Каждый электрический разряд — это, по сути, поспешный поток электронов. Когда мы трем два тела друг о друга и они наэлектризовываются, мы тем или иным способом оторвали электроны от одного из тел и нагромоздили их на другое. Первое становится положительно заряженным телом, а второе — отрицательным. Пленка влаги останавливает это действие. Когда шерсть прядут на фабриках, она имеет тенденцию становиться на определенных этапах процесса слишком сухой и слишком свободной от жира; пряжа тогда наэлектризовывается, когда проходит через кожаные ролики, и когда машина пытается спрясть нити вместе, они разлетаются и отказываются соединяться крошечными крючками, которыми снабжены шерстяные волокна. Операция прядения подошла бы к концу, если бы не были предусмотрены средства, с помощью которых воздух может быть настолько наполнен влагой, что волокна становятся влажными и действие прекращается. Так, в некоторых случаях поток воздуха, наполненный положительными и отрицательными ионами, направляется на волокна; волокна выбирают те ионы, которые им нужны, и, таким образом нейтрализуясь, прядение может продолжаться снова.
Когда электрический ток бежит по проводу, это, по сути, не что иное, как процессия электронов. Поток электронов, который бежит через нити в лампах, освещающих эту комнату, доводя нити до белого каления, приводится в движение динамо-машинами в городе. Существует полная проволочная цепь, включающая динамо-машину, проводники и лампы. Когда динамо-машины не работают, электроны в целом не движутся ни в ту, ни в другую сторону, хотя они всегда там. Когда динамо-машина начинает вращаться, электроны отправляются в свое непрерывное путешествие.
Электроны участвуют в излучении беспроводных сигналов и в их приеме. Так называемая «лампа», которая умножает крошечные электрические сигналы и была так значительно улучшена во время войны, полностью зависит от действия электронов, и блестящая экспериментальная работа основывалась на недавно приобретенных знаниях об их свойствах.
Я говорил вам, что при определенных обстоятельствах поток электронов может генерировать рентгеновские лучи, в действительности форму световых лучей. Это действие очень распространено, и любопытно, что чем быстрее движется электрон, тем короче длина волны излучения. Очень быстрый электрон генерирует рентгеновский луч такой короткой длины волны, что проникающая способность луча, которая идет вместе с краткостью волны, является чрезмерной, и таким образом мы можем иметь лучи, которые проходят прямо через человеческое тело или даже через дюймы стали. По мере того как скорость возбуждающего электрона становится меньше, рентгеновские лучи становятся менее проникающими. С еще более медленными электронами мы можем генерировать обычный свет, и потребуется более медленный электрон, чтобы генерировать красный, чем чтобы генерировать синий. Самые медленные электроны, которые мы используем таким образом, имеют скорость много сотен миль в секунду; самые быстрые имеют скорость, которая почти приближается к скорости света, или 186 000 миль в секунду.
И наоборот, излучение может привести электроны в движение. Когда рентгеновские лучи направляются в тело пациента, электроны приводятся в движение внутри, и, перемещаясь на определенные крошечные расстояния, инициируют химические действия, которые необходимы для некоторого излечения. Или они могут пройти прямо через тело и упасть на фотопластинку, приводя в действие химическую реакцию, которая формирует изображение на пластинке.
Есть другой случай совершенно иного рода, когда электрон очень заметен и проявляет эффекты, которые являются наиболее поразительными и значительными. Каждый атом радия или других радиоактивных веществ рано или поздно встречается с катастрофой, в которой его жизнь как радия заканчивается и образуются атомы других веществ. В этот момент происходит излучение, которое является характерным свойством вещества. Одно из излучаемых излучений состоит из высокоскоростных электронов, движущихся, некоторые из них, почти так же быстро, как свет.
Теперь установлено, что когда скорость приближается к скорости света, составляющей 186 000 миль или 3 x 10^10 сантиметров в секунду, энергия оказывается выше, чем она должна была бы быть согласно обычному правилу, а именно: энергия равна половине массы, умноженной на квадрат скорости. По-видимому, электрон, движущийся со скоростью света, обладал бы бесконечной энергией; или, выражаясь иначе, экспериментатор в своей лаборатории никогда не сможет надеяться наблюдать электрон, движущийся так быстро; если бы он когда-либо появился, это стало бы концом и для лаборатории, и для него самого.
С этим результатом связан весьма странный факт: никому еще не удалось найти прямых доказательств существования эфира, постулируемого для переноса световых волн. Его представляли как среду, через которую движутся небесные тела и к которой можно отнести их движение. Но когда свет испускается в эфир, его кажущаяся скорость должна зависеть от того, распространяется ли он по направлению или против движения эфира через лабораторию, где проводятся измерения. Эксперимент был проведен, но никакого подобного различия обнаружено не было, хотя метод был достаточно точным, чтобы выявить эффект, который можно было ожидать. Впоследствии было показано, что отрицательный результат можно объяснить, предположив, что мера длины изменяется в зависимости от того, движется ли она по направлению или против эфира. Однако постоянные неудачи всех подобных экспериментов привели к замечательному гипотетическому развитию, с которым прочно связано имя Эйнштейна. Предполагается, что в наших фундаментальных гипотезах должен существовать какой-то изъян, и если бы его исправили, мы обнаружили бы, что должны получать одно и то же значение скорости света, как бы и когда бы мы ее ни измеряли, и в то же время мы обнаружили бы, что никакое измерение скорости тела, движущегося относительно наблюдателя, никогда не будет равно скорости света. Гипотеза отрицает существование абсолютного эталона, к которому можно было бы отнести движения, и настаивает на том, что все они должны рассматриваться относительно наблюдателя. Это называется принципом относительности. Расчеты его следствий начинаются с необходимых изменений в фундаментальных основах, подобных тем, что ввел Эйнштейн.
Время не позволяет мне сказать больше о бесчисленных способах, которыми электроны играют существенную роль во всех процессах в мире. Мы давно верили, что это так, но картина никогда не была для нас столь ясной, как сейчас; и с нашим пониманием растет и наша сила. И вновь озарение нашего понимания приходит от признания того, что Природа предпочла дискретное непрерывному и что электричество не является бесконечно делимым, а, подобно материи, и даже в большей степени, чем материя, обладает атомной структурой. И мы нашли эту единицу и научились обращаться с ней.
Еще более странно то, что теперь об энергии можно сказать, что существуют признаки атомарности. Может показаться абсурдным думать, что энергия, которая преобразуется в любой операции, преобразуется кратно универсальной единице или единицам, так что операцию нельзя остановить на любой желаемой стадии, а только через определенные интервалы. Действительно, у нас нет права утверждать, что это всегда верно. Но, несомненно, существуют случаи, в которых атомарность энергии достаточно ясна, как, например, при обмене энергией между движущимися электронами и излучением. Примечательно, что когда излучение приводит электрон в движение, электрон приобретает совершенно определенную скорость, зависящую только от длины волны излучения, а не от его интенсивности, и, по-видимому, поглощает из излучения определенную единицу энергии. Излучение определенной длины волны не может расходовать свою энергию таким образом иначе, как кратными величинами определенной единицы, поскольку каждый из электронов, которые оно приводит в движение, обладает одинаковой начальной энергией, которую он должен был получить от излучения. Другими словами, энергия излучения определенной длины волны может быть преобразована в энергию движения электронов только кратными величинами определенного «кванта», присущего этой длине волны. Интенсивность излучения, то есть количество энергии, движущейся вдоль луча, может влиять только на число электронов, приведенных в движение, а не на скорость любого из них. За последние несколько лет на основе этих и подобных фактов была разработана весьма необычная теория. Сомневаюсь, было бы сейчас полезнее приводить дальнейшие примеры, но я упомянул об этом, потому что это, по-видимому, показывает маячащую на горизонте наших знаний еще одну тенденцию Природы использовать атомный принцип.
Добавлю лишь, что положение физики в целом в настоящее время действительно представляет чрезвычайный интерес, и в любой момент может произойти великое открытие или возникнуть озаряющая мысль, которая объяснит нынешние поразительные трудности и откроет новые миры мысли.
ДЛЯ СПРАВКИ
Брэгг, «Лучи и кристаллы» (издательство Ball & Sons).
ПРИМЕЧАНИЯ:
[70] С момента произнесения этой речи результаты экспедиции по наблюдению затмения в Бразилии считаются удовлетворительно подтвердившими один из самых замечательных выводов, сделанных Эйнштейном из принципов, которых он придерживается. Этот вопрос вызвал такой большой интерес, что некоторые из ведущих сторонников принципа относительности опубликовали тщательные изложения, предназначенные для студентов, не знакомых с ним: поэтому было бы излишним обсуждать этот вопрос здесь.
IX
ПРОГРЕСС В БИОЛОГИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ШЕСТЬДЕСЯТ ЛЕТ
ПРОФЕССОР ЛЕОНАРД ДОНКАСТЕР, член Королевского общества
24 ноября 1859 года было опубликовано «Происхождение видов», и эта дата знаменует начало эпохи в каждой отрасли биологии. До этого биология была почти полностью описательной наукой, но через несколько лет после публикации «Происхождения» ее влияние начало окрашивать все аспекты биологических исследований. Был найден координирующий и объединяющий принцип, и ведущая идея биологов перестала заключаться в описании живых существ такими, какие они есть, а трансформировалась в попытку обнаружить, как они связаны друг с другом. Первым следствием этой смены отношения стало главным образом обращение биологов к задаче прослеживания филогенетических или эволюционных связей между различными группами животных — составление вероятных или возможных генеалогических древ и объяснение естественной классификации на эволюционной основе. Однако, как только понятие причины и следствия, или, точнее, взаимосвязи между явлениями, наблюдаемыми в живых существах, стало привычным для биологов, оно распространилось далеко за пределы прослеживания генеалогических связей между различными животными и растениями. Это сделало возможной концепцию подлинной Науки о Жизни, в которой каждое явление, наблюдаемое в живом организме, должно занимать свое истинное место по отношению к остальным, и в которой также явления жизни должны быть соотнесены с теми, что обнаружены в неорганических науках химии и физики.
История различных отраслей биологической науки за последние шестьдесят лет отражает общий ход этих тенденций. Вплоть до времени вскоре после 1859 года изучение морфологии, или сравнительного строения животных (и растений), было тесно связано с физиологией, то есть с изучением функций. Однако в годы, последовавшие за появлением «Происхождения», анатомы и морфологи были охвачены новым интересом. По крайней мере на время, главной целью изучения строения стало уже не объяснение функции, а скорее объяснение того, как это строение возникло в ходе эволюции и как оно связано с гомологичными, но различными структурами в других формах. Результатом стала тенденция к разрыву между морфологией и физиологией, или, по крайней мере, между морфологами и физиологами, что привело к разделению на две более или менее различные науки того, что до сих пор считалось тесно взаимосвязанными отраслями одной науки. Более выдающиеся люди начала этого периода, такие как Гексли, оставались одновременно и морфологами, и физиологами, но большинство их последователей неизбежно попали в ту или иную группу, и при обсуждении более поздних фаз биологического прогресса необходимо будет рассматривать их отдельно.
Помимо влияния на систематическую и анатомическую сторону биологии, идея эволюции, и особенно дарвиновская теория естественного отбора, имела важные последствия для той стороны науки, которую можно описать как естественную историю. До появления труда Дарвина естественная история состояла главным образом в наблюдении и сборе фактов о повадках и жизненном цикле животных и растений, которые, как правило, не имели объединяющего принципа, если только их не использовали, как в «Бриджуотерских трактатах», для иллюстрации «силы, мудрости и благости Божьей». Теперь, однако, был предоставлен новый мотив — открытие пользы для организма его различных цветов, структур и повадок, а также применение принципа естественного отбора для демонстрации того, как эти признаки способствовали сохранению и дальнейшей эволюции вида. И из этого интереса к теории естественного отбора в последние двадцать лет девятнадцатого века выросло значительно возросшее внимание к фактам и теориям наследственности, которое было стимулировано дарвиновской гипотезой пангенезиса и особенно спекуляциями Вейсмана о природе и поведении «зародышевой плазмы». До появления работы Вейсмана предполагалось, что половые клетки, которые каким-то образом несут наследственные признаки, проявляющиеся у потомства, производятся непосредственно телом родителя. Дарвин предварительно предположил, что каждая клетка каждого организма испускает мельчайшие частицы, которые собираются в половых клетках, и что эти клетки, таким образом, содержат репрезентативные части всех частей тела родителя. Вейсман, основываясь на своей работе о происхождении половых клеток у медуз и насекомых, утверждал, что эти клетки происходят не из тела, а только из уже существующих половых клеток, хранящихся внутри него, — что, по сути, хотя яйцо дает начало курице, курица не дает начало яйцу, а лишь хранит внутри себя запас эмбриональных яиц, которые созревают и откладываются, когда приходит время. Теорию пришлось изменить, чтобы она соответствовала фактам регенерации и вегетативного размножения, но в сущности она была принята биологическим миром и является ортодоксальным мнением (если такое слово можно использовать в науке) в настоящее время. Различие между двумя взглядами представляет интерес не только теоретический, ибо оно затрагивает весь вопрос о том, могут или не могут передаваться потомству характеристики, приобретенные индивидом в течение жизни в ответ на внешние условия. Если половые клетки содержат представителей всех частей тела, модификации, наложенные на тело в течение его жизни, могут, по крайней мере, возможно, передаваться потомству, рожденному после того, как произошли эти модификации. Если, однако, половые клетки независимы от остального тела и хранятся внутри него только для сохранности, как документ в банковском сейфе, казалось бы невозможным, чтобы какое-либо влияние окружающей среды, будь то во благо или во зло, могло сказаться на потомстве. Этот спор о наследуемости «приобретенных признаков» был одним из самых важных в конце прошлого века, и хотя большинство биологов сейчас следуют Вейсману, поскольку отрицают, что «приобретенные» признаки передаются по наследству, вопрос еще не решен полностью; все, что можно сказать, это то, что, несмотря на многие попытки доказать обратное, нет удовлетворительных доказательств передачи потомству эффектов, наложенных на тело родителя, если только сами половые клетки не были затронуты той же причиной — как, например, в некоторых случаях длительного отравления алкоголем или подобными наркотиками.
В то время как проблема передачи приобретенных признаков, а также причина изменчивости и ее связь с эволюцией занимали значительную часть внимания биологов, вся проблема вступила в новую фазу в 1900 году с переоткрытием работы Менделя по наследственности. Мендель работал с растениями и опубликовал свои результаты в 1865 году, но в то время биологический мир был слишком занят ожесточенным спором, который бушевал вокруг «Происхождения видов», чтобы обратить большое внимание на статью, значение которой для него не было оценено. Открытие Менделя так и не попало в поле зрения Дарвина, было похоронено в малоизвестном периодическом издании и оставалось неизвестным до многих лет после смерти его автора. В 1900 году оно было извлечено на свет и, во многом благодаря работе Бэйтсона, быстро стало известно как один из важнейших вкладов в биологию, сделанных за рассматриваемый период.
Здесь не место подробно описывать суть теории Менделя. Ее сущность заключается, во-первых, в том, что различные характеристики организма в целом наследуются совершенно независимо друг от друга; и, во-вторых, что половые клетки гибрида являются чистыми в отношении любого одного признака, то есть любая одна половая клетка может передать любой единичный признак только в том виде, в каком он был получен от одного или другого родителя, а не в комбинации двух. Это ведет к концепции организма как чего-то вроде мозаики, в которой каждая часть узора передается по наследству независимо от остальных и в которой любая часть не может быть изменена ассоциацией с другим, но соответствующим признаком, полученным от другого предка. Невозможно сказать сейчас, насколько эта концепция полностью отражает природу живого организма, но она оказывает значительное влияние на биологическую мысль, и если она будет установлена, то ознаменует революцию в биологии, едва ли уступающую той, что была вызвана в физике и химии открытием радиоактивности.
Важным следствием прогресса в наших знаниях о наследственности, связанного с работой Менделя и его преемников, является тенденция сомневаться в том, что естественный отбор имеет такое фундаментальное значение в формировании хода эволюции, как предполагалось в годы первого энтузиазма, последовавшего за публикацией «Происхождения».
Дарвин основывал свою теорию естественного отбора на убеждении, которое он почерпнул у селекционеров растений и животных, что тип изменчивости, используемый ими для создания новых пород, — это малые и, по-видимому, неважные различия, которые отличают «хороший» экземпляр от «плохого». Он предполагал, что опытный селекционер выбирал в качестве родителей своего стада тех особей, которые были немного лучше в той или иной черте, и что благодаря кумулятивному эффекту этих последовательных отборов порода не только постоянно улучшалась, но и путем дивергентного отбора создавались новые породы. Опыт показывает, однако, что, хотя этот метод используется для поддержания пород на требуемом уровне, он редко, если вообще когда-либо, является средством, с помощью которого возникают новые породы. Новые породы обычно появляются либо в результате «спорта» или мутации, либо путем скрещивания двух уже различных рас и отбора из гетерогенных потомков скрещивания тех особей, которые демонстрируют требуемую комбинацию признаков. И далее обнаруживается, что большинство отличительных черт различных пород домашних животных и растений наследуются согласно закону Менделя, что предполагает, что каждый из этих признаков является единицей, как один кусок мозаики, независимой от остальных. Теперь легко понять, как отбор малых, непрерывно варьирующихся признаков мог происходить в Природе путем уничтожения всех тех особей, которые не достигали определенного стандарта, но гораздо труднее понять, как естественный отбор мог действовать на сравнительно крупные, спорадические, нескоординированные «спорты». Таким образом, в настоящее время существует явная тенденция рассматривать естественный отбор как менее всемогущий в управлении ходом эволюции, чем предполагалось ранее, но следует признать, что никакой очень удовлетворительной альтернативной гипотезы предложено не было. Некоторые предполагали, что существует своего рода органический импульс, который заставляет эволюцию продолжаться в тех направлениях, в которых она уже шла, в то время как другие постулировали, подобно Бергсону, élan vital (жизненный порыв) как своего рода направляющее агентство. Другие, опять же, вернулись к более старому убеждению в наследственных эффектах окружающей среды — убеждению, которое, несмотря на аргументы Вейсмана и его последователей, никогда не оставалось без своих сторонников. Нынешнее состояние этой части биологии, как и многих других, — это состояние непредвзятости, граничащей с агностицизмом. Существует неудовлетворенность убеждениями, которые удовлетворяли предыдущее поколение и которые преподносились почти как догмы, но нет ясного видения направления, в котором можно искать более верный взгляд.