Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

ГЛАВА 4 Механистическое мировоззрение

В последние годы жизни Томсон придерживался присущего ему механистического представления о физических процессах. Однако новая физика, которая начала появляться, полностью противоречила такому восприятию действительности. Это поставило ученого в несколько маргинальное положение в науке, что было полной противоположностью лидерству Томсона, характерному для начала его карьеры.

После успешной прокладки трансатлантического кабеля между Ирландией и Канадой Томсон участвовал в прокладке в 1869 году французского кабеля, соединившего бухту Пти Мину рядом с Брестом (Франция) с Сен-Пьер и Микелоном в Ньюфаундленде (Канада). Позже этот кабель был протянут до Даксбери (Массачусетс, США). Также в 1873 году ученый вместе с Генри Дженкином выполнял функции инженера в Western & Brazilian Telegraph Company, занимавшейся прокладкой кабеля между Рио-де-Жанейро и городом Пара (сегодня Белен) в Бразилии. Уже находясь на борту судна Hooper, направляющегося в Бразилию, они обнаружили, что кабель поврежден, и сделали остановку на Мадейре для починки. Там Томсон познакомился с предпринимателем и владельцем нескольких винных погребов Чарльзом Блэнди. Томсон и Дженкинс показали двум старшим дочерям Блэнди код Морзе, и те сразу же начали практиковаться, подавая с помощью лампы сигналы кораблю, пришвартованному в порту.

Сэр Уильям вернулся на Мадейру в следующем году, на корабле «Яалла Рук». По легенде, с борта корабля он послал сообщение в сторону дома Блэнди: «Выйдешь за меня замуж?» Последовал ответ: «Да». Правда это или нет, однако Томсон и Фрэнсис Анна, вторая дочь Блэнди, 24 июня 1874 года поженились в часовне британского консульства на Мадейре. Через два дня Томсону исполнилось 52 года. Фанни (как все называли Фрэнсис Анну) было 36. Разлучила их только смерть Томсона. Фанни умерла в 1916 году, через девять лет после кончины Уильяма.

Приехав в Великобританию, пара построила себе дом в Нетерхолле, рядом с Ларгсом, примерно в 50 км от Глазго. Это было одним из первых жилищ в Великобритании с электрическим освещением, которое сначала питалось от батарей, а затем - от газовых генераторов. Томсон также оборудовал дома лабораторию - свою третью лабораторию, поскольку на «Лалла Рук» у него тоже было помещение, посвященное экспериментам. Можно сказать, что жизнь Уильяма перевернулась. Энергичная Фанни всегда была готова помочь супругу с социальной стороной его деятельности, в которой тот был не особо искусен.

Около 1860 года Томсон начал писать учебник по натуральной философии. Он делал это вместе с Питером Гатри Тэтом ( 1831-1901), шотландским физиком и математиком, занявшим после Форбса кафедру в Эдинбурге. Томсон и Тэт собирались написать трактат, в котором были бы рассмотрены проблемы различных областей физики с точки зрения закона сохранения энергии. Кроме того, они собирались сделать текст полезным для студентов, то есть он не ограничивался бы рассмотрением обычных задач, а охватывал более сложные проблемы, связанные с промышленными разработками (например, паровые машины, телеграфные кабели и так далее). Это был абсолютно новаторский подход. Тэт писал Томсону в 1861 году:

«Я думаю, что мы можем составить в трех средних томах курс экспериментальной физики и математики, более полный, чем существуют (насколько я знаю) на французском и немецком языках. На английском я не знаю ни одного».

Сразу же стало ясно, какие темы следовало осветить в работе: кинематика и динамика, гидростатика и гидродинамика, свойства материи, звук, свет, тепло, электричество и магнетизм - то есть все, что сегодня известно как классическая физика. Томсон и Тэт были первыми, кто решил объединить эти фрагменты знания в одну дисциплину.

Проект учебника по натуральной философии похвален, но он чрезвычайно скучен. В то же время я надеюсь, что он сможет предложить Вам идеи для более ценных работ. Написать такую книгу - значит лучше понять пробелы, которые еще остались в науке.

Герман фон Гельмгольц, письмо Томсону, 1862 год

Однако Тэт во время этой работы столкнулся с гораздо большим количеством трудностей, чем представлял вначале.

Томсон, занятый тысячью вопросов, очень редко подключался к работе, из-за чего Тэт испытывал постоянное разочарование.

«Давай разделим работу и возьмемся за нее. В среднем три или четыре (или даже меньше) часов в день приведут нас к книге через шесть недель», — писал Тэт в 1861 году. «Я сейчас пошлю тебе просмотренные заголовки, чтобы ты смог оценить, соответствуют ли они твоим представлениям, которые, признаюсь, я не смог четко понять из твоих записей»,— таким было другое его сообщение, датированное началом 1862 года. «Я бы хотел, чтобы ты вернул мой набросок главы о свойствах материи с твоими исправлениями и прочим, и как только она будет готова, я перепишу ее тщательно и полно», — торопил он коллегу, когда спустя некоторое время от Томсона по-прежнему не было никаких новостей. В июне 1864 году терпение Тэта начинало иссякать:

«Мне бы хотелось, чтобы ты продвигался вперед. Эта большая книга очень беспокоит меня. ( ...] Если ты посылаешь мне только фрагменты, да и то редко, что я могу сделать? Ты мне даже не присылал и намека на то, что ты хочешь сделать в нашей главе о статике жидкостей и газов! Сейчас все очень плачевно; сообщаю тебе, что ты сделал в два раза больше зимой, чем делаешь сейчас. Я послал тебе кучу бумаг на просмотр уже десять дней назад, но от тебя никаких новостей на этот счет. Ты предложил несколько абсурдных задач, которые я не стал утруждаться решать».

Тэт безуспешно, год за годом, пытался получить первый вариант книги для слушателей курса, который он начинал читать. Скажем лишь, что он не единственный потерпел поражение в подобных обстоятельствах. Его друг Стокс как-то обратился к Томсону со словами: «ты ужасный друг, и тебе следовало бы сделать строгий выговор. Том -«Философских трудов» должен был выйти 30 ноября, а там уже месяц твоя незаконченная статья». Томсона эти ситуации только забавляли — к еще большему раздражению коллег.

Хотя суть вопросов, затронутых в первом томе -«Трактата», относилась к сфере научных интересов Томсона, труд был издан в 1867 году благодаря исключительно стараниям и усилиям Тэта, и эта публикация имела довольно большой успех. Фон Гельмгольц лично позаботился о том, чтобы сразу после появления оригинальной английской версии был издан перевод на немецкий язык. Второй том был опубликован только в 1874 году: как и предсказывал фон Гельмгольц, рассмотрение некоторых тем, особенно касающихся упругости, требовало новых математических разработок, которые пока отсутствовали. Важность -«Трактата» высоко оценил Максвелл:

«За то, что разбилась монополия великих мастеров магии и их колдовство стало близко нашим ушам, как обычные слова, следует во многом благодарить Томсона и Тэта. Эти два северных мага первыми без горечи и страха произнесли на родном языке настоящие и подходящие названия динамических понятий, которые маги древности обычно обозначали с помощью произносимых шепотом символов и плохо выраженных уравнений».

Несмотря на отношение Томсона к «Трактату», порой граничащее с небрежностью, ученый всегда стремился дать понятиям формальное определение и структурировать их в стройную систему.

Предисловие к первому тому «Трактата» Томсона и Тэта возглавляет цитата из Фурье: «Первичные причины нам неизвестны, но они подчиняются простым и постоянным законам, которые могут быть описаны с помощью наблюдения и изучение которых является предметом натуральной философии». И далее авторы пишут:

Термин «натуральная философия» был применен Ньютоном и до сих пор используется в британских университетах для обозначения исследований законов материального мира и вывода данных о его свойствах, непосредственно не наблюдаемых. [ ...] Наша цель двоякая: дать достаточно точное изложение того, что теперь известно в области натуральной философии, на языке, понятном читателю-нематематику, и снабдить тех, кто имеет преимущество во владении высшей математикой, связанным очерком тех аналитических методов, которыми большая часть этих знаний продолжена на еще не исследованные опытом области. [ ...] Цель, которую мы постоянно имели в виду, состоит в применении великого принципа сохранения энергии. Согласно современным опытным данным, в особенности данным Джоуля, энергия столь же реальна и неразрушима, как и вещество. [ ...] В нашей вводной главе о кинематике рассмотрение гармонического движения естественно приводит к теореме Фурье — одному из наиболее важных и полезных для физики выводов математического анализа. [...] Во второй главе мы приводим законы движения Ньютона, выраженные его собственными словами с некоторыми его пояснениями, ибо каждая попытка превзойти их до сих пор оканчивалась полной неудачей. Никогда, наверное, ничто столь простое ив то же время всеобъемлющее не приводилось как основа системы ни в одной другой науке. [ ...] В третьей главе «Опыт» кратко изложены наблюдения и эксперимент как основа натуральной философии.

Обложка издания «Трактата о натуральной философии» 1879 года.

Томсон и Тэт объявили, что во второй том будет включено рассмотрение кинетической динамики и, возможно, часть, посвященная свойствам материи; они даже говорили о двух дополнительных томах, которые так и не появились. Второй том увидел свет в 1874 году.

Капельный конденсатор был изобретен Томсоном в 1867 году. Принцип его работы очень прост. В устройстве имеются два похожих элемента, расположенных как показано на рисунке. Как видно, каждый из них состоит из металлической емкости, в которой собирается вода, падающая из резервуара через капельницу, пронизывающую металлическую крышку. Эта крышка и емкость находятся на некотором расстоянии друг от друга. Оба элемента располагаются так, чтобы они были соединены электрически и емкость одного была подсоединена к крышке другого, и наоборот. В воде содержится много ионов, и можно предполагать, что одна ее капля может нести с собой некоторое количество заряда (положительного или отрицательного). Предположим, что в емкости А изначально минимальное количество отрицательного заряда. Этот заряд передастся крышке В так, что капли, падающие через них, будут предпочтительно нести положительные ионы, которые будут притягиваться к этой капельнице отрицательным зарядом крышки В. Когда капля упадет в емкость В, она увеличит ее положительный заряд, который передастся крышке А. Эта крышка будет пропускать капли воды с отрицательными ионами, которые, упав в емкость А, увеличат ее отрицательный заряд. Очевидно, что когда будет достигнуто заданное количество заряда, могут появляться нежелательные явления. Например, между емкостями может образоваться вольтова дуга. Также падающие капли могут начать отталкиваться самой емкостью (если они имеют одноименный заряд). Может получиться и так, что капли будут в достаточной степени притягиваться самими крышками (имеющими заряд с противоположным знаком) и уменьшать их заряд.

В некоторых работах он даже достигал этой цели - если только труд не был посвящен очень специфическим темам. Еще в 1856 году в связи с чтением Бейкеровской лекции Томсон структурировал все существующее знание об электродинамических свойствах металлов. Ежегодная Бейкеровская лекция была (и остается до сих пор) знаком признания работы ученого со стороны Королевского общества. Эту традицию ввел английский натуралист Генри Бейкер в 1775 году, и лекцию читали, в частности, Фарадей, Максвелл и лорд Рэлей.

В 1859 году Томсон также сотрудничал с «Циклопедией физическш наук», которую написал его бывший преподаватель (а теперь коллега в Глазго) Джон Никол. Уильям написал для нее статью об атмосферном электричестве — эту тему он исследовал в тот момент. Исследования оказались довольно продуктивными, поскольку позволили определить разницу потенциалов, необходимую для производства искр, в зависимости от густоты воздуха между двумя электродами. А в 1867 году на основании этих исследований ученый сконструировал любопытное устройство — водно-капельный конденсатор. В 1879 году Томсон также написал подробные статьи об упругости и тепле для «Британской энциклопедии».

В 1883 году ученый получил от Королевского общества медаль Копли за открытие закона всеобщего рассеяния энергии, исследовательскую работу и выдающийся вклад в экспериментальную и математическую физику, особенно в области теорий электричества и термодинамики.

Все преимущества и недостатки Томсона в полной мере проявились в знаменитых Балтиморских лекциях (Baltimore Lectures), которые он прочитал в 1884 году в Америке, в Университете Джона Хопкинса, по завершении конгресса Британской ассоциации развития науки, который в этом году состоялся в Монреале (Канада). В предисловии к переизданию лекций, написанном самим Томсоном в 1904 году, отмечено:

«Когда ректор Гилман пригласил меня прочитать курс лекций на одну из тем физической науки по моему выбору, я с удовольствием принял это приглашение. Я выбрал в качестве темы волновую теорию света, имея целью в большей степени подчеркнуть ее ошибки, чем описать молодым студентам тот удивительный успех, с которым эта красивая теория объяснила все, что было известно о свете до Френеля и Томаса Юнга, что породило волны нового знания, обогатив всю физическую науку».

Это был второй визит ученого в США. В 1876 году он присутствовал здесь в качестве члена жюри секции технических инструментов на Всемирной выставке в Филадельфии, где смог познакомиться с молодым Томасом Эдисоном (18471931), представившим свой автоматический телеграфный приемник. Тогда Томсон также смог поэкспериментировать с другим средством связи на расстоянии — телефоном, который недавно запатентовал британский ученый Александр Грейам Белл (1847-1922), хотя само устройство изобрел в 1860 году итальянец Антонио Санти Джузеппе Меуччи (1808-1889).

Начиная с 1 октября Томсон прочитал 20 лекций под общим названием «О молекулярной динамике и волновой теории света». Как это происходило и на его университетских занятиях, ученый не готовил речи детально, а развивал их в форме дискуссии с аудиторией, ставя перед ней различные проблемы. Лорд Рэлей, присутствовавший на некоторых беседах, восхищался Томсоном: «какое это было поразительное выступление! Я часто выяснял, что утреннее занятие было основано на вопросах, возникших во время нашей с ним беседы за завтраком».

Как Томсон отметил в предисловии, он намеревался выявить ошибки волновой теории света, то есть теории, введенной Максвеллом за 20 лет до этого и все еще вызывавшей сомнения. Основное возражение Томсона было связано с самими абстрактными выводами Максвелла, который никогда не давал ответа на важные для этой теории вопросы: что такое свет? что такое электрические и магнитные поля? как они распространяются в вакууме? из чего состоит сам вакуум?

Электромагнитное излучение включает в себя целый набор волн, имеющих одно общее свойство: они распространяются в вакууме со скоростью с = = 299792, 458 км/с. Этот набор охватывает волны от радиочастот до гамма-излучения (характеристика некоторых ядерных процессов), включая инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи. Для каждого вида излучения характерна собственная энергия Е, представленная в электрон-вольтах на верхней оси прилагаемой шкалы (1 эВ = 1, 60217646 х 10^-19 Дж). Излучение энергии выше примерно 10²эВ называется ионизирующим, оно используется, среди прочего, в радиотерапии и радиодиагностике. Как и любые другие волны, электромагнитное излучение характеризуется двумя свойствами, связанными с энергией. Одно из них — частота, υ = E/h, где h, значение которого равно 6, 62606896 х 10^-34 Дж х с, — это постоянная Планка. Она дает представление о числе колебаний волны в секунду. Значения частоты в Гц показаны на центральной оси шкалы. Другое свойство — это длина волны, равная λ= hc/E, где с — скорость света в вакууме. Значения, которые она может принимать для электромагнитного излучения, приведены в метрах на нижней оси. Видимый свет занимает лишь небольшой фрагмент электромагнитного спектра — приблизительно от 0, 38 мкм, что соответствует фиолетовому, до 0, 78 мкм, что соответствует красному.

Оптический спектрометр, или спектроскоп, — это аппарат, позволяющий изучать электромагнитное излучение. В случае с видимым светом в спектрометрах используется оптическая призма или дифракционная решетка - два оптических элемента, которые позволяют разделить луч света, падающий на прибор, на волны различной длины. Как видно на рисунке, когда поток белого света падает на призму, каждый цвет преломляется под разным углом, так что на выходе из призмы волны оказываются разделенными. В 1814 году фон Фраунгофер изучал свет, излучаемый Солнцем, с помощью одного из этих устройств и обнаружил, что на фоне из соответствующих цветов появляется ряд черных линий. Затем он проанализировал свет, испускаемый пламенем, и обнаружил противоположное: на темном фоне появляются цветные линии.

В течение XIX века было накоплено много спектроскопической информации, которая не поддавалась объяснениям с помощью существующих моделей. В 1885 году швейцарский математик и физик Иоганн Якоб Бальмер (1825-1898) нашел эмпирическую формулу, которая описывала длины волн видимого спектра водорода. В 1888 году шведский физик Йоханнес Роберт Ридберг (1854-1919) предложил более общее выражение, позволившее предсказать длины волн спектральных линий многих химических элементов как в видимой области, так и в инфракрасной и ультрафиолетовой. Окончательное объяснение пришло с появлением квантовой механики, согласно которой испускание и поглощение атомами и молекулами материи электромагнитного излучения вызвано тем, что некоторые их электроны переходят между квантовыми уровнями энергии.

Следовательно, фон Фраунгофер наблюдал два типа спектра: спектр поглощения и спектр испускания. В случае с солнечным спектром свет, образованный внутри Солнца, сначала пересекает внешние слои своей звезды, а затем земную атмосферу, пока не доходит до спектроскопа. Материя этих слоев поглощает излучение с энергией, характерной для ее атомов и молекул, вследствие этого в спектре появляются черные линии. В случае с пламенем сжигаемый материал только испускает электромагнитное излучение с конкретной энергией, соответствующей данному материалу, отсюда - светящиеся цветные линии на темном фоне.

Однако Томсон ценил результат теории Максвелла: скорости распространения электромагнитного излучения и света в вакууме совпадали и вычислялись на основе двух констант теории - диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости вакуума. Однако взаимодействие материи порождало новые вопросы: почему существуют проводники, диэлектрики и изоляторы? почему материалы по-разному реагируют на магнитное поле? что происходит внутри материала в электромагнитном поле? Максвелл не ответил на эти вопросы, но объяснил многие экспериментальные результаты: он применил две константы, чтобы охарактеризовать каждый вид материала, и учел математические функции, описывающие поля и отношения между ними.

Теория Максвелла также никак не объясняла данные, накопленные спектроскопией. Еще в 1814 году немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер (1787-1826) сконструировал примитивный спектроскоп, позволивший ему выяснить, что в спектре солнечного излучения появляются темные линии с различной длиной волны. Механизм появления этих линий Максвеллу был неизвестен.

В своих лекциях Томсон не только касался этих глубоко дискуссионных проблем, но и часто показывал слушателям причудливые конструкции из различных элементов (стальных кабелей, маятников, деревянных решеток с гирями на конце, маховиков, брусков, пружин и так далее). Индивидуальное поведение каждого элемента было хорошо известно, но все вместе они порождали бесконечное число состояний движения, которые было довольно сложно рассчитать. Цель ученого была той же, что и всегда: найти механическую модель, которая иллюстрировала бы рассматриваемое физическое явление. Эти любопытные конструкции изображали структуру материи, молекулы и их взаимодействие со светом. Поскольку такие модели демонстрировали огромное разнообразие способов поведения, с их помощью можно было рассмотреть поведение любой анализируемой физической системы. И если в каком-нибудь случае это было невозможно сделать, в модель всего лишь следовало добавить дополнительные элементы, сделать «машину» более сложной, расширить ее возможности движения. Так Томсон демонстрировал присущее ему механистическое видение Вселенной.

Второй темой Балтиморских лекций было распространение света в эфире. В предисловии к изданию 1904 года Томсон писал:

«Моя аудитория включала преподавателей физической науки, и с самого начала я почувствовал, что наши встречи будут скорее конференциями между коллегами, где мы попытаемся продвинуть науку, чем просто чтением лекций. Я говорил абсолютно свободно и ничуть не боялся подорвать абсолютную веру моих коллег в эфир и его световые волны; я мог говорить с ними о несовершенстве нашей математики, о недостаточности нашего видения динамических свойств эфира и об обременяющей сложности поиска поля действия для эфира между атомами весомой материи. Мы все чувствовали, что трудностям нужно противостоять, а не избегать их; их сложность нужно учитывать, желая найти решение, если это возможно, но в любом случае можно выразить определенную уверенность в том, что для каждой трудности есть объяснение, даже если мы сами не можем найти его».

Как уже было известно к тому времени, звуковые волны — это механические волны, для передачи которых требуется упругая материальная среда. Когда мы разговариваем, эта среда - воздух; когда мы подносим ухо к железнодорожному рельсу, чтобы узнать, едет ли по путям поезд, эта среда - металл, из которого сделан рельс. Свет как электромагнитное излучение не нуждается в материальной среде для распространения. Однако эта мысль была невозможной в XVII-XIX веках, поскольку большая часть теорий пользовалась для объяснения различных физических явлений механическими моделями. В этом контексте родился так называемый световой эфир, то есть материальная среда, позволяющая передачу света. В 1818 году эта концепция была предложена Френелем, который, кроме того, определил свойство света как поперечной волны. Известно, что в 1678 году голландский математик, физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629-1695) говорил об эфире как о среде, необходимой для передачи света, а в 1709 году Исаак Ньютон рассуждал об эфирной среде, колебания которой способствуют отражению, преломлению и дифракции света. Однако именно Френель начал эксперименты, имевшие целью наблюдать эффекты, которые могут быть объяснены существованием светового эфира.

Речь шла о довольно волшебной среде со сложным поведением. С одной стороны, она должна иметь необходимые жесткость и упругость, чтобы позволить распространяться электромагнитным колебаниям. С другой стороны, эта среда должна быть достаточно пластичной, чтобы объекты такой величины, как планеты, свободно проходили через нее. Во время своих лекций Томсон проводил аналогии с глицерином, воском, желе и другими веществами, хотя признавал, что так и не нашел материала с подходящими свойствами. Ему были известны ограничения такого подхода к проблеме. За некоторое время до этого ученый указывал:

«Думаю, мы все должны чувствовать, что тройной союз между эфиром, электричеством и весомой материей - это результат в большей степени отсутствия у нас знаний, [ ...] чем действительность».

В случае существования эфира Земля в своем движении должна ощущать эфирный ветер, проявляющийся в изменении скорости света в зависимости оттого, испускался он в направлении движения Земли или нет. В 1881 году польско-американский физик Альберт Абрахам Майкельсон приспособил интерферометр для оптического эксперимента, в котором проявилось бы это изменение.

Как видно на рисунке, источник света испускает луч, который после столкновения с полупрозрачным зеркалом разделяется на два: передаваемый дальше и отраженный. Последний падает на подвижное зеркало и после отражения в нем возвращается к полупрозрачному зеркалу и вновь делится на передаваемый, который продолжает свое движение до точки наблюдения, и отраженный, который возвращается к источнику. Переданный луч отражается в другом зеркале, затем в полупрозрачном и доходит до точки наблюдения. Благодаря компенсационной пластине из того же материала, что и полупрозрачное зеркало, а также использованию подвижного зеркала, обеспечивается равенство расстояний, пройденных обоими пучками света. Когда два луча соединяются в точке наблюдения, они вызывают интерференцию, то есть мы наблюдаем ряд светлых и темных полосок, характеристики которых связаны с расстоянием, пройденным обоими лучами, и скоростью света. Майкельсон направил один луч в направлении движения Земли, а другой - перпендикулярно ему. Присутствие эфира вызвало бы изменение скорости обоих лучей с последующим изменением в полосах интерференции, но результаты опыта не показали ничего подобного: «Следствие гипотезы о стационарном эфире, таким образом, оказалось неверным, и мы должны сделать вывод о том, что гипотеза ошибочна».

В 1887 году Майкельсон в сотрудничестве с американским ученым Эдвардом Уильямсом Морли поставил ряд экспериментов с модифицированным интерферометром, в котором расстояние, пройденное обоими лучами, с помощью нескольких зеркал увеличилось примерно до 11 м. Это повысило точность эксперимента, но результаты снова были отрицательными. С тех пор было поставлено множество подобных экспериментов, некоторые из них — с помощью высокоточных приборов. В 2009 году Свен Герман и его коллеги установили, что возможная разница в скорости света в зависимости от направления распространения, вызванного движением Земли, меньше, чем 1 часть от 10¹⁷·

Томсон попытался решить проблему, изменив теорию эфира: он перешел от статической структуры, которая рассматривалась до сих пор, к динамической, предусматривавшей распространение электромагнитного поля с правильными свойствами. Однако это изменение не принесло плодов, поскольку в новой теории был нужен всего 21 независимый коэффициент, и для проведения экспериментальных наблюдений их поведение должно было быть согласованным. В Балтиморских лекциях Томсон настаивал на том, что следует с осторожностью подходить к гипотезам, в которых световой эфир рассматривается как идеальный способ найти ответ на накопившиеся вопросы. При этом ученый считал, что действительно существует «реальная материя между нами и самыми дальними звездами и свет состоит в реальных движениях этой материи».

Вы можете представить себе частицы одной вещи — вещи, движение которой представляет собой свет. Эту вещь мы называем световым эфиром. Это единственное вещество, которому мы доверяем, и если мы в чем-то можем быть уверены, так это в его реальности и вещественности.

Лекция Томсона в Филадельфии

Однако конец дискуссии приближался. Польско-американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) и американский химик и физик Эдвард Уильямс Морли (1838-1923) уже начали ставить эксперименты, означавшие начало конца эфира, который наступил, когда Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году свою специальную теорию относительности.

И все же, несмотря ни на что, Томсон упорно продолжал поиск решения, которое включало бы эфир. Незадолго до смерти он написал:

«Мне кажется вполне вероятным, что на самом деле у эфира нет никакой структуры. [ ... ] Нет никакой сложности в этом понятии о твердом упругом теле, полностью однородном, которое занимает все пространство. [ ...] О световом эфире часто говорят как о флюиде. Но уже более 30 лет, как я оставил, основываясь на доводах, которые до сих пор кажутся мне убедительными, идею о том, что эфир - это жидкость, снабженная чем-то похожим на упругость, характерную для движения. [ ...] В этом месте мы сталкиваемся с вопросом: является ли эфир несжимаемым? Должно быть, что-то нас вынуждает ответить: да, он несжимаемый, он подвержен законам всемирного тяготения. Но когда сегодня мы пытаемся понять движение, производимое эфиром в весомых и электрических атомах, которые движутся внутри него, мы можем только убедиться в том, что эфир сжимаемый. И если поверить в этот последний факт, то мы должны принять, что на эфир не воздействует гравитация».

Итак, поиск решения наталкивался на сложности, и Томсону пришлось капитулировать. В этой дискуссии привлекает внимание различие между его мировоззрением и мировоззрением Максвелла. Последний также для наглядного представления эффектов электромагнитного поля пользовался более или менее сложными моделями, но он сразу же осознал ограничения этого подхода в части понимания взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. А Томсон так и держался за устаревший механизм - возможно, из-за того, что благодаря ему он совершил все свои открытия?

Интерес Томсона к атомам и их структуре был очень давним. Еще в 1867 году в лекции «О вихревых атомах», прочитанной в Эдинбургском королевском обществе, он говорил:

«После того как я получил новость об удивительном открытии фон Гельмгольцем закона движения вихрей в идеальной жидкости (то есть во флюиде, полностью свободном от вязкости, или трения флюида), автор утверждает: это открытие неизбежно предполагает, что кольца фон Гельмгольца - это единственные настоящие атомы».

В то время наука постепенно принимала кинетическую теорию газов, разработанную Клаузиусом, Максвеллом и австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906), но эта теория не давала полного объяснения всем известным экспериментальным результатам. Если допустить, что газ состоит из атомов, которые движутся на некоторой скорости и сталкиваются друг с другом, этого достаточно, чтобы объяснить свойства газов. Но с практической точки зрения — хотя взаимодействие между атомами может быть описано в терминах ньютоновской механики — решение конкретных задач было невозможным из-за огромного числа атомов даже в самых небольших объемах газа. Статистическая формулировка позволила обойти этот подводный камень, однако она не объясняла другие атомные явления, такие как поглощение и испускание света на определенной длине волны.

Томсону подобное ограничение совсем не нравилось, поэтому он добавил в теорию свои вихревые атомы и попытался понять, какими должны быть их свойства и механизмы взаимодействия между собой и с электромагнитными полями, включая свет. У него в руках была новая кинетическая теория газов. Ученый наглядно представил свои атомы как тороидальные структуры, которые не могли ни появляться, ни исчезать, они сталкивались друг с другом и могли вибрировать с определенной частотой, что позволяло объяснить характерные эффекты, наблюдаемые в спектроскопии. Следовательно, атомы и электромагнитные поля могли быть объяснены в чисто динамических терминах, но с аналитическими сложностями, «значительными, но далекими от непреодолимых с учетом современного состояния математической науки». Привлекательность этой точки зрения для Томсона была несомненной: термодинамика, электромагнетизм и свойства материи — все это опирается на механику, науку обо всем. Но через некоторое время ему пришлось отказаться от своей модели, поскольку он выяснил, что, в противоположность его изначальным предположениям, вихревые атомы нестабильны.

Томсон с ассистентом в саду его дома в Нетерхолле во время одного из экспериментов.

Вторая жена ученого, Фрэнсис Анна Блэнди.

Томсон во время своего последнего занятия в Университете Глазго в 1899 году.

Еще один повод для беспокойства добавила радиоактивность: сначала, в 1895 году, открытие икс-лучей немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845-1923), а затем, в 1897-м, открытие электрона Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940). Снова пытаясь придерживаться динамической структуры эфира, герой нашей книги посчитал, что икс-лучи можно объяснить, если предположить продольные колебания самой среды, а это противоречило теории Максвелла (вспомним, что электромагнитные волны поперечные). Но иллюзия длилась недолго - столько, сколько понадобилось, чтобы понять: странное рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение большей энергии, чем видимый свет и ультрафиолет.

Томсон вернулся к характерному для себя способу мышления. В 1902 году он представил работу, в которой возродил старую теорию немецкого ученого Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802): в 1759 году последний утверждал, что электричество - настолько уникальный флюид, что его избыток приводит к положительному заряду, а недостаток - к отрицательному. Предположение Томсона было следующим:

«Флюид Эпинуса состоит из чрезвычайно маленьких и похожих друг на друга атомов, которые я называю электрионами, они намного меньше, чем атомы весомой материи, и свободно проникают в пространство, занятое этими атомами большего размера, и так же свободно - в пространство, не занятое ими. Как и в теории Эпинуса, у нас должно быть взаимное отталкивание между электрионами, взаимное отталкивание между атомами независимо от электрионов, а также взаимное притяжение между электрионами и атомами без электрионов».

Число электрионов, которые имеются у обычного атома, наряду с законами работы сил, задействованных в потере или получении атомами электрионов, объясняло разнообразие химических элементов с различными свойствами, представленное в периодической таблице элементов, которая была введена в 1869 году Дмитрием Менделеевым (1834-1907) и немецким химиком Юлиусом Лотаром фон Мейером (1830-1895) год спустя. Эта теория, построенная на основе простых компонентов, была слишком сложной.

Через некоторое время после открытия электрона Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, основанную на сферической структуре с положительным зарядом, в которую были вставлены в необходимом положении для поддержания равновесия системы электроны: их количество было таким, чтобы уравновешивать заряд атома. Лорд Кельвин изменил эту модель, предположив, что частицы электричества движутся по концентрическим сферам. В 1903 году японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) предложил атом, образованный большой сферой с положительным зарядом, вокруг которой по круговым траекториям вращаются электроны. В 1911 году эксперименты новозеландского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937) показали, что атомная геометрия Нагаоки верна, но пришлось подождать датского физика Нильса Бора (18851962), который в 1911 году своей доквантовой моделью атома обозначил начало пути к окончательному решению, которое вылилось в развитие квантовой механики.

Несмотря на весь скептицизм Томсона по отношению к новой физике, нет сомнений в том, что ученый до конца своей жизни вел борьбу за понимание механизмов физических явлений, как бы они ни выглядели. Исследователь говорил:

«Так же как великие достижения в математике были осуществлены на основе желания найти решение задач, которые имели очень практический характер для математической науки, в физической науке многие великие достижения, которые были сделаны с начала мира до настоящего времени, были вызваны серьезным желанием изменить знание о свойствах материи ради какой-то полезной для человечества цели».

В 1892 году королева Виктория причислила Уильяма к дворянству — он стал первым ученым в Великобритании, который получил дворянский титул. В этот день премьер-министр превозносил возможности, которые откроет присутствие Томсона в палате лордов, поскольку большинство ее членов были далеки от науки. Уильям принял титул барона Кельвина из Ларгса, взяв название реки Кельвин, протекавшей недалеко от его университетской лаборатории, и города Ларгса, в пригороде которого находилась его резиденция Нетерхолл. После церемонии посвящения в дворянство, произошедшей 25 февраля, Томсон занял свое место в палате лордов.

Исследовательская деятельность лорда Кельвина после начала его парламентской карьеры не угасла. В 1896 году был отпразднован его юбилей на посту профессора Университета Глазго. В связи с этим королева Виктория пожаловала ученому Большой Крест Королевского Викторианского ордена; 11 июля 1899 года он представил совету университета свое заявление об отставке. Томсону недавно исполнилось 75 лет, со времени его назначения в 1846 году прошло уже 53 года. А 30 сентября было его последним днем в качестве действующего преподавателя.

Лорд Кельвин скончался 17 декабря 1907 года в Нетерхолле, рядом с городом Ларгс (Шотландия). Похороны состоялись 23 декабря в Лондоне. Многочисленные представители академического, научного и политического мира шли в похоронной процессии рядом с родственниками и друзьями Томсона. Останки ученого покоятся в Вестминстерском аббатстве, его могила находится рядом с могилой великого Исаака Ньютона.

В течение жизни Томсон написал огромное количество научных статей, изобрел и запатентовал множество измерительных приборов, предлагал неожиданные решения практических проблем, получал многочисленные почести и был первым в различных областях физики. Однако, как утверждал Джозеф Джон Томсон, сам лорд Кельвин считал самой важной своей работой исследования, связанные с возрастом Земли и Солнца.