Текст книги "Американские ученые и изобретатели"

Автор книги: Митчел Уилсон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)

Таинственное четвертое состояние материи

Вспоминая свою жизнь, Милликен говорил, что больше всего ему повезло, когда Пьюпин не взял его своим ассистентом. Если бы это произошло, Милликен никогда не попал бы за границу и не оказался бы в Европе, когда современная физика только начиналась по-настоящему.

4 января 1896 года Вильгельм Конрад фон Рентген выступил с докладом в Вюрцбурге на заседании Вюрцбургского физико-математического общества, а затем повторил доклад в Берлине на ежегодной конференции Германского физического общества. Его сообщение явилось сенсацией для двух наук: Рентген рассказал об открытии совершенно новой формы радиации, позволившей ему фотографировать предметы сквозь непрозрачные твердые экраны. Он продемонстрировал фотографию частей его собственного живого скелета – костей руки.

Для медицинского мира лучи Рентгена были чудом, которое следовало немедленно поставить на службу диагностике. Для мира физики в тот момент гораздо важнее было объяснение самого явления, нежели его применение. Поиски этого объяснения и явились впоследствии первым прыжком в атомный и субатомный мир.

Чудесные лучи, открытые Рентгеном, имели уже по крайней мере сорокалетнюю историю в европейской науке. В 1863 году французский физик Массон направил электрическую искру высокого напряжения на стеклянный сосуд, из которого был выкачан почти весь воздух. Сосуд внезапно наполнился ярким неземным пурпурным свечением.

В 60-е и 70-е годы прошлого века Гитторф и Крукс[26]26
  Крукс Уильям (1832–1919) – английский физик и химик. Открыл элемент таллий. Изучал физические явления при прохождении электрического тока через разреженные газы в разрядных трубках.


[Закрыть] продолжили изучение этого необычного явления. Изобретение совершенного вакуумного насоса, помогшего Эдисону создать лампочку накаливания, дало также возможность Круксу наблюдать таинственное зарево в вакууме при все уменьшающемся давлении. Характер свечения менялся при уменьшении давления в сосуде сначала до одной сотой, а потом и до одной тысячной атмосферы. Оно сначала стало еще ярче, затем рассыпалось на отдельные сгустки света и, наконец, потускнело и совсем исчезло. Когда в сосуде создавался достаточно большой вакуум, свечение пропадало, но зато стеклянные стенки сосуда начинали излучать призрачный зеленоватый свет.

Трубка Крукса по форме напоминала большую грушу, на обоих концах которой он впаял металлические пластинки. Крукс установил, что свечение в трубке объясняется прохождением лучей через вакуум между двумя металлическими дисками – электродами, когда металлические пластинки соединяли с источником высокого напряжения. Лучи назвали катодными лучами, а сосуд – катодной лучевой трубкой.

Крукс также заметил, что таинственные лучи, казалось, имеют массу и скорость. Однако природы этих лучей он не понимал и считал их «четвертым состоянием материи», в отличие от жидкого, газообразного и твердого.

В дальнейшем установили, что катодные лучи имеют электрическую природу, так как магнит, поднесенный к трубке, отклонял поток лучей. Так же действовал на них и электрический ток. Другие исследователи доказали, что катодные лучи можно направить за пределы трубки, если поставить на их пути тонкую пластинку из алюминиевой фольги. Однако в воздухе катодные лучи распространялись на очень небольшое расстояние.

Некоторые физики полагали, что «четвертое состояние материи» было не чем иным, как таинственной эктоплазмой, описанной спиритами. На время резко возрос спрос на духов.

Осенью 1895 года Конрад фон Рентген проводил опыты с трубкой Крукса, плотно завернутой в черную бумагу, чтобы излучение не вырвалось наружу. Совершенно случайно он заметил, что в темной комнате «бумажный экран, промытый цианидом платины и бария, ярко загорается и флуоресцирует, независимо от того, обработанная или же обратная сторона экрана обращена к разрядной трубке».

Бумажный экран помещался на расстоянии почти в 6 футов от аппарата. Рентген знал, что катодные лучи заставляют флуоресцировать обработанный этим раствором экран, но на такое расстояние катодные лучи никогда не проникали! Он обнаружил вскоре, что все вещества в той или иной степени проницаемы для этих таинственных новых лучей. Только свинец оказался непрозрачным для них.

Рентген заметил также, что лучи эти засвечивали сухие фотопластинки и пленку, и это позволяло применять лучи для фотосъемки. Он добрался и до источника лучей. Они возникали в том месте на поверхности стекла, на которое падали катодные лучи при высоком напряжении. Рентген тогда заявил, что новые лучи можно получить, направив катодные лучи на твердое тело. Чтобы подтвердить это, он сконструировал трубку, излучавшую более интенсивный поток новых лучей, которым за неимением лучшего он дал название «икс-лучи» (X – неизвестное).

– Уже через несколько месяцев после сообщения Рентгена его трубка нашла разнообразное применение в медицине для обследования переломов, глубоких ранений и внутреннего строения человеческого тела.

Научные журналы ведущих стран были заполнены статьями физиков, повторявших опыты Рентгена и каждый раз по-новому объяснявших это явление. Сам Рентген все еще не понимал сущности своего открытия и говорил, что это «продольные вибрации в эфире».

Открытие Рентгена заставило многих физиков более тщательно исследовать явление флуоресценции.

Радиоактивность и фотоэлектрический эффект

Месяц спустя Анри Беккерель поставил опыт, исследуя флуоресцирующие свойства двойного сульфата урана и калия. Когда некоторые вещества, после того как их подержали на свету, начинали светиться в темноте, про них говорили, что они флуоресцируют. Было известно множество таких веществ, и одним из них был примененный Беккерелем уран.

В эксперименте Беккереля урановая соль сначала подвергалась действию солнечного света, а потом измерялись ее флуоресцирующие свойства. Как-то испортилась погода, и Беккерель отложил препарат в сторону на несколько дней. Совершенно случайно соль оказалась в одном ящике стола с горкой фотографических пластинок. Второй случайностью было то, что Беккерель решил проверить фотопластинки перед возобновлением опыта.

Он проявил первую пластинку, лежавшую сверху, и, к своему удивлению, обнаружил, что она засвечена, причем засвеченное пятно имело такую форму, словно что-то отбрасывало при засвечивании тень на пластинку. Ища объяснение, Беккерель обнаружил, что если рассматривать пятно с некоторой долей воображения, оно начинает напоминать по форме металлический диск, в котором хранилась урановая соль. Случись это раньше, Беккерель выбросил бы пластинку и забыл про нее. Но шум вокруг икс-лучей заставил всех физиков насторожиться. Беккерель решил разобраться в происшедшем до конца.

Он вновь выставил урановую соль на солнечный свет, а потом поместил ее в темный ящик стола поверх фотопластинки, завернутой в черную бумагу. И снова урановый сульфат засветил пластинку.

В течение нескольких месяцев Беккерелю казалось, что для того, чтобы засветить пластинку, сульфат урана нужно предварительно подержать в солнечных лучах.

Но вскоре он обнаружил, что препарат уранового сульфата и не будучи подвержен действию солнечного света, засвечивает фотопластинку с не меньшей интенсивностью. Явление казалось таинственным, непостижимым. Затем Беккерель открыл, что чистый уран, не являвшийся флуоресцирующим веществом, производит еще более сильное действие на фотопластинку, чем урановое соединение, так что флуоресценцию можно было сбросить со счетов. Далее Беккерель обнаружил, что эти невидимые лучи, испускаемые ураном, обладали свойством разряжать тела, несущие электрический заряд. То же свойство открыл Рентген и у икс-лучей. Беккерель назвал это неизвестное до той поры явление «радиоактивностью».

Лучи Беккереля (их назвали именно так) были столь же удивительны, как и рентгеновские лучи, и вызывали у физиков равный интерес. Два ассистента Беккереля – Пьер Кюри и его жена Мария стали разрабатывать эту проблему. По прошествии некоторого времени они обнаружили, что существуют два других химических элемента с теми же свойствами. Оба они не были ранее известны науке. Один из них был назван полонием – в честь родины г-жи Кюри, другой – радием.

Казалось, что великие классические теории физики потрясены до самого основания. Физики полагали, что икс-лучи опровергают законы Максвелла, но потом Рентген доказал, что они не противоречат эфирной теории, так как обладают нормальными оптическими свойствами – отражением, рефракцией и интерференцией. Явление радиоактивности, замеченное Беккерелем, казалось, означало конец красивой теории сохранения энергии. Каким образом вещество без устали вырабатывает энергию, по всей очевидности, никак не пополняя ее запасов?

Любопытное открытие было сделано в 1887 году. Генрих Герц обнаружил, что ультрафиолетовый свет, падая на электрод, который присоединен к цепи с высоким напряжением, заставляет искру отскакивать значительно дальше. Дж. Дж. Томсон доказал, что это происходит из-за того, что ультрафиолетовый свет создает на поверхности металла отрицательный заряд. Явление получило название «фотоэлектрический эффект».

Открытие икс-лучей заставило физиков не только пристальнее присмотреться к явлению флуоресценции, но и побудило их вернуться к природе катодных лучей. Существовали две точки зрения. Немецкие ученые полагали, что катодные лучи в трубке представляют собой вибрации в эфире. Английские физики склонны были считать эти лучи заряженными электричеством частицами, как это предсказывал Бенджамен Франклин. Выдающимся выразителем английской школы был Дж. Дж. Томсон.

В 1897 году Томсон опубликовал классическую статью под названием «Катодные лучи», в которой он сделал обзор всех опытов с катодными лучами. Статья включала также описание некоторых из его собственных опытов. Он пришел к выводу, что катодный луч – это на самом деле поток движущихся при высоком напряжении отрицательно заряженных частиц гораздо меньшего размера, чем самый малый атом. Используя предложенное Стони название, Томсон дал этой частице имя «электрон». Он утверждал, что фотоэлектрический эффект есть не что иное, как выбивание этих электронов из металлической поверхности лучом ультрафиолетового света. Томсон настаивал и на том, что электрон был также составной частью лучей Беккереля.

Утверждение Томсона казалось фантастическим целому поколению ученых, которые не хотели признавать гипотезу, что материя состоит из атомов. Предположение, что существует частица еще меньшая, чем атом, вызвало бурю. Некоторые ученые были готовы согласиться с тем, что электричество – это поток очень маленьких частиц, имеющих электрический заряд, но еще надо было доказать, что каждая такая частица обладала определенной массой и определенным электрическим зарядом. Нужно было провести опыт, чтобы раз и навсегда доказать, что электроны существуют на самом деле.

В 90-х годах прошлого века был все же один немецкий ученый, который не разделял эфирную теорию икс-лучей. Его звали Альберт Эйнштейн. На этого ученого произвел глубокое впечатление опыт Майкельсона с интерферометром. И еще один немец возражал против эфирной теории – Макс Планк[27]27
  Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (1858–1947) – великий немецкий физик, лауреат Нобелевской премии. Один из основателей квантовой механики.


[Закрыть]. Он сделал в равной степени радикальное предположение: лучевую энергию, т. е. свет, следует представлять в виде «квантов», или мельчайших частиц. Эйнштейн использовал квантовую теорию Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта и составил изумительное по красоте суммирующее уравнение. Но в то время мысли Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте не встретили доверия.

Милликен – один из немногих американских аспирантов, работавших тогда в Европе, – был тем человеком, которому суждено было после долгих лет трудов и раздумий поставить два важнейших эксперимента эпохи: один опыт подтвердил правильность электронной теории Томсона; второй дал доказательство теории фотоэлектрического эффекта Эйнштейна и того, что квантовая теория – нечто большее, чем «бред» математика.

Электрон на капле масла

«К концу первого десятилетия, проведенного в Чикагском университете (1906 год), я все еще был преподавателем-ассистентом, – писал Роберт Милликен. – У меня росло двое сыновей. Я начал строить дом, рассчитывая оплатить расходы за счет моих гонораров, но я знал, что до сих пор не занимал сколько-нибудь заметного места среди физиков-исследователей».

Учебник, над которым он работал, был уже в издательстве. Наконец он смог приступить к интенсивной исследовательской работе. В его ученой карьере начался новый этап.

«Все физики интересовались величиной электрического заряда электрона, и, тем не менее, до сих пор не удалось ее измерить…»

Много попыток провести это решающее измерение уже предпринял Дж. Дж. Томсон, но прошло десять лет работы, и ассистент Томсона Г. Вильсон сообщил, что после одиннадцати различных измерений они получили одиннадцать различных результатов.

Прежде чем начать исследования по своему собственному методу, Милликен ставил опыты по методу, применявшемуся в Кембриджском университете. Теоретическая часть эксперимента заключалась в следующем. Масса тела определялась путем измерения давления, производимого телом под воздействием силы тяжести на чашу весов. Если сообщить бесконечно малой частице вещества электрический заряд и если приложить направленную вверх электрическую силу, равную силе тяжести, направленной вниз, то эта частица будет находиться в состоянии равновесия, и физик может рассчитать величину электрического заряда. Если в данном случае частице будет сообщен электрический заряд одного электрона, можно будет высчитать величину этого заряда.

Кембриджская теория была вполне логичной, но физики никак не могли создать прибор, при помощи которого можно было бы заниматься исследованиями отдельных частиц вещества. Им приходилось довольствоваться наблюдением за поведением облака из водяных капель, заряженных электричеством. В камере, воздух из которой был частично удален, создавалось облако пара. К верхней части камеры подводился ток. Через определенное время капельки тумана в облаке успокаивались. Затем сквозь туман пропускали икс-лучи, и водяные капли получали электрический заряд.

При этом исследователи полагали, что электрическая сила, направленная вверх, к находящейся под высоким напряжением крышке камеры, должна якобы удерживать капли от падения. Однако на деле не выполнялось ни одно из сложных условий, при которых, и только при которых, частицы могли бы находиться в состоянии равновесия.

Милликен начал искать новый путь решения проблемы. Дело было не в аппарате, а в том, как им пользоваться. Он внес в его конструкцию ряд небольших изменений, которые «впервые позволили провести все измерения на одной и той же отдельной капельке».

«В качестве первого шага в области усовершенствования я в 1906 году сконструировал небольшую по габаритам батарею на 10 тысяч вольт (что само по себе было в то время немалым достижением), которая создавала поле, достаточно сильное для того, чтобы удерживать верхнюю поверхность облака Вильсона в подвешенном, как „гроб Магомета“, состоянии. Когда у меня все было готово и когда образовалось облако, я повернул выключатель, и облако оказалось в электрическом поле. И в это мгновение оно на моих глазах растаяло, другими словами – от целого облака не осталось и маленького кусочка, который можно было бы наблюдать при помощи контрольного оптического прибора, как это делал Вильсон и собирался сделать я. Как мне сначала показалось, бесследное исчезновение облака в электрическом поле между верхней и нижней пластинами означало, что эксперимент закончился безрезультатно… Однако, повторив опыт, я решил, что это явление гораздо более важное, чем я предполагал. Повторные опыты показали, что после рассеивания облака в мощном электрическом поле на его месте можно было различить несколько отдельных водяных капель».

Создавая мощное электрическое поле, Милликен неизменно рассеивал облако. От него оставалось очень небольшое число частиц, масса и электрический заряд которых находились в идеальном равновесии. На самом деле, именно те капли, которые были теперь удалены из камеры, нарушали все предшествовавшие измерения.

Установка Милликена для измерения заряда электрона дала столь убедительные результаты, что последние противники атомной теории вынуждены были сдаться.

«Я наблюдал при помощи моего короткофокусного телескопа за поведением этих находящихся в равновесии капелек в электрическом поле. Некоторые из них начинали медленно двигаться вниз, а затем, постепенно теряя вес в результате испарения, останавливались… поворачивались… и медленно начинали двигаться вверх, так как сила тяжести все уменьшалась вследствие испарения… Если электрическое поле внезапно исчезало, все находящиеся в равновесии капельки, похожие на звездочки на темном поле, начинали падать – одни медленно, другие гораздо быстрее. Эти последние капельки оказались во взвешенном состоянии потому, что они несли на себе два, три, четыре, пять и больше электронов вместо одного… Это было, наконец, первое отчетливое, ясное и недвусмысленное доказательство того, что электричество определенно едино по структуре».

Это последнее наблюдение было в то время фактически значительно более важным, чем измерение заряда электрона.

Милликен закончил первые измерения заряда электрона в сентябре 1909 года и незамедлительно выступил с сообщением на совещании Британской ассоциации содействия науке в Виннипеге. Хотя его имени не было в списке докладчиков, ему дали возможность выступить. Правда, он не питал никаких иллюзий. Он хорошо понимал, что результаты его опытов являются лишь предварительными и что с помощью более совершенных в техническом отношении приборов могут быть получены более точные данные.

«Возвращаясь в Чикаго с этого совещания, я смотрел из окна моей почтовой кареты на равнины Манитобы и внезапно сказал себе: „Какой я был глупец! Пытаться таким грубым способом прекратить испарение воды в водяных капельках в то время, как человечество затратило последние триста лет на усовершенствование масла для смазки часов, стремясь получить смазочное вещество, которое вообще не испаряется“!

Когда я вернулся в Чикаго, у входа в лабораторию я встретил Майкельсона. Мы уселись на пороге и начали болтать. Я спросил его, насколько, по его мнению, точно измерил он скорость света. Он ответил, что измерение произведено с точностью примерно до одной десятитысячной. „Так вот, – сказал я, – я придумал метод, при помощи которого я смогу определить величину заряда электрона с точностью до одной тысячной, или грош мне цена“.

Я немедленно направился в мастерскую и попросил механика изготовить воздушный конденсатор, состоящий из двух круглых латунных пластин около 10 дюймов в диаметре, которые были бы закреплены на расстоянии примерно шести десятых дюйма одна от другой. В центре верхней пластины было просверлено несколько полумиллиметровых отверстий, сквозь которые капельки смазочного масла, поступающие из распылителя, могли бы попасть в пространство между пластинами. К пластинам были подключены выводы моей батареи на 10 тысяч вольт»… Милликен намеревался зарядить капельки масла при помощи потока икс-лучей, как он делал это раньше с водой.

В течение трех лет, с 1909 по 1912 год, он посвящал все свое время опытам над капельками смазочного масла.

«Меня зачаровывала та абсолютная уверенность, с которой можно было точно пересчитать количество электронов, сидевших на данной капле, будь это один электрон или любое их число, до сотни включительно. Для этого требовалось лишь заставить исследуемую каплю проделать большую серию перемещений вверх и вниз, точно измерив время, потраченное ею на каждое перемещение, а затем высчитать наименьшее общее кратное довольно большой серии скоростей.

Для того чтобы получить необходимые данные по одной отдельной капле, иногда требовалось несколько часов. Однажды г-жа Милликен и я пригласили к обеду гостей. Когда пробило шесть часов, у меня была всего лишь половина необходимых мне данных. Поэтому я вынужден был позвонить г-же Милликен по телефону и сказать, что уже в течение полутора часов наблюдаю за ионом и должен закончить работу. Я просил ее обедать без меня. Позднее гости осыпали меня комплиментами по поводу моего пристрастия к домашнему хозяйству, потому что, как они объяснили, г-жа Милликен сообщила им, что я в течение полутора часов стирал и гладил и должен был закончить работу»[28]28
  Здесь игра слов: по-английски «уочт эн айон» – в переводе означает «наблюдал за ионом» – созвучно с «уошт энд айонд» – «стирал и гладил», как, видимо, и поняла мужа г-жа Милликен.


[Закрыть].

Милликен опубликовал результаты своих опытов осенью 1910 года и оказался в центре внимания физиков всего мира. Немецкая школа, в том числе и Рентген, открывший за 15 лет до этого икс-лучи, полностью изменила свою точку зрения. Представитель этой школы, великий ученый в области физической химии Оствальд<sup>[29]29
  Оствальд Вильгельм Фридрих (1853–1932) – немецкий физико-химик, лауреат Нобелевской премии. Основные работы посвящены электрохимической теории растворов, химической кинетике, катализу.


[Закрыть]</sup>, в 1912 году писал: «Теперь я убежден… Полученные опытным путем доказательства… которые люди безуспешно искали в течение сотен и тысяч лет… теперь… дают возможность даже самому осторожному ученому говорить о том, что теория атомного строения вещества экспериментально доказана».