Открытие существенно меньшей, чем атом, частицы — электрона — обязано исследованиям прохождения электричества через газы. В 1869 г. немецкий физик Ю. Плюккер обнаружил, что электрический ток свободно проходит через стеклянную трубку, из которой выкачан почти весь содержащийся в ней воздух. При этом внутри трубки возникали какие-то неизвестные ранее невидимые лучи, вызывающие свечение расположенных против катода участков стекла. Эти лучи так и назвали — катодными. Многочисленные исследования природы этих лучей позволили установить, что они обладают массой и переносят отрицательный заряд. Для того чтобы точно определить их массу и заряд, английский ученый Дж. Томсон выполнил эксперименты по измерению отклонения этих частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях. Анализ экспериментальных данных однозначно показал, что масса частиц, из которых состояли катодные лучи, примерно в 103 раз меньше массы самого легкого иона водорода Н+. Дж. Томсон впервые со всей четкостью сформулировал мысль о существовании в природе новой элементарной частицы вещества — электрона.
Позднее выдающийся американский физик Р. Милликен выполнил измерения заряда электрона. Были найдены важнейшие характеристики электрона: масса электрона оказалась равной 9,11∙10-28 г, а его заряд е = 1,6∙10-19 Кл.
Исследования свойств электрона вскоре позволили обнаружить неожиданный факт — масса электрона оказалась зависящей от его скорости (рис. 11).
Рис. 11. Зависимость массы электрона от его скорости
Считавшееся до сих пор незыблемым понятие массы тела как характеристики его инертных свойств вдруг потеряло устойчивость. Объяснение этому явлению было дано тем же Томсоном в 1881 г., задолго до открытия электрона. Он высказал предположение, что инертные свойства тел определяются не только их массой в обычном смысле слова, но и их зарядом, поскольку при своем движении заряженные тела создают электрический ток, сопровождающийся возникновением магнитного поля. При изменении скорости тела меняется сила тока и напряженность магнитного поля H, а изменение H вызывает появление электродвижущей силы, препятствующей движению. Это эквивалентно появлению у заряженных тел добавочной массы, носящей электромагнитное происхождение.
Приращение массы, согласно расчетам, было очень мало, поэтому не удивительно, что его не удавалось обнаружить вплоть до открытия электрона.
В начале исследований трудно избежать различного рода гипотез. Конечно, они принципиально необходимы для развития науки, но в момент их появления обычно трудно дать ответ на вопрос об их справедливости. Так и в нашем случае зависимость массы электрона от его скорости, обнаружение электромагнитной массы тут же вызвали предположения о том, что электрон не обладает массой в обычном (ньютоновском) смысле слова, что вся его масса имеет чисто электромагнитное происхождение. Последовательное развитие этого предположения приводило уже к гипотезе о том, что любая масса имеет электромагнитное происхождение, поскольку вещество состоит из заряженных частиц — электронов и ионов. Среди некоторых ученых и философов стало распространяться мнение о том, что понятие материи является устаревшим, «материя исчезла», отсюда следовал и логический вывод о том, что отпадает необходимость в гипотезе о мельчайших частицах материи — атомах. Так новейшие открытия в физике снова самым непосредственным образом затронули фундамент всего созданного Больцманом. Естественно, что это не могло облегчить положение с признанием его творений, еще более усугубило его личную трагедию.
Исключительно большие трудности возникли перед физиками в связи с открытием и объяснением явления радиоактивности. Исследования природы радиоактивных лучей, испускаемых соединениями урана, показали, что в магнитном поле они расщепляются на три компоненты (рис. 12): положительно заряженные α-лучи, отрицательно заряженные β-лучи и нейтральные γ-лучи. Неограниченная длительность явления радиоактивного излучения поставила перед учеными вопрос об источнике энергии. Явление радиоактивности, казалось, противоречило закону сохранения и превращения энергии.
Рис.12. Испускание
α, β и γ-лучей при радиоактивном распаде
Новые экспериментальные открытия вызвали среди ученых раздумья о ценности знаний, даваемых наукой. Если раньше их рассматривали как отражение закономерностей объективного мира, то не укладывающиеся в привычную картину мира новейшие факты давали повод усомниться в этом.
Французский ученый А. Пуанкаре писал: «Наука не может открыть нам природу вещей; ничто не в силах открыть нам ее». Будучи не понятыми, эти явления, казалось бы, укрепляли позиции тех ученых, которые утверждали, что не сама природа дает нам законы, а мы устанавливаем их, что наши законы есть не что иное, как упорядочение наших ощущений. Выступающий в защиту материалистического понимания природы, отстаивающий объективность полученных человечеством законов, Больцман остается практически в одиночестве. В 1899 г. он пишет:
«Но как с тех пор все изменилось! Воистину, когда я оглядываюсь назад на все эти изменения и перевороты, я кажусь себе стариком по отношению к явлениям, происшедшим на научном поприще. Я даже хотел был сказать, что я остался единственным из тех, кто еще всей душой воспринимал старое, по крайней мере единственным из тех, кто, насколько он еще на это способен, за это борется. Задачей своей жизни я считаю путем возможно ясной, логически систематизированной разработки результатов старой классической теории, насколько это в моих силах, способствовать тому, чтобы то многое хорошее и всегда пригодное, что, по моему убеждению, еще в ней содержится, не должно быть когда-либо открыто вторично, что отнюдь не было бы первым случаем подобного рода в науке. Поэтому я представляю себя вам в качестве реакционера, отсталого, который в противоположность новаторам мечтает о старом, классическом; однако я полагаю, что я не узко ограничен, что я не слеп к преимуществам нового…»
Можно привести множество примеров, подтверждающих последние слова великого физика. Он видит в открытии электрона подтверждение плодотворности атомистической теории, больше того, для него это есть расширение атомистических представлений на еще одну область физики — учение об электричестве. В 1904 г. на международном конгрессе в Сент-Луи он говорил, что «эта теория обещает нас привести к совершенно неожиданным заключениям о природе и строении атома. Слово “атом” не должно нас смущать — оно нам знакомо с давних времен; о неделимости атома не думает в настоящее время ни один физик». Ближайшее будущее показало, насколько глубоко был прав Л. Больцман, произнося эти прозорливые слова. Больцман одним из первых приветствовал работы создателя квантовой теории М. Планка. Со временем из них выросло могучее и стройное здание физики XX в. (об отношении Больцмана к работам Планка мы подробно расскажем в последней части книги).
Время «кризиса физики» было трудным для Больцмана. Полемика вокруг его работ превращается теперь в настоящую травлю ученого, отстаивающего передовые, прогрессивные взгляды. В одном немецком журнале тех лет можно было прочитать развязные, оскорбительные для великого ученого слова по поводу выхода в свет его «Лекций по теории газов»: «Теория кинетическая, как известно, так же ошибочна, как и разные механические теории гравитации; если, однако, кто-либо захочет с ней познакомиться, пусть возьмет в руки книгу Больцмана». Каким резким диссонансом этим словам служат благородные, глубоко аргументированные слова Больцмана в адрес его оппонентов:
«Я знаю, — пишет он, — сколь успешным для дела является рассмотрение проблемы с различных точек зрения, и я тепло отношусь к любой настоящей, выполняемой с воодушевлением научной работе. Поэтому я жму руку моим противникам. Однако мне кажется, что энергетика часто вводилась в заблуждение поверхностными, чисто формальными аналогиями, что ее законам недоставало свойственной классической физике ясной и недвусмысленной редакции, а ее выводы были лишены разработанной там строгости и что она из старого отбросила кое-что полезное и даже необходимое с точки зрения науки».
Непрерывные нападки приводят Больцмана в подавленное настроение. К тому же годы интенсивной работы не прошли бесследно для его здоровья. Как не хватало ученому «счастья чувственного восприятия», экспериментального подтверждения высказанных им великих идей! Это время уже приближалось, а пока же в 1904 г. он пишет в предисловии ко второму тому своих «Лекций по теории газов» слова, представляющие собой исключительно человечный документ, свидетельствующий о тяжелейшем духовном состоянии Больцмана:
