Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."
Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 31 страниц)
Давайте на минуту предположим, что энергия, освобождаемая при горении, ограничена областью пламени. Эта горячая область сгорающего топлива находится в контакте, через металлические стенки, с водой, которую мы хотим нагреть. Яростная толчея атомов в пламени соответствует высокой температуре. Легкая толчея в воде соответствует низкой температуре. Мы уже видели, что энтропия мира возрастает, когда тепло перетекает от горячего к холодному телу, поэтому поток энергии от области горения к воде является повышающим энтропию, спонтанным процессом.
Теперь вода стала горячей, и в принципе ее температуру можно поднимать, пока она не станет такой же горячей, как пламя. Однако, когда температура воды поднимается, она достигает точки, в которой вода кипит. Почему это так? Конечно, потому, что образование пара становится спонтанным процессом, когда температура достигает определенной величины, «точки кипения» воды.
Чтобы понять, почему вода кипит, мы должны исследовать происходящие при этом изменения энтропии. Здесь, с несколько иной термодинамической точки зрения, мы обнаружим одну забавную черту кипения. Во-первых, заметим, что в процессе превращения воды в пар возникают два конфликтующих вклада в изменение энтропии. Это большой прирост энтропии, когда жидкость становится паром. Такое возрастание предполагает, что вода всегда имеет тенденцию к испарению. Однако испарение воды требует энергии, поскольку притяжение между молекулами жидкости, удерживающее их вместе, должно быть преодолено, чтобы возник газ независимых молекул. Поэтому, когда вода испаряется, энергия должна притекать к жидкости. Такой поток энергии внутрь снижает энтропию окружающей среды, поскольку он соответствует оттоку энергии из нее. При низких температурах уменьшение энтропии окружающей среды, обусловленное этим оттоком энергии, велико (снова тихая библиотека), и даже хотя имеет место возрастание энтропии воды при ее испарении, в целом энтропия падает. Поэтому при низких температурах испарение не является спонтанным. Однако, когда мы повышаем температуру окружающей среды, уменьшение энтропии становится меньше (шумная улица), и при достаточно высокой температуре общее изменение энтропии воды и окружающей среды становится положительным. Теперь вода имеет тенденцию испаряться спонтанно, и она кипит. Именно здесь и проявляется забавная черта, о которой мы упоминали. Мы видим, что в результате повышения температуры изменение энтропии окружающей среды уменьшается до того уровня, когда общее изменение энтропии становится положительным. Получается, что для достижения испарения мы должны как бы умиротворить сопротивление окружающей среды, повышая ее температуру.
До этого места нашей истории Второе Начало появлялось три раза: в управлении горением, в управлении потоком тепла от пламени к воде и в испарении воды. Теперь оно вступает в игру в четвертый раз, когда энергия течет через двигатель, и часть ее превращается в работу. Мы разбирали эту стадию раньше, и нет необходимости возвращаться к ней снова. Главным, что было обнаружено в этом обсуждении, все же является то, что каждая стадия работы двигателя, от сгорания топлива до совершения внешних изменений, является следствием естественного стремления вещества и энергии к рассеянию. Мир движет вперед эта универсальная тенденция к падению в беспорядок. Мы и все наши предметы материальной культуры, все наши достижения являются в конечном счете продуктами этого бесцельного, естественного распыления в возрастающий беспорядок.
Вот почему (и уж это – достижение из достижений) мы должны есть. Мы вынуждены поглощать ресурсы энергии, которую можем позволить себе рассеять в окружающей среде посредством метаболических процессов, пронизывающих наши тела. Поскольку этот процесс идет, он порождает беспорядок, достаточный для того, чтобы мир стал немного более беспорядочным, пока мы конструируем, например, эти слова или самих себя. Поглощение пищи является более сложной процедурой, чем дозаправка топливом, потому что мы используем значительную часть съеденного для ремонта и роста нашего организма, а горючее лишь снабжает энергией наш автомобиль. Однако, так как пища есть источник энергии, она является горючим, поддерживающим огонь в горячем резервуаре парового двигателя внутри нас, а он движет нас и наши действия вперед, используя возможность рассеять впустую часть проглоченной нами энергии.
Паровой двигатель внутри нас – или, по крайней мере, его абстрактная сущность – распределен по всем нашим клеткам и принимает тысячи различных форм. Мы рассмотрим лишь одну реализацию биологического парового двигателя. Есть одна молекула, в изобилии встречающаяся в каждой клетке, аденозин трифосфат (АТФ, рис. 4.12). Как можно видеть на иллюстрации, эта молекула содержит большую органическую часть и короткий хвост из фосфатных групп (атомы фосфора, окруженные атомами кислорода). Частью, которая здесь нас интересует, является фосфатный хвост. Эта молекула подобна горячему резервуару в паровом двигателе. Когда под влиянием клеточных ферментов она вступает в дело, она отбрасывает крайнюю фосфатную группу, становясь в результате аденозин дифосфатом, АДФ. Освобождаемая энергия используется для снабжения энергией созидательных событий в клетке, таких как синтез белка или подготовка нейрона к передаче сигнала. Движущая сила реакции приходит из рассеяния вещества (освобождение фосфатной группы) и энергии, которая может подогревать термический беспорядок. Таким образом создание белка или формирование мнения могут быть прослежены вспять до этой упрощенной аналогии с паровым двигателем.
Рис. 4.12.Молекулы аденозин трифосфата (АТФ, слева) и аденозин дифосфата (АДФ, справа) действуют как горячий и холодный резервуары воображаемых паровых двигателей внутри нас. Чтобы восстановить АТФ из АДФ, прикрепляя фосфатную группу обратно, мы должны присоединить двигатель к еще более мощному двигателю (то есть производящему больше энтропии). То есть мы должны есть, а Солнце должно гореть (своим собственным ядерным способом).
Чтобы жизнь клетки и нас самих продолжалась, фосфатная группа – не обязательно та же самая – должна быть снова прикреплена к АДФ, чтобы восстановить АТФ. Это восстановление может быть достигнуто с помощью соединительной реакции, которая осуществляет новое подсоединение к более мощному паровому двигателю, к другой метаболической реакции, которая рассеивает вещество и энергию еще в большей степени. Вот почему мы должны есть. Мы проглатываем вещества, которые действуют как горючее для парового двигателя, обеспечивающего образование АТФ из АДФ, которое в свою очередь обеспечивает наш рост и активность.
Сама по себе пища должна быть создана посредством реакций соединения, которые превращают ее в еще более мощные воображаемые паровые двигатели, в двигатели еще более эффективно осуществляющие рассеяние. Предельным паровым двигателем является Солнце, поскольку энергия, которую оно рассеивает в окружающее пространство, обеспечивает реакции, составляющие фотосинтез, образование углеводородов из двуокиси углерода и воды. Итак, в конечном счете наши действия и стремления приводит в движение энергия ядерного синтеза на Солнце. Древние, вероятно, были правы, поклоняясь Солнцу как подателю жизни; но они и не подозревали. что оно же является движущей силой всеобщей порчи.
Второе Начало проливает на молекулярную основужизни свет, подобный тому, с которым мы встретились в главе 2. Жизнь – это процесс, в котором молекулы, жужжащие кругом, вдруг оказываются как раз нужной формы для попадания в ячейку сот и способны сбросить туда свой груз. Молекулярная основа воспроизведения иллюстрирует бессознательную активность молекул и энергии. Жизнь продолжается потому, что это жужжание создает возможности для естественного отбора, создает возможности для молекул использовать это слепое, бессознательное, нецеленаправленное жужжание, чтобы соткать великое полотно событий, которое мы называем живым. Жизнь, в своей основе, это жужжание молекул.
Вопрос, который на этой стадии, возможно, приходит на ум: а может ли это рассеяние вещества и энергии продолжаться вечно? Или Вселенная станет столь бесконечно беспорядочной, что энтропия не сможет более возрастать, и события прекратятся?
Умозрительное прекращение естественного течения событий из-за достижения верхнего предела энтропии называется тепловой смертьюВселенной. Тогда, поскольку состояние вещей не сможет далее ухудшаться, ничто вообще не будет происходить. Следует прояснить один момент: если бы Вселенной пришлось пережить тепловую смерть, это не означало бы, что время пришло к концу. События продолжались бы – атом сталкивался бы с атомом, – но по существу это не было бы изменением. Все паровые двигатели, как воображаемые, так и реальные, остановились бы, так как не смогли бы более порождать энтропию. Некоторые придерживаются более жизнерадостной точки зрения и утверждают, что если бы Вселенная начала сжиматься, то энтропия уменьшилась бы, поскольку пространства для энергии и вещества становилось бы все меньше. Таким образом, размышляют они, события обратились бы вспять, устроив праздник непослушания Кельвину и Клаузиусу, возможно, для того, чтобы опять выпрыгнуть в ожившую Вселенную с возрастающей вновь энтропией.
Давайте попробуем расставить эти утверждения по порядку. Сначала давайте примем преобладающую точку зрения, которую более подробно исследуем в главе 8, что Вселенная не станет падать сама в себя и сжиматься в Большом Хлопке. Тогда практически нет необходимости беспокоиться о возможности, в некотором смысле, поворота времени, когда неестественное становится естественным, когда Вселенная начинает падать в себя. Но ученые любят исследовать границы мыслимого, и мы могли бы отделить вопрос о термодинамическом будущем Вселенной от ее космологического будущего. Другими словами, предположим, что мы (то есть космологи) не правы относительно долговременного будущего Вселенной и что на самом деле она сожмется. Что тогда? Станет ли естественное неестественным, неспонтанное спонтанным?
Одаренный в высшей степени богатым воображением, в том числе зрительным, британский математик Роджер Пенроуз (р. 1931) посмотрел в лицо схлопывающейся Вселенной и предположил, что может существовать гравитационный вклад в энтропию. Другими словами, беспорядок может возникать скорее из самой структуры пространства-времени, чем просто из беспорядочного расположения вещей, наследующего эту структуру. Пенроуз принимает сингулярность начального момента, Большой Взрыв, но считает возможным, что сингулярность конечного момента, Большой Хлопок, может быть точкой с гораздо более сложной структурой (рис. 4.13). Таким образом, хотя в свои последние дни вещество и энергия могут сжаться обратно в единственную точку и иметь поэтому необычайно низкую энтропию, структура пространства-времени, которую они наследуют, будет столь сложной, что беспорядок окажется больше, чем в начальный момент творения. Итак, энтропия будет продолжать расти от нынешнего момента до вечности, даже если вечность (или по крайней мере несколько десятков миллиардов лет) вернет нас обратно в сингулярность.
Рис. 4.13.Даже если мы направляемся к Большому Хлопку, нам не следует ожидать, что энтропия начнет уменьшаться обратно, когда Вселенная начнет сжиматься. Возможно, что существует гравитационный вклад в энтропию, то есть конечная сингулярность (справа) будет неизмеримо более сложна, чем начальная сингулярность (слева), так что энтропия Вселенной будет продолжать возрастать даже при ее сжатии.
Но возможно, что космос ожидает более невыразительное с виду будущее, все возрастающее его расширение, неограниченный рост его масштаба. В таком сценарии места для рассеяния вещества и энергии будет становиться все больше. Даже если бы все вещество должно было превратиться в излучение, энтропия этого излучения возрастала бы вместе с занимаемым им объемом. Реальной проблемой, однако, является то, что если бы все вещество должно было превратиться в излучение, а все это излучение должно было перейти в диапазон бесконечных длин волн, так что в отдаленном будущем осталось бы мертвое однородное пространство-время безо всякой энергии вообще, то на первый взгляд кажется, что и энтропия Вселенной была бы равна нулю. Но физика космологических масштабов длины и времени еще недостаточно определенный предмет, и возможно, что даже небольших флуктуаций плотности энергии в огромном объеме пространства вполне достаточно, чтобы гарантировать, что полная энтропия крайне велика. Этот вопрос остается открытым.
Гравитация и энтропия являются замечательными компаньонами. На первый взгляд можно подумать, что между общей теорией относительности, теорией гравитации Эйнштейна (с которой мы встретимся в главе 9) и работой Второго Начала очень мало связи, если не считать того, что может существовать гравитационный вклад в энтропию. Однако, когда мы начинаем думать о структуре пространства-времени в терминах энтропии, обнаруживается замечательный факт. В 1995 г. Тед Джекобсон [19]19
Работу можно найти на сайте: http://xxx.lanl.gov и в поддиректории gr-qc.
[Закрыть]показал, что если мы скомбинируем выражение Клаузиуса для изменения энтропии при поступлении тепла с утверждением о связи энтропии с площадью поверхности, ограничивающей область (на самом деле эти две величины пропорциональны друг другу, как установлено для поверхности, окружающей черную дыру), то получим искажение локальной структуры пространства-времени в точности такое, как предсказывают уравнения Эйнштейна общей теории относительности. Другими словами, в чисто математическом смысле Второе Начало влечет существование уравнений Эйнштейна общей теории относительности!
Итак, возможно, что паровой двигатель не только внутри нас. Он везде.
Глава пятая
Атомы
Редукция вещества
Я покажу те атомы, из которых природа творит все вещи…
Лукреций
Великая идея: вещество состоит из атомов
Мы видели внешние проявления изменений в образовании биосферы и внутренние механизмы этих изменений в молекулярных основаниях генетики. Мы видели то, что не изменяется, энергию, и видели, в терминах энтропии, почему изменяются вещи. Теперь мы исследуем материальную основу изменений еще более детально, совершив, таким образом, переход от мастодонтов к элементам.
Что сообщает наука о природе вещества, материала, из которого сделано все, доступное ощущениям? Мы изучим этот чрезвычайно важный вопрос в два этапа. На первом этапе, составляющем предмет настоящей главы, мы исследуем вопрос, который окажется лежащим на поверхностном уровне, хотя и не выглядит таким, и опишем появление концепции атома, этой валюты всех рассуждений в химии. Мы увидим, почему различные атомы имеют различные индивидуальности, которые мы называем их химическими свойствами. Пусть не оттолкнет вас мысль о том, что эта глава посвящена химии. Химия является мостом между постигаемым миром веществ и воображаемым миром атомов, и несмотря на зачастую ужасные воспоминания о столкновениях с этим предметом в школе, он способен глубоко очаровывать и просвещать, даже если его скорее вертят в руках (как здесь), чем разжевывают. Моя цель – ввести сюда немного химии, чтобы ваши глаза увидели мир вокруг вас, и ваше восхищение им стало глубже. Затем, в следующей главе, мы оставим поверхностный взгляд на атомы и погрузимся в самые глубины того понятия, которое мы именуем материей. Тогда мы приблизимся к пониманию того, чем материя является на самом деле, и сделаем это таким способом, который мог бы удовлетворить даже древних греков.
Греки много думали о материи и предложили так много различных гипотез о ее природе, что по крайней мере одна из них, вполне вероятно, могла оказаться правильной. Некоторые из их предположений были совершенно ложны, но демонстрировали достойный одобрения дух исследования. Так, Фалес из Милета (около 500 до н.э.), считающийся в народном воображении отцом философии, найдя высоко в горах ископаемые морские раковины, незадолго до своей кончины внезапно пришел к заключению, что все сделано из воды. Тысячу лет спустя этот взгляд нашел свое место в Коране:
Величие этого источника в глазах некоторых придает такому взгляду авторитетность даже сегодня. Однако греки продвигались в своих поисках понимания, считая, что одной сущности недостаточно для объяснения многообразия сущностей мира. Так, Гераклит из Эфеса (приблизительно 540-475 до н.э.), развивая идею Фалеса, заключил, что необходим агент изменений, и добавил в котел бытия огонь. Вскоре Эмпедокл из Сицилии (приблизительно 492-432 до н.э.), считая, что твердость трудно образовать только из воды, воздуха и огня, усовершенствовал эту первосмесь еще больше, добавив к ней землю, и предположив, а возможно и веря, что все может быть построено из воздуха, земли, огня и воды (рис. 5.1). Аристотель (384-322 до н.э.) был почти полностью согласен с эмпедокловой редукцией мира к четырем элементам, возражая только, что подлунный мир Земли, это театр перемен и распада, совершенно отличен от вечной небесной сферы, и что эмпедокловы элементы приложимы к первому, но недостаточны для понимания последней. Для вневременной, совершенной небесной сферы Аристотель считал обязательным пятый основной элемент, квинтэссенцию.
Рис. 5.1.Две самых ранних периодических таблицы элементов. Диаграмма слева показывает четыре элемента, положенные древними греками в основу материи, и свойства, сообщаемые этими элементами тем веществам, которые они образуют. Диаграмма справа дает китайскую версию, восходящую к даосскому взгляду на бытие, основанному Лао-цзы (около 600 до н.э.), в котором пять элементов возникают из взаимодействия ян(мужское, положительное, теплое, светлое) и инь(женское, отрицательное, холодное и темное).
Все это было, конечно, совершенно неверно, так как ни одна из этих сущностей не является элементарной, за исключением, возможно, гипотетической, экспериментально ненаблюдаемой и, как мы знаем, не существующей квинтэссенции на небесах. Но формулирование и разработка концепции о том, что сложное возникает из простого, были фундаментально важным понятийным шагом, и этот подход до сих пор лежит в сердцевине современной науки.
Предположение о существовании элементов, пусть даже и неправильных элементов, подняло вопрос, который находится в центре внимания настоящей главы: является ли вещество непрерывным или дискретным. Другими словами, можно ли делить элементы ad infinitumна все более малые кусочки, или они дискретны, и в этом случае деление приведет нас к далее неделимому, к атомам? У греков спекуляции процветали и обладали той свободой, которую дает лишь отсутствие экспериментальных данных, поэтому обе идеи нашли своих сторонников. То, что одна из этих идей, атомистическая точка зрения, оказалась верной, не заставляет нас непременно восхищаться ее приверженцами, поскольку они поддерживали эту версию, исходя из прихотливого умозрения и философских пристрастий, которые в наши дни не считаются особо надежными составляющими научного метода при поиске истины.
Мы можем проследить линию удачных спекуляций до Левкиппа из Милета (не ранее 450-420 до н.э.), который представлял себе материю гранулированной, состоящей из атомов, которые ставят предел делимости. Только если существует конец возможности деления, утверждал Левкипп, материя может быть вечной, ибо в противном случае все давным-давно распылилось бы в ничто. Однако его точка зрения на атомы была далека от той, которую мы теперь считаем ортодоксальной. Так, он представлял себе, что атомы имеют большой диапазон форм и размеров и что почти все различные вещества сделаны из различных атомов. Эти взгляды развил и назвал умозрительные неделимые сущности атомамиученик Левкиппа, «смеющийся философ» Демокрит из Абдеры (приблизительно 350-322 до н. э.). Демокрит придерживался точки зрения, что существуют атомы молока и атомы угля, атомы костей и атомы воды. Его воображение текло, не стесненное экспериментом, и он считал существующими атомы дыхания, звука и души. Атомы души он считал особенно красивыми, как и приличествует душе; среди атомов цвета атомы белого были гладкими и округлыми, как бы интерпретирующими сам этот цвет.
Эти мысли были частью системы верований эпикурейцев, последователей Эпикура (341-270 до н.э.), который использовал их для атак на суеверия, утверждая, что, поскольку все, включая богов, сделано из атомов, то даже боги – для Эпикура боги были обаятельно безучастными, они были существами, жившими в свое удовольствие, образцами удовлетворенности и высокомерия, не утруждавшими себя вмешательством в ничтожные человеческие дела – были субъектами законов природы. Эпикурейский взгляд на мир, прихотливое сочетание гедонизма и атомизма, рассматривал ощущения как основу знания и считал их впечатлениями души, происходящими от образов, передаваемых изящными фильмами, составленными из атомов, которые испускают ощущаемые объекты. Атомический взгляд на структуру материи и ощущения предстал перед восприимчивой и утомленной тиранами и богами римской публикой в дидактической, написанной искусными гекзаметрами, эпической поэме Тита Лукреция Кара (около 95-55) De rerum natura(О природе вещей), которую можно рассматривать как первое руководство по физической химии. Этот текст считался утраченным вплоть до пятнадцатого века, но после его нового обретения он подвигнул умы многих современников этого события опять обратиться к атомизму.
Платон и его ученик Аристотель были ярыми противниками атомизма, и их авторитетный, хотя и пагубно влияющий взгляд на мир доминировал на всем протяжении Средних веков, ни в малейшей степени не считаясь с сильным течением материализма и атеизма эпикурейского толка. Аристотель полагал, что атомизм, который он считал чистым вымыслом и поэтому – не в пример его собственным чистым вымыслам – заслуживающим лишь презрения, не способен дать объяснение богатейшему узору чувственного опыта, который характеризует реальный мир. Кроме того, он наложил анафему на пустоту, которая была бы необходима, если бы атомы должны были двигаться. Ведь в пустоте, как он думал, не может поддерживаться движение, ибо в пустоте нет тягловой силы, а движения без тягловой силы не бывает (см. главу 3).
Сила авторитета Аристотеля была такова, что его взгляды, с небольшими дополнительными вкраплениями, формировали мировосприятие людей целых два тысячелетия. Они поддерживали алхимиков в их ложно направленных и по большей части бесплодных усилиях, а его взгляды на движение душили также и физику. И так же, как в семнадцатом веке, мир пробудился и осознал пустоту аристотелевской физики из кресла, людям постепенно стало приходить в голову, что его химия из кресла тоже пуста. Однако, хотя мы можем осмеивать Аристотеля с наших позиций, лежащих далеко вниз по течению от его интеллектуального наследия и отделенных от его образа мыслей несколькими научными революциями, мы не станем переадресовывать наши похвалы эпикурейцам, несмотря на то, что, как кажется на первый взгляд, они были ближе к истине. Эпикурейцы тоже были ограничены своими креслами, и их атомизм был столь же произвольной спекуляцией, как и антиатомизм Аристотеля. Все ранние постулаты об атомах были чистыми догадками: это была спекулятивная философия, а не наука.
Науке потребовалось больше времени, чтобы прийти к пониманию природы вещества, чем к пониманию движения вещества. Сама по себе природа материи оказалась более неуловимой, чем движение материи в пространстве, поскольку, хотя можно без труда прикрепить числа к положениям в пространстве и времени и приколоть таким образом динамику к лацкану физики, далеко не ясно, как числа можно прикрепить к веществу. В самом деле, а приложимы ли числа вообще к свойствам, которые обычно называют химическими? Не суждено ли природе материи навсегда остаться лишь материей для анекдотов и спекуляций?
Ключом к проблеме оказался баланс (рис. 5.2). В руках Антуана Лорана де Лавуазье (1743-94), который широко известен как отец современной химии и «носитель духа счетоводства, поднявшийся до гениальности», химические весы превратились в скальпель, который стало возможно употребить для глубокого проникновения в тайну вещества. Тщательная и вдумчивая проработка дала возможность употребить весы для прикрепления чисел к веществу и ввести химические реакции в царство арифметики.
Рис. 5.2.Классические химические весы, не слишком отличающиеся от тех, которые Лавуазье использовал в своих исследованиях, позволивших ему привязать к веществу числа и этим превративших химию в физическую науку, и их современный двойник.
В частности, появилась возможность использовать весы для определения масс веществ, участвующих в реакции. В результате на основе этих данных начали появляться модели, а модели, как мы уже видели, являются живой кровью науки и зародышами теорий.
Модель масс для соединяющихся элементов стала желудем на ветке дуба атомической гипотезы Дальтона. Джон Дальтон (1766-1844), мрачный, не различавший цвета сын ткача-квакера, в двенадцать лет школьный учитель и педантичный наблюдатель погоды, не имел других развлечений, кроме боулинга по вечерам каждый четверг. Возможно, подсознательная память о шарах боулинга и привела его к теории, которую он впервые представил на лекции в Королевском обществе в декабре 1803 г. и опубликовал в 1807 г. Его гипотеза заключалась в том, что вещество состоит из атомов, которые не могут быть сотворенными или разрушенными, что все атомы данного элемента идентичны и что в химических реакциях атомы просто меняют партнеров. Главной его концепцией было то, что каждый атом имеет характерную массу и что химические весы являются поэтому счетчиком изменений массы, происходящих при смене атомами своих партнеров. Это был шаг, называемый философами науки трансдукцией, в котором концепция на микроскопическом уровне связана с наблюдаемым макроскопическим свойством. Большая часть современных физики и химии является результатом трансдукции, так что наблюдаемое интерпретируется в терминах воображаемого, а определенные измерения, сделанные в масштабе, соизмеримом с человеком, интерпретируется в терминах сущностей, которые в миллиарды раз меньше.
Дальтон на самом деле пошел несколько дальше, чем теперь считается удобным помнить. Он полагал, что атомы различных элементов окружены различными количествами теплорода, гипотетической (и впоследствии отвергнутой) невесомой жидкости, которую мы ощущаем как тепло (глава 3). Он предполагал, что атомы газообразных элементов имеют самую толстую оболочку из теплорода, которая позволяет им передвигаться почти свободно. Атомы твердых тел имеют самые тонкие оболочки, и это означает, что они остаются на местах. Эти приводящие в легкое замешательство умопомрачительные следствия атомической гипотезы были прочно забыты.
Используя весы, Дальтон сумел составить список масс своих атомов, по отношению к принятой за 1 массе атома водорода, легчайшего из элементов. Он назвал эти относительные массы атомов атомными весами, и этим названием все еще пользуются. Его эксперименты были грубыми, а его интерпретация этих экспериментов зависела от предположений о том, как много атомов одного элемента соединены с атомами другого, и тут его догадки часто оказывались неверными (рис. 5.3). Так, используя в качестве гида простоту, он предположил, что вода состоит из одного атома кислорода и одного атома водорода, и заключил, что атомный вес кислорода равен 7 (на самом деле, исходя из его предположения, точные измерения дали бы 8); мы знаем, что в действительности вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому истинный атомный вес кислорода равен 16, т.е. атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода. Тем не менее это самая ранняя версия трансдукции во всей ее славе, когда лабораторные наблюдения выражают свойства невидимого.
Рис. 5.3.Атомистическая гипотеза возникла у Дальтона в начале девятнадцатого столетия, и он неоднократно читал о ней лекции. Здесь изображено факсимиле части оформления лекции, прочитанной Дальтоном 19 октября 1835 г. членам Манчестерского механического общества. Неудобоваримые для типографии символы элементов были заменены орфографически более простыми, к немалой досаде Дальтона.
В отличие от древнегреческих умозрений об атомной природе вещества, теория Дальтона была научной. В ней не было никаких ленивых, или даже энергичных, умствований; это были наблюдения, основанные на эксперименте и соединенные с рациональностью. Не все, однако, приняли ее в качестве характеристики реальности. Многие годы среди ученых бытовала точка зрения, что атомы – это вычислительная фикция, полезные символы для совершения расчетов, в том числе расчета масс, но безо всякого реального смысла. Большинство возражений отпало около 1858 г., когда итальянский химик и революционер Станислао Канниццаро (1826-1910) опубликовал гораздо более точный список атомных весов известных элементов, но даже в конце девятнадцатого столетия некоторые крайние консерваторы отказывались прикрепить свое знамя к атомистическому флагштоку.
Современная техника наблюдения продрались сквозь лес возражений, которые пришлось преодолевать Дальтону и его последователям. Сегодня мы имеем возможность видеть атомы как отдельные капли материи (рис. 5.4). и больше нет никаких сомнений в их существовании. Конечно, некоторые социологи науки могут размахивать своими сверхпессимистическими флагами и утверждать, что прибор, использованный для получения этих изображений, является скорее социальной конструкцией, и спроектирован он так, чтобы выражать современную парадигму; однако ученым виднее.
Рис. 5.4.Дальтон вывел заключение о существовании атомов из регулярностей масс элементов, соединяющихся друг с другом. Сегодня мы можем «видеть» атомы, и никакого сомнения в их существовании не возникает. Прибор, с помощью которого получено изображение атомов кремния на поверхности кремниевого образца, называется сканирующим туннельным микроскопом. Он, почти буквально, чувствует проходимую им поверхность, а компьютеры преобразуют сигналы, посылаемые зондом, в изображение с разрешением атомного масштаба.
Итак, что же такое атомы? На что они похожи? Как они сделаны? Дальтон, как и греки, предположил, что атомы есть предел делимости; никакой атом нельзя разрезать на куски, никакой атом не имеет более мелких составляющих. Но если бы это было так, было бы трудно понять, как можно объяснить богатый спектр свойств элементов, поскольку разнообразие свойств проистекает из богатства соединений. То, что атомы на самом деле имеют внутреннюю структуру, впервые продемонстрировал Дж. Дж. Томсон (1856-1940), который в 1897 г. показал, что из атомов могут вылетать электроны. Он объявил о своем открытии в Королевском обществе 30 апреля 1897 г. Электроны были первыми из идентифицированных субатомных частиц, частиц, меньших, чем атом, а работа Томсона в Кавендишской лаборатории в Кембридже показала, что они являются универсальной составляющей вещества и что поэтому атомы действительно обладают внутренней структурой.
