Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

Кстати, Гельмгольц в знаменитой Фарадеевской речи вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к "атому электричества". (Стоней называл его электроном.) Дал расчет. Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Больше - бывает. Но любой заряд дискретен, состоит из порций. Каждая порция - заряд водородного иона.

Вещество в целом должно быть нейтрально. Поэтому Лоренц должен ввести электроны отрицательные и электроны положительные. Положительный электрон почти в тысячу раз тяжелее.

Все тела состоят из атомов.

Атомы - из электронов, положительных и отрицательных.

Электроны - единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток - движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила - Лоренцова сила.

Непрерывное тело разбилось на атомы, атомы - на положительные и отрицательные электроны.

Атомы плавают в эфире.

Странная среда, неощутимая, неосязаемая, невесомая. Она проникает во все тела, занимает все пространство. Эфир тверд как сталь! Но не оказывает сопротивления движущимся в нем телам. Например, электронам. Или - планетам.

Максвелл признавал эфир. Эфир - странная среда, старая как мир. Но свойства ее в представлениях людей непостоянны. Последний раз они утвердились в оптике. Новый эфир "изобрел" Френель. Разжалованный в результате наполеоновской "чистки" 1815 года инженер сидел без работы. Занимался физикой. Звук и свет - похожи или нет? Если предположить, что свет - не частицы, а волны, то подобны ли они звуковым? Нет, не подобны. Звуковые волны продольны. Световые - поперечны - это колебания твердой несжимаемой среды, похожей по свойствам на металл.

Эта среда - эфир. Эфир оптический.

Эфир объяснял все, или почти все. Никакой дискретности, никаких ньютоновских корпускул. Одна непрерывность.

Непрерывные волны.

Континуум.

Но оптика, по Максвеллу, - частный случай электромагнетизма. Вся оптика приводится к уравнениям Максвелла.

Эфир был необходим Максвеллу. Но этот эфир был незаметен. Мимо него нельзя было двигаться. Эфир Максвелла двигался вместе с телами. Он мог увлекаться движущимися телами.

И это, казалось, прекрасно доказывали опыты француза Ипполита Физо. Движущиеся струи воды увлекали за собой свет.

Лоренц ввел в теорию Максвелла электрон. Он пустил его в максвеллов эфир, предварительно закрепив эфир на месте. Эфир стал недвижимым, но в нем двигались электроны. Поперечные колебания эфира по-прежнему были и светом и другими электромагнитными волнами.

Свойства среды свелись, таким образом, к свойствам электронов и эфира вместе, стали некоторой статистически усредненной в некотором объеме величиной. Если раньше диэлектрическая и магнитная проницаемость среды были исходными величинами, то теперь они стали производными. Проводимость - тоже не исходное свойство среды - она тоже может быть получена усреднением.

Получился бульон, вкус которого зависел от усреднения свойств частичек мяса и воды.

Раньше мир представлял собой безбрежный океан электромагнитных волн. Теперь все многообразие мира свелось к взаимодействию полей и электронов. Это было интереснейшее достижение теоретической физики - продвижение вперед при отступлении назад. "В предлагаемой мной гипотезе, - писал Лоренц, - есть в некотором смысле возврат к старой теории электричества Вебера и Гельмгольца...". Напомним, что основным в "старых теориях" приверженцев дальнодействия было взаимодействие зарядов, восходящее к закону Кулона. Великая спираль развития сделала еще один виток и вернулась к зарядам, но уже взаимодействующим с полем и через поле. Появилась возможность вывести множество полезных формул.

Например, формулы связи показателя преломления среды с ее плотностью (формула Лоренца-Лоренца; Лоренц-второй - датский однофамилец Лоренца, одновременно с ним открывший этот закон).

Появилась возможность многое объяснить. Например, зависимость электропроводности вещества от его теплопроводности, эффект Холла. Появилась возможность предсказать новые явления.

Из электронной теории Лоренца следовало, что спектральные линии вещества, помещенного в магнитное поле, должны раздваиваться. Некоторое время подтвердить явление не удавалось. Не удавалось до тех пор, пока в 1896 году у друга и коллеги Лоренца по Лейденскому университету - у Гейке Камерлинг-Оннеса не случились неприятности с пожарной инспекцией.

Кто-то донес в магистрат, что в низкотемпературной лаборатории Оннеса, где ожижались газы, скопилось много водорода, и она вот-вот взлетит на воздух. Лабораторию пришлось закрыть, а сотрудников усадить за другие дела. Один из них - Питер Зееман, пользуясь случаем, стал внимательно исследовать спектры веществ, излучающих в сильных магнитных полях.

Когда благодаря большому дипломатическому таланту Гейке Камерлинг-Оннеса лаборатория была вновь открыта, Зееман уже доказал, что спектральные линии раздваиваются; явление было названо "эффектом Зеемана". За открытие его Зееману и Лоренцу была присуждена Нобелевская премия.

Открытие Зеемана было для электронной теории тем же, чем были для теории Максвелла опыты Герца и Лебедева.

Зееман подтвердил правильность электронной теории открытием явления, этой теорией предсказанного. Так Герц открыл несколько лет назад явление, предсказанное Максвеллом.

Электронная теория Лоренца получила право на жизнь.

Жизнь теории была славной и тяжелой. Славной потому, что с ее помощью были сделаны великие открытия. Тяжелой потому, что она в любой момент могла быть отвергнута. Червь, впущенный в яблоко, грозил сделать его полностью несъедобным. Особенно ясным это стало после двух событий.

Одно произошло в Кембридже, другое - за океаном.

Первое событие - появление резерфордовской модели атома. Оно было неожиданным. Резерфорд писал:

"Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен - за исключением того единственного случая, когда Вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы сосредоточена в ничтожно малом ядре".

Вместо "пудинга с изюмом" - модели атома Дж. Дж. Томпсона, где электроны изюминами были вкраплены в громадное ядро - появился атом Резерфорда маленькая планетная система с очень маленьким ядром и вращающимися вокруг него на чудовищных (в атомном масштабе) расстояниях электронами.

Модель понравилась всем. Но Лоренцу она понравиться не могла. Ведь с появлением этой модели атома любимое детище Лоренца - его электронная теория должна была неминуемо погибнуть.

Электрон, вращающийся вокруг ядра, излучает электромагнитные волны. Теряет энергию. Меньше осталось энергии - меньше радиус орбиты. Излучение продолжается. Энергии еще меньше. Радиус все уменьшается. Электрон падает на ядро.

Модель атома Резерфорда невозможна!

Если права электронная теория, невозможна.

Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому. И новую горечь сердцу Лоренца.

Драму разделяли многие. С одной стороны, электронная теория существует я хорошо соответствует почти всем наблюдаемым фактам. С другой стороны, существует невозможный по электронной теории атом Резерфорда.

Как примирить электронную теорию с атомом Резер-форда?

Свела концы с концами модель атома Бора. Бору было двадцать пять лет. Он был неизвестен, ничем ранее не прославлен. Но он был учеником Резерфорда. Решение его было лобовое. Раз атом Резерфорда существует, значит, электроны, кружась вокруг ядра, энергии не излучают! Но это происходит не на любой орбите. Есть орбиты привилегированные - на них излучения нет. Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон, в соответствии с теорией Лоренца, излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами. Это, впрочем, уже не удивляло. Если заряд может изменяться лишь порциями, почему не может меняться порциями и энергия?

Модель атома Бора сразу же укрепилась - исследования показали, что радиусы орбит в атомах строго совпадают с предсказаниями на основе боровских представлений.

Но модель атома Бора была, конечно, монстром - над стройным телом классически прекрасной электронной теории высилась абстрактная голова квантовых скачков.