Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Тонкий намек на сомнения Эйнштейна в правильности квантовых представлений уже дал о себе знать в 1917 году, когда он завершил три наиболее впечатляющие публикации по квантовой теории света. Мы обсудим это подробнее, но сперва нам нужно посмотреть на следующую большую волну в квантовой теории и то, как она навсегда изменила наши представления об атоме.

Глава 15 Квантовый атом Возвращаясь к атому

Установление реальности атомов было длинным и сложным процессом. Тем не менее теоретическая работа Эйнштейна 1905 года и последовавшие за ней в 1909 году эксперименты Перрена (см. часть 3) утвердили существование атома раз и навсегда. Казалось, что путешествие подошло к концу, но на самом деле это было только начало.

Всемогущий атом считался фундаментальной частицей вещества, самым основным строительным блоком. Поэтому предполагали, что атом неделим (ведь слово «атом» это и означает). Однако начали появляться свидетельства, что атом сам состоит из фундаментальных элементов, наделяющих его внутренней структурой, которая при определенных условиях все-таки «делима».

В 30-е годы XIX века внутрь атома бегло заглянул в своей работе Майкл Фарадей (1791–1867), чьи эксперименты в области электрохимии привели его к размышлениям о составе атома:

«…Если мы примем атомную теорию или формулировки, тогда атомы тел, одинаковые друг по отношению к другу в обычных химических реакциях, имеют равные количества электричества, связанные с каждым из них по природе».

Но в 30-х годах XIX века было достаточно трудно выступать за атомы, не говоря уже о рассмотрении самих атомов как имеющих внутреннюю структуру, которая порождает «электричество», как рассуждал Фарадей:

«Но я вынужден признать, что завидую понятию атома, и хотя очень легко говорить об атомах, довольно трудно сформировать ясное представление об их природе, особенно когда рассматриваются сложные тела».

То есть он обратился к «более приемлемой» концепции электричества как невесомой жидкости, отказавшись от возможности существования электрически заряженных частиц, связанных с атомами. В следующий раз внутрь атома заглянули спустя десятилетия.

В 1895 году Вильгельм Рентген (1845–1923) открыл новый тип излучения, который он назвал «X-лучами» (X указывает на неизвестную природу излучения). Хоть он и не смог определить физический механизм, лежащий за их порождением, но обнаружил, что эти лучи обладают замечательной способностью проникать практически во все, что попадается им на пути, включая части тела, что — как мы сейчас знаем — допускает возможность сделать снимок чьих-либо костей.

Это открытие многих удивило. В 1896 году, следуя предчувствию, что определенные соединения урана могут тоже излучать X-лучи, Анри Беккерель (1852–1908) обнаружил, что соль урана, уранилсульфат калия, на самом деле испускает X-лучи. Своевременное открытие для Марии Кюри (1867–1934), искавшей тему для докторской диссертации. Ее работа с солями урана выявила, что уровень радиоактивности прямо пропорционален количеству чистого урана в образце.

Более того, она выдвинула гипотезу, что X-лучи идут прямо из атома урана, тем самым указывая на внутреннюю структуру атома. Это было по-прежнему догадками, но великое открытие внутренних частей атома ждало всего лишь за углом.

Попадая в субатомный мир

Джозеф Джон (Дж. Дж.) Томсон (1856–1940) проводил опыты с катодной лучевой трубкой, которая в то время была довольно популярным прибором. Это стеклянная трубка, из которой выкачан почти весь воздух, или другой газ, с двумя металлическими электродами на концах. При подключении источника высокого напряжения к каждому электроду трубки создается поток электричества, выходящий из одного электрода (катода) к другому (аноду). Если давление газа внутри трубки будет достаточно низким, он будет светиться; катодная лучевая трубка — предшественник современных неоновых вывесок и ламп дневного света. Если понизить давление газа еще больше, то свечение исчезнет, но поток электричества останется. Хотя само течение невидимо, оно проявляется свечением, возникающим в результате столкновения потока со стеклом. Более того, предмет, размещенный внутри трубки перед катодом, будет «отбрасывать тень» на светящееся стекло. Природа этого потока электричества какое-то время интересовала многих.