Читати книгу - "Пояснюючи світ"

На початку XIX століття винайдення електричної батареї Алессандро Вольта зробило можливим проведення детальних кількісних експериментів з вивчення електрики та магнетизму, а невдовзі стало відомо, що ці явища пов’язані. Спочатку 1820 року в Копенгагені Ганс Крістіан Ерстед виявив, що магніт та дріт, через які пропускають електричний струм, впливають один на одного. Почувши про цей результат, Андре-Марі Ампер у Парижі виявив, що дроти, через які пропускають електричний струм, також впливають один на одного. Ампер припустив, що ці різні явища дуже подібні між собою: сили, спрямовані на шматочки намагніченого заліза та від них, є наслідком електричних струмів, що циркулюють усередині них.

Так само, як це сталося із силою тяжіння, поняття струмів та магнітів, що виявляють вплив один на одного, було витіснене ідеєю поля, у цьому випадку – магнітного. Кожен магніт та кожен дріт під струмом робить свій внесок до загального магнітного поля в будь-якій точці поблизу нього, і це магнітне поле виявляє вплив на будь-який магніт або електричний струм у такій точці. Майкл Фарадей пов’язав магнітні сили, породжені електричним струмом, з лініями магнітного поля, що оточує дріт. Він також описав електричні сили, породжені шматком натертого бурштину, як наслідок впливу електричного поля, зображеного лініями, що радіально розходяться від електричних зарядів на бурштині. Найважливіше, що в 1830-х роках Фарадей показав зв’язок між електричними та магнітними полями: змінне магнітне поле, як-от створюване електричним струмом під час обертання котушки дроту, створює електричне поле, здатне спричинити появу електричного струму в іншому дроті. Саме це явище використовують, щоб виробляти електроенергію на сучасних електростанціях.

Остаточно пов’язав електрику та магнетизм кілька десятиліть по тому Джеймс Клерк Максвелл. Він вважав електричні та магнітні поля напругою в якомусь всеохопному середовищі (ефірі) і виразив те, що було відомо про електрику та магнетизм, рівняннями, які пов’язували між собою поля та інтенсивність їхньої взаємодії. Максвелл вніс у науку ідею, що змінне електричне поле генерує магнітне поле, як змінне магнітне поле генерує електричне поле. Як це часто трапляється у фізиці, з поняттєвої основи максвеллівських рівнянь викинули ефір, а самі рівняння збереглися, причому навіть на футболках, які носять студенти-фізики[65].

Теорія Максвелла мала неймовірні наслідки. Оскільки коливальні електричні поля породжують коливні магнітні поля, а коливні магнітні поля породжують коливні електричні поля, можливе існування самопідтримуваного коливання як електричних, так і магнітних полів в ефірі, або, як ми сказали б сьогодні, у порожнечі (вакуумі). Приблизно в 1862 році Максвелл виявив, що це електромагнітне коливання поширювалося б зі швидкістю, яка, згідно з його рівнянням, мала б приблизно таке саме числове значення, що й виміряна швидкість світла. Для Максвелла було природним дійти висновку, що світло є нічим іншим, як взаємно самопідтримуваним коливанням електричних та магнітних полів. Видиме світло має набагато вищу частоту, ніж частота струму у звичайних електричних колах, але в 1880-х роках Генріх Герц зумів створити хвилі, що відповідали рівнянням Максвелла, – радіохвилі, що відрізнялися від видимого світла лише тим, що мали значно нижчу частоту. Отже, електрику та магнетизм поєднали не лише між собою, а й з оптикою.

Як і з електрикою та магнетизмом, прогрес у розумінні природи матерії почався з кількісного вимірювання, у цьому випадку – вимірювання ваги речовин, що беруть участь у хімічних реакціях. Ключовою постаттю цієї хімічної революції був заможний француз Антуан Лавуазьє. Наприкінці XVIII століття він ідентифікував такі елементи, як водень та кисень, і показав, що вода є сполукою водню та кисню, повітря є сумішшю елементів, а вогонь виникає внаслідок поєднання інших елементів із киснем. Крім того, на основі подібних вимірювань трохи згодом Джон Дальтон виявив, що вагу елементів у хімічних реакціях можна визначити, зважаючи на гіпотези, що чисті хімічні сполуки на кшталт води або солі містять велику кількість частинок (пізніше названих молекулами), які самі складаються з певної кількості атомів чистих елементів. Молекула води, наприклад, містять два атоми водню і один атом кисню. Упродовж наступних десятиліть хіміки ідентифікували багато елементів: деякі були вже знайомі, як-от вуглець, сірка та поширені метали, а інші – нещодавно виділені, зокрема хлор, кальцій та натрій. Земля, повітря, вогонь та вода до цього переліку не потрапили. У першій половині XIX століття були розроблені правильні хімічні формули молекул, як-от води та солі, що дало змогу обчислювати співвідношення атомних мас різних елементів, спираючись на вимірювання ваги речовин, що беруть участь у хімічних реакціях.

Великого успіху атомістична теорія матерії набула, коли Максвелл та Людвіґ Больцманн показали, що тепло можна розуміти як енергію, розподілену серед величезної кількості атомів або молекул. Цьому кроку до узагальнення чинили спротив деякі фізики, зокрема П’єр Дюгем, який сумнівався в існуванні атомів і наполягав на тому, що теорія тепла, термодинаміка так само фундаментальна, як ньютонівська механіка та максвеллівська електродинаміка. Але на початку XX століття кілька нових експериментів переконали майже всіх, що атоми реальні. Низка експериментів Дж. Дж. Томсона, Роберта Міллікена та інших показала, що електричні заряди виникають та зникають лише як величини, кратні базовому (елементарному) заряду, тобто заряду електрона – частинки, яку відкрив Томсон у 1897 році. У 1905 році Альберт Ейнштейн інтерпретував хаотичний броунівський рух дрібних частинок на поверхні рідин як наслідок впливу зіткнень цих частинок з окремими молекулами рідини, і ця інтерпретація була підтверджена експериментами Жана Перрена. У відповідь на експерименти Томсона та Перрена хімік Вільгельм Оствальд, який раніше був скептично налаштований щодо атомів, у 1908 році висловив свою змінену думку у твердженні, яке відображало пройдений наукою шлях із часів Демокріта та Левкіппа: «Тепер я переконаний, що нещодавно ми отримали експериментальні докази дискретної або зернистої природи матерії, які атомістична гіпотеза марно шукала сотні й тисячі років»4.

Але що ж таке атоми? Великий крок до відповіді на це запитання було зроблено в 1911 році, коли проведені в манчестерській лабораторії Ернеста Резерфорда експерименти показали, що вся маса атомів золота сконцентрована в маленькому важкому позитивно зарядженому ядрі, навколо якого обертаються легші негативно заряджені електрони. Ці електрони відповідають за явища звичайної хімії, тоді як зміни в ядрі вивільняють високі енергії, пов’язані з радіоактивністю.

У зв’язку з цим виникло нове запитання: що ж не дає електронам на орбітах атомів втрачати енергію через випромінювання радіації та спірально падати до ядра? Бо це не лише