Последний гвоздь в крышку гроба тепловой теории был забит спустя несколько лет работой Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879) и официальным принятием кинетической теории, которая до сих пор является краеугольным камнем физики. Эта теория заключается в том, что содержание в теле тепла равно сумме индивидуальных энергий движения (то есть кинетических энергий) составляющих его атомов и молекул.
Летучесть
Если сказать, что летучесть противоположна силе тяжести, то в буквальном смысле это будет правдой, но может ввести в заблуждение: летучесть нельзя приравнять к антигравитации. Очевидно, что все объекты притягиваются вниз, к Земле, хотя и в разной степени: перья «притягиваются» меньше молотков. В древности считалось разумным, что по степени притяжения объекта книзу (или, в более сложное постньютоновское время, по сопротивлению изменениям в состоянии движения) можно измерить силу притяжения, содержащуюся в этом объекте. Сила притяжения в этом случае была принципом, во многом схожим например с теплотой.
Но если объекты могут содержать в себе силу притяжения, они, конечно, могут содержать и противоположную силу — летучесть? Чем больше летучести содержится в объекте, тем легче он должен быть.
Этот вопрос к закату великой теории флогистона стал достаточно важным. Шталь, изобретатель теории флогистона, провел связь между горением и коррозией, которая доказывала, что в обоих случаях исходное вещество «теряло флогистон»; но, в то время как зола была легче исходного материала, ржавые металлы были тяжелее нержавых. Позднее ученые предположили, что какая-то часть флогистона обладала тяжестью (при потере флогистона вещество становилось легче), а какая-то — летучестью (потеря этой части утяжеляла вещество).
Глобулизм
В течение XVIII века была распространена теория, что большинство форм вещества (если не все) наполнены маленькими глобулами, которые, возможно, были атомами. Джон Дальтон (1766–1844) сформулировал свою атомную теорию строения вещества в самом начале следующего столетия, в 1803 году. Эти маленькие глобулы были даже видны в наиболее мощные микроскопы того времени.
К сожалению, с изобретением ахроматической линзы глобулы стали неразличимы даже с помощью наилучших приборов — на самом деле особенно с помощью наилучших приборов. Они были всего лишь оптической иллюзией, которую создавали простые линзы ранних микроскопов.
Корпускулярная теория света
Предположение, что луч света может быть потоком мельчайших частиц (корпускул), появилось в древние времена. Как ни странно, ее не приписывали Демокриту (ок. 470–380 гг. до н. э.), хотя он и верил в то, что все вещи состоят из атомов и пустоты (чем выше соотношение атомов и пустоты, тем плотнее материал). Он несколько затруднялся с объяснением, почему мы на самом деле видим вещи: было довольно сложно предположить, что все объекты излучали потоки атомов, входящие в наши глаза и влияющие на конфигурацию атомов в них. Его предположение было таким: если вы смотрите, допустим, на эту страницу, в воздухе постепенно «запечатлевается» ее изображение. Воздух перемещается к вашим глазам, неся с собой это изображение[23].
Очень похожей была теория субстанционализма, выдвинутая преподобным Александром Уилфордом Холлом в его книге «The Problem of Human Life» (Проблема человеческой жизни) (1877). Все «силы» и «излучения» состоят из атомов, то есть являются веществами. Действительно, нюхать розу вы можете потому, что частицы розы достигают вашего носа. Конечно, в случае, если вы слышите гитару, это происходит потому, что частицы гитары достигают ваших ушей. Холл заявлял, что сила, подобная силе притяжения и магнетизма, и излучение, подобное свету, состоят из атомов гораздо меньшего размера, чем те, которые образуют материю. Это очень напоминает идеи современных физиков, отстаивающих например гравитационную частицу, или гравитон. Увы, эти идеи похожи лишь на первый взгляд.
Корпускулярная (или баллистическая) теория света была преобладающей больше ста лет, потому что ее поддерживал Исаак Ньютон (1642–1727), и за последние несколько десятилетий к ней вернулась известность. Споры велись вокруг того, является ли свет волнами или частицами. В свете ньютоновского учения казалось неправдоподобным, что свет может состоять из волн: в конце концов, если кричать кому-то из соседней комнаты, то он услышит вас, потому что звук (который является движением волны) может, обогнув угол, пройти в дверь, а свет так сделать не может. Поэтому Ньютон полагал, что свет должен состоять из частиц. (Но не настаивал на этом: в книге «Opticks» (Оптика) (1704) он отметил, что с корпускулярной теорией не все так однозначно.) Из-за авторитета Ньютона его теория продержалась еще более столетия, пока Томас Юнг (1773–1829) в 1803 году не продемонстрировал явление интерференции.
Смысл эксперимента Юнга заключался в том, что если источник света является точкой, то образуемые им тени четко ограничены или кажутся таковыми; иначе говоря, свет не обходит закругленные углы. Но к ньютоновским временам Франческо Гримальди (1618–1663) уже продемонстрировал существование дифракции — явления, при котором свет совершенно точно огибает углы, хотя и в малой степени. Сам Ньютон наблюдал дифракцию (похоже, он не был знаком с работой Гримальди), но не смог объяснить ее. Эксперимент Юнга доказал, не оставив сомнений, что свет имеет волновую природу. Представьте себе две музыкальные ноты, не очень гармонирующие друг с другом: если сыграть их, будут слышны «толчки», потому что волны двух инструментов не абсолютно синхронны, то есть иногда волны усиливают друг друга, а иногда ослабляют. Если доказано, что свет делает то же самое, что и звук, значит, свет движется волной, поскольку добавление одной частицы света к другой никогда не приведет к нулевому значению — темноте. Юнг направил свет сквозь пару узких параллельных щелей на экран и обнаружил, с достаточной степенью уверенности, что в результате изображения перекрываются. В образованном таким образом узоре интерференции темные полосы являются результатом того, что световые волны нейтрализуют друг друга, а светлые полосы появляются там, где световые волны друг друга усиливают.
Несмотря на доказательство Юнга, споры не утихли, о чем свидетельствуют такие книги, как прекрасная работа Р.А. Уолдрона «The Wave and Ballistic Theories of Light» (Волновая и баллистическая теории света) (1974). Причина непрекращающихся дискуссий во многом заключалась в том, что свет ведет себя скорее как струна из частиц, а не как движущаяся волна. Сегодня мы понимаем, что на самом деле свет является и тем и другим. Эти точки зрения не противоречат друг другу. Фундаментальной частицей света (и другого электромагнитного излучения) является фотон; но в данном случае мы используем понятие «частица» в смысле, отличающемся от всего, что мог себе представить Ньютон.
Странные лучи
В 1903 году выдающийся французский физик Рене Проспер Блондло (1849–1930) открыл N-лучи, естественным образом излучаемые различными материалами, в том числе многими металлами, а также нервной системой человека — в основном во время разговора и той частью головного мозга человека, которая контролирует речь, — так называемым центром Брока. (Блондло назвал их N-лучами в честь организации, в которой работал, — Университета Нанси.) Его открытия были подтверждены другими французскими учеными, хотя за пределами Франции ученые столкнулись со сложностями при попытке воспроизвести результаты эксперимента.
С помощью специального спектроскопического оборудования, в котором линзы и призмы были сделаны из алюминия, Блондло смог проецировать спектр N-лучей; это нужно было делать в темноте. Наблюдал за демонстрацией американский физик Роберт У. Вуд (1868–1955). Когда Блондло описывал проецируемый им спектр N-лучей, Вуд незаметно удалил призму из «спектроскопа» N-лучей. Блондло невозмутимо продолжал демонстрацию. В 1904 году Французская академия наук присудила ему премию Леконта. В том же году, однако, Вуд опубликовал статью, разоблачающую этот эксперимент, и большинство ученых прекратили поиск неуловимых N-лучей. Во Франции тем не менее физики не только продолжили поиски, но и во многих случаях обнаружили лучи. Среди этих физиков были выдающиеся личности, такие как Андре Брока (1863–1925) и Жан Беккерель (1878–1953).
Ясно, что Блондло не был мошенником: он искренне верил в то, что видит спектр N-лучей и что он сделал важное открытие. Но непонятно другое: каким образом все остальные французские ученые сумели воспроизвести его результаты? Была ли тому причиной всего лишь французская гордость или уважение к Блондло привело их к самообману? А может быть, из-за сложившейся во французской физике атмосферы ученые сочли, что N-лучи — доказанный факт, а в экспериментах увидели лишь то, что ожидали увидеть?
