Страница 6 из 28
Сам термин ввел французский философ Опост Конт (1798-1857), и главный тезис заключался в том, что научный метод и, следовательно, любое знание основываются только на эмпирических наблюдениях. То есть «если я этого не вижу, я в это не верю». Позитивизм стремился искоренить любые философские и теологические предположения, не связанные с наблюдаемыми фактами. Реальным считалось только то, что было очевидно, все остальное переводилось в область субъективизма, относительности и бессмыслицы. Наука же воспринималась как единственное ценное знание, гарант истины о мире и прогрессе человечества.
Позитивистский миф основательно утвердился, и даже сегодня кто-то полагает, что только научное знание серьезное, ценное и истинное, но господство данного философского подхода положило бы конец собственно научному прогрессу. Полемика вокруг атомов в XIX веке — хороший пример сложности научной деятельности и того, насколько недальновидно считать, что наука основана только на ощутимых наблюдениях. Ведь ни Дальтон, ни Менделеев не наблюдали атомы напрямую, они лишь догадались об их существовании по косвенным проявлениям, пропорциям химических веществ.
Другие свидетельства возможного существования атомов пришли из новой области физики, которая формировалась в течение XIX века,— из термодинамики. Интереснейшая научная и философская проблема заключается в связи между научными понятиями и обывательскими представлениями о явлениях. Так, хотя у всех нас есть представление о том, что такое тепло, нелегко дать ему ясное и точное определение. История научной мысли предлагает несколько ответов, но самой популярной в XVIII веке была теория теплорода. Согласно этой теории, тепло — это вид вещества (как флюид), которое передается от теплых тел холодным. «Обладать большим теплом* означало именно это: иметь больше вещества под названием теплород. Однако постепенно в отношении данной теории стали закрадываться сомнения. Известно замечание Бенджамина Томпсона (1753-1814) о том, что количество тепла, которое может быть передано трением, внешне неограниченно. Будучи военным инженером, он наблюдал за изготовлением пушек и заметил, что количество тепла, выделяющееся при пробуравливании металла, пропорционально трению, которому подвергается металл. Казалось, что тепло каким-то образом связано с движением.
Твердое тело (форма и объем неизменны)
Жидкость (форма сосуда и неизменный объем)
Газ (форма и объем сосуда)
Кинетическая теория газов приписывает такие свойства, как тепло или давление, движению каждого из атомов, образующих газ, и их со стенками сосуда, его содержащего.
В 1857 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822- 1888), работавший в университете Цюриха и уже несколько лет изучавший это явление, опубликовал статью «О роде движения, который мы называем теплотой». На основе механического представления о том, что газы состоят из крошечных атомов, Клаузиус разработал теорию, согласно которой температура и давление на стенки сосуда, содержащего газ, — это результат движения атомов. Точнее, температура — это всего лишь статистическое проявление кинетической энергии атомов, которые образуют газ. Эта теория известна как «кинетическая теория газов».
Предложение Клаузиуса нашло отклик среди молодых ученых. Особо следует выделить работу британца Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который сделал важное уточнение. Максвелл считал, что не только средняя скорость атомов влияет на температуру и давление газа, но также и его распределение скоростей, то есть число атомов, которые в определенный момент имеют скорость выше или ниже средней. Статьи Клаузиуса и Максвелла вызвали крупную дискуссию о справедливости кинетической теории газов и дали толчок научной карьере другой значительной фигуры в физике, австрийца Людвига Больцмана(1844-1906).
Чтобы обеспечить физическим смыслом формулу Максвелла, Больцман сосредоточился на изменении давления газа в зависимости от высоты. Если газ состоит из атомов с различными скоростями, они должны меняться соответственно с высотой из-за воздействия гравитации. Больцман рассчитал этот эффект, следуя распределению скоростей Максвелла, и выяснил, что он совпадает с изменением давления, наблюдаемого у газа. Так Больцману удалось связать атомный эффект (изменение гравитации для каждого из атомов, а с ним и изменение скоростей) с макроскопическим эффектом (изменением давления). Кроме того, Больцман сделал еще один шаг в кинетической теории, включив в нее не только линейные скорости атомов, но также и их вибрации, что следовало учитывать при объяснении макроскопических величин газов. Больцман опубликовал эту работу в возрасте 24 лет, и она обеспечила ему международное признание, в том числе со стороны самого Максвелла. С тех пор формула распределения скоростей газа известна как формула Максвелла — Больцмана.
Проблема, которую Больцман обозначил и развил, связана с формулой распределения скоростей атомов газа. Звучит она так: как возможно то, что отдельные (полностью произвольные и хаотичные) движения каждого из атомов газа поддерживают распределение скоростей, которое всегда соответствует формуле Максвелла — Больцмана? В гипотетическом идеальном мире проблема имеет решение. Надо всего лишь иметь уравнения движения каждого атома и их положений в определенный момент. Однако любой объем газа, каким бы маленьким он ни был, содержит миллионы миллионов атомов, так что задачу невозможно решить. Следовательно, описать газ на основе атомов, из которых он состоит, можно только с помощью статистической математики.
Вместо того чтобы пытаться понять, что произойдет с каждым из атомов, Больцман сосредоточился на поведении атомов с определенным направлением и скоростью в заданный момент времени. Нужно было оценить возможные столкновения атомов и с учетом этого вычислить среднее значение для всех групп атомов. Так австрийскому физику удалось обосновать уравнение распределения скоростей, о котором Максвелл интуитивно догадался и которое он сам изменил. Самым значимым результатом Больцмана была констатация того, что пока отдельные атомы следуют законам Ньютона о движении, постоянное изменение отдельных скоростей несовместимо с появлением состояний макроскопического равновесия. Значит, в газе в состоянии равновесия (при постоянных температуре и давлении) скрывается неистовая и внешне беспорядочная деятельность. Законы Ньютона о движениях отдельных тел, таким образом, объясняли давление и температуру газов — величин, которые относятся к большим скоплениям атомов. Это настоящая симфония в исполнении атомов под управлением законов Ньютона.
Как в химии, так и в статистической физике предполагалось, что атомы реальны, а если это не так, по крайней мере они представляют собой модель, обладающую высокой объяснительной силой. Однако в конце XIX века само существование атомов все еще не было неоспоримым фактом. И именно в таком контексте появилась первая субатомная частица; то есть в то время как некоторые ученые сомневались в реальности атомов, другие исследователи уже осмеливались говорить о гораздо меньших частицах — электронах. Так же как и атомы, электроны не были «открыты» с помощью более мощных микроскопов, они возникли на научной сцене в результате попыток лучше понять электричество, и только через некоторое время стало ясно, что они являются общими составляющими всех атомов.
Ученый, имя которого связывают с открытием электрона, — Джозеф Джон Томсон (1856-1940), преподаватель экспериментальной физики и директор Кавендишской лаборатории в Кембридже с 1884 по 1919 год. За те 35 лет его лаборатория прославилась на весь мир, физики со всех стран приезжали сюда, чтобы стать передовыми исследователями. Секрет успеха был не столько в установках и технических средствах, сколько в интеллектуальной свободе, которую Томсон предоставлял своим сотрудникам. В Кавендише проводились всевозможные физические эксперименты, если только они не требовали чрезвычайных вложений (Томсон был известен своей скупостью). Британский ученый предлагал своим исследователям значительные идеи, а те были вольны принять их или нет, также они сами могли решать, каким способом реализовать эти идеи. Методика Томсона как педагога заключалась в том, чтобы предоставлять свободу действия.