Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
16 февраля 1881 г. в Королевском институте на собрании Химического общества, посвященном чествованию памяти Майкла Фарадея, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821 —1894) прочел доклад «Современное развитие взглядов Фарадея на электричество». В докладе Гельмгольц впервые отчетливо сформулировал мысль о «молекулярном строении электричества»: «Если мы примем гипотезу, что простые вещества состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества».
Конечно, сама по себе эта мысль даже в то время не была новой. Еще в 1749 г. великий американец Бенджамен Франклин (1706—1790) подозревал нечто похожее, хотя тогда его догадка, в сущности, не имела никаких оснований, а потому и не привела к новым следствиям. В 1871 г. к мысли Франклина возвратился немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804—1891), но сочувствия не встретил: в его время об электричестве знали уже так много, что на веру гипотез не принимали. Нужны были экспериментальные доказательства идеи об электроне. Их стали искать в явлениях проводимости газов.
Представьте себе стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом (например, неоном) и запаянную с концов вместе с проволочками (обычно — платиновыми).
Если мы обе эти проволочки присоединим к разным полюсам батареи: одну к отрицательному (катоду), а другую — к положительному (аноду), то по цепи пойдет ток совершенно так же, как и в случае с электролитом. Вероятно, именно эта аналогия с явлениями электролиза и побудила Фарадея в 1838 г. построить прообраз такой трубки («электрическое яйцо» Фарадея). Как мы увидим позже, аналогия была чисто внешней, но явление проводимости газов оказалось настолько интересным, что многие исследователи посвятили жизнь изучению его свойств.
Примерно в середине прошлого века Юлиус Плюккер (1801 —1868) оставил свои занятия геометрией и принялся изучать явление проводимости газов. Прежде всего Плюккер установил, что проводимость газа зависит от его плотности в трубке и возрастает, если часть газа из трубки откачать. При этом каждый газ начинает светиться своим характерным цветом. (Когда вы следите сегодня за игрой световых реклам, вы обязаны этим зрелищем профессору математики в Берлине и Бонне. Именно Плюккер в 1858 г. изобрел эти светящиеся трубки.) При увеличении разрежения в трубке вблизи катода появляется темное пространство («катодное пятно»), которое при дальнейшем откачивании газа расширяется и, наконец, заполняет всю трубку: она перестает светиться. Но это темное пространство живет: его пронизывают какие-то «лучи», хоть и невидимые для глаза (как невидима летящая пуля, пока не встретит препятствия на своем пути).
Ученик Плюккера Евгений Гольдштейн (1850—1931) в 1876 г. дал им название: катодные лучи. Еще раньше, в 1869 г., другой его ученик, Иоганн Вильгельм Гитторф (1824—1914), обнаружил отклонение этих лучей в магнитном поле, и, наконец, в 1879 г. Кромвель Вэрли (1828—1883) показал, что они заряжены отрицательно.
Вначале пытались понять эти явления на языке волновых представлений (хотя Вэрли еще в 1871 г. предпочитал корпускулярную точку зрения). Такое стремление объясняется просто: все еще слишком хорошо помнили знаменитый спор Ньютона и Гюйгенса о природе света и потому всякую попытку объяснить наблюдаемые явления корпускулярным излучением воспринимали как возвращение к средним векам.
Поставьте себя на место этих исследователей в 70-е годы XIX века: у вас в руках набор интересных фактов, однако связи между ними не видно. С одной стороны, явление проводимости газов очень напоминает процессы электролиза, но, с другой,— происходят вещи совсем непонятные: например, проводимость растет с уменьшением плотности газа в трубке. Кроме того, обнаружен только поток отрицательных «лучей» и не обнаружено положительных. Нужна была руководящая идея.
Такая идея возникла под влиянием блестящих опытов, которые поставил Уильям Крукс (1832—1919) — английский физик и химик. Это был интересный человек, наделенный, к тому же, редким даром — предвидеть фундаментальные открытия.
Прежде всего, используя более совершенный насос, он гораздо сильнее откачал воздух из трубки. При этом от катода отделилось еще одно, более темное пространство, которое также постепенно заполнило всю трубку, после чего анод вспыхнул зеленоватым светом. Тот день 1878 г., когда это произошло, можно считать днем рождения электронно-лучевой трубки — основной части современного телевизора. Уже за одно это Круксу обеспечено признание потомков. Но для самого Крукса это было только началом — он стал тщательно изучать свойства «лучистой материи» (этот термин ввел все тот же Фарадей еще в 1816 г.). Крукс чувствовал, что столкнулся с совершенно новым явлением природы, и предлагал назвать его «четвертым состоянием вещества», которое «ни жидко, ни твердо, ни газообразно». Он писал:
«Изучая четвертое, лучистое состояние материи, мы, как мне кажется, имеем под руками и в сфере наших исследований те первичные атомы материи, из которых, как вполне основательно предполагают, состоят все тела природы. Мы видим, что лучистая материя по одним своим свойствам так же материальна, как вот этот стол, по другим — она скорее похожа на лучистую энергию. Мы действительно коснулись той пограничной области, где материя и энергия переходят друг в друга. Я думаю, что величайшие задачи будущего найдут свое разрешение именно в этой пограничной области; более того, здесь, как мне кажется, лежит граница всего реального мира».
Чтобы оценить смелость Крукса, надо вспомнить, что в то время весь мир разделяли на материю и эфир и при этом противопоставляли их друг другу: с материей отождествляли частицы, а с эфиром — среду, колебания которой мы воспринимаем как лучи света. Таким образом, «лучистая материя» Крукса должна была совмещать в себе свойства несовместимые: волны и частицы. Через полстолетия все могли убедиться, насколько он был прав, но в то время (по словам Оливера Лоджа — современника и соотечественника Крукса) «предположение Крукса имело судьбу тех проблесков мысли, которые иногда разрешаются авторам, но подвергаются насмешкам со стороны ортодоксальной науки их времени».
Независимо от смысла, который Крукс вкладывал в понятие «лучистая материя», он бесспорными опытами обнаружил у нее такие свойства: она распространяется прямолинейно; вызывает свечение тел и может их даже расплавить; отклоняется в электрическом и магнитных полях; проникает сквозь твердые тела, а в воздухе проходит путь 7 см, в то время как атомы — только 0,002 см. Опираясь на эти
