию» [23, c. 21].

Лармор знал о работах Лоренца, но преобразования Лоренца получил самостоятельно. Во Введении к своей книге он отмечал: «В первом разделе дается исторический обзор прогресса экспериментальных знаний о влиянии движения материи через эфир на явления, непосредственно связанные с этой средой. ... К этому обзору добавляется общий очерк распространения волн и лучей в движущихся средах, которые хотя и был сперва написан совершенно самостоятельно, неизбежно следовал весьма близко тому же направлению, которое было дано в мемуаре Лоренца 1887 года ["О влиянии движения земли на светоносные явления", в котором проводится анализ эксперимента Майкельсона – Морли, но в котором еще отсутствуют преобразования Лоренца]» [23, c. 21].

Теперь обратимся к анализу «Опыта теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», сыгравшего важную роль в становлении современной физики. Г.А. Лоренц, опубликовавший в 1895 году этот «Опыт», стоял одной ногой на почве классической физики, другой — релятивистской (см. окончание раздела Спекулятивная геометрия ). В его математическом анализе достаточно часто проскальзывали спекулятивные элементы, характерные для формально-феноменологического подхода. В своих рассуждениях он, в отличие от Томсона или даже Лармора, не опирался на модельные построения и всецело вверял себя голому математическому формализму.

Релятивистский дух к тому времени вполне отравил помыслы физиков. Лармор, Лоренц и Пуанкаре искали преобразования координат, оставляющие уравнения Максвелла в неизменном виде. Проблема возникла в связи с нулевым результатом эксперимента Майкельсона и Морли. Ошибка его истолкования сегодня хорошо известна (см. Эксперимент Майкельсона — Морли). Тогдашние теоретики упустили из виду классический эффект Доплера, формулы которого определенным образом коррелируют с формулами преобразований Лоренца (см. О формуле, описывающей классический эффект Доплера и Ошибочность релятивистской формулы Доплера).

Инвариантность уравнений Максвелла, а также волнового уравнения абсолютно не связана с принципом относительности, о котором постоянно говорили физики. С точки зрения непрерывных групп преобразования Галилея удовлетворяют трансляционной симметрии, т.е. поступательному движению в трехмерном пространстве; преобразования же Лоренца – это гиперболический поворот, причем исключительно в двухмерном пространстве, т.е. на плоскости (см. Представления группы кватерниона ). Поэтому преобразования Лоренца не переходят в преобразования Галилея при малой относительной скорости ИСО; здесь делается математическая ошибка (см. Две симметрии: вращение и перемещение ). Всё это надо иметь в виду, когда обращаешься к работам Лоренца рубежа XIX – XX вв.

Чтобы объяснить нулевой результат эксперимента Майкельсона — Морли, Лоренц ввел сокращение длины в направлении движения. В последнем разделе «Опыта» 1895 года автор описал этот эксперимент, сославшись на свою работу 1892 года, где впервые выдвинул гипотезу сокращения. При этом он опирался на авторитет английского физика Джорджа Фрэнсиса Фитцджеральда (George Francis FitzGerald, 1851 – 1901), который независимо от него на своих лекциях говорил об этом же сокращении. Данный исторический факт подтвердил Оливер Джозев Лодж (O. J. Lodge, 1851 – 1940) в статье 1893 года «Проблема аберрации», в которой тоже выступил в защиту гипотезы Фитцджеральда. Последний, между прочим, является типичным представителем физиков-классиков. И еще не известно, как бы он отнесся к претворению своей гипотезы в жизнь в рамках теории относительности, если бы дожил до ее триумфа.

Джордж Фрэнсис Фитцджеральд
(George Francis FitzGerald, 1851 – 1901)

В «Опыте» 1895 года Лоренц писал: «Как ни удивительной может показаться на первый взгляд эта гипотеза, можно все же согласиться, что она не столь уж странная, коль скоро примем, что молекулярные силы так же, как мы это сейчас определенно утверждаем об электрических и магнитных силах, действуют посредством эфира. Если это так, то весьма вероятно, что перемещение изменяет действие между двумя молекулами таким же образом, как оно изменяет притяжение или отталкивание между заряженными частицами. Так как форма и размеры твердых тел будут в последней инстанции обусловлены интенсивностью молекулярных действий, то в этом случае должно происходить изменение размеров. Следовательно, с теоретической стороны нет возражений против этой гипотезы» [23, c. 27], [25, c. 10].

Лоренц, как и Пуанкаре (см. Теория относительности Пуанкаре ), еще не встал на тропу махрового релятивизма. Сокращение длины он мыслит как результат динамической, а не кинематической механики. Он никогда не отказывался от эфира, хотя и не занимался моделированием электрона и атома — две главнейшие задачи физиков-конструктивистов. В «Опыте» Лоренц попытался показать, что размер физического тела по направлению своего движения сократиться в раза, если продольный компонент вектора силы F_x в направлении движения не меняются, а два поперечных компонента — F_y и F_z, — уменьшатся в раза [25, c. 11]. Отсюда, между прочив, вытекает парадокс рычага, описанный в разделе Пространственные парадоксы.

В «Опыте» 1895 года, а до этого и в статье 1892 года, Лоренц ввел местное время t' = t – (v/c²)x, которое позволило ему сохранить неизменность уравнений Максвелла до величин первого порядка относительно v/c. Исходя из положений своей электронной теории, автор доказал отсутствие эффектов первого порядка, связанных с движением тел относительно эфира. На эти попытки голландского физика найти нужные преобразования и обратил внимание и Лармор. Спустя четыре года Лоренц, в статье «Простая теория электрических и оптических явлений в движущихся телах», предложил преобразования, которые в современных обозначениях выглядели бы следующим образом:

,    y' = y,    z' = z,    .

Еще позднее, в 1903 году, Лоренц опубликовал статью в Математической энциклопедии под названием «Электронная теория», где вновь попытался вывести преобразования Лоренца, но вновь его усилия оказались безуспешными.

Советский историк П.С. Кудрявцев, убежденный релятивист, в связи с этим отмечает: «В последствие (в 1912 г.) Лоренц добавил примечание, в котором признает, что ему не удалось в полной мере получить формулы преобразований теории относительности Эйнштейна… и, таким образом, сделать уравнения [Максвелла для движущейся системы] полностью тождественными с уравнениями в покоящейся системе. "С этим обстоятельством, — самокритично добавляет Лоренц, — связана беспомощность некоторых дальнейших рассуждений в этой работе". Заметим, что это критическое примечание, — пишет Кудрявцев, — при публикации работы Лоренца в Собрании сочинений редакторами тома П. Зееманом и А.Д. Фоккером опущено…» [23, c. 38 – 39].

Между тем, Джозеф Лармор в книге «Эфир и материя» вышедшей в 1900 году, а написанной на несколько лет раньше, уже оперировал преобразованиями, получившими имя Лоренца. В своих работах Лоренц вынужден был сокращение длины вводить в форме постулата, а не путем вывода из преобразований Лоренца, как это сделал Эйнштейн в работе 1905 года. В связи с этим следует особо оговориться, что вывод Эйнштейна ошибочен, так как при обнулении одной из координат мы не получим истинный масштабный коэффициент (см. Масштаб осей при гиперболическом повороте ). Правильно рассчитать масштабный коэффициент не смог и Герман Минковский (H. Minkowski, 1864 – 1909), так что релятивисты до сих пор не знают, как производить пересчет координат из ортогональной системы Декарта в неортогональную систему Минковского и наоборот.

Итак, английский физик внимательно следил за работами голландского, но в то же самое время за работой английского физика начал внимательно присматриваться известный французский теоретик. Анри Пуанкаре (H. Poincare, 1854 – 1912) обратил внимание на работу Лармора «Динамическая теория электрической и светоносной среды», представленную автором 7 декабря 1893 года в Лондонском королевском обществе и в связи с этим написал заметку «К теории Лармора», опубликованную только 5 октября 1895 году. В этой заметке был сформулирован принцип относительности в следующем виде: «Невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира. Всё, что можно сделать, — это выявить движение весомой материи относительно весомой же материи» [25, с. 7].

Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879 – 1955) позаимствовал у французского теоретика не только первый постулат, но и второй, который касался постоянства скорости света (см. Теория относительности Пуанкаре ). Формулу E = mc², измерение отрезков длины и периодов времени с помощью луча света, нарушение одновременности и многое другое он (или его первая жена, Милева Марич) тоже позаимствовали у Пуанкаре. О том, что Эйнштейна можно назвать «отцом-основателем теории относительности» только с большой натяжкой, говорилось многими исследователями его творчества, в том числе и теми, которых нельзя заподозрить в антипатиях к Эйнштейну.

Например, Абрахам Пайс в связи с данной проблемой выказал явное недоверие к своему наставнику, написав следующие слова: «Как-то в начале 50-х годов я спросил Эйнштейна, какое влияние оказывала на него палермская работа Пуанкаре. Он ответил, что никогда не читал ее. У меня был экземпляр этой статьи, и я спросил, не хочет ли он с ней ознакомиться, Эйнштейн ответил согласием, и я принес ему эту статью. Обратно я ее так и не получил. Спустя некоторое время после смерти Эйнштейна я попросил Элен Дюкас поискать ее, но оказалось, что она бесследно исчезла» [26, с. 166].

Этот факт биографии выглядит очень странно, так как из дома Эйнштейна никогда ничего не пропадало. Секретарь Элен Дюкас хранила все, к чему притрагивался великий физик. Она сама никогда бы не выбросила статью Пуанкаре, стало быть, ее мог уничтожить только сам Эйнштейн и мы догадываемся почему. Очень подозрительно выглядит также и то, что автор революционной теории в течение жизни не нашел времени ознакомиться с теорией Пуанкаре, который создал ее раньше.

Пайс в другом месте тоже высказал свое недоумение поведением «отца-основателя»: «Когда я разговаривал с ним об этом переходном периоде, он отвечал странными безличными фразами. Создание специальной теории относительности он называл "шагом". Для Лоренца и Пуанкаре дело обстояло иначе. Каждый из них мучительно размышлял над теми же проблемами, сделал не один важный шаг на пути к нахождению решения и в ходе этих размышлений достиг глубокого проникновения в суть вещей» [26, с. 158].

Эйнштейн написал две автобиографические заметки — в 1949 г. и в 1955 г.; в обеих работах ответ на вопрос о создании теории относительности тщательно им отретуширован. В последней работе акцент сделан на общей теории относительности; через специальную теорию относительности автор как бы переступил: «Из событий научного характера, — пишет он, — которые относятся к тем счастливым годам в Берне, я упомяну лишь одно, которое привело к наиболее плодотворной идее в моей жизни. Специальной теории относительности было уже несколько лет, когда возник вопрос: ограничен ли принцип относительности инерциальными системами, т.е. системами координат, которые движутся равномерно друг относительно друга?» [СНТ, т.4, с. 353].

Отсюда можно сделать вывод, что мысли, связанные со специальной теорией относительности, не были для Эйнштейна «плодотворными» и «счастливыми». Между тем идея замедления времени и сокращения длины в рамках СТО выглядит более революционно, чем искривление пространства-времени в рамках ОТО. В «Автобиографических заметках» 1949 года Эйнштейн утверждал, что отказался от «конструктивных обобщений известных фактов» и исходил из «общего формального принципа», а также упоминал о «парадоксе», который якобы пришел ему в голову еще в юношеские годы. Но общефилософского принципа и некой детской игры воображения явно недостаточно для проведения математических выкладок, представленных в статье «К электродинамике движущихся тел» 1905 года. Здесь, очевидно, мы имеем дело с мифологемой, к которой когда-то прибег и Ньютон, рассказывая о яблоке, упавшем с дерева.

Томсон представлял себе электрон совершенно иначе, чем Лармор, Лоренц, Пуанкаре и Эйнштейн. Он понимал, что отрицательные частицы под действием Кулоновских сил разлетелись бы во все стороны. Поэтому он сконструировал атом в виде «сливового пудинга» или «пирога с изюмом». Согласно томсоновской модели, обнародованной в 1904 году, в состав электрически нейтрального атома входит множество отрицательно заряженных электронов, которые «плавают» в положительно заряженном облаке (см. Модель атома Томсона ).

Предлагались и другие модели. Например, Фитцджеральд в 1897 году согласился с Томсоном в том пункте, что электрон входит в состав атома, однако его структура, говорил он, удовлетворяет вихревой теории, предложенной Лармором. Данных, полученных Томсоном, а также Филиппом Ленардом, проводившем аналогичные опыты в Германии, Жаном Перреном — во Франции, тогда еще не хватало для того, чтобы сделать окончательный выбор в отношении строения нового физического объекта. К слову сказать, до сих пор у физиков нет общепринятого представления об электроне, так как формально-спекулятивный подход пресек все попытки моделирования элементарных частиц микромира.

Модель Томсона, получившая бòльшее признание, чем все остальные, просуществовала до 1911 года, когда один из бывших студентов Томсана, Эрнест Резерфорд, не обнаружил в атомах золота, а затем и во всех остальных атомах, положительно заряженное ядро, что практически мгновенно привело его к идее планетарной модели. Представление об атоме как о маленькой солнечной системе было принята почти всеми физиками мира, как только датский физик, Нильс Бор (N. Bohr, 1885 – 1962), в 1913 году на основе законов Кеплера рассчитал энергию, параметры орбиты электронов в атоме водорода и частоту излучения при переходе электрона с одной орбиты на другую (см. Модель атома Бора; о взаимоотношениях Н. Бора с Дж. Дж. Томсоном и Э. Резерфордом рассказывается здесь).

Дж. Дж. Томсон ввел ядро, обнаруженное Резерфордом, в свою стационарную модель атома и произвел сложные математические вычисления своей новой модели атома. Однако динамическая модель Резерфорда и ошеломляющие результаты, полученные в рамках формально-феноменологической теории Бора, поставили жирный крест на конструктивной методики, которой до сих пор пользовалось большинство физиков, включая Томсона. Но после создания теории относительности Эйнштейна и громкого успеха квантовой теории Бора никто больше не хотел считаться с теоретическим мнением великого английского ученого, хотя он продолжал делать значительные открытия и в области эксперимента.

Перед экспериментаторами начала ХХ века встала задача, сколько электронов входит в состав атомов различных химических веществ. Томсон продолжал планировать и руководить экспериментами с рентгеновскими лучами, как это он делал с газами (основную массу опытов выполнил непосредственно Баркл). Эти эксперименты показали, что отношение интенсивности рассеянных лучей к падающим лучам определяется коэффициентом пропорциональности, зависящим от двух фундаментальных констант – скорости света и заряда электрона. Главное, что сделал Томсон: он нашел, что число электронов в атоме примерно равно порядковому номеру атома в Периодической таблице Менделеева. Впоследствии этот его наиважнейший вывод использовал Резерфорд и Чадвик, которые определили величину положительного заряда ядра. После этого стало ясно, что число положительных зарядов ядра в точности равно числу отрицательно заряженных электронов; сам же стабильный атом – электрически нейтрален.

На этом экспериментальные открытия Томсона не заканчиваются. В год, когда Бор предложил свою теорию атома, Томсон обнаружил явление изотопии атомов неона. По двум запечатленным на фотографии параболам он понял, что существует две разновидности неона, а именно, с атомной массой 20 и 22 единицы. В 1913 году вышла его монография «Лучи положительного электричества», в которой было положено начало масс-спектрометра и изложена методика разделения изотопов.

Предварительно нужно пояснить, что свечение неоновых трубок под воздействием электрического разряда было известно давно. Еще в 1859 году немецкий физик Юлиус Плюккер (J. Plücker, 1801 – 1868) откачивал воздух и наполнял трубку этим инертным газом. Чем лучше откачивался воздух, тем ярче светилась трубка, причем флуоресцентное свечение отвоевывало внутреннее пространство трубки, начиная с катода. Получалось, что свет исходили от катода. Иоганн Вильгельм Гитгорф (1824 – 1914) первым, как утверждают немецкие историки науки, обнаружил их отклонение в магнитном поле. Необычные явления с катодными лучами использовали в различных аттракционах. Прежде всего в Германии, где делали самые хорошие насосы, откачивающие воздух, физики-фокусники ездили из города в город, демонстрируя удивительный свет от «волшебных фонарей». Кто бы мог тогда подумать, что из этого веселого представления в результате многочисленных конструктивных модификаций родится телевизионный кинескоп, изобретенный в 1929 году французским инженером-физиком Пирре Шевалье (Pierre Chevallier).

Телевизионный кинескоп

Итак, неон был и еще долгое время оставался объектом самого тщательного экспериментирования. Помимо того, что Томсон на атомах неона, а затем и хлора открыл явление изотопии, его эксперимент положил начало целому направлению экспериментальной физики, получившей впоследствии названия массовой спектроскопии. Особенно интенсивно оно стало развиваться после того, как два студента Томсона усовершенствовали его опытную установку. Это были Фрэнсис Уильям Астон (F. W. Aston), получивший в 1922 году Нобелевскую премию за открытие целой серии изотопов, и менее прославившийся А. Дж. Демпстер (A. J. Dempster). На конструирование чувствительного масс-спектрографа немало сил положил также Дж. Маттаух. В итоге, к началу Второй мировой войны было открыто в три раза больше изотопов, чем элементов в таблице Менделеева.

К сказанному нужно добавить, что явление изотопии тяжелых элементов детально начали изучать в 1910 году Эрнест Резерфорд и его тогдашний сотрудник, Фредерик Содди. Последний высказал гипотезу, что нестабильные ядра тяжелых атомов распадаются под собственным большим «весом». Их заряды одинаковые, т.е. они занимают одно и то же место (отсюда термин изотоп) в таблице Менделеева, но их атомный вес отличается на одну или несколько атомных единиц. Например, сегодня известно, что на шестом месте таблицы, которую занимает углерод (атомный вес 12,011), может стоять 15 видов атомов с целочисленными значениями от 8 до 22 атомных единиц.

Эрнест Резерфорд
(Ernest Rutherford, 1871 – 1937)

Если изотопы существуют для тяжелых элементов, рассуждал Содди, то, вероятно, они есть и для более легких, которые не являются радиоактивными. Так в его время были открыты два изотопа углерода с атомным весом 12 и 13. Сейчас известно, что даже самый легкий атом водород теоретически имеет шесть разновидностей, которые, однако, не все присутствуют в природе. Для него стабильными формами являются только дейтерий и тритий, сообщающие водороду вес, несколько превосходящий единицу, а именно: 1,0079. Этот замечательный физик, удостоившийся в 1922 году Нобелевской премии, создал теорию изотопов, о которой более подробно рассказывается в разделе Фредерик Содди.

Цитируемая литература